Tóm tắt truyền thống | Sinh học phân tử: DNA và RNA

Ngữ cảnh hóa

DNA (axit deoxyribonucleic) và RNA (axit ribonucleic) là những phân tử thiết yếu cho sự sống. DNA nằm trong nhân tế bào, chịu trách nhiệm lưu trữ thông tin di truyền xác định đặc điểm của mỗi sinh vật. Nó gồm hai chuỗi nucleotide, tạo thành cấu trúc xoắn kép. Mỗi nucleotide bao gồm một nhóm phosphate, một deoxyribose (đường) và một base nitơ (adenine, thymine, cytosine hoặc guanine). Các base nitơ ghép đôi theo quy tắc: adenine với thymine và cytosine với guanine, đảm bảo tính ổn định và chính xác trong việc sao chép thông tin di truyền. Ngược lại, RNA chủ yếu nằm trong tế bào chất và có nhiều vai trò khác nhau trong tế bào, đặc biệt là trong tổng hợp protein. Không giống như DNA, RNA chỉ có một chuỗi nucleotide và chứa ribose làm đường cùng uracil thay vì thymine. Có nhiều loại RNA khác nhau, mỗi loại có chức năng riêng: RNA thông tin (mRNA) mang thông tin di truyền từ DNA đến ribosome; RNA ribosome (rRNA) tạo thành cấu trúc của ribosome; và RNA vận chuyển (tRNA) mang các axit amin đến ribosome trong quá trình tổng hợp protein. Việc hiểu biết về những phân tử này và chức năng của chúng là rất cần thiết trong nghiên cứu sinh học phân tử cũng như các ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như y học và công nghệ sinh học.

Ghi nhớ!

Cấu trúc của DNA

DNA, hay axit deoxyribonucleic, là một phân tử được cấu thành từ hai chuỗi nucleotide xoắn lại để hình thành một cấu trúc xoắn kép. Mỗi nucleotide trong DNA bao gồm một nhóm phosphate, một phân tử deoxyribose (một loại đường) và một base nitơ. Các base nitơ trong DNA là adenine (A), thymine (T), cytosine (C) và guanine (G). Tính đặc hiệu của việc ghép đôi base là rất quan trọng: adenine luôn ghép đôi với thymine thông qua hai liên kết hydro, trong khi cytosine ghép đôi với guanine thông qua ba liên kết hydro. Tính đặc hiệu này đảm bảo độ chính xác cần thiết cho việc sao chép DNA và truyền đạt thông tin di truyền một cách trung thực. Cấu trúc xoắn kép được phát hiện bởi James Watson và Francis Crick vào năm 1953, và phát hiện này là cơ sở để hiểu cách DNA lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền. Cấu trúc xoắn kép được giữ chặt không chỉ bởi các liên kết hydro giữa các base mà còn bởi các tương tác kỵ nước giữa các base và lực Van der Waals giữa các chuỗi nucleotide. Hai chuỗi nucleotide có hướng ngược chiều, có nghĩa là chúng chạy theo hai hướng đối diện. Hướng ngược chiều này rất quan trọng cho việc sao chép và phiên mã DNA. Trong quá trình sao chép, xoắn kép DNA mở ra, với mỗi chuỗi phục vụ như một khuôn mẫu để tổng hợp một chuỗi bổ sung mới. Kết quả là hai phân tử DNA giống hệt nhau, mỗi phân tử chứa một chuỗi gốc và một chuỗi mới được tổng hợp. Quá trình này được gọi là sao chép bán bảo tồn. Độ chính xác trong sao chép được đảm bảo bởi các enzyme DNA polymerase, chúng thêm các nucleotide bổ sung vào chuỗi khuôn mẫu và sửa chữa các lỗi trong quá trình sao chép. Ngoài vai trò trung tâm trong việc sao chép, cấu trúc của DNA còn rất quan trọng cho quá trình phiên mã, nơi một chuỗi DNA cụ thể được phiên mã thành RNA thông tin (mRNA). mRNA sau đó mang thông tin di truyền từ nhân tế bào đến tế bào chất, nơi nó sẽ được dịch mã thành protein.

• DNA là một xoắn kép được cấu thành từ hai chuỗi nucleotide.

• Các base nitơ trong DNA là adenine, thymine, cytosine và guanine.

• Adenine ghép đôi với thymine, và cytosine ghép đôi với guanine.

• Cấu trúc ngược chiều của các chuỗi nucleotide là rất quan trọng cho việc sao chép và phiên mã DNA.

