Axit deoxyribonucleic - DNA - đóng vai trò như chất mang thông tin di truyền được truyền từ các sinh vật sống sang các thế hệ tiếp theo và là chất nền để cấu tạo nên các protein và các yếu tố điều tiết khác nhau mà cơ thể cần trong quá trình sinh trưởng và sống. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào những dạng cấu trúc DNA phổ biến nhất. Chúng tôi cũng sẽ chú ý đến cách các dạng này được xây dựng và DNA ở dạng nào bên trong tế bào sống.
Các cấp độ tổ chức của phân tử DNA
Có bốn cấp độ xác định cấu trúc và hình thái của phân tử khổng lồ này:
- Mức chính, hay cấu trúc, là thứ tự của các nucleotide trong chuỗi.
- Cấu trúc thứ cấp là "chuỗi xoắn kép" nổi tiếng. Chính cụm từ này đã lắng xuống, mặc dù trên thực tế, cấu trúc như vậy giống như một cái vít.
- Cấu trúc bậc ba được hình thành do các liên kết hydro yếu phát sinh giữa các phần riêng lẻ của chuỗi xoắn kép của DNA,tạo cho phân tử một cấu trúc không gian phức tạp.
- Cấu trúc bậc bốn đã là một phức hợp phức tạp của DNA với một số protein và RNA. Trong cấu hình này, DNA được đóng gói thành các nhiễm sắc thể trong nhân tế bào.
Cấu trúc chính: Các thành phần của DNA
Các khối mà từ đó đại phân tử của axit deoxyribonucleic được tạo ra là các nucleotit, là các hợp chất, mỗi khối bao gồm:
- bazơ nitơ - adenin, guanin, thymine hoặc cytosine. Adenine và guanine thuộc nhóm gốc purine, cytosine và thymine thuộc nhóm pyrimidine;
- monosaccharide năm cacbon deoxyribose;
- Dư lượng axit orthophosphoric.
Trong sự hình thành chuỗi polynucleotide, thứ tự của các nhóm được hình thành bởi các nguyên tử carbon trong một phân tử đường tròn đóng một vai trò quan trọng. Phần dư photphat trong nucleotide được kết nối với nhóm 5'(đọc là "năm số nguyên tố") của deoxyribose, tức là, với nguyên tử carbon thứ năm. Quá trình mở rộng chuỗi xảy ra bằng cách gắn một phần dư photphat của nucleotide tiếp theo vào nhóm 3'tự do của deoxyribose.
Như vậy, cấu trúc cơ bản của DNA ở dạng chuỗi polynucleotide có 3 đầu và 5 đầu. Tính chất này của phân tử DNA được gọi là tính phân cực: quá trình tổng hợp chuỗi chỉ có thể đi theo một hướng.
Hình thành cấu trúc thứ cấp
Bước tiếp theo trong tổ chức cấu trúc của DNA dựa trên nguyên tắc bổ sung của các bazơ nitơ - khả năng kết nối thành từng cặp với nhau của chúngthông qua các liên kết hydro. Sự bổ sung - tương ứng lẫn nhau - xảy ra bởi vì adenin và thymine tạo thành một liên kết đôi, còn guanin và cytosine tạo thành một liên kết ba. Do đó, khi tạo thành chuỗi kép, các bazơ này đứng đối diện nhau, tạo thành các cặp tương ứng.
Trình tự polynucleotide nằm trong cấu trúc bậc hai đối cực. Vì vậy, nếu một trong các chuỗi có dạng 3 '- AGGZATAA - 5', thì chuỗi ngược lại sẽ giống như sau: 3 '- TTATGTST - 5'.
Khi một phân tử DNA được hình thành, chuỗi polynucleotide nhân đôi sẽ được tháo xoắn và nồng độ muối, độ bão hòa nước và cấu trúc của chính đại phân tử sẽ quyết định những dạng DNA có thể thực hiện ở một bước cấu trúc nhất định. Một số dạng như vậy đã được biết đến, được ký hiệu bằng các chữ cái Latinh A, B, C, D, E, Z.
