Giả sử một gen được cấu tạo từ 4 loại nuclêôtit a t g x thì có thể có tối đa bao nhiêu loại mã bộ ba

DNA là một polymer dài cấu tạo bởi các đơn phân nucleotide lặp lại.[9][10] Cấu trúc DNA của mọi loài là không tĩnh [non-static],[11] chứa hai mạch polynucleotide xoắn đều quanh một trục tưởng tượng theo chiều từ trái sang phải [xoắn phải], mỗi một vòng xoắn [khoảng 10,4 cặp nucleotide] dài 34 ångström [3,4 nm] và có bán kính 10 ångström [1,0nm].[12] Theo một nghiên cứu khác, khi đo đạc trong những dung dịch đặc biệt, chuỗi phân tử DNA rộng từ 22 đến 26 ångström [2,2 đến 2,6nm], và một đơn vị nucleotide dài 3,3 Å [0,33nm].[13] Dù cho mỗi đơn vị lặp lại có kích thước rất nhỏ, polymer DNA vẫn có thể là những phân tử rất lớn chứa hàng triệu nucleotide. Ví dụ, DNA trong nhiễm sắc thể lớn nhất ở người, nhiễm sắc thể số 1, chứa xấp xỉ 220 triệu cặp base[14] và dài đến 85mm nếu được duỗi thẳng.

Trong những sinh vật sống, DNA thường không tồn tại như một chuỗi đơn lẻ, mà thay vào đó là một cặp chuỗi liên kết chặt khít với nhau.[12][15] Hai mạch dài này quấn vào nhau như dây leo, tạo thành hình xoắn ốc kép. Một nucleobase liên kết với một phân tử đường tạo thành cấu trúc gọi là nucleoside, và một base liên kết với một phân tử đường và một hoặc nhiều nhóm phosphat gọi là nucleotide [nucleotide trong DNA và RNA là loại nucleotide chỉ mang một nhóm phosphat]. Mạch polymer chứa nhiều nucleotide gắn kết với nhau [như trong DNA] được gọi là polynucleotide.[16] Mỗi nucleotide chứa cả hai thành phần đường và nhóm phosphat đóng vai trò khung xương cho phân tử [giữ cho các đơn phân của mạch liên kết với nhau], và chứa nucleobase để tương tác với mạch DNA còn lại trong chuỗi xoắn kép thông qua hệ thống liên kết hydro.

Khung xương chính của mạch DNA hình thành từ các nhóm phosphat và phân tử đường luân phiên nhau.[17] Phân tử đường trong DNA là 2-deoxyribose, một loại đường pentose [5 carbon]. Các phân tử đường liên kết với nhau thông qua trung gian nhóm phosphat tạo thành liên kết phosphodieste giữa nguyên tử carbon thứ 3 với nguyên tử carbon thứ 5 trên hai mạch vòng của hai phân tử đường kế cận. Liên kết bất đối xứng này cho phép xác định hướng chạy của mạch đơn DNA. Xem xét gần hơn trên một chuỗi xoắn kép, người ta nhận thấy các nucleotide hướng theo một chiều trên một mạch và theo chiều ngược lại trên mạch kia, gọi là: hai mạch hướng ngược chiều nhau hay đối song song [antiparallel]. Các đầu không đối xứng kết thúc của chuỗi DNA là đầu 5′ [năm phẩy] và đầu 3′ [ba phẩy], với đầu 5′ kết thúc bởi nhóm phosphat và đầu 3′ kết thúc bởi nhóm hydroxyl [OH]. Sự khác nhau chủ yếu giữa DNA và RNA là ở phân tử đường, với đường 2-deoxyribose trong DNA được thay thế bởi đường ribose trong RNA.[15]

