Axit nucleic (Nucleic acid)

Cấu trúc

Axit nucleic là các polymer được cấu tạo từ các monomer gọi là nucleotide. Mỗi nucleotide gồm ba thành phần:

• Một base nitơ: Có hai loại base nitơ: purine (adenine (A) và guanine (G)) và pyrimidine (cytosine (C), thymine (T) trong DNA và uracil (U) trong RNA).
• Một đường pentose (đường 5 carbon): deoxyribose trong DNA và ribose trong RNA. Sự khác biệt giữa hai loại đường này nằm ở nguyên tử C số 2: deoxyribose thiếu một nguyên tử oxy so với ribose. Sự khác biệt này được phản ánh trong tên gọi của chúng: “deoxy” nghĩa là thiếu oxy.
• Một nhóm phosphate (PO$ _4^{3-} $): Liên kết với đường pentose.

Các nucleotide liên kết với nhau thông qua liên kết phosphodiester giữa nhóm phosphate của một nucleotide và nhóm hydroxyl (OH) ở vị trí 3′ của đường pentose của nucleotide tiếp theo. Sự liên kết này tạo thành chuỗi polynucleotide với một “xương sống” đường-phosphate và các base nitơ nhô ra. Chuỗi polynucleotide này có tính phân cực, với một đầu 5′ (đầu mang nhóm phosphate) và một đầu 3′ (đầu mang nhóm hydroxyl).

DNA (Axit Deoxyribonucleic)

• Cấu trúc xoắn kép: DNA thường tồn tại dưới dạng xoắn kép, gồm hai chuỗi polynucleotide xoắn quanh nhau theo chiều ngược chiều kim đồng hồ. Cấu trúc này còn được gọi là xoắn kép alpha.
• Liên kết hydro: Hai chuỗi được giữ với nhau bằng liên kết hydro giữa các base nitơ. A luôn bắt cặp với T (hai liên kết hydro) và G luôn bắt cặp với C (ba liên kết hydro). Nguyên tắc bắt cặp bổ sung này (A-T, G-C) là nền tảng cho việc sao chép và truyền đạt thông tin di truyền. Tính bổ sung này đảm bảo rằng khi DNA được sao chép, mỗi chuỗi mới sẽ giống hệt chuỗi gốc.
• Chức năng: DNA mang thông tin di truyền, quyết định các đặc điểm của sinh vật. Thông tin này được mã hóa trong trình tự các base nitơ. Trình tự này được gọi là mã di truyền, và nó quy định trình tự axit amin trong protein.

RNA (Axit Ribonucleic)

• Cấu trúc mạch đơn: RNA thường tồn tại dưới dạng mạch đơn, mặc dù có thể gập lại tạo thành các cấu trúc phức tạp. Sự gập lại này có thể tạo ra các vùng bắt cặp base bổ sung bên trong phân tử RNA, góp phần vào chức năng của nó.
• Uracil thay thế Thymine: RNA sử dụng uracil (U) thay cho thymine (T). U cũng bắt cặp với A thông qua hai liên kết hydro.
• Các loại RNA: Có nhiều loại RNA khác nhau, mỗi loại có một chức năng riêng biệt:
  • mRNA (messenger RNA): Mang thông tin di truyền từ DNA đến ribosome để tổng hợp protein.
  • tRNA (transfer RNA): Vận chuyển axit amin đến ribosome trong quá trình tổng hợp protein.
  • rRNA (ribosomal RNA): Là thành phần cấu tạo của ribosome. rRNA đóng vai trò xúc tác trong quá trình tổng hợp protein.
  • Các loại RNA khác: Có nhiều loại RNA khác tham gia vào điều hòa gen và các quá trình tế bào khác. Ví dụ như snRNA (small nuclear RNA) tham gia vào quá trình xử lý mRNA, và miRNA (micro RNA) tham gia vào điều hòa biểu hiện gen.

Chức năng của Axit Nucleic

• Lưu trữ thông tin di truyền: DNA lưu trữ thông tin di truyền dưới dạng trình tự các base nitơ.
• Truyền đạt thông tin di truyền: Thông tin di truyền được truyền từ DNA sang RNA và từ RNA sang protein. Quá trình này được gọi là dogma trung tâm của sinh học phân tử.
• Biểu hiện gen: Quá trình biểu hiện gen biến đổi thông tin di truyền thành các sản phẩm chức năng, chủ yếu là protein.
• Xúc tác: Một số RNA có hoạt tính xúc tác, được gọi là ribozyme.

Axit nucleic là những phân tử quan trọng mang và truyền đạt thông tin di truyền. DNA lưu trữ thông tin này, trong khi RNA đóng nhiều vai trò khác nhau trong việc biểu hiện gen. Sự hiểu biết về cấu trúc và chức năng của axit nucleic là nền tảng cho sự hiểu biết về sinh học phân tử và di truyền học.

Sao chép DNA

Để đảm bảo thông tin di truyền được truyền đạt chính xác qua các thế hệ tế bào, DNA phải được sao chép một cách chính xác. Quá trình sao chép DNA diễn ra theo cơ chế bán bảo tồn, nghĩa là mỗi phân tử DNA mới được tạo ra sẽ gồm một mạch cũ từ DNA ban đầu và một mạch mới được tổng hợp. Enzyme DNA polymerase đóng vai trò quan trọng trong việc xúc tác quá trình tổng hợp mạch DNA mới bằng cách thêm các nucleotide vào mạch đang phát triển theo nguyên tắc bắt cặp bổ sung (A-T, G-C). Quá trình này diễn ra trong nhân tế bào ở sinh vật nhân thực.

Phiên mã

Phiên mã là quá trình tổng hợp RNA từ khuôn mẫu DNA. Enzyme RNA polymerase chịu trách nhiệm xúc tác quá trình này. RNA polymerase liên kết với một vùng đặc biệt trên DNA gọi là promoter và bắt đầu tổng hợp mạch RNA theo hướng 5′ đến 3′. Trình tự base nitơ của RNA được xác định bởi trình tự base nitơ của mạch khuôn DNA, tuân theo nguyên tắc bắt cặp bổ sung, với uracil (U) thay thế thymine (T) trong RNA. Sản phẩm của quá trình phiên mã là một phân tử RNA, có thể là mRNA, tRNA, rRNA hoặc các loại RNA khác.

Dịch mã

Dịch mã là quá trình tổng hợp protein từ khuôn mẫu mRNA. Quá trình này diễn ra tại ribosome. mRNA mang thông tin di truyền dưới dạng các codon, mỗi codon gồm ba nucleotide và mã hóa cho một axit amin cụ thể. tRNA đóng vai trò vận chuyển các axit amin đến ribosome và ghép chúng vào chuỗi polypeptide đang phát triển theo trình tự codon trên mRNA. Kết quả của quá trình dịch mã là một chuỗi polypeptide, sau đó sẽ được gập lại để tạo thành protein có chức năng.

Đột biến

Đột biến là những thay đổi trong trình tự DNA. Đột biến có thể xảy ra tự nhiên hoặc do tác động của các yếu tố môi trường như tia UV hoặc hóa chất. Đột biến có thể ảnh hưởng đến chức năng của gen và dẫn đến các bệnh di truyền. Một số loại đột biến phổ biến bao gồm:

• Đột biến điểm: Thay đổi một base nitơ duy nhất. Điều này có thể dẫn đến thay đổi axit amin trong protein (đột biến sai nghĩa), hoặc không làm thay đổi axit amin (đột biến im lặng). Một loại đột biến điểm khác là đột biến vô nghĩa, tạo ra codon kết thúc sớm, dẫn đến protein ngắn hơn.
• Đột biến lệch khung: Chèn hoặc mất một hoặc hai base nitơ, làm thay đổi khung đọc của mRNA. Điều này thường dẫn đến protein không có chức năng.
• Đột biến mất đoạn: Mất một đoạn DNA.
• Đột biến lặp đoạn: Lặp lại một đoạn DNA.

Công nghệ DNA tái tổ hợp

Công nghệ DNA tái tổ hợp cho phép các nhà khoa học thao tác và sửa đổi DNA. Công nghệ này có nhiều ứng dụng trong y học, nông nghiệp và công nghiệp, bao gồm:

• Sản xuất insulin người bằng vi khuẩn.
• Tạo ra cây trồng kháng sâu bệnh.
• Chẩn đoán và điều trị các bệnh di truyền. Ví dụ như liệu pháp gen, sử dụng vector virus để đưa gen bình thường vào tế bào bệnh.

• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science; 2002.
• Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Molecular Cell Biology. 4th edition. New York: W. H. Freeman; 2000.
• Watson JD, Crick FH. Molecular structure of nucleic acids. Nature. 1953 Apr 25;171(4356):737-8.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài DNA và RNA, còn có loại axit nucleic nào khác tồn tại trong tự nhiên hay được tổng hợp nhân tạo không?

Trả lời: Mặc dù DNA và RNA là hai loại axit nucleic chính được tìm thấy trong hầu hết các sinh vật sống, các nhà khoa học đã tổng hợp được một số axit nucleic nhân tạo, ví dụ như axit nucleic peptide (PNA), axit nucleic khóa (LNA), và axit nucleic threose (TNA). Những axit nucleic nhân tạo này có cấu trúc xương sống khác với DNA và RNA và được nghiên cứu về tiềm năng ứng dụng trong liệu pháp gen và công nghệ nano.

Cơ chế nào đảm bảo tính chính xác cao trong quá trình sao chép DNA và phiên mã?

Trả lời: Tính chính xác cao trong sao chép DNA được đảm bảo bởi hoạt động hiệu đính của DNA polymerase, enzyme này có thể phát hiện và sửa chữa các lỗi bắt cặp base. Trong phiên mã, RNA polymerase cũng có một số cơ chế kiểm soát, tuy nhiên, quá trình này nhìn chung ít chính xác hơn sao chép DNA. Các cơ chế sửa lỗi sau phiên mã và kiểm soát chất lượng protein cũng góp phần đảm bảo biểu hiện gen chính xác.

Làm thế nào mà thông tin di truyền được “đóng gói” hiệu quả trong nhân tế bào?

Trả lời: DNA được đóng gói rất hiệu quả trong nhân tế bào nhờ sự kết hợp với các protein histone. DNA quấn quanh các histone tạo thành cấu trúc nucleosome, sau đó được cuộn xoắn và nén chặt thành nhiễm sắc thể. Sự đóng gói này không chỉ giúp chứa đựng lượng DNA khổng lồ trong nhân mà còn điều chỉnh sự biểu hiện gen.

Epigenetics ảnh hưởng đến biểu hiện gen như thế nào mà không làm thay đổi trình tự DNA?

Trả lời: Epigenetics liên quan đến những thay đổi trong biểu hiện gen mà không làm thay đổi trình tự DNA. Những thay đổi này thường liên quan đến sự biến đổi hóa học của DNA (như methyl hóa) hoặc protein histone (như acetyl hóa, methyl hóa). Các biến đổi này có thể ảnh hưởng đến cấu trúc chromatin và khả năng tiếp cận của các yếu tố phiên mã, từ đó điều chỉnh hoạt động của gen.

Ứng dụng của công nghệ DNA tái tổ hợp trong y học hiện đại là gì?

Trả lời: Công nghệ DNA tái tổ hợp có rất nhiều ứng dụng trong y học hiện đại, bao gồm sản xuất thuốc (ví dụ insulin, hormone tăng trưởng), liệu pháp gen (sửa chữa các gen bị lỗi), phát triển vaccine (vaccine DNA và RNA), chẩn đoán bệnh (PCR), và liệu pháp miễn dịch ung thư (CAR T-cell therapy). Công nghệ này đang tiếp tục được phát triển và hứa hẹn mang lại nhiều tiến bộ y học đột phá trong tương lai.