DNA (axit deoxyribonucleic) là một trong những thành phần quan trọng nhất của vật chất sống. Thông qua đó, việc lưu giữ và truyền tải thông tin di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác được thực hiện với khả năng biến đổi trong giới hạn nhất định. Việc tổng hợp tất cả các protein cần thiết cho một hệ thống sống sẽ là không thể nếu không có ma trận DNA. Dưới đây chúng ta sẽ xem xét cấu trúc, sự hình thành, chức năng cơ bản và vai trò của DNA trong quá trình sinh tổng hợp protein.
Cấu trúc của phân tử DNA
Axit deoxyribonucleic là một đại phân tử bao gồm hai sợi. Cấu trúc của nó có nhiều cấp độ tổ chức.
Cấu trúc chính của chuỗi DNA là một chuỗi các nucleotide, mỗi nucleotide chứa một trong bốn base nitơ: adenine, guanine, cytosine hoặc thymine. Chuỗi phát sinh khi đường deoxyribose của một nucleotide này liên kết với phần dư phosphate của nucleotide khác. Quá trình này được thực hiện với sự tham gia của chất xúc tác protein - DNA ligase
- Cấu trúc thứ cấp của DNA là cái gọi là chuỗi xoắn kép (chính xác hơn là một trục vít kép). Căn cứ có khả năngkết nối với nhau như sau: adenin và thymine tạo thành một liên kết hydro đôi, và guanin và cytosine tạo thành một liên kết ba. Đặc điểm này làm cơ sở cho nguyên tắc bổ sung cơ sở, theo đó các chuỗi được kết nối với nhau. Trong trường hợp này, xảy ra hiện tượng xoắn xoắn ốc (thường là bên phải) của chuỗi kép.
- Cấu trúc bậc ba là một cấu trúc phức tạp của một phân tử khổng lồ xảy ra thông qua các liên kết hydro bổ sung.
- Cấu trúc bậc bốn được hình thành kết hợp với các protein và RNA cụ thể và là cách DNA được đóng gói trong nhân tế bào.
chức năng của DNA
Hãy xem xét vai trò của DNA trong các hệ thống sống. Chất tạo màng sinh học này là một chất nền có chứa hồ sơ về cấu trúc của các protein khác nhau, RNA cần thiết cho cơ thể, cũng như các loại vị trí điều tiết khác nhau. Nói chung, tất cả những thành phần này tạo nên chương trình di truyền của cơ thể.
Thông qua quá trình sinh tổng hợp DNA, chương trình di truyền được truyền lại cho các thế hệ tiếp theo, đảm bảo tính di truyền của thông tin cơ bản cho sự sống. DNA có thể đột biến, do đó sự biến đổi của các sinh vật sống của một loài sinh vật phát sinh và kết quả là quá trình chọn lọc tự nhiên và sự tiến hóa của các hệ thống sống có thể xảy ra.
Trong quá trình sinh sản hữu tính, DNA của một sinh vật-hậu duệ được hình thành bằng cách kết hợp thông tin di truyền của cha và mẹ. Khi kết hợp, sẽ có nhiều biến thể khác nhau, điều này cũng góp phần tạo nên sự khác biệt.
Chương trình di truyền được tái tạo như thế nào
Do cấu trúc bổ sung, quá trình tự tái tạo chất nền của phân tử DNA có thể xảy ra. Trong trường hợp này, thông tin chứa trong nó được sao chép. Sự nhân đôi của một phân tử để tạo thành hai "chuỗi xoắn kép" con được gọi là quá trình nhân đôi ADN. Đây là một quá trình phức tạp bao gồm nhiều thành phần. Nhưng với sự đơn giản hóa nhất định, nó có thể được biểu diễn dưới dạng biểu đồ.
Sao chép được bắt đầu bởi một phức hợp đặc biệt của các enzym trong một số khu vực nhất định của DNA. Đồng thời, chuỗi kép tháo xoắn, tạo thành ngã ba sao chép, nơi diễn ra quá trình sinh tổng hợp DNA - sự hình thành trình tự nucleotide bổ sung trên mỗi chuỗi.
Các tính năng của phức hợp sao chép
Sao chép cũng tiến hành với sự tham gia của một bộ phức tạp gồm các enzym - các bản sao, trong đó DNA polymerase đóng vai trò chính.