Hai mạch xoắn của chuỗi DNA được gắn ổn định bởi hai lực liên kết chính: liên kết hydro giữa các nucleotide của hai mạch và tương tác chồng chất [base-stacking] giữa các base thơm.[19] Trong môi trường dung dịch của tế bào, liên kết π liên hợp của các base nucleotide sắp xếp vuông góc với trục của phân tử DNA, giảm thiểu tương tác của chúng với lớp vỏ solvat hóa [solvation shell], và do vậy làm giảm năng lượng tự do Gibbs. Bốn base trong DNA là adenine [viết tắt A], cytosine [C, ở Việt Nam còn viết là xitôzin, viết tắt X], guanine [G] và thymine [T]. Bốn base này gắn với nhóm đường/phosphat để tạo thành nucleotide hoàn chỉnh, như adenosine monophosphate. Adenine ghép cặp với thymine và guanine ghép cặp với cytosine, ký hiệu bằng các cặp base A-T và G-C.[20][21]

Phân loại nucleobaseSửa đổi

Các nucleobase được phân thành hai loại: purine, gồm adenine [A] và guanine [G], là hợp chất dị vòng có hai vòng 5 và 6 nguyên tử carbon gắn với nhau; và pyrimidine, gồm cytosine [C] và thymine [T], là hợp chất dị vòng có 6 nguyên tử carbon.[15] Một nucleobase pyrimidine thứ năm là uracil [U], thay thế cho thymine [T] trong RNA và khác với thymine do thiếu đi một nhóm methyl [–CH3] trên vòng của nó. Ngoài RNA và DNA, một số lượng lớn acid nucleic nhân tạo tương tự được tạo ra để nghiên cứu các tính chất của acid nucleic, hoặc sử dụng trong công nghệ sinh học.[22]

Uracil thường không có ở DNA, nó chỉ xuất hiện như một sản phẩm phân tách của cytosine. Tuy nhiên, ở một số thực khuẩn thể như: thực khuẩn thể ở Bacillus subtilis PBS1 và PBS2 và thực khuẩn Yersinia piR1-37, thì thymine được thay bằng uracil.[23] Một thực khuẩn thể khác - thể Staphylococcal S6 - được phát hiện với bộ gene mà thymine thay bằng uracil.[24]

Base J [beta-d-glucopyranosyloxymethyluracil], một dạng tinh chỉnh của uracil, cũng xuất hiện ở một số sinh vật: trùng roi Diplonema và Euglena, và mọi nhóm Kinetoplastida.[25] Sinh tổng hợp base J diễn ra theo hai bước: bước thứ nhất một thymidine xác định trong DNA được biến đổi thành hydroxymethyldeoxyuridine [HOMedU]; bước thứ hai HOMedU được glycosyl hóa thành base J.[26] Các nhà khoa học cũng khám phá ra những protein được tổng hợp từ base này.[27][28][29] Những protein này dường như có họ hàng xa với gene gây ung thư [oncogene] Tet1 mà tham gia vào quá trình phát sinh bệnh bạch cầu myeloid cấp tính.[30] Base J cũng đóng vai trò làm tín hiệu kết thúc cho enzyme RNA polymerase II.[31][32]

Rãnh DNASửa đổi

Hai mạch đơn xoắn đôi vào nhau tạo thành bộ khung cho DNA. Ở chuỗi xoắn kép này có thể xuất hiện những khoảng trống nằm cách nhau giữa hai mạch gọi là các rãnh [groove]. Những rãnh này nằm liền kề với các cặp base và có thể hình thành một điểm bám [binding site]. Vì hai mạch đơn không đối xứng nhau nên dẫn đến các rãnh có kích thước không đều, trong đó rãnh lớn [major groove] rộng 22 Å và rãnh nhỏ [minor groove] rộng 12 Å.[33] Độ rộng của rãnh giúp cho các cạnh của base trở nên dễ tiếp cận hơn trong rãnh lớn so với rãnh nhỏ. Kết quả là, các protein của các nhân tố phiên mã mà liên kết với những đoạn trình tự cụ thể trong chuỗi xoắn kép DNA thường thực hiện bằng việc tiếp xúc với các cạnh của các base ở rãnh lớn.[34] Tình huống này thay đổi đa dạng tùy theo hình dáng bất thường của DNA bên trong tế bào [xem ở dưới], nhưng các rãnh lớn và rãnh nhỏ luôn luôn được đặt tên để phản ánh sự khác nhau về kích thước đo được nếu DNA vặn xoắn trở về dạng B thường gặp.

