Axit deoxyribonucleic (DNA): Mô hình, thành phần hóa học và thí nghiệm biến đổi

Đọc bài viết này để tìm hiểu về Mô hình, Thành phần hóa học và Thí nghiệm biến đổi của DNA!

Axit deoxyribonucleic (DNA):

DNA được tìm thấy trong các tế bào của tất cả các sinh vật sống ngoại trừ trong một số virus thực vật. Trong vi khuẩn và vi rút, có một lõi trung tâm của DNA được bao bọc trong một lớp vỏ protein. Ở vi khuẩn, và trong ty thể và plastid của các tế bào nhân chuẩn, DNA có hình tròn và nằm trần trong tế bào chất.

Trong nhân của các tế bào nhân chuẩn, DNA xảy ra dưới dạng các sợi xoắn dài và không phân nhánh, các nhiễm sắc thể. Trong nhiễm sắc thể, DNA được tìm thấy kết hợp với protein hình thành nucleoprotein, vật liệu nhiễm sắc. Một số dòng bằng chứng gián tiếp từ lâu đã cho rằng DNA chứa thông tin di truyền của các sinh vật sống.

Hầu hết các kết quả quan trọng thu được bằng cách sử dụng một số quy trình thí nghiệm khác nhau cho thấy hầu hết DNA nằm trong nhiễm sắc thể, trong khi RNA và protein có nhiều trong tế bào chất. Hơn nữa, một mối tương quan chính xác tồn tại giữa số lượng DNA trên mỗi tế bào và số lượng bộ nhiễm sắc thể trên mỗi tế bào.

Ví dụ, hầu hết các tế bào soma của các sinh vật lưỡng bội chứa chính xác lượng DNA gấp đôi so với các tế bào mầm đơn bội hoặc giao tử của cùng một loài. Cuối cùng, thành phần phân tử của DNA trong tất cả các tế bào khác nhau của một sinh vật là như nhau (với các trường hợp ngoại lệ hiếm gặp), trong khi thành phần của RNA và protein thay đổi cả về chất và lượng từ loại tế bào này sang loại tế bào khác. Mặc dù những mối tương quan này cho thấy mạnh mẽ rằng DNA là vật liệu di truyền, nhưng không có nghĩa là chúng chứng minh điều đó. Bằng chứng trực tiếp đã xác định rằng thông tin di truyền được mã hóa trong DNA.

Thí nghiệm chuyển đổi:

Các thí nghiệm chuyển đổi ban đầu được thực hiện bởi Frederick Griffith vào năm 1928. Ông đã tiêm hỗn hợp hai chủng phế cầu khuẩn (Diplococcus pneumoniae) vào chuột. Một trong hai chủng này, S III có độc lực và chủng R II còn lại không có độc lực. Nhiệt giết chết chủng SIII độc hại, khi tiêm riêng lẻ không gây tử vong, cho thấy sự lây nhiễm sau khi giết nhiệt bị mất.

Những con chuột được tiêm hỗn hợp RII (sống) và S III (bị tiêu diệt nhiệt) đã chết và phế cầu khuẩn có thