Chuỗi xoắn kép (Double helix)

Cấu tạo của chuỗi xoắn kép DNA:

Chuỗi xoắn kép DNA được hình thành từ hai chuỗi polynucleotide xoắn quanh một trục tưởng tượng chung. Mỗi chuỗi polynucleotide lại được cấu tạo từ các đơn phân nucleotide liên kết với nhau. Cấu trúc này được ổn định bởi các liên kết và tương tác cụ thể:

• Nucleotide: Mỗi nucleotide bao gồm ba phần: một phân tử đường deoxyribose, một nhóm phosphate (PO₄³⁻) và một trong bốn base nitơ: Adenine (A), Guanine (G), Cytosine (C), và Thymine (T).
• Liên kết Phosphodiester: Các nucleotide được liên kết với nhau bằng liên kết phosphodiester giữa nhóm phosphate của một nucleotide và nhóm hydroxyl (3′-OH) của đường deoxyribose của nucleotide tiếp theo, tạo thành “xương sống” của chuỗi polynucleotide. Liên kết này tạo nên sự định hướng 5′ đến 3′ cho mỗi chuỗi.
• Liên kết Hydrogen và nguyên tắc bắt cặp bổ sung: Hai chuỗi polynucleotide được giữ với nhau bằng liên kết hydrogen giữa các base nitơ. Adenine (A) luôn bắt cặp với Thymine (T) bằng hai liên kết hydrogen, và Guanine (G) luôn bắt cặp với Cytosine (C) bằng ba liên kết hydrogen (A=T và G≡C). Nguyên tắc bắt cặp bổ sung này đảm bảo tính đặc hiệu và ổn định của chuỗi xoắn kép.
• Chiều ngược chiều: Hai chuỗi polynucleotide trong chuỗi xoắn kép chạy theo chiều ngược nhau, tức là ngược chiều kim đồng hồ. Một chuỗi chạy theo chiều 5′ đến 3′, trong khi chuỗi kia chạy theo chiều 3′ đến 5′. Các số 5′ và 3′ đề cập đến vị trí của các nguyên tử carbon trong phân tử đường deoxyribose.
• Các rãnh lớn và rãnh nhỏ: Cấu trúc xoắn kép tạo ra hai rãnh, rãnh lớn và rãnh nhỏ, giữa hai xương sống phosphate-đường. Các rãnh này cho phép protein tương tác với DNA, đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa biểu hiện gene và các quá trình sinh học khác.

Tầm quan trọng của chuỗi xoắn kép

Cấu trúc chuỗi xoắn kép của DNA đóng vai trò then chốt trong việc lưu trữ, sao chép và truyền đạt thông tin di truyền, qua đó duy trì sự sống và tiến hóa.

• Lưu trữ thông tin di truyền: Trình tự các base nitơ (A, T, G, C) trong chuỗi xoắn kép DNA mã hóa thông tin di truyền. Chính xác hơn, trình tự này quy định trình tự amino acid trong protein, từ đó quyết định các đặc điểm và chức năng của sinh vật.
• Sao chép DNA: Cấu trúc chuỗi xoắn kép cho phép DNA tự sao chép một cách chính xác, đảm bảo thông tin di truyền được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác. Việc tách hai chuỗi tạo ra khuôn mẫu cho việc tổng hợp hai chuỗi mới, bổ sung cho chuỗi khuôn mẫu theo nguyên tắc bắt cặp bổ sung. Cơ chế này đảm bảo tính chính xác trong quá trình sao chép.
• Phiên mã và dịch mã: Thông tin di truyền được mã hóa trong DNA được phiên mã thành RNA. Sau đó, RNA được dịch mã thành protein, thực hiện các chức năng sinh học trong tế bào.

Khám phá ra chuỗi xoắn kép

Cấu trúc chuỗi xoắn kép của DNA được James Watson và Francis Crick khám phá vào năm 1953, dựa trên công trình nghiên cứu nhiễu xạ tia X của Rosalind Franklin và Maurice Wilkins. Khám phá này là một bước đột phá trong sinh học phân tử và đã cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về sự sống, mở ra kỷ nguyên mới cho nghiên cứu di truyền và sinh học phân tử.

Các biến thể cấu trúc của DNA

Mặc dù cấu trúc “B-DNA” được mô tả ở trên là dạng phổ biến nhất trong điều kiện sinh lý bình thường, DNA cũng có thể tồn tại ở các dạng khác như A-DNA (trong môi trường mất nước) và Z-DNA (có thể liên quan đến điều hòa biểu hiện gene), với các hình dạng và đặc điểm xoắn hơi khác nhau. Sự tồn tại của các dạng cấu trúc này cho thấy tính linh hoạt của phân tử DNA và khả năng thích nghi với các điều kiện môi trường khác nhau.

Chuỗi xoắn kép là một cấu trúc tinh vi và hiệu quả để lưu trữ và truyền thông tin di truyền. Sự hiểu biết về cấu trúc và chức năng của nó là nền tảng cho nhiều lĩnh vực nghiên cứu, bao gồm di truyền học, sinh học phân tử và y học.

Biến tính và hồi tính

Chuỗi xoắn kép DNA có thể bị biến tính, tức là hai chuỗi tách rời nhau, do các yếu tố như nhiệt độ cao, pH cao hoặc sự hiện diện của các hóa chất nhất định. Quá trình này phá vỡ các liên kết hydrogen giữa các base nitơ. Khi các điều kiện trở lại bình thường, hai chuỗi có thể tái kết hợp với nhau trong một quá trình gọi là hồi tính.

