Cấu trúc và Đặc điểm của DNA
"DNA - phân tử quý giá nhất trong tất cả các phân tử"
(James D. Watson) Sự khám phá ra cấu trúc phân tử DNA bởi James Watson và
Francis Crick năm 1953 với những hệ quả sinh học của nó là một
trong những sự kiện khoa học to lớn nhất của thế kỷ XX. Nếu như sự ra đời của tác phẩm "Nguồn gốc các loài" (1859) của R.Ch.Darwin đã tạo nên một cuộc cách mạng to lớn trong tư tưởng nhân loại, thì khám phá này thực sự làm biến đổi hiểu biết của chúng ta về sự sống. Toàn bộ câu chuyện về việc phát minh ra phân tử kỳ diệu này đã được thiên tài Watson miêu tả hết sức sinh động trong cuốn hồi ký nhan đề "Chuỗi xoắn kép" (1968).
Trong chương này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu thành phần hoá học và cấu trúc của DNA cũng như các đặc tính hoá lý của nó. Từ đó bí ẩn của sự sống dần dần hé mở những lời giải đáp thú vị, với biết bao thành tựu to lớn tác động lên mọi mặt của đời sống -
xã hội trong suốt hơn 50 năm qua.
I. Thành phần hóa học của DNA
Năm 1944, Oswald T. Avery và các đồng sự của mình chứng minh DNA là vật chất mang thông tin di truyền, chứ không phải protein. Đến năm 1949, Erwin Chargaff áp dụng phương pháp sắc
ký giấy vào việc phân tích thành phần hóa học của DNA các loài khác nhau (Bảng 3.1) đã khám phá ra rằng:
(i) Số lượng bốn loại base trong DNA là không bằng nhau;
(ii) Tỷ lệ tương đối của các base là không ngẫu nhiên; và trong tất cả các mẫu DNA nghiên cứu tồn tại mối tương quan về hàm lượng (%) giữa các base như sau: A T và G C, nghĩa là tỷ số (A+G)/ T+C) 1; và
(iii) Mỗi loài có một tỷ lệ (A+T)/(G+C) đặc thù.
II. Cấu trúc chuỗi xoắn kép DNA
Vào năm 1951-52, việc nghiên cứu cấu trúc ba chiều của DNA bằng phân tích nhiễu xạ tia X được bắt đầu bởi Maurice Wilkins và Rosalind Franklin. Các bức ảnh chụp được 1952 (hình 3.1) gợi ý rằng DNA có cấu trúc xoắn gồm hai hoặc ba chuỗi. Lúc này ở Anh còn có một số nghiên cứu khác nhằm phát triển lý thuyết nhiễu xạ của Linus Pauling để tìm hiểu cấu trúc DNA. Tuy nhiên, giải pháp đúng đắn nhất là chuỗi xoắn kép bổ sung do Watson và Crick đưa
ra năm 1953 (Hình 3.2 và 3.3). Mô hình này hoàn hoàn toàn phù hợp với các số liệu của Wilkins và Franklin cũng như của Chargaff. Sự kiện này mở ra một bước ngoặt mới cho cho sự ra đời và phát triển với tốc độ nhanh chóng của di truyền học phân tử.
(a) (b)
Hình 3.1 (a) R.Franklin (trái) và M.Wilkins; và (b) Ảnh chụp cấu trúc DNA
tinh thể bằng tia X của Franklin.
(a) (b)
Hình 3.2 (a) J.Watson (trái) và F.Crick; và (b) Mô hình cấu trúc tinh thể DNA.
Hình 3.3 Các mô hình cấu trúc chuỗi xoắn kép DNA.
1. Mô hình Watson-Crick
Mô hình Watson-Crick (DNA dạng B; Hình 3.3) có các đặc điểm sau:
(1) DNA gồm hai chuỗi đối song song (antiparallel) cùng uốn quanh một trục trung tâm theo chiều xoắn phải, với đường kính
20Ao (1Angstrom = 10-10m), gồm nhiều vòng xoắn lặp lại một cách đều đặn và chiều cao mỗi vòng xoắn là 34 Ao, ứng với 10 cặp base (base pair, viết tắt là bp).
(2) Các bộ khung đường-phosphate phân bố ở mặt ngoài chuỗi xoắn và các base nằm ở bên trong; chúng xếp trên những mặt phẳng song song với nhau và thẳng góc với trục phân tử, với khoảng cách trung bình 3,4 Ao.
(3) Hai sợi đơn gắn bó với nhau bằng các mối liên kết hydro (vốn là lực hóa học yếu) được hình thành giữa các cặp base đối diện theo nguyên tắc bổ sung "một purine - một pyrimidine". Cụ thể
là, trong DNA chỉ tồn tại hai kiểu kết cặp base đặc thù là A-T (với hai liên kết hydro) và G-C (với ba liên kết hydro) (Hình 3.3 và 3.4).
(4) Tính chất bổ sung theo cặp base dẫn đến sự bổ sung về trình tự các base giữa hai sợi
nguon VI OLET