Một trong những chuỗi trong quá trình sinh tổng hợp DNA là chuỗi dẫn đầu và liên tục được hình thành. Sự hình thành sợi trễ xảy ra bằng cách gắn các chuỗi ngắn - các đoạn Okazaki. Các đoạn này được nối với nhau bằng cách sử dụng DNA ligase. Quá trình như vậy được gọi là bán liên tục. Ngoài ra, nó có đặc điểm là bán bảo toàn, vì trong mỗi phân tử mới được hình thành, một trong các chuỗi là mẹ và chuỗi thứ hai là con.
Tái bản DNA là một trong những bước quan trọng trong quá trình phân chia tế bào. Quá trình này làm cơ sở cho việc chuyển thông tin di truyền sang thế hệ mới, cũng như sự phát triển của sinh vật.
Protein là gì
Protein làyếu tố chức năng quan trọng nhất trong tế bào của tất cả các cơ thể sống. Chúng thực hiện các chức năng xúc tác, cấu trúc, điều chỉnh, tín hiệu, bảo vệ và nhiều chức năng khác.
Phân tử protein là chất tạo màng sinh học được hình thành bởi một chuỗi các gốc axit amin. Nó, giống như các phân tử axit nucleic, được đặc trưng bởi sự hiện diện của một số cấp độ tổ chức cấu trúc - từ sơ cấp đến bậc bốn.
Có 20 loại axit amin (chuẩn) riêng biệt được các hệ thống sống sử dụng để tạo ra nhiều loại protein khác nhau. Theo quy luật, protein không được tổng hợp một mình. Vai trò hàng đầu trong việc hình thành một phân tử protein phức tạp thuộc về các axit nucleic - DNA và RNA.
Bản chất của mã di truyền
Vì vậy, DNA là một ma trận thông tin lưu trữ thông tin về các protein cần thiết cho cơ thể phát triển và sống. Protein được xây dựng từ các axit amin, DNA (và RNA) từ các nucleotide. Trình tự nucleotide nhất định của phân tử DNA tương ứng với trình tự axit amin nhất định của một số protein nhất định.
Có 20 loại đơn vị cấu trúc protein - axit amin chuẩn - trong một tế bào và 4 loại nucleotide trong DNA. Vì vậy, mỗi axit amin được viết trên nền DNA là sự kết hợp của ba nucleotide - một bộ ba, thành phần quan trọng của chúng là các base nitơ. Nguyên tắc tương ứng này được gọi là mã di truyền, và các bộ ba cơ sở được gọi là codon. Gene làmột trình tự các codon chứa bản ghi của một protein và một số tổ hợp dịch vụ của các bazơ - một codon bắt đầu, một codon dừng và những thứ khác.
Một số đặc tính của mã di truyền
Mã di truyền gần như phổ biến - với rất ít trường hợp ngoại lệ, nó giống nhau ở tất cả các sinh vật, từ vi khuẩn đến con người. Điều này chứng minh, thứ nhất, về mối quan hệ của tất cả các dạng sống trên Trái đất, và thứ hai, về sự cổ xưa của mật mã. Có thể, trong giai đoạn đầu của sự tồn tại của sự sống nguyên thủy, các phiên bản khác nhau của mã hình thành khá nhanh, nhưng chỉ một phiên bản nhận được lợi thế tiến hóa.
Ngoài ra, nó còn cụ thể (rõ ràng): các axit amin khác nhau không được mã hóa bởi cùng một bộ ba. Ngoài ra, mã di truyền có đặc điểm là thoái hóa hoặc dư thừa - một số codon có thể tương ứng với cùng một axit amin.
Bản ghi di truyền được đọc liên tục; các chức năng của dấu câu cũng được thực hiện bởi bộ ba căn cứ. Theo quy định, không có bản ghi chồng chéo nào trong "văn bản" di truyền, nhưng ở đây cũng có ngoại lệ.
Đơn vị chức năng của DNA
Tổng thể của tất cả các vật chất di truyền của một sinh vật được gọi là bộ gen. Như vậy, DNA là chất mang của bộ gen. Thành phần của bộ gen không chỉ bao gồm các gen cấu trúc mã hóa một số loại protein. Một phần quan trọng của DNA chứa các vùng có các mục đích chức năng khác nhau.
