Trong bài viết này, hãy cùng Thuonghieuviet tìm hiểu về cấu tạo hóa học, cấu trúc không gian, chức năng và vai trò của ADN trong sinh học và di truyền học, giải đáp câu hỏi ADN Được Cấu Tạo Theo Nguyên Tắc Nào?
AND là gì?
ADN (axit deoxiribonucleic) là một loại axit nucleic có vai trò quan trọng trong lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền trong tế bào sống. ADN được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân và gồm nhiều đơn phân. Mỗi đơn phân của ADN gồm một chuỗi nucleotit. Nucleotit là một đơn vị cấu trúc cơ bản của ADN, bao gồm một phân tử đường ribozơ liên kết với một phân tử nucleobazơ và một phân tử acid phosphoric.
Trong ADN, có tổng cộng 4 loại nucleobazơ: ađenin (A), timin (T), cytozin © và guanin (G). Nguyên tắc đa phân của ADN cho rằng, đường ribozơ và acid phosphoric tạo thành lưng xương của chuỗi ADN, trong khi các nucleobazơ nằm ở giữa và tạo thành các cặp gắn kết thông qua liên kết hidrogen.
Cấu tạo hóa học của AND- ADN Được Cấu Tạo Theo Nguyên Tắc Nào?
ADN là một axit nucleic, cấu tạo từ các nguyên tố: C, H, O, N và P. Các nguyên tử này kết hợp với nhau theo các tỉ lệ nhất định để tạo thành các phân tử lớn hơn. Các phân tử lớn hơn này được gọi là nuclêôtit. Nuclêôtit là đơn phân của ADN, có thể coi là những khối xây dựng để tạo nên chuỗi ADN.
Mỗi nuclêôtit gồm 3 thành phần chính:
- Đường ribozơ: Là một loại đường đơn giản có công thức phân tử là C5H10O4. Đường ribozơ có dạng vòng năm cạnh, trong đó có 4 nguyên tử carbon và 1 nguyên tử oxy. Trong ADN, đường ribozơ có một nhóm hydro bị thay thế bởi một nguyên tử hydro khác ở vị trí 2\‘, do đó được gọi là đường ribozơ 2\’-deoxyribose.
- Nucleobazơ: Là một loại phân tử hữu cơ có chứa nitơ, có khả năng liên kết với các nuclêôtit khác thông qua liên kết hidrogen. Trong ADN, có 4 loại nucleobazơ: adenin (A), timin (T), cytozin © và guanin (G). Adenin và guanin thuộc nhóm purin, có dạng vòng kép gồm 6 nguyên tử carbon và nitơ. Timin và cytozin thuộc nhóm pyrimidin, có dạng vòng đơn gồm 4 nguyên tử carbon và nitơ.
- Acid phosphoric: Là một loại axit không hữu cơ có công thức phân tử là H3PO4. Acid phosphoric có khả năng liên kết với các nuclêôtit khác thông qua liên kết ester.
Các thành phần của nuclêôtit liên kết với nhau theo sơ đồ sau:
Trong sơ đồ trên, R là gốc của nucleobazơ, có thể là A, T, C hoặc G. Đường ribozơ liên kết với nucleobazơ ở vị trí 1\’ thông qua liên kết N-glycosidic. Đường ribozơ liên kết với acid phosphoric ở vị trí 5\’ thông qua liên kết ester. Nuclêôtit được đặt tên theo tên của nucleobazơ, ví dụ: nuclêôtit adenin, nuclêôtit timin, v.v.
Cấu trúc không gian của AND
ADN có cấu trúc không gian dạng xoắn kép, được phát hiện bởi hai nhà khoa học James Watson và Francis Crick vào năm 1953. Cấu trúc xoắn kép của ADN được tạo thành do sự liên kết giữa hai chuỗi nuclêôtit song song ngược chiều nhau. Hai chuỗi nuclêôtit này được gọi là mạch gốc và mạch bổ sung.
Mạch gốc là mạch có chiều từ 5\’ đến 3\‘, trong đó đầu 5\’ có một nhóm phosphat tự do và đầu 3\’ có một nhóm hydroxyl tự do và đầu 3\’ có một nhóm hydroxyl tự do. Mạch bổ sung là mạch có chiều từ 3\’ đến 5\‘, trong đó đầu 3\’ có một nhóm phosphat tự do và đầu 5\’ có một nhóm hydroxyl tự do. Hai mạch này liên kết với nhau thông qua các liên kết hidrogen giữa các nucleobazơ. Các cặp nucleobazơ phù hợp với nhau theo nguyên tắc bổ sung: A kết hợp với T, C kết hợp với G. Mỗi cặp nucleobazơ tạo thành một bậc thang trong cấu trúc xoắn kép của ADN.