Cấu hình C, D và E không được tìm thấy trong động vật hoang dã và chỉ được quan sát trong điều kiện phòng thí nghiệm. Chúng ta sẽ xem xét các dạng chính của DNA: cái được gọi là chuẩn A và B, cũng như cấu hình Z.
A-DNA là một phân tử khô
A-shape là một vít tay phải với 11 cặp đế bổ sung trong mỗi lượt. Đường kính của nó là 2,3 nm và chiều dài của một vòng xoắn là 2,5 nm. Các mặt phẳng được tạo thành bởi các bazơ được ghép nối có độ dốc 20 ° so với trục của phân tử. Các nucleotide lân cận được sắp xếp chặt chẽ thành chuỗi - chỉ có 0,23 nm giữa chúng.
Dạng DNA này xảy ra với sự hydrat hóa thấp và khi tăng nồng độ ion của natri và kali. Nó là điển hình chocác quá trình trong đó DNA tạo thành phức hợp với RNA, vì RNA không thể ở dạng khác. Ngoài ra, A-form có khả năng chống bức xạ tia cực tím cao. Trong cấu hình này, axit deoxyribonucleic được tìm thấy trong bào tử nấm.
B-DNA ướt
Với hàm lượng muối thấp và mức độ hydrat hóa cao, nghĩa là trong điều kiện sinh lý bình thường, DNA giả định ở dạng chính là B. Các phân tử tự nhiên tồn tại, theo quy luật, ở dạng B. Chính cô ấy là người làm nền tảng cho mô hình Watson-Crick cổ điển và thường được mô tả trong các hình minh họa.
Dạng này (nó cũng thuận tay phải) có đặc điểm là vị trí của các nucleotide ít chặt chẽ hơn (0,33 nm) và bước vít lớn (3,3 nm). Một lượt chứa 10,5 cặp cơ sở, độ quay của mỗi cặp trong số chúng so với lượt trước là khoảng 36 °. Mặt phẳng của các cặp gần như vuông góc với trục của "chuỗi xoắn kép". Đường kính của chuỗi đôi như vậy nhỏ hơn đường kính của dạng A - nó chỉ đạt 2 nm.
Z-DNA không chuẩn
Không giống như DNA chuẩn, phân tử loại Z là một vít thuận tay trái. Nó là mỏng nhất trong số tất cả, có đường kính chỉ 1,8 nm. Các cuộn dây của nó, dài 4,5 nm, dường như dài ra; dạng DNA này chứa 12 bazơ bắt cặp mỗi lượt. Khoảng cách giữa các nucleotide liền kề cũng khá lớn - 0,38 nm. Vì vậy, hình chữ Z có ít xoắn nhất.
Nó được hình thành từ cấu hình loại B ở những khu vực có purinevà các bazơ pyrimidine, với sự thay đổi hàm lượng các ion trong dung dịch. Sự hình thành Z-DNA gắn liền với hoạt động sinh học và là một quá trình rất ngắn hạn. Dạng này không ổn định, gây khó khăn trong việc nghiên cứu các chức năng của nó. Cho đến nay, chúng không rõ ràng chính xác.
sao chép DNA và cấu trúc của nó
Cả cấu trúc sơ cấp và thứ cấp của DNA đều phát sinh trong một hiện tượng gọi là sao chép - sự hình thành hai "chuỗi xoắn kép" giống hệt nhau từ đại phân tử mẹ. Trong quá trình sao chép, phân tử ban đầu tháo xoắn và các bazơ bổ sung hình thành trên các chuỗi đơn được giải phóng. Vì các nửa DNA là đối cực nên quá trình này diễn ra trên chúng theo các hướng khác nhau: liên quan đến các chuỗi mẹ từ đầu 3'đến đầu 5', tức là các chuỗi mới phát triển theo hướng 5 '→ 3'. Sợi dẫn đầu được tổng hợp liên tục về phía ngã ba sao chép; trên sợi trễ, quá trình tổng hợp được thực hiện từ ngã ba trong các phần riêng biệt (các đoạn Okazaki), sau đó được khâu lại với nhau bằng một loại enzyme đặc biệt, DNA ligase.