Cặp baseSửa đổi

Trong chuỗi xoắn kép DNA, mỗi loại nucleobase trên một mạch chỉ liên kết với một loại nucleobase trên mạch kia. Đây được gọi là nguyên tắc bổ sung cặp base. Ở đây, purine hình thành liên kết hydro với pyrimidine, trong đó adenine chỉ ghép với thymine bằng hai liên kết hydro, và cytosine chỉ ghép với guanine bằng ba liên kết hydro. Sự bố trí giữa hai nucleotide liên kết với nhau qua chuỗi xoắn kép gọi là một cặp base. Vì liên kết hydro không phải là liên kết cộng hóa trị, nên có thể bị đứt ra và nối lại tương đối dễ dàng. Hai mạch của DNA trong chuỗi xoắn kép do vậy có thể tách rời nhau ra giống như khóa kéo, hoặc bằng lực cơ học hoặc bằng nhiệt độ cao.[35] Hệ quả của nguyên tắc bổ sung này là mọi thông tin trong trình tự chuỗi xoắn kép DNA được lặp lại ở mỗi mạch, và có vai trò quan trọng trong giai đoạn sao chép DNA. Nói chung, trình tự lặp lại ngược chiều giữa hai mạch và những tương tác liên kết bổ sung trong các cặp base là tối quan trọng đối với mọi chức năng của DNA trong cơ thể sống.[10]

Hai loại cặp base khác nhau bởi số liên kết hydro giữa các base, cặp A-T có 2 liên kết hydro và cặp G-C có 3 liên kết hydro. Những phân tử DNA chứa nhiều cặp G-C sẽ ổn định hơn so với những phân tử chứa ít cặp G-C.

Như miêu tả ở trên, hầu hết phân tử DNA bao gồm hai mạch polymer liên kết thành dạng xoắn kép bởi liên kết hydro không phải là liên kết cộng hóa trị; cấu trúc mạch kép này [dsDNA - double stranded DNA] cũng được duy trì chủ yếu bởi những tương tác chồng chất pi giữa các base trên hai mạch, mà mạnh nhất là ở cấu trúc chồng chất G,C [tương tác chồng chất pi là những tương tác không cộng hóa trị giữa các vòng thơm mang liên kết pi liên hợp]. Hai mạch có thể tách nhau ra – một quá trình gọi là nóng chảy – để tạo thành hai phân tử DNA mạch đơn [ssDNA - single-stranded DNA]. Sự phân tách xảy ra ở nhiệt độ cao, độ mặn thấp và độ pH cao [độ pH thấp cũng làm tách DNA, nhưng vì DNA trở nên không ổn định do acid bị khử purine hóa [bản chất DNA là một loại acid], do đó độ pH thấp ít khi được sử dụng].

Sự ổn định của dạng mạch kép dsDNA không chỉ phụ thuộc vào thành phần G-C [tỷ lệ% cặp base G-C] mà còn phụ thuộc vào trình tự các base [do tương tác chồng chất pi giữa các base là một thuộc tính đặc hiệu của trình tự] và độ dài [phân tử càng dài thì càng ổn định]. Độ ổn định được đo bằng nhiều cách khác nhau; cách phổ biến là đưa phân tử đạt tới "nhiệt độ nóng chảy", đó là nhiệt độ mà tại đấy khoảng 50% số phân tử ds biến đổi thành phân tử ss; nhiệt độ nóng chảy phụ thuộc vào cường độ ion và sự đông đặc của DNA. Do vậy, cả tỷ lệ phần trăm số cặp base G-C và chiều dài tổng thể của chuỗi xoắn kép DNA xác định nên cường độ liên kết giữa hai mạch DNA. Những chuỗi xoắn kép DNA dài với thành phần nhiều G-C có tương tác giữa hai mạch mạnh hơn so với những chuỗi xoắn kép ngắn với thành phần nhiều A-T.[36] Trong hoạt động sinh học, có những phần của chuỗi xoắn kép DNA dễ dàng tách ra khi cần thiết, ví dụ như hộp Pribnow TATAAT ở một số vùng khởi động [promoter], có xu hướng chứa nhiều thành phần A-T, khiến cho các mạch có thể phân tách dễ dàng.[37]