Cấu trúc xoắn kép của ADN có dạng xoắn ốc, trong đó mỗi vòng xoắn gồm 10 cặp nucleobazơ. Khoảng cách giữa hai vòng xoắn là 0,34 nanomet (nm), đường kính của ADN là 2 nm và chu vi của mỗi vòng xoắn là 3,4 nm. Cấu trúc xoắn kép của ADN có hai rãnh: rãnh lớn và rãnh nhỏ. Rãnh lớn có chiều rộng khoảng 2,2 nm và rãnh nhỏ có chiều rộng khoảng 1,2 nm. Các rãnh này cho phép các phân tử khác nhận biết và liên kết với các nucleobazơ của ADN.
Chức năng và vai trò của ADN
ADN có hai chức năng chính là lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền.
- Lưu trữ thông tin di truyền: ADN chứa toàn bộ thông tin di truyền của một sinh vật, quy định cho các đặc tính hình thái, sinh lý, sinh học và hành vi của sinh vật đó. Thông tin di truyền được mã hóa bằng các chuỗi nucleobazơ theo một quy luật nhất định, được gọi là mã di truyền. Mã di truyền là một hệ thống mã hóa dựa trên ba nucleobazơ liên tiếp, được gọi là codon. Mỗi codon tương ứng với một loại axit amin hoặc một lệnh kết thúc trong quá trình tổng hợp protein. Có tổng cộng 64 codon khác nhau, trong đó có 61 codon mã hóa cho 20 loại axit amin khác nhau và 3 codon là lệnh kết thúc (UAA, UAG và UGA). Bảng sau đây thể hiện mã di truyền:
| Codon | Axit amin | Codon | Axit amin | Codon | Axit amin | Codon | Axit amin |
| UUU | Phenylalanin (F) | UCU | Serin (S) | UAU | Tyrosin (Y) | UGU | Cystein © |
| UUC | Phenylalanin (F) | UCC | Serin (S) | UAC | Tyrosin (Y) | UGC | Cystein © |
| UUA | Leucin (L) | UCA | Serin (S) | UAA | Kết thúc | UGA | Kết thúc |
| UUG | Leucin (L) | UCG | Serin (S) | UAG | Kết thúc | UGG | Tryptophan (W) |
| CUU | Leucin (L) | CCU | Prolin (P) | CAU | Histidin (H) | CGU | Arginin ® |
| CUC | Leucin (L) | CCC | Prolin (P) | CAC | Histidin (H) | CGC | Arginin ® |
| CUA | Leucin (L) | CCA | Prolin (P) | CAA | Glutamin (Q) | CGA | Arginin ® |
| CUG | Leucin (L) | CCG | Prolin (P) | CAG | Glutamin (Q) | CGG | Arginin ® |
| AUU | Isoleucin (I) | ACU | Threonin (T) | AAU | Asparagin (N) | AGU | Serin (S) |
| AUC | Isoleucin (I) | ACC | Threonin (T) | AAC | Asparagin (N) | AGC | Serin (S) |
| AUA | Isoleucin (I) | ACA | Threonin (T) | AAA | Lysin (K) | AGA | Arginin ® |
| AUG | Methionin (M) | ACG | Threonin (T) | AAG | Lysin (K) | AGG | Arginin ® |
| GUU | Valin (V) | GCU | Alanin (A) | GAU | Aspartat (D) | GGU | Glycin (G) |
| GUC | Valin (V) | GCC | Alanin (A) | GAC | Aspartat (D) |
- Truyền đạt thông tin di truyền:
ADN có khả năng sao chép chính nó để tạo ra các bản sao giống hệt nhau, đảm bảo sự ổn định và liên tục của thông tin di truyền trong quá trình phân bào và phát triển của sinh vật. Quá trình sao chép ADN được gọi là nhân đôi ADN, diễn ra trong nhân tế bào trước khi phân bào. Trong quá trình nhân đôi ADN, cấu trúc xoắn kép của ADN được mở ra thành hai mạch đơn, mỗi mạch đơn làm khuôn mẫu cho sự hình thành của một mạch mới bổ sung với nó. Kết quả là có hai cấu trúc xoắn kép mới, mỗi cấu trúc gồm một mạch gốc và một mạch mới. Quá trình này được gọi là nhân đôi bán bảo tồn, vì mỗi cấu trúc mới giữ lại một nửa của cấu trúc ban đầu.
ADN cũng có khả năng chuyển hóa thông tin di truyền thành các sản phẩm chức năng của tế bào, chủ yếu là các protein. Quá trình chuyển hóa thông tin di truyền được gọi là biểu hiện gen, gồm hai giai đoạn: sao mã và dịch mã.
- Sao mã:
Là quá trình tạo ra một loại axit nucleic khác từ ADN, gọi là ARN (axit ribonucleic). ARN có cấu tạo tương tự như ADN, nhưng có một số khác biệt: ARN có đường ribozơ thay vì đường ribozơ 2\’-deoxyribose, ARN có nucleobazơ uracil (U) thay vì timin (T), và ARN thường chỉ có một chuỗi nuclêôtit thay vì hai chuỗi.
