Đặc điểm của axit nucleic

NộI Dung

• Đặc điểm chung của DNA
• Đặc điểm chung của RNA
• Các cơ sở nitơ
• Phiên âm và dịch thuật
• Từ sợi DNA đến nhiễm sắc thể
• Axit nucleic và sự xuất hiện của sự sống
• Liệu pháp y tế

Các axit nucleic quan trọng trong tự nhiên bao gồm axit deoxyribonucleic, hoặc DNA và axit ribonucleic hoặc RNA. Chúng được gọi là axit vì chúng là các nhà tài trợ proton (tức là nguyên tử hydro), và do đó chúng mang điện tích âm.

Về mặt hóa học, DNA và RNA là các polyme, có nghĩa là chúng bao gồm các đơn vị lặp lại, thường là một số lượng rất lớn trong số chúng. Những đơn vị này được gọi là nucleotide. Tất cả các nucleotide lần lượt bao gồm ba phần hóa học riêng biệt: một đường pentose, một nhóm phốt phát và một cơ sở nitơ.

DNA khác với RNA theo ba cách chính. Một là, đường tạo nên "xương sống" cấu trúc của phân tử axit nucleic là deoxyribose, trong khi ở RNA, nó là ribose. Nếu bạn hoàn toàn quen thuộc với danh pháp hóa học, bạn sẽ nhận ra rằng đây là một sự khác biệt nhỏ trong sơ đồ cấu trúc tổng thể; ribose có bốn nhóm hydroxyl (-OH), trong khi deoxyribose có ba nhóm.

Sự khác biệt thứ hai là trong khi một trong bốn bazơ nitơ có trong DNA là thymine, thì bazơ tương ứng trong RNA là uracil. Các bazơ nitơ của axit nucleic là những gì quyết định các đặc tính cuối cùng của các phân tử này, bởi vì các phần phốt phát và đường không thay đổi trong hoặc giữa các phân tử cùng loại.

Cuối cùng, DNA có chuỗi kép, nghĩa là nó bao gồm hai chuỗi nucleotide dài liên kết hóa học bởi hai bazơ nitơ. DNA được nối thành hình "xoắn kép", giống như một cái thang linh hoạt xoắn theo hai hướng ngược nhau ở hai đầu.

Đặc điểm chung của DNA

Deoxyribose bao gồm một vòng năm nguyên tử, bốn nguyên tử cacbon và oxy, có hình dạng như một hình ngũ giác hoặc có lẽ là đĩa nhà trong bóng chày. Bởi vì carbon hình thành bốn liên kết và oxy hai, điều này để lại tám vị trí liên kết tự do trên bốn nguyên tử carbon, hai trên mỗi carbon, một ở trên và một bên dưới vòng. Ba trong số các điểm này được chiếm bởi các nhóm hydroxyl (-OH) và năm điểm được tuyên bố bởi các nguyên tử hydro.

Phân tử đường này có thể liên kết với một trong bốn bazơ nitơ: adenine, cytosine, guanine và thymine. Adenine (A) và guanine (G) là purin, trong khi cytosine (C) và thymine (T) là pyrimidine. Purin là các phân tử lớn hơn pyrimidine; bởi vì hai sợi của bất kỳ phân tử DNA hoàn chỉnh nào bị ràng buộc ở giữa bởi các bazơ nitơ của chúng, các liên kết này phải hình thành giữa một purine và một pyrimidine để giữ cho tổng kích thước của hai bazơ trên phân tử gần như không đổi. (Nó giúp tham khảo bất kỳ sơ đồ nào về axit nucleic khi đọc, chẳng hạn như các sơ đồ trong Tài liệu tham khảo.) Khi nó xảy ra, A liên kết riêng với T trong DNA, trong khi C liên kết riêng với G.

Deoxyribose liên kết với một cơ sở nitơ được gọi là nucleoside. Khi một nhóm phốt phát được thêm vào deoxyribose tại điểm carbon cách xa vị trí của bazơ, một nucleotide hoàn chỉnh được hình thành. Tính đặc thù của điện tích tương ứng trên các nguyên tử khác nhau trong nucleotide chịu trách nhiệm cho chuỗi DNA kép tạo thành hình xoắn ốc và hai chuỗi DNA trong phân tử được gọi là sợi bổ sung.

Đặc điểm chung của RNA

Đường pentose trong RNA là ribose chứ không phải deoxyribose. Ribose giống hệt với deoxyribose ngoại trừ cấu trúc vòng liên kết với bốn nhóm hydroxyl (-OH) và bốn nguyên tử hydro thay vì ba và năm tương ứng. Phần ribose của nucleotide liên kết với nhóm phốt phát và bazơ nitơ, như với DNA, với phốt phát và đường xen kẽ tạo thành "xương sống" RNA. Các bazơ, như đã lưu ý ở trên, bao gồm A, C và G, nhưng pyrimidine thứ hai trong RNA là uracil (U) chứ không phải T.