Vì vậy, DNA chứa:
- quytrình tự mã hóa các RNA cụ thể, chẳng hạn như công tắc di truyền và bộ điều chỉnh biểu hiện gen cấu trúc;
- nguyên tố điều hòa quá trình phiên mã - giai đoạn đầu của quá trình sinh tổng hợp protein;
- pseudogenes là một loại "gen hóa thạch" bị mất khả năng mã hóa protein hoặc được phiên mã do đột biến;
- yếu tố di truyền di động - các vùng có thể di chuyển trong bộ gen, chẳng hạn như các transposon ("gen nhảy");
- telomere là những vùng đặc biệt ở tận cùng của nhiễm sắc thể, nhờ đó DNA trong nhiễm sắc thể được bảo vệ khỏi bị ngắn lại với mỗi sự kiện sao chép.
Sự tham gia của DNA trong quá trình sinh tổng hợp protein
DNA có thể tạo thành một cấu trúc ổn định, yếu tố quan trọng của nó là hợp chất bổ sung của các bazơ nitơ. Chuỗi kép của DNA, trước hết cung cấp sự tái tạo hoàn chỉnh của phân tử, và thứ hai, khả năng đọc các đoạn DNA riêng lẻ trong quá trình tổng hợp protein. Quá trình này được gọi là phiên mã.
Trong quá trình phiên mã, một đoạn DNA chứa một gen nhất định sẽ không được tháo xoắn, và trên một trong các chuỗi - chuỗi khuôn mẫu - một phân tử RNA được tổng hợp như một bản sao của chuỗi thứ hai, được gọi là chuỗi mã hóa. Sự tổng hợp này cũng dựa trên tính chất của bazơ để tạo thành các cặp bổ sung. Các vùng không mã hóa, dịch vụ của DNA và enzyme RNA polymerase tham gia vào quá trình tổng hợp. RNA đã đóng vai trò là khuôn mẫu để tổng hợp protein và DNA không tham gia vào quá trình tiếp theo.
Phiên âm ngược
Trong một thời gian dài, người ta tin rằng ma trậnsự sao chép thông tin di truyền chỉ có thể theo một chiều: ADN → ARN → prôtêin. Sơ đồ này đã được gọi là giáo điều trung tâm của sinh học phân tử. Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu, người ta thấy rằng trong một số trường hợp có thể sao chép từ RNA sang DNA - cái gọi là phiên mã ngược.
Khả năng chuyển vật liệu di truyền từ RNA sang DNA là đặc điểm của retrovirus. Một đại diện điển hình của các loại virus chứa RNA đó là virus gây suy giảm miễn dịch ở người. Sự hợp nhất của bộ gen virus vào DNA của tế bào bị nhiễm bệnh xảy ra với sự tham gia của một loại enzyme đặc biệt - enzyme phiên mã ngược (revertase), hoạt động như một chất xúc tác cho quá trình sinh tổng hợp DNA trên khuôn mẫu RNA. Revertase cũng là một phần của hạt virus. Phân tử mới hình thành được tích hợp vào DNA của tế bào, nơi nó phục vụ để tạo ra các hạt virus mới.
DNA của con người là gì
DNA của con người, chứa trong nhân tế bào, được đóng gói thành 23 cặp nhiễm sắc thể và chứa khoảng 3,1 tỷ nucleotide bắt cặp. Ngoài DNA hạt nhân, tế bào người, giống như các sinh vật nhân chuẩn khác, chứa DNA ty thể, một yếu tố tạo nên tính di truyền của các bào quan tế bào ty thể.
Các gen mã hóa của DNA hạt nhân (có từ 20 đến 25 nghìn gen) chỉ chiếm một phần nhỏ trong bộ gen người - khoảng 1,5%. Phần còn lại của DNA trước đây được gọi là "rác", nhưng nhiều nghiên cứu cho thấy vai trò quan trọng của các vùng không mã hóa trong bộ gen, đã được thảo luận ở trên. Điều cực kỳ quan trọng là phải nghiên cứu các quy trìnhphiên mã ngược trong DNA của con người.
Khoa học đã hình thành sự hiểu biết khá rõ ràng về DNA của con người về cấu trúc và chức năng, nhưng những nghiên cứu sâu hơn của các nhà khoa học trong lĩnh vực này sẽ mang lại những khám phá mới và công nghệ y sinh mới.