Có nhiều loại ARN khác nhau, nhưng loại quan trọng nhất trong quá trình sao mã là ARN thông tin (ARNm). ARNm là loại ARN chứa thông tin di truyền từ ADN để tổng hợp protein. Quá trình sao mã diễn ra trong nhân tế bào, do sự tham gia của các enzyme gọi là ARN polymerase. Trong quá trình sao mã, ARN polymerase liên kết với một đoạn ADN gọi là vùng điều khiển gen, rồi tiến dọc theo một trong hai mạch của ADN, gọi là mạch khuôn.
Mạch khuôn là mạch có chuỗi nucleobazơ tương ứng với chuỗi protein cần tổng hợp. ARN polymerase đọc các nucleobazơ của mạch khuôn và ghép các nuclêôtit phù hợp vào chuỗi ARNm theo nguyên tắc bổ sung: A kết hợp với U, T kết hợp với A, C kết hợp với G và G kết hợp với C. Quá trình sao mã kết thúc khi ARN polymerase gặp một dãy nucleobazơ gọi là dấu hiệu kết thúc. Kết quả là có một chuỗi ARNm mang thông tin di truyền từ ADN.
- Dịch mã: Là quá trình tạo ra protein từ ARNm.
Protein là các phân tử lớn, cấu tạo từ các chuỗi axit amin liên kết với nhau bằng các liên kết peptit. Có 20 loại axit amin khác nhau, mỗi loại có một nhóm chức đặc trưng. Thứ tự của các axit amin trong chuỗi protein quyết định cấu trúc và chức năng của protein. Quá trình dịch mã diễn ra ngoài nhân tế bào, trong các cấu trúc gọi là ribozom. Ribozom là những phân tử phức tạp, gồm hai đơn vị lớn và nhỏ, cấu tạo từ ARN và protein. Ribozom có khả năng đọc thông tin di truyền từ ARNm và ghép các axit amin phù hợp vào chuỗi protein.
Trong quá trình dịch mã, ribozom liên kết với đầu 5\’ của ARNm, rồi tiến dọc theo chuỗi ARNm, đọc từng codon một. Mỗi codon tương ứng với một loại axit amin hoặc một lệnh kết thúc. Để ghép các axit amin vào chuỗi protein, ribozom cần sự trợ giúp của một loại ARN khác, gọi là ARN chuyển (ARNt).
ARNt là loại ARN có dạng chữ L, có hai đầu quan trọng: đầu mang axit amin và đầu mang anticodon. Anticodon là một dãy ba nucleobazơ trên ARNt, phù hợp với codon trên ARNm theo nguyên tắc bổ sung. Khi ribozom đọc được một codon trên ARNm, nó sẽ tìm kiếm một ARNt có anticodon tương ứng và mang axit amin cần thiết. Sau đó, ribozom sẽ ghép axit amin đó vào chuỗi protein thông qua liên kết peptit. Quá trình dịch mã kết thúc khi ribozom gặp một codon kết thúc (UAA, UAG hoặc UGA). Kết quả là có một chuỗi protein mang thông tin di truyền từ ADN.
ADN có vai trò rất quan trọng trong sinh học và di truyền học, vì nó là nguồn gốc của sự đa dạng và thích nghi của các sinh vật. ADN cũng là đối tượng nghiên cứu của nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau, như công nghệ sinh học, y học phân tử, di truyền học phân tử, v.v.
Kết luận
ADN là một loại axit nucleic có cấu tạo theo nguyên tắc đa phân và gồm nhiều nuclêôtit. Mỗi nuclêôtit gồm một phân tử đường ribozơ 2\’-deoxyribose, một phân tử nucleobazơ (A, T, C hoặc G) và một phân tử acid phosphoric. ADN có cấu trúc không gian dạng xoắn kép, được tạo thành do sự liên kết giữa hai chuỗi nuclêôtit song song ngược chiều nhau. Hai chuỗi này liên kết với nhau thông qua các liên kết hidrogen giữa các cặp nucleobazơ bổ sung (A-T và C-G). ADN có hai chức năng chính là lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền.
ADN lưu trữ thông tin di truyền bằng các chuỗi nucleobazơ theo mã di truyền. ADN sao chép chính nó để tạo ra các bản sao giống hệt nhau, đảm bảo sự ổn định và liên tục của thông tin di truyền. ADN chuyển hóa thông tin di truyền thành các sản phẩm chức năng của tế bào, chủ yếu là các protein, thông qua quá trình biểu hiện gen. Quá trình biểu hiện gen gồm hai giai đoạn: sao mã và dịch mã. Trong sao mã, ADN tạo ra ARNm mang thông tin di truyền từ ADN. Trong dịch mã, ribozom đọc thông tin di truyền từ ARNm và ghép các axit amin phù hợp vào chuỗi protein.
ADN có vai trò rất quan trọng trong sinh học và di truyền học, vì nó là nguồn gốc của sự đa dạng và thích nghi của các sinh vật. ADN cũng là đối tượng nghiên cứu của nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau, như công nghệ sinh học, y học phân tử, di truyền học phân tử, v.v.
Thuonghieuviet hi vọng qua bài viết trên bạn đọc đã hiểu rõ hơn ADN Được Cấu Tạo Theo Nguyên Tắc Nào? Chúc bạn học tập tốt!