Trong phòng thí nghiệm, cường độ của tương tác này có thể đo bằng cách tìm ra nhiệt độ cần thiết để phân cắt liên kết hydro giữa hai mạch, hay chính là nhiệt độ nóng chảy của chúng [được ký hiệu là Tm, nghĩa là melting temperature [nhiệt độ nóng chảy]]. Khi tất cả các cặp base tách rời nhau, hai mạch của chuỗi DNA sẽ tách rời và tồn tại trong dung dịch như các phân tử độc lập. Những phân tử mạch đơn DNA [ssDNA] không có hình dạng chung, nhưng một số có thể thu về những dạng ổn định tùy theo độ dài và thành phần cặp base.[38]

Có nghĩa và đối nghĩaSửa đổi

Một trình tự DNA gọi là "có nghĩa" [sense] nếu trình tự của nó giống với trình tự của bản sao RNA thông tin dùng để dịch mã thành protein.[39] Khi đó, trình tự trên mạch bổ sung còn lại được gọi là trình tự "đối nghĩa" [antisense]. Cả trình tự có nghĩa và đối nghĩa có thể tồn tại trên các đoạn khác nhau của cùng một mạch đơn DNA [tức là cả hai mạch có thể chứa cả trình tự có nghĩa lẫn đối nghĩa]. Ở tế bào nhân thực và nhân sơ, các trình tự RNA đối nghĩa đều được tạo ra, nhưng chức năng của những RNA này vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn.[40] Có đề xuất cho rằng các RNA đối nghĩa có khả năng tham gia vào hoạt động điều hòa biểu hiện gene thông qua sự bổ sung base RNA-RNA.[41]

Một vài trình tự DNA ở sinh vật nhân thực và nhân sơ, và hay gặp hơn ở plasmid và virus, xóa nhòa sự khác biệt giữa những mạch có nghĩa và đối nghĩa do có sự hiện diện của các gene chồng lợp [overlapping gene].[42] Trong trường hợp này, một số trình tự DNA đảm nhận đến hai trách nhiệm, mã hóa cho một protein khi đọc dọc theo một mạch, và mã hóa protein thứ hai khi đọc theo hướng ngược lại dọc theo mạch kia. Trong vi khuẩn, sự chồng lợp này có thể tác động đến quá trình điều hòa phiên mã gene,[43] trong khi ở virus, các gene chồng lợp lại làm tăng lượng thông tin được mã hóa bên trong bộ gene nhỏ bé của virus.[44]

DNA siêu xoắnSửa đổi

DNA có thể xoắn lại tựa như một sợi dây thừng theo một tiến trình gọi là DNA siêu xoắn [DNA supercoiling]. Với DNA ở trạng thái "bình thường", một mạch thường xoắn đều quanh trục tưởng tượng của chuỗi xoắn kép theo từng đoạn ngắn mang khoảng 10,4 cặp base, nhưng nếu DNA bị vặn xoắn thì các mạch có thể trở nên siết chặt hơn hoặc lỏng lẻo hơn.[45] Nếu DNA bị xoắn theo hướng của chuỗi xoắn kép, hay siêu xoắn thuận [positive supercoiling], thì các base giữ chặt với nhau hơn. Còn nếu DNA bị xoắn ngược hướng với chuỗi xoắn kép, hay siêu xoắn nghịch [negative supercoiling], thì các base phân tách dễ dàng hơn. Trong tự nhiên, hầu hết DNA trong tế bào đều ở trạng thái gần siêu xoắn nghịch do chịu sự tác động của nhóm enzyme có tên gọi topoisomerase.[46] Những enzyme này cũng cần thiết để tháo xoắn các mạch DNA trong những quá trình như phiên mã và nhân đôi DNA.[47]

