NộI Dung
DNA là một trong số ít các tổ hợp chữ cái cốt lõi của một ngành khoa học dường như tạo ra một mức độ hiểu biết đáng kể ngay cả ở những người ít tiếp xúc với sinh học hoặc khoa học nói chung. Hầu hết những người trưởng thành nghe cụm từ "Nó trong DNA của cô ấy" ngay lập tức nhận ra rằng một đặc điểm cụ thể không thể tách rời với người được mô tả; rằng đặc điểm là bằng cách nào đó bẩm sinh, không bao giờ biến mất và có khả năng được chuyển giao cho những người đó và trẻ em. Điều này dường như vẫn đúng ngay cả trong suy nghĩ của những người không biết "DNA" là viết tắt của từ gì, đó là "axit deoxyribonucleic".
Con người rất dễ bị mê hoặc với khái niệm thừa hưởng những đặc điểm từ cha mẹ và truyền lại những đặc điểm của họ cho con cái của họ. Thật là tự nhiên khi mọi người suy ngẫm về di sản sinh hóa của chính họ, ngay cả khi ít ai có thể tưởng tượng nó theo các thuật ngữ chính thức như vậy. Công nhận rằng các yếu tố nhỏ bé vô hình bên trong mỗi chúng ta chi phối cách trẻ em nhìn và thậm chí cư xử chắc chắn đã có mặt trong hàng trăm năm. Nhưng mãi đến giữa thế kỷ 20, khoa học hiện đại mới tiết lộ chi tiết vẻ vang không chỉ những phân tử chịu trách nhiệm thừa kế là gì, mà cả những gì chúng trông như thế nào.
Axit deoxyribonucleic thực sự là màu xanh di truyền mà tất cả các sinh vật sống duy trì trong các tế bào của chúng, một ngón tay siêu nhỏ độc nhất không chỉ khiến mỗi người trở thành một cá thể có nghĩa đen (sinh đôi giống hệt ngoại trừ mục đích hiện tại) mà còn cho thấy rất nhiều sự sống còn thông tin về mỗi người, từ khả năng liên quan đến một người cụ thể khác đến cơ hội phát triển một căn bệnh nhất định sau này trong cuộc sống hoặc truyền bệnh như vậy cho các thế hệ tương lai. DNA đã trở thành không chỉ là điểm trung tâm tự nhiên của sinh học phân tử và của khoa học đời sống nói chung, mà còn là một thành phần không thể thiếu của khoa học pháp y và kỹ thuật sinh học.
Khám phá về DNA
James Watson và Francis Crick (và ít phổ biến hơn, Rosalind Franklin và Maurice Wilkins) được ghi nhận rộng rãi với việc phát hiện ra DNA vào năm 1953. Tuy nhiên, nhận thức này là sai lầm. Thực tế, các nhà nghiên cứu này thực tế đã xác định rằng DNA tồn tại ở dạng ba chiều trong hình dạng của một chuỗi xoắn kép, về cơ bản là một cái thang được xoắn theo các hướng khác nhau ở cả hai đầu để tạo ra hình xoắn ốc. Nhưng những nhà khoa học đầy quyết tâm và nổi tiếng này đã "chỉ" xây dựng dựa trên công trình miệt mài của các nhà sinh học, những người đã tìm kiếm thông tin chung giống như những năm 1860, những thí nghiệm hoàn toàn đột phá như của Watson, Crick và những người khác trong kỷ nguyên nghiên cứu sau Thế chiến II.
Vào năm 1869, 100 năm trước khi con người du hành lên mặt trăng, một nhà hóa học người Thụy Sĩ tên là Friedrich Miescher đã tìm cách chiết xuất các thành phần protein từ bạch cầu (tế bào bạch cầu) để xác định thành phần và chức năng của chúng. Thay vào đó, anh ta gọi là "nuclein", và mặc dù anh ta thiếu các công cụ cần thiết để tìm hiểu những gì các nhà hóa sinh trong tương lai có thể học được, anh ta nhanh chóng nhận ra rằng "nuclein" này có liên quan đến protein nhưng không phải là protein, mà nó có chứa lượng phốt pho bất thường, và chất này có khả năng chống lại sự phân hủy bởi cùng các yếu tố hóa học và vật lý làm suy giảm protein.
Phải mất hơn 50 năm trước khi tầm quan trọng thực sự của công việc Mieschers lần đầu tiên trở nên rõ ràng. Trong thập kỷ thứ hai của thập niên 1900, một nhà hóa sinh người Nga, Phoebus Levene, là người đầu tiên đề xuất rằng, cái mà chúng ta gọi là nucleotide ngày nay, bao gồm một phần đường, một phần phốt phát và một phần bazơ; rằng đường là ribose; và rằng sự khác biệt giữa các nucleotide là do sự khác biệt giữa các cơ sở của chúng. Mô hình "polynucleotide" của anh ta có một số sai sót, nhưng theo tiêu chuẩn ngày nay, nó đã được nhắm mục tiêu đáng chú ý.