Trong khi DNA chỉ liên quan đến việc lưu trữ thông tin (một gen đơn giản là một chuỗi DNA mã hóa cho một protein), các loại RNA khác nhau đảm nhận các chức năng khác nhau. Messenger RNA, hay mRNA, được tạo ra từ DNA khi DNA chuỗi kép thông thường tách thành hai chuỗi đơn cho mục đích phiên mã. Kết quả mRNA cuối cùng đã tiến đến các bộ phận của tế bào nơi sản xuất protein, mang theo các hướng dẫn cho quá trình này được cung cấp bởi DNA. Một loại RNA thứ hai, RNA chuyển (tRNA), tham gia sản xuất protein. Điều này xảy ra trên các bào quan tế bào được gọi là ribosome và bản thân ribosome bao gồm chủ yếu là một loại RNA thứ ba được gọi là RNA, ribosome RNA (rRNA).

Các cơ sở nitơ

Năm bazơ nitơ - adenine (A), cytosine (C), guanine (G) và thymine (T) trong DNA và ba uracil (U) đầu tiên trong RNA - là những phần của axit nucleic chịu trách nhiệm cuối cùng đối với sự đa dạng của các sản phẩm gen trên các sinh vật sống. Các phần đường và phốt phát rất cần thiết ở chỗ chúng cung cấp cấu trúc và giàn giáo, nhưng các cơ sở là nơi tạo ra các mã. Nếu bạn nghĩ máy tính xách tay của bạn là axit nucleic hoặc ít nhất là một chuỗi nucelotide, phần cứng (ví dụ: ổ đĩa, màn hình giám sát, bộ vi xử lý) tương tự như đường và phốt phát, trong khi bất kỳ phần mềm và ứng dụng nào bạn đang chạy đều giống như cơ sở chứa nitơ, bởi vì các loại chương trình độc đáo mà bạn đã tải vào hệ thống của bạn có hiệu quả làm cho máy tính của bạn trở thành một "sinh vật" có một không hai.

Theo mô tả trước đó, các bazơ nitơ được phân loại là purin (A và G) hoặc pyrimidine (C, T và U). Một cặp luôn luôn kết hợp trong chuỗi DNA với T và C luôn luôn kết hợp với G. Điều quan trọng là khi chuỗi DNA được sử dụng làm khuôn mẫu để tổng hợp RNA (phiên mã), tại mỗi điểm dọc theo phân tử RNA đang phát triển, nucleotide RNA được tạo ra từ nucleotide DNA "cha mẹ" bao gồm cơ sở là cơ sở mà cơ sở "cha mẹ" luôn liên kết với. Điều này được khám phá trong một phần nữa.

Purine bao gồm một vòng nitơ và carbon gồm sáu thành viên và vòng nitơ và carbon gồm năm thành viên, giống như một hình lục giác và một hình ngũ giác có chung một bên. Tổng hợp purin bao gồm tinh chỉnh hóa học của đường ribose, sau đó là bổ sung amino (-NH₂) các nhóm. Pyrimidines cũng có vòng nitơ và carbon gồm sáu thành viên, giống như purin, nhưng thiếu vòng nitơ và carbon gồm năm thành viên. Purin do đó có khối lượng phân tử cao hơn so với pyrimidine.

Sự tổng hợp các nucleotide chứa pyrimidine và tổng hợp các nucleotide chứa purin xảy ra theo thứ tự ngược lại trong một bước quan trọng. Trong pyrimidine, phần bazơ được lắp ráp trước và phần còn lại của phân tử được biến đổi thành nucleotide sau đó. Trong purin, phần cuối cùng trở thành adenine hoặc guanine được sửa đổi vào cuối sự hình thành nucleotide.

Phiên âm và dịch thuật

Phiên mã là việc tạo ra một chuỗi mRNA từ mẫu DNA, mang theo các hướng dẫn tương tự (tức là mã di truyền) để tạo ra một loại protein cụ thể như mẫu. Quá trình xảy ra trong nhân tế bào, nơi đặt DNA.Khi một phân tử DNA sợi kép tách thành các chuỗi đơn và tiến hành phiên mã, mRNA được tạo ra từ một chuỗi của cặp DNA "không được giải nén" giống hệt với DNA của chuỗi DNA khác được giải nén, ngoại trừ mRNA chứa U thay vì T. (Một lần nữa, tham khảo sơ đồ là hữu ích; xem Tài liệu tham khảo.) MRNA, sau khi hoàn thành, rời khỏi nhân qua lỗ chân lông trong màng nhân. Sau khi mRNA rời khỏi nhân, nó gắn vào một ribosome.

Enzyme sau đó gắn vào phức hợp ribosome và hỗ trợ trong quá trình dịch mã. Dịch là sự chuyển đổi của hướng dẫn mRNA thành protein. Điều này xảy ra khi các axit amin, đơn vị phụ của protein, được tạo ra từ "codon" ba nucleotide trên chuỗi mRNA. Quá trình này cũng liên quan đến rRNA (vì quá trình dịch mã diễn ra trên các ribsome) và tRNA (giúp lắp ráp các axit amin).