Những mô hình cấu trúc DNASửa đổi

DNA có thể tồn tại ở nhiều cấu hình, trong đó bao gồm A-DNA, B-DNA, và Z-DNA, mặc dù chỉ có cấu hình B-DNA và Z-DNA trực tiếp quan sát thấy trong những sinh vật chuyên hóa chức năng.[17] Cấu hình mà DNA tuân theo phụ thuộc vào mức độ hydrat hóa, trình tự DNA, số cặp base và chiều hướng siêu xoắn, cộng với những tu sửa hóa học trên các base, thành phần và hàm lượng ion kim loại, cũng như sự hiện diện của các polyamin trong dung dịch.[48]

Báo cáo đầu tiên về ảnh chụp tán xạ tia X của dạng A-DNA và B-DNA sử dụng phương pháp phân tích dựa trên hàm Patterson chỉ cung cấp thông tin giới hạn về cấu trúc của các sợi định hướng trong DNA.[49][50] Một hướng phân tích khác, do Wilkins cùng cộng sự [et al.] đề xuất vào năm 1953, cho các phần chụp nhiễu xạ-tán xạ tia X đối với B-DNA in vivo [trong cơ thể sống thí nghiệm] của các sợi DNA hydrat hóa cao độ tuân theo những hạng tử bình phương trong hàm Bessel.[51] Trong cùng tạp chí, James Watson và Francis Crick trình bày mô hình phân tử DNA của họ sau khi phân tích các hình ảnh nhiễu xạ tia X và gợi ra rằng cấu trúc của nó có dạng chuỗi xoắn kép.[12]

Dạng B-DNA là cấu hình phổ biến nhất tìm thấy dưới những điều kiện của tế bào sống,[52] tồn tại ở trạng thái gần giống tinh thể [paracrystalline state], đó là cấu hình động mặc dù tính tương đối cứng của chuỗi xoắn kép DNA được giữ ổn định bởi liên kết hydro giữa các base. Để đơn giản, hầu hết những mô hình phân tử DNA đều bỏ qua liên kết động lực của nước và các ion đối với phân tử dạng B-DNA, và do đó ít hữu ích khi dùng các mô hình này để hiểu cách hoạt động của B-DNA trong tế bào sống ở trạng thái bình thường [in vivo].[53] Phân tích vật lý và toán học của ảnh chụp tia X[54][55] cũng như dữ liệu quang phổ thu được cho dạng B-DNA tiền tinh thể [paracrystalline], do vậy phức tạp hơn so với dữ liệu nhiễu xạ tia X của ảnh chụp dạng A-DNA.

So với B-DNA, dạng A-DNA xoắn ốc theo chiều tay phải rộng hơn về đường kính, với một rãnh nhỏ nông hơn và rộng hơn, trong khi rãnh lớn sâu hơn và hẹp hơn. Dạng A thường xuất hiện dưới các điều kiện phi sinh lý, đặc biệt trong các mẫu DNA mất nước một phần, trong khi ở tế bào nó có thể ở dạng lai ghép mạch đơn DNA với mạch đơn RNA, cũng như xuất hiện cả ở phức hệ enzyme-DNA.[56][57] Ở đoạn DNA nơi các base đã bị tinh sửa về mặt hóa học bằng phương pháp methyl hóa có thể trải qua sự thay đổi lớn về hình dạng cấu hình và trở thành dạng Z-DNA. Ở cấu hình đây, hai mạch xoắn quanh trục theo chiều tay trái, ngược chiều với hướng của dạng B phổ biến.[58] Những cấu trúc bất thường này có thể nhận ra bằng một loại protein đặc hiệu liên kết với Z-DNA và các protein này có thể tham gia vào hoạt động điều hòa quá trình phiên mã.[59]