Chức năng của DNA

DNA có hai chức năng chính: lưu trữ thông tin di truyền và truyền đạt thông tin đó cho thế hệ tiếp theo. Thông tin di truyền chứa trong DNA được tổ chức thành các đơn vị gọi là gen, mã hóa cho các protein cụ thể. Protein là các khối xây dựng và máy móc thực hiện nhiều chức năng tế bào. Do đó, trình tự các base trong DNA xác định trình tự các axit amin trong protein, từ đó xác định cấu trúc và chức năng của protein. Ngoài việc mã hóa cho protein, DNA còn điều chỉnh sự biểu hiện gen. Sự biểu hiện gen là quá trình mà thông tin chứa trong một gen được sử dụng để tổng hợp một sản phẩm chức năng, chẳng hạn như một protein. Các tế bào khác nhau trong một sinh vật biểu hiện các gen khác nhau, cho phép sự chuyên biệt của tế bào. Các yếu tố điều chỉnh sự biểu hiện gen bao gồm các promoter, enhancer và silencer, là các trình tự DNA tương tác với các protein điều chỉnh để tăng hoặc giảm quá trình phiên mã của các gen cụ thể. Việc sao chép DNA là rất quan trọng để truyền đạt thông tin di truyền trong quá trình phân chia tế bào. Mỗi tế bào con nhận được một bản sao giống hệt của DNA từ tế bào mẹ, đảm bảo tính liên tục của thông tin di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác. Độ chính xác trong sao chép là rất quan trọng để tránh đột biến, có thể dẫn đến các bệnh di truyền. Tuy nhiên, một số đột biến có thể có lợi và góp phần vào tiến hóa, cung cấp các biến thể di truyền mới mà tự nhiên có thể tác động. Sự ổn định của DNA là một khía cạnh quan trọng khác trong chức năng của nó. DNA là một phân tử tương đối ổn định, có khả năng chống lại các tổn thương hóa học và vật lý. Tuy nhiên, nó có thể bị tổn thương bởi các yếu tố như bức xạ UV và các tác nhân hóa học. Các tế bào có các cơ chế sửa chữa DNA để khắc phục tổn thương và duy trì tính toàn vẹn của thông tin di truyền. Các cơ chế này bao gồm sửa chữa loại bỏ nucleotide, sửa chữa loại bỏ base và sửa chữa đứt gãy chuỗi đôi.

• DNA lưu trữ thông tin di truyền và truyền đạt nó cho thế hệ tiếp theo.

• Trình tự các base trong DNA xác định trình tự các axit amin trong protein.

• Việc sao chép DNA là cần thiết cho sự phân chia tế bào và tính liên tục của thông tin di truyền.

• DNA điều chỉnh sự biểu hiện gen và có các cơ chế sửa chữa để duy trì tính toàn vẹn của nó.

Cấu trúc của RNA

RNA, hay axit ribonucleic, là một phân tử được cấu thành từ một chuỗi nucleotide đơn. Mỗi nucleotide trong RNA bao gồm một nhóm phosphate, một phân tử ribose (một loại đường) và một base nitơ. Các base nitơ trong RNA là adenine (A), uracil (U), cytosine (C) và guanine (G). Sự khác biệt chính giữa DNA và RNA về các base nitơ là RNA chứa uracil thay vì thymine. Cấu trúc chuỗi đơn của RNA cho phép nó nhận nhiều dạng cấu hình ba chiều khác nhau, điều này rất cần thiết cho các chức năng tế bào đa dạng của nó. Ví dụ, RNA ribosome (rRNA) và RNA vận chuyển (tRNA) có cấu trúc phức tạp giúp thực hiện chức năng của chúng trong tổng hợp protein. rRNA tạo thành khung cấu trúc của ribosome, trong khi tRNA có cấu trúc hình ba lá cho phép nó vận chuyển các axit amin cụ thể đến ribosome trong quá trình dịch mã. RNA thông tin (mRNA) là một dạng trung gian của RNA mang thông tin di truyền từ DNA đến ribosome, nơi nó được dịch mã thành protein. mRNA được tổng hợp trong quá trình phiên mã, nơi một chuỗi DNA phục vụ như một khuôn mẫu để hình thành mRNA. Sau khi phiên mã, mRNA được xử lý và vận chuyển đến tế bào chất, nơi diễn ra quá trình dịch mã. Ngoài mRNA, rRNA và tRNA, còn có các dạng RNA khác như RNA can thiệp nhỏ (siRNA) và microRNA (miRNA), có vai trò điều chỉnh sự biểu hiện gen. Những phân tử RNA nhỏ này có thể gắn vào các trình tự mRNA cụ thể, thúc đẩy sự phân hủy của chúng hoặc ức chế quá trình dịch mã của chúng, và đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh nhiều quá trình sinh học.

• RNA được cấu thành từ một chuỗi nucleotide đơn.

• Các base nitơ trong RNA là adenine, uracil, cytosine và guanine.

• RNA có nhiều dạng khác nhau, bao gồm mRNA, rRNA, tRNA, siRNA và miRNA, mỗi loại có chức năng cụ thể trong tế bào.

