Sharing Chemistry with the Community

Hóa học về cấu trúc của DNA

DNA là gì? Và tại sao chúng lại quan trọng đối với chúng ta? Chắc có lẽ ai trong số các bạn đang đọc bài viết này đều đã được học và biết từ năm cấp 2 rồi đúng không nào? Tất nhiên, không chỉ ở người mà DNA được tìm thấy trong các tế bào của mọi dạng sống đa bào trên Trái đất. Tuy nhiên để hiểu rõ về hóa học của nó thì không phải ai cũng hiểu. Bài viết này sẽ giúp cho các bạn hiểu rõ hơn về cấu trúc của DNA và cách chúng cho phép tạo ra protein nhé!

Đôi nét về lịch sử

DNA được tìm thấy trong nhân của các tế bào ở các sinh vật đa bào, và lần đầu tiên được phân lập vào năm 1869, bởi bác sĩ người Thụy Sĩ Friedrich Miescher. Tuy nhiên, cấu trúc của nó đã không được làm sáng tỏ cho đến gần một thế kỷ sau đó, vào năm 1953. Các tác giả của bài báo mà cấu trúc này được đề xuất là James Watson & Francis Crick, và đã giành giải thưởng Nobel cho công trình của họ. Tuy nhiên, công trình này phụ thuộc rất nhiều vào công việc của một nhà khoa học khác, Rosalind Franklin.

Bản thân Franklin cũng đang nghiên cứu cấu trúc của DNA và từ bức ảnh chụp X-quang của bà ấy, cho thấy rõ cấu trúc xoắn kép của DNA, hỗ trợ rất nhiều cho công việc của họ. Cô vẫn chưa công bố phát hiện của mình khi Watson và Crick có được quyền truy cập vào chúng mà không biết. Tuy nhiên, việc cô không giành được giải thưởng Nobel không phải là một trường hợp sơ suất, mà chỉ là hậu quả từ chính sách của ủy ban Nobel rằng các giải thưởng không thể được trao tặng sau đó.

Cấu trúc của DNA

Mô hình xoắn kép của DNA (axit deoxyribonucleic) bao gồm hai sợi đan xen. Các chuỗi này được tạo thành từ các nucleotide, bản thân chúng bao gồm ba thành phần: một nhóm đường, một nhóm phốt phát và một bazơ. Các nhóm đường và phốt phát kết hợp tạo thành “xương sống” lặp lại của các chuỗi DNA. Có bốn bazơ khác nhau có khả năng gắn vào nhóm đường: adenine, thymine, guanine và cytosine, được chỉ định A, T, G và C.

Các bazơ là những gì cho phép hai chuỗi DNA giữ lại với nhau. Các lực liên phân tử mạnh gọi là liên kết hydro giữa các bazơ trên các dải liền kề chịu trách nhiệm cho việc này. Do cấu trúc của các bazơ khác nhau, adenine (A) luôn tạo liên kết hydro với thymine (T), trong khi guanine (G) luôn tạo liên kết hydro với cytosine (C). Trong DNA của con người, trung bình có 150 triệu cặp bazơ trong một phân tử.

Khả năng tự sao chép

Các tế bào trong cơ thể bạn liên tục phân chia, tái tạo và chết, nhưng để quá trình này xảy ra, DNA trong tế bào phải có khả năng tự sao chép. Trong quá trình phân chia tế bào, hai chuỗi DNA tách ra và hai chuỗi đơn sau đó có thể được sử dụng làm mẫu để tạo phiên bản mới theo nguyên tắc bổ sung. Vì A luôn ghép với T và G luôn ghép với C, nên có thể tạo ra chuỗi các bazơ trên một chuỗi bằng cách sử dụng chuỗi ngược lại và điều này cho phép DNA tự sao chép. Quá trình này được thực hiện bởi một họ enzyme gọi là DNA polymerase.

Sản xuất protein

Khi DNA được sử dụng để tạo protein, hai sợi cũng phải tách ra. Tuy nhiên, trong trường hợp này, mã của DNA được sao chép sang mRNA (axit ribonucleic messenger), một quá trình được gọi là “phiên mã”. Cấu trúc của RNA rất giống với cấu trúc của DNA, nhưng với một vài điểm khác biệt chính. Đầu tiên, nó chứa một nhóm đường khác nhau trong xương sống đường phốt phát của phân tử: ribose thay vì deoxyribose. Thứ hai, nó vẫn sử dụng các bazơ A, G và C, nhưng thay vì bazơ T, nó sử dụng uracil, U. Cấu trúc của uracil rất giống với thymine, trong đó không có nhóm methyl (CH3) là duy nhất sự khác biệt.

Khi các nucleotide của DNA đã được sao chép, mRNA có thể rời khỏi nhân của tế bào và đi đến tế bào chất, nơi diễn ra quá trình tổng hợp protein. Ở đây, các phân tử phức tạp được gọi là ribosome ‘đọc’ chuỗi các bazơ trên phân tử mRNA. Các axit amin riêng lẻ, kết hợp tạo nên protein, được mã hóa bởi bộ ba mã hóa của chuỗi mRNA. Các mã khác nhau có thể, và các axit amin mà chúng mã hóa, đã được tạo ra. Một loại RNA khác như RNA vận chuyển, chịu trách nhiệm vận chuyển axit amin đến mRNA và cho phép chúng kết hợp với nhau.

Lỗi trong quá trình sao chép

Tuy nhiên, quá trình này không phải lúc nào cũng hoàn hảo. Lỗi có thể xảy ra khi sao chép chuỗi DNA vào mRNA và các lỗi ngẫu nhiên này được gọi là đột biến. Các lỗi có thể ở dạng bazơ đã thay đổi, hoặc thậm chí là bazơ bị xóa hoặc thêm. Một số hóa chất và bức xạ có thể gây ra những thay đổi này, nhưng chúng cũng có thể xảy ra trong trường hợp không có các tác động bên ngoài này. Chúng có thể dẫn đến mã của một axit amin bị thay đổi thành mã khác hoặc thậm chí không thể đọc được. Một số bệnh có thể do đột biến trong quá trình sao chép DNA, bao gồm xơ nang và thiếu máu hồng cầu hình liềm, nhưng đáng chú ý là đột biến cũng có thể có tác động tích cực.

Mặc dù chỉ có 20 axit amin, cơ thể con người có thể kết hợp chúng để tạo ra một con số đáng kinh ngạc với khoảng 100.000 protein. Sáng tạo của chúng là một quá trình liên tục và một chuỗi protein duy nhất có thể có 10-15 axit amin được thêm vào mỗi giây. Vì mục đích của bài này chủ yếu là để giới thiệu cấu trúc hóa học của DNA, cuộc thảo luận về sao chép và tổng hợp protein đã được giữ ngắn gọn và tương đối đơn giản. Nếu bạn thích đọc thêm về chủ đề này, hãy xem các liên kết tham khảo được cung cấp ở cuối bài.

Trên đây là những nét thú vị và đơn giản về cấu trúc của DNA và cách chúng tạo ra protein. Hi vọng sẽ giúp ích cho  các bạn phần nào trong tương lai. Lần sau nếu có ai hỏi về chúng thì hãy nhớ về hóa học đằng sau nhé!

Tham khảo Compound Interest, Chemguide, GenomeBeth A. Montelone.

Leave a Reply