Trong khi quá trình tổng hợp tiếp tục, các đầu đã hình thành của các phân tử con trải qua quá trình xoắn xoắn ốc. Sau đó, trước khi quá trình sao chép hoàn tất, các phân tử sơ sinh bắt đầu hình thành cấu trúc bậc ba trong một quá trình gọi là siêu cô đặc.
Phân tử siêu xoắn
Dạng siêu xoắn của DNA xảy ra khi một phân tử sợi kép tạo thêm một đoạn xoắn. Nó có thể theo chiều kim đồng hồ (dương) hoặcchống lại (trong trường hợp này người ta nói về hiện tượng chồng chất âm). DNA của hầu hết các sinh vật được siêu cuộn một cách âm tính, tức là, chống lại các vòng quay chính của “chuỗi xoắn kép”.
Là kết quả của việc hình thành các vòng bổ sung - siêu mạch - DNA có được cấu hình không gian phức tạp. Trong tế bào nhân thực, quá trình này xảy ra với sự hình thành các phức hợp trong đó DNA cuộn ngược chiều xung quanh phức hợp protein histone và có dạng sợi với các hạt nucleosome. Các phần tự do của chủ đề được gọi là trình liên kết. Các protein không phải histone và các hợp chất vô cơ cũng tham gia vào việc duy trì hình dạng siêu cuộn của phân tử DNA. Đây là cách chất nhiễm sắc được hình thành - chất của nhiễm sắc thể.
Các sợi nhiễm sắc với các hạt nucleosom có thể làm phức tạp thêm về hình thái trong một quá trình gọi là sự ngưng tụ nhiễm sắc.
Quá trình tổng hợp cuối cùng của DNA
Trong nhân, hình dạng của đại phân tử axit deoxyribonucleic trở nên cực kỳ phức tạp, có thể nén lại theo nhiều bước.
- Đầu tiên, sợi tơ được cuộn lại thành một cấu trúc kiểu solenoid đặc biệt - một sợi nhiễm sắc dày 30 nm. Ở cấp độ này, DNA gấp lại và rút ngắn chiều dài của nó từ 6-10 lần.
- Hơn nữa, sợi nhỏ tạo thành các vòng ngoằn ngoèo với sự trợ giúp của các protein giàn giáo cụ thể, làm giảm kích thước tuyến tính của DNA đã có từ 20-30 lần.
- Các miền vòng lặp dày đặc được hình thành ở cấp độ tiếp theo, hầu hết thường có hình dạng được quy ước gọi là “chổi đèn”. Chúng gắn vào protein nội nhânma trận. Độ dày của các cấu trúc như vậy đã là 700 nm, trong khi DNA được rút ngắn khoảng 200 lần.
- Cấp cuối cùng của tổ chức hình thái là nhiễm sắc thể. Các miền vòng lặp được nén chặt đến mức đạt được tổng số lần rút ngắn là 10.000 lần. Nếu chiều dài của phân tử bị kéo căng là khoảng 5 cm, thì sau khi đóng gói vào nhiễm sắc thể, nó sẽ giảm xuống còn 5 micron.
Mức độ phức tạp cao nhất của dạng DNA đạt đến ở trạng thái chuyển dạng của nguyên phân. Sau đó, nó có được một vẻ ngoài đặc trưng - hai chromatid được nối với nhau bằng một tâm động co lại, đảm bảo sự phân kỳ của các chromatid trong quá trình phân chia. DNA giữa các pha được tổ chức theo cấp độ miền và được phân bố trong nhân tế bào không theo một trật tự cụ thể nào. Do đó, chúng ta thấy rằng hình thái của DNA có liên quan chặt chẽ đến các giai đoạn khác nhau của sự tồn tại của nó và phản ánh các đặc điểm hoạt động của phân tử quan trọng nhất đối với sự sống này.