DNA có thành phần hóa học thay thếSửa đổi

Trong một vài năm, các nhà sinh học vũ trụ đã đề xuất về một sinh quyển bóng tối [shadow biosphere], một sinh quyển vi sinh vật giả thuyết tồn tại trên Trái Đất mà sử dụng các quá trình phân tử và hóa học khác căn bản so với những gì đã biết về sự sống hiện tại. Một trong các đề xuất đó là sự tồn tại của dạng sinh vật sống mà nguyên tử asen thay cho phospho trong DNA. Một báo cáo năm 2010 cho thấy khả năng này có mặt trong vi khuẩn GFAJ-1,[63][63][64] mặc dù đã có những tranh cãi,[64][65] và cuối cùng năm 2012 một báo cáo khác nêu ra bằng chứng cho thấy các vi khuẩn này chủ động ngăn không cho asen kết hợp vào bộ khung DNA của nó và những phân tử sinh học khác.[66]

Cấu trúc bộ bốnSửa đổi

Tại đầu mút của mỗi nhiễm sắc thể là những vùng đặc hiệu của DNA gọi là telomere. Chức năng chính của nhóm vùng này đó là cho phép tế bào thực hiện sao chép những đầu mút nhiễm sắc thể sử dụng enzyme telomerase, bởi vì bình thường các enzyme sao chép DNA không thể nhân đôi đến đầu 3′ tận cùng của nhiễm sắc thể.[67] Những đầu mút đặc hiệu này của nhiễm sắc thể cũng giúp bảo vệ DNA bị rút ngắn sau mỗi lần nhân đôi, và cho dừng hệ thống sửa chữa DNA trong tế bào khi hệ thống này coi DNA bị hỏng và cần được sửa chữa.[68] Trong tế bào người, các telomere thường là những mạch đơn DNA dài chứa vài nghìn trình tự TTAGGG lặp đi lặp lại.[69]

Các trình tự giàu guanine có khả năng giữ ổn định những đầu mút của nhiễm sắc thể bằng cách hình thành nên cấu trúc gồm những đơn vị chứa bốn base xếp chồng lên nhau, hơn là dạng bổ sung cặp base thường thấy ở các phân tử DNA khác. Ở đây, bốn base guanine tạo thành một tấm phẳng và những đơn vị phẳng chứa bốn base này xếp xen chồng lẫn nhau hình thành nên cấu trúc G-quadruplex [bộ bốn] ổn định.[71] Sự ổn định của cấu trúc này có được là do liên kết hydro giữa các cạnh của base và hiện tượng chelat hóa của một ion kim loại nằm ở trung tâm của khối phẳng bộ bốn base.[72] Những cấu trúc khác cũng có thể tồn tại, với trung tâm của bộ bốn base hoặc là một mạch đơn gấp xoắn xung quanh các base, hoặc là một vài mạch song song với nhau, trong đó mỗi mạch đều đóng góp một base vào cấu trúc trung tâm.

Bên cạnh dạng cấu trúc xếp chồng, telomere cũng có cấu trúc dạng vòng lớn gọi là vòng telomere [telomere loop], hay T-loop. Trong cấu trúc này, một mạch đơn DNA quấn quanh thành một vòng tròn dài ổn định bởi các protein liên kết với telomere.[73] Tại đầu mút tận cùng của T-loop, telomere mạch đơn DNA được giữ ở một vùng bao bởi DNA mạch kép bằng mạch telomere phân tách mạch kép DNA và thực hiện việc bổ sung cặp base với một trong hai mạch. Cấu trúc ba mạch này [triple-stranded DNA] được gọi là vòng chuyển chỗ [displacement loop] hay D-loop.[71]

DNA phân nhánhSửa đổi

Ở chuỗi xoắn kép DNA, hiện tượng sờn tước đầu mút xuất hiện khi những đoạn không được bổ sung hiện diện tại đầu mút của DNA mạch kép. Qua đó, DNA phân nhánh có thể hình thành nếu có một mạch DNA thứ ba xuất hiện và mang những đoạn mới liên hợp với đoạn không được bổ sung của chuỗi xoắn kép đã bị sờn tước trước đó. Dạng đơn giản nhất của DNA phân nhánh chỉ bao gồm ba mạch DNA, tất nhiên là có thể tồn tại thêm nhiều nhánh phức tạp khác.[74] DNA phân nhánh được ứng dụng trong công nghệ nano để lắp ráp những cấu hình phân tử mong muốn.