Chức năng của RNA

RNA thực hiện một số chức năng quan trọng trong tế bào, chủ yếu liên quan đến tổng hợp protein. RNA thông tin (mRNA) có trách nhiệm vận chuyển thông tin di truyền từ DNA đến ribosome, nơi diễn ra quá trình dịch mã. Trong quá trình dịch mã, trình tự nucleotide trong mRNA được đọc theo từng bộ ba, hay codon, mỗi bộ ba chỉ định một axit amin cụ thể. Trình tự này xác định thứ tự các axit amin trong protein đang hình thành. RNA ribosome (rRNA) là một thành phần cấu trúc và chức năng của ribosome, các máy móc tế bào chịu trách nhiệm tổng hợp protein. rRNA giúp liên kết các axit amin thành một chuỗi polypeptide, tạo điều kiện cho việc hình thành cấu trúc chính của protein. Ngoài ra, rRNA có hoạt động xúc tác, được gọi là ribozyme, đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các liên kết peptide trong quá trình dịch mã. RNA vận chuyển (tRNA) có trách nhiệm vận chuyển các axit amin cụ thể đến ribosome trong quá trình dịch mã. Mỗi tRNA có một anticodon, là một trình tự ba nucleotide tương ứng với một codon trong mRNA. Sự ghép đôi chính xác giữa anticodon của tRNA và codon của mRNA đảm bảo rằng các axit amin đúng được đưa vào protein đang hình thành. Độ chính xác này là rất quan trọng để tổng hợp các protein chức năng đúng. Ngoài những chức năng này, RNA còn tham gia vào việc điều chỉnh sự biểu hiện gen. RNA can thiệp nhỏ (siRNA) và microRNA (miRNA) là những phân tử RNA nhỏ có thể gắn vào các trình tự mRNA cụ thể, thúc đẩy sự phân hủy của chúng hoặc ức chế quá trình dịch mã của chúng. Những cơ chế điều chỉnh này rất cần thiết để kiểm soát sự biểu hiện gen và duy trì sự cân bằng tế bào.

• mRNA mang thông tin di truyền từ DNA đến ribosome.

• rRNA là một thành phần cấu trúc và chức năng của ribosome với hoạt động xúc tác.

• tRNA vận chuyển các axit amin cụ thể đến ribosome trong quá trình dịch mã.

• siRNA và miRNA điều chỉnh sự biểu hiện gen bằng cách gắn vào các trình tự mRNA cụ thể.

Thuật ngữ chính

• DNA: Axit deoxyribonucleic, một phân tử lưu trữ thông tin di truyền.

• RNA: Axit ribonucleic, một phân tử thực hiện nhiều vai trò trong tổng hợp protein.

• Nucleotide: Đơn vị cơ bản của DNA và RNA, bao gồm một nhóm phosphate, một đường và một base nitơ.

• Các Base Nitơ: Thành phần của DNA và RNA bao gồm adenine, thymine, cytosine, guanine và uracil.

• Xoắn kép: Cấu trúc của DNA được hình thành bởi hai chuỗi nucleotide.

• mRNA: RNA thông tin mang thông tin di truyền từ DNA đến ribosome.

• rRNA: RNA ribosome tạo thành cấu trúc của ribosome.

• tRNA: RNA vận chuyển mang các axit amin đến ribosome trong quá trình dịch mã.

• Sao chép: Quá trình sao chép DNA trước khi phân chia tế bào.

• Phiên mã: Quá trình tổng hợp mRNA từ một trình tự DNA.

• Dịch mã: Quá trình tổng hợp protein từ trình tự mRNA.

• Ribosome: Cấu trúc tế bào nơi diễn ra quá trình tổng hợp protein.

• Anticodon: Trình tự ba nucleotide trong tRNA tương ứng với một codon trong mRNA.

• siRNA: RNA can thiệp nhỏ điều chỉnh sự biểu hiện gen.

• miRNA: MicroRNA điều chỉnh sự biểu hiện gen.

Kết luận quan trọng

Trong bài học này, chúng ta đã thảo luận về cấu trúc và chức năng của DNA và RNA, những phân tử cơ bản để lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền. DNA được cấu thành từ một xoắn kép của nucleotide và có trách nhiệm lưu trữ thông tin di truyền, trong khi RNA được cấu thành từ một chuỗi nucleotide đơn và đóng vai trò quan trọng trong tổng hợp protein. Chúng ta cũng đã đề cập đến sự khác biệt về cấu trúc và chức năng giữa DNA và RNA, bao gồm việc thay thế thymine bằng uracil trong RNA và các dạng RNA khác nhau như mRNA, rRNA và tRNA, mỗi loại có chức năng riêng trong tế bào. Hiểu biết về những phân tử này là điều cần thiết cho việc nghiên cứu sinh học phân tử và có nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng trong các lĩnh vực như y học và công nghệ sinh học.

Mẹo học tập

• Xem lại các sơ đồ về cấu trúc của DNA và RNA để hình dung và hiểu rõ hơn về sự khác biệt cấu trúc giữa các phân tử này.

• Thực hành phiên mã và dịch mã các trình tự DNA và RNA để củng cố hiểu biết của bạn về tổng hợp protein.

• Đọc các bài báo khoa học hoặc tài liệu bổ sung về các ứng dụng thực tiễn của kiến thức về DNA và RNA, chẳng hạn như công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR.