Deoxyribonucleic Axit (DNA) là một chất hữu cơ ở nhiễm sắc thể trong nhân tế bào mã hóa, mang thông tin di truyền và là yếu tố cơ bản của di truyền.

Nguồn gốc của DNA

Là chất truyền các đặc tính di truyền axit deoxyribonucleic (DNA) tự sao chép chính xác và xác định cấu trúc của các sinh vật mới bằng cách quản lý cấu trúc của protein. DNA lần đầu tiên được cô lập bởi thầy thuốc người Thụy Sĩ Friedrich Miescher, người mà vào năm 1869, đã khám phá ra một chất vi mô trong mủ của băng gạc được tháo bỏ sau phẫu thuật. Vì nó nằm trong nhân của tế bào, ông đã gọi nó là “nuclein”. Năm 1878, Albrecht Kossel đã cô lập được thành phần không phải là protein của “nuclein”, axit nucleic và sau đó ông cô lập được năm nucleobase cơ bản của nó. Năm 1919, Phoebus Levene nhận biết được các đơn vị của nucleotide là base, đường và phosphat. Levene đề xuất rằng DNA chứa một chuỗi các đơn vị nucleotide được liên kết với nhau bằng các nhóm phosphat. Levene đã nghĩ rằng mạch này là ngắn và các base lặp lại theo một thứ tự cố định. Năm 1937, William Astbury chụp được ảnh thành phần nhiễu xạ tia X đầu tiên cho thấy DNA có một cấu trúc đều đặn.

DNA là phân tử mang thông tin di truyền dưới dạng bộ ba mã di truyền quy định mọi hoạt động sống (sinh trưởng, sinh sản, phát triển v.v.) của các sinh vật và hầu hết virus. Đây là từ viết tắt thuật ngữ tiếng Anh deoxyribonucleic acid, viết tắt: ADN). DNA và RNA là những axit nucleic.

Cùng với protein, lipid và cacbohydrat cao phân tử (polysaccharide) đều là những đại phân tử sinh học chính có vai trò quan trọng thiết yếu đối với mọi dạng sống được biết đến. Phần lớn các phân tử DNA được cấu tạo từ hai mạch polyme sinh học xoắn đều quanh một trục tưởng tượng tạo thành chuỗi xoắn kép.

Hai mạch DNA này được gọi là các polynucleotide vì thành phần của chúng bao gồm các đơn phân nucleotide. Mỗi nucleotide được cấu tạo từ một trong bốn loại nucleobase chứa nitơ hoặc là cytosine (C), guanine (G), adenine (A), hay thymine (T) - liên kết với đường deoxyribose và một nhóm phosphat. Các nucleotide liên kết với nhau thành một mạch DNA bằng liên kết cộng hóa trị giữa phân tử đường của nucleotide với nhóm phosphat của nucleotide tiếp theo, tạo thành “khung xương sống” đường - phosphat luân phiên vững chắc.

Những base nitơ giữa hai mạch đơn polynucleotide liên kết với nhau theo nguyên tắc bổ sung (A liên kết với T và C liên kết với G) thông qua các mối liên kết hydro để tạo nên chuỗi DNA mạch kép. Tổng số lượng cặp base liên quan tới DNA trên Trái Đất ước tính bằng 5,0 x 1037 và nặng khoảng 50 tỷ tấn. Để so sánh, tổng khối lượng của sinh quyển xấp xỉ bằng 4 nghìn tỷ tấn cacbon.

DNA lưu trữ thông tin sinh học, các mã di truyền đến các thế hệ tiếp theo và để chỉ dẫn cho quá trình sinh tổng hợp protein. Mạch đơn DNA có liên kết hóa học vững chắc chống lại sự phân cắt và hai mạch đơn của chuỗi xoắn kép lưu trữ thông tin sinh học như nhau. Thông tin này được sao chép nhờ sự phân tách hai mạch đơn. Một tỷ lệ đáng kể DNA (hơn 98% ở người) là các đoạn DNA không mã hóa (non-coding), nghĩa là những vùng này không giữ vai trò mạch khuôn để xác định trình tự protein thông qua các quá trình phiên mã, dịch mã.

Hai mạch DNA chạy song song theo hai hướng ngược nhau. Gắn với mỗi phân tử đường là một trong bốn loại nucleobase (hay các base). Thông tin di truyền được mã hóa bởi trình tự của bốn nucleobase gắn trên mỗi mạch đơn. Những mạch RNA được tổng hợp từ những khuôn mẫu DNA trong quá trình phiên mã. Và dưới sự chỉ dẫn của mã di truyền, phân tử RNA tiếp tục được diễn dịch để xác định trình tự các axit amino ở cấu trúc protein trong quá trình dịch mã.

DNA ở tế bào nhân thực (động vật, thực vật, nấm và nguyên sinh vật) được lưu trữ bên trong nhân tế bào và một số bào quan, như ty thể hoặc lục lạp. Ngược lại, ở sinh vật nhân sơ (vi khuẩn và vi khuẩn cổ), do không có nhân tế bào, DNA nằm trong tế bào chất. Bên trong tế bào, DNA tổ chức thành những cấu trúc dài gọi là nhiễm sắc thể (chromosome). Trong giai đoạn phân bào các nhiễm sắc thể hình thành được nhân đôi bằng cơ chế nhân đôi DNA, mang lại cho mỗi tế bào có một bộ nhiễm sắc thể hoàn chỉnh như nhau. Ở nhiễm sắc thể sinh vật nhân thực, những protein chất nhiễm sắc (chromatin) như histone giúp thắt chặt và tổ chức cấu trúc DNA. Chính cấu trúc thắt chặt này sẽ quản lý sự tương tác giữa DNA với các protein khác, quy định vùng nào của DNA sẽ được phiên mã.

DNA là một polyme dài cấu tạo bởi các đơn phân nucleotide lặp lại. Cấu trúc DNA của mọi loài là không tĩnh (non-static), 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 (1,0 nm). 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 2,6 nm) và một đơn vị nucleotide dài 3,3 Å (0,33 nm). Dù cho mỗi đơn vị lặp lại có kích thước rất nhỏ, polyme 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 và dài đến 85 mm nếu được duỗi thẳng.

Phân biệt cấu trúc nucleoside và nucleotide

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. 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 polyme chứa nhiều nucleotide gắn kết với nhau (như trong DNA) được gọi là polynucleotide. 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. Phân tử đường trong DNA là 2-deoxyribose, một loại đường pentose (5 cacbon). Các phân tử đường liên kết với nhau thông qua trung gian nhóm phosphat tạo thành liên kết phosphodieste giữa nguyên tử cacbon thứ 3 với nguyên tử cacbon 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.

Một phần của DNA, các base nằm ngang giữa hai mạch xoắn. 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. 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.

Tài liệu tham khảo

1. Gribbin, John, In Search of the Double Helix, New York: McGraw-Hill, 1985.
2. Neil A. Campbell, Jane B. Reece, Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson. “5”, Biology 8th Edition: Pearson Benjamin Cummings, ISBN 978-0805368444, 2008, pp. 86.
3. Harvey Lodish, Arnold Berk, Chris A. Kaiser, Monty Krieger, Anthony Bretscher. “4”, Molecular Cell Biology, W. H. Freeman, ISBN 97814292341392017, 2012, pp. 2, .
4. Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P., Molecular Biology of the Cell (ấn bản 6), Garland, pp. Chapter 4: DNA, Chromosomes and Genomes, ISBN 97808153 44322, 2014.
5. Nuwer, Rachel, Counting All the DNA on Earth, The New York Times (New York: The New York Times Company), ISSN 0362-4331.2015, “The Biosphere: Diversity of Life”, Aspen Global Change Institute, Basalt, CO. 2015, 2015.