Siêu xoắn

Trong tế bào, DNA thường tồn tại ở dạng siêu xoắn. Đây là dạng xoắn của chuỗi xoắn kép lên chính nó, giống như một sợi dây bị xoắn quá mức. Siêu xoắn giúp nén DNA và điều chỉnh sự biểu hiện gen. Có hai loại siêu xoắn: siêu xoắn dương (xoắn cùng chiều với chuỗi xoắn kép) và siêu xoắn âm (xoắn ngược chiều với chuỗi xoắn kép). Enzyme topoisomerase đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh siêu xoắn DNA.

Tương tác với protein

Nhiều protein tương tác với DNA để thực hiện các chức năng quan trọng như sao chép, phiên mã, sửa chữa DNA và điều hòa gen. Các protein này thường nhận diện và liên kết với các trình tự DNA cụ thể trong rãnh lớn hoặc rãnh nhỏ của chuỗi xoắn kép.

Ứng dụng trong công nghệ sinh học

Sự hiểu biết về cấu trúc và tính chất của chuỗi xoắn kép DNA đã dẫn đến nhiều ứng dụng trong công nghệ sinh học, bao gồm:

• PCR (Polymerase Chain Reaction): Kỹ thuật nhân bản DNA in vitro.
• Southern blotting: Kỹ thuật phát hiện một trình tự DNA cụ thể trong một mẫu DNA.
• Sắp xếp DNA (DNA sequencing): Xác định trình tự các base nitơ trong một phân tử DNA.
• Liệu pháp gen: Sử dụng DNA để điều trị bệnh.

DNA so với RNA

Mặc dù cả DNA và RNA đều là axit nucleic, chúng có một số điểm khác biệt quan trọng:

• Đường: DNA chứa deoxyribose, trong khi RNA chứa ribose.
• Base nitơ: DNA sử dụng thymine (T), trong khi RNA sử dụng uracil (U).
• Cấu trúc: DNA thường tồn tại dưới dạng chuỗi xoắn kép, trong khi RNA thường là chuỗi đơn. Tuy nhiên, RNA cũng có thể tạo thành các cấu trúc xoắn phức tạp, ví dụ như cấu trúc tRNA, rRNA.

• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science; 2002.
• Watson JD, Crick FH. Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature. 1953 Apr 25;171(4356):737-8.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao cấu trúc chuỗi xoắn kép lại quan trọng đối với chức năng của DNA?

Trả lời: Cấu trúc chuỗi xoắn kép rất quan trọng vì một số lý do:

• Sao chép: Cấu trúc cho phép dễ dàng sao chép bằng cách tách hai chuỗi và sử dụng mỗi chuỗi làm khuôn mẫu cho một chuỗi mới.
• Lưu trữ thông tin: Trình tự các base nitơ (A, T, G, C) dọc theo xương sống của DNA mã hóa thông tin di truyền.
• Ổn định: Cấu trúc xoắn kép, với các base được bảo vệ bên trong và xương sống phosphate-đường ở bên ngoài, tạo ra một phân tử ổn định hơn so với chuỗi đơn. Liên kết hydrogen giữa các base cũng góp phần vào sự ổn định này.

Làm thế nào các protein tương tác với chuỗi xoắn kép DNA mà không làm phá vỡ cấu trúc của nó?

Trả lời: Nhiều protein tương tác với DNA thông qua các rãnh lớn và rãnh nhỏ của chuỗi xoắn kép. Chúng có thể “đọc” trình tự DNA mà không cần phải tách hai chuỗi. Một số protein liên kết với các rãnh này thông qua các liên kết hydrogen hoặc tương tác tĩnh điện với các base nitơ hoặc xương sống phosphate-đường, trong khi những protein khác có thể chèn các phần của cấu trúc của chúng vào các rãnh.

Sự khác biệt giữa siêu xoắn dương và siêu xoắn âm là gì và chúng ảnh hưởng đến chức năng của DNA như thế nào?

Trả lời: Siêu xoắn dương xảy ra khi DNA được xoắn thêm theo hướng xoắn của chuỗi xoắn kép, làm cho nó chặt chẽ hơn. Siêu xoắn âm xảy ra khi DNA được xoắn theo hướng ngược lại, làm cho nó lỏng lẻo hơn. Siêu xoắn ảnh hưởng đến khả năng DNA tương tác với các protein khác và cũng có thể ảnh hưởng đến quá trình sao chép và phiên mã.

Nếu DNA chỉ gồm 4 base nitơ, làm thế nào nó có thể mã hóa cho sự đa dạng to lớn của sự sống?

Trả lời: Mặc dù chỉ có 4 base (A, T, G, C), sự sắp xếp của chúng theo trình tự dọc theo chuỗi DNA tạo ra một lượng lớn các tổ hợp có thể. Giống như bảng chữ cái chỉ có 26 chữ cái nhưng có thể tạo ra vô số từ, 4 base của DNA có thể được sắp xếp thành vô số trình tự, mỗi trình tự mã hóa cho một thông tin di truyền khác nhau.

Tại sao việc hiểu về chuỗi xoắn kép DNA lại quan trọng trong y học?

Trả lời: Hiểu về cấu trúc và chức năng của DNA là nền tảng cho nhiều tiến bộ y học. Ví dụ: việc xác định các đột biến gen gây bệnh, phát triển các loại thuốc nhắm mục tiêu vào các trình tự DNA cụ thể, và liệu pháp gen, tất cả đều dựa trên kiến thức về chuỗi xoắn kép DNA.