Năm 1944, Oswald Avery và các đồng nghiệp của ông tại Đại học Rockefeller là những nhà nghiên cứu đầu tiên được biết đến chính thức đề xuất rằng DNA bao gồm các đơn vị di truyền hoặc gen. Theo dõi công việc của họ cũng như của Levene, nhà khoa học người Áo Erwin Chargeaff đã thực hiện hai khám phá chính: một là, trình tự các nucleotide trong DNA khác nhau giữa các loài sinh vật, trái với những gì Levene đã đề xuất; và hai, trong bất kỳ sinh vật nào, tổng lượng bazơ nitơ adenine (A) và guanine (G) kết hợp, bất kể loài nào, hầu như luôn luôn bằng tổng lượng cytosine (C) và thymine (T). Điều này không hoàn toàn khiến Chargeaff kết luận rằng các cặp A có cặp T và C có G trong tất cả các DNA, nhưng sau đó nó đã giúp củng cố kết luận mà người khác đạt được.
Cuối cùng, vào năm 1953, Watson và các đồng nghiệp của mình, được hưởng lợi từ việc cải thiện nhanh chóng cách hình dung cấu trúc hóa học ba chiều, kết hợp tất cả những phát hiện này lại với nhau và sử dụng các mô hình bìa cứng để xác định rằng một chuỗi xoắn kép phù hợp với mọi thứ mà DNA biết theo cách không có gì khác có thể.
DNA và đặc điểm di truyền
DNA được xác định là vật liệu di truyền trong sinh vật mọi thứ trước khi cấu trúc của nó được làm rõ, và như thường thấy trong khoa học thực nghiệm, khám phá quan trọng này thực sự là ngẫu nhiên cho mục đích chính của các nhà nghiên cứu.
Trước khi liệu pháp kháng sinh xuất hiện vào cuối những năm 1930, các bệnh truyền nhiễm đã cướp đi sinh mạng của con người nhiều hơn so với hiện nay và làm sáng tỏ những bí ẩn của các sinh vật chịu trách nhiệm là mục tiêu quan trọng trong nghiên cứu vi sinh. Năm 1913, Oswald Avery đã nói ở trên bắt đầu công việc cuối cùng cho thấy hàm lượng polysacarit (đường) cao trong viên nang của các loài vi khuẩn phế cầu khuẩn, được phân lập từ bệnh nhân viêm phổi. Avery đưa ra giả thuyết rằng những sản phẩm kháng thể kích thích này ở những người bị nhiễm bệnh. Trong khi đó, ở Anh, William Griffiths đang thực hiện công việc cho thấy các thành phần chết của một loại phế cầu gây bệnh có thể được pha trộn với các thành phần sống của một loại phế cầu vô hại và tạo ra một dạng gây bệnh của loại trước đây vô hại; điều này chứng tỏ rằng bất cứ điều gì chuyển từ người chết sang vi khuẩn sống đều có thể di truyền được.
Khi Avery biết về kết quả của Griffiths, anh đã bắt đầu tiến hành các thí nghiệm thanh lọc trong nỗ lực cô lập vật liệu chính xác trong phế cầu khuẩn có thể di truyền và nghiên cứu về axit nucleic, hay cụ thể hơn là nucleotide. DNA đã bị nghi ngờ mạnh mẽ vì có cái gọi là "nguyên tắc biến đổi", vì vậy Avery và những người khác đã kiểm tra giả thuyết này bằng cách phơi bày vật liệu di truyền cho nhiều loại tác nhân. Những chất được biết là phá hủy tính toàn vẹn DNA nhưng vô hại đối với protein hoặc DNA, được gọi là DNAase, với số lượng lớn để ngăn chặn sự truyền các tính trạng từ thế hệ vi khuẩn này sang thế hệ tiếp theo. Trong khi đó, protease, làm sáng tỏ protein, không gây ra thiệt hại như vậy.
Công việc của Averys và Griffiths là một lần nữa, trong khi những người như Watson và Crick đã được ca ngợi một cách đúng đắn vì những đóng góp của họ cho di truyền phân tử, việc thiết lập cấu trúc DNA thực sự là một đóng góp khá muộn cho quá trình tìm hiểu về điều này phân tử ngoạn mục.
Cấu trúc của DNA
Chargeaff, mặc dù rõ ràng ông không mô tả đầy đủ cấu trúc của DNA, nhưng đã cho thấy rằng, ngoài (A + G) = (C + T), hai chuỗi được biết là được bao gồm trong DNA luôn cách nhau một khoảng cách. Điều này dẫn đến định đề rằng purin (bao gồm A và G) luôn liên kết với pyrimidin (bao gồm C và T) trong DNA. Điều này có ý nghĩa ba chiều, bởi vì purin lớn hơn đáng kể so với pyrimidine, trong khi tất cả các purin về cơ bản có cùng kích thước và tất cả các pyrimidine đều có cùng kích thước. Điều này ngụ ý rằng hai purin liên kết với nhau sẽ chiếm nhiều không gian giữa các chuỗi DNA hơn hai pyrimidine và bất kỳ cặp purin-pyrimidine nào cũng sẽ tiêu tốn cùng một không gian. Đặt tất cả các thông tin này yêu cầu A liên kết và chỉ với T và mối quan hệ tương tự giữ cho C và G nếu mô hình này chứng tỏ thành công. Và nó đã.
Các bazơ (nhiều hơn về sau này) liên kết với nhau ở bên trong phân tử DNA, giống như các nấc thang trong một cái thang. Nhưng những gì về các sợi, hoặc "các bên", bản thân họ? Rosalind Franklin, làm việc với Watson và Crick, cho rằng "xương sống" này được làm từ đường (cụ thể là đường pentose, hoặc một loại có cấu trúc vòng năm nguyên tử) và một nhóm phốt phát liên kết với đường. Do ý tưởng mới được làm rõ về ghép cặp cơ sở, Franklin và những người khác đã nhận ra rằng hai chuỗi DNA trong một phân tử là "bổ sung" hoặc trong hình ảnh phản chiếu của nhau ở mức độ nucleotide của chúng. Điều này cho phép họ dự đoán bán kính gần đúng của dạng DNA xoắn trong một mức độ chính xác vững chắc và phân tích nhiễu xạ tia X đã xác nhận cấu trúc xoắn ốc. Ý tưởng rằng chuỗi xoắn là một chuỗi xoắn kép là chi tiết chính cuối cùng về cấu trúc DNA rơi vào vị trí, vào năm 1953.
Nucleotide và cơ sở nitơ
Nucleotide là tiểu đơn vị lặp lại của DNA, điều ngược lại khi nói DNA là polymer của nucleotide. Mỗi nucleotide bao gồm một loại đường gọi là deoxyribose chứa cấu trúc vòng ngũ giác với một oxy và bốn phân tử carbon. Đường này liên kết với một nhóm phốt phát, và hai điểm dọc theo vòng từ vị trí này, nó cũng được liên kết với một cơ sở nitơ. Các nhóm phốt phát liên kết các loại đường với nhau để tạo thành xương sống DNA, hai chuỗi xoắn quanh các bazơ nặng nitơ ở giữa chuỗi xoắn kép. Chuỗi xoắn làm cho một vòng xoắn 360 độ hoàn chỉnh cứ sau 10 cặp cơ sở.
Một đường chỉ liên kết với một cơ sở nitơ được gọi là một nucleoside.
RNA (axit ribonucleic) khác với DNA theo ba cách chính: Một, pyrimidine uracil được thay thế cho thymine. Hai, đường pentose là ribose chứ không phải deoxyribose. Và ba, RNA hầu như luôn luôn là chuỗi đơn và có nhiều dạng, cuộc thảo luận về vấn đề này nằm ngoài phạm vi của bài viết này.
Tái tạo DNA
DNA được "giải nén" thành hai chuỗi bổ sung của nó khi đến lúc các bản sao được tạo ra. Khi điều này đang xảy ra, các chuỗi con gái được hình thành dọc theo các chuỗi cha mẹ đơn lẻ. Một chuỗi con gái như vậy được hình thành liên tục thông qua việc bổ sung các nucleotide đơn, dưới tác động của enzyme DNA polymerase. Sự tổng hợp này chỉ đơn giản là theo hướng phân tách các chuỗi DNA gốc. Các sợi con gái khác hình thành từ các polynucleotide nhỏ được gọi là Mảnh Okazaki mà thực sự hình thành theo hướng ngược lại của việc giải nén các chuỗi gốc và sau đó được nối với nhau bởi enzyme sợi DNA.
Bởi vì hai sợi con gái cũng bổ sung cho nhau, nên các bazơ của chúng cuối cùng liên kết với nhau để tạo ra một phân tử DNA sợi kép giống hệt với bố mẹ.
Ở vi khuẩn, đơn bào và được gọi là prokaryote, một bản sao DNA vi khuẩn (còn gọi là bộ gen của nó) nằm trong tế bào chất; không có hạt nhân Trong các sinh vật nhân thực đa bào, DNA được tìm thấy trong nhân dưới dạng nhiễm sắc thể, là các phân tử DNA được cuộn cao, được làm mát và ngưng tụ chỉ bằng một phần triệu mét dài và các protein được gọi là histones. Khi kiểm tra bằng kính hiển vi, các phần nhiễm sắc thể cho thấy các "cuộn" histone xen kẽ và các chuỗi DNA đơn giản (được gọi là nhiễm sắc thể ở cấp độ tổ chức này) thường được ví như các chuỗi trên chuỗi. Một số DNA sinh vật nhân chuẩn cũng được tìm thấy trong các bào quan của các tế bào được gọi là ty thể.