Từ sợi DNA đến nhiễm sắc thể

Các chuỗi DNA tập hợp thành một chuỗi xoắn kép do hợp lưu các yếu tố liên quan. Một trong số đó là các liên kết hydro tự nhiên rơi vào vị trí trên các phần khác nhau của phân tử. Khi hình thành chuỗi xoắn, các cặp liên kết của các bazơ nitơ vuông góc với trục của chuỗi xoắn kép nói chung. Mỗi lượt đầy đủ bao gồm tổng cộng khoảng 10 cặp ngoại quan cơ sở. Cái có thể được gọi là "các mặt" của DNA khi được đặt dưới dạng "bậc thang" giờ đây được gọi là "chuỗi" của chuỗi xoắn kép. Chúng bao gồm gần như hoàn toàn các phần ribose và phốt phát của nucleotide, với các bazơ nằm bên trong. Các xoắn được cho là có cả rãnh chính và rãnh nhỏ xác định hình dạng cuối cùng ổn định của nó.

Trong khi nhiễm sắc thể có thể được mô tả là các chuỗi DNA rất dài, đây là một sự đơn giản hóa thô. Về mặt lý thuyết, một nhiễm sắc thể nhất định có thể không tiết lộ một phân tử DNA đơn lẻ, nhưng điều này không cho thấy sự cuộn, phức tạp và phân cụm mà DNA đang trên đường tạo thành nhiễm sắc thể. Một nhiễm sắc thể có hàng triệu cặp bazơ DNA và nếu tất cả các DNA được kéo dài ra mà không phá vỡ chuỗi xoắn, chiều dài của nó sẽ kéo dài từ vài mm đến hơn một cm. Trong thực tế, DNA cô đặc hơn nhiều. Protein được gọi là histones hình thành từ bốn cặp protein tiểu đơn vị (tất cả tám tiểu đơn vị). Octamer này đóng vai trò như một ống chỉ cho chuỗi xoắn kép DNA tự quấn quanh hai lần, giống như sợi chỉ. Cấu trúc này, octamer cộng với DNA bao quanh nó, được gọi là nucleosome. Khi một nhiễm sắc thể được tách ra một phần thành một chuỗi gọi là nhiễm sắc thể, các nhiễm sắc thể này xuất hiện trên kính hiển vi là các hạt trên chuỗi. Nhưng trên mức độ của các nhiễm sắc thể, sự nén thêm của vật liệu di truyền xảy ra, mặc dù cơ chế chính xác vẫn khó nắm bắt.

Axit nucleic và sự xuất hiện của sự sống

DNA, RNA và protein được xem xét chất độc sinh học bởi vì chúng là các chuỗi thông tin và axit amin lặp đi lặp lại liên quan đến các sinh vật sống ("sinh học" có nghĩa là "sự sống"). Các nhà sinh học phân tử ngày nay nhận ra rằng DNA và RNA dưới một hình thức nào đó có trước sự xuất hiện của sự sống trên Trái đất, nhưng đến năm 2018, không ai tìm ra con đường từ các nhà sinh học ban đầu đến những sinh vật đơn giản. Một số người đã đưa ra giả thuyết rằng RNA ở dạng nào đó là nguồn gốc của tất cả những thứ này, bao gồm cả DNA. Đây là "giả thuyết thế giới RNA." Tuy nhiên, điều này trình bày một loại kịch bản gà và trứng cho các nhà sinh học, bởi vì các phân tử RNA đủ lớn dường như không thể xuất hiện bằng bất kỳ phương tiện nào khác ngoài phiên mã. Trong mọi trường hợp, các nhà khoa học, với sự háo hức ngày càng tăng, hiện đang điều tra RNA như là một mục tiêu cho phân tử tự sao chép đầu tiên.

Liệu pháp y tế

Hóa chất bắt chước các thành phần của axit nucleic đang được sử dụng làm thuốc ngày nay, với sự phát triển hơn nữa trong lĩnh vực này đang được tiến hành. Ví dụ, một dạng uracil biến đổi một chút, 5-fluorouracil (5-FU), đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ để điều trị ung thư biểu mô đại tràng. Nó thực hiện điều này bằng cách bắt chước một cơ sở nitơ thực sự đủ gần để nó được đưa vào DNA mới được sản xuất. Điều này cuối cùng dẫn đến một sự cố trong tổng hợp protein.

Các chất bắt chước của nucleoside (mà bạn có thể nhớ lại là một loại đường ribose cộng với một cơ sở chứa nitơ) đã được sử dụng trong các liệu pháp kháng khuẩn và kháng vi-rút. Đôi khi, nó là phần cơ sở của nucleoside trải qua quá trình biến đổi và đôi khi thuốc nhắm vào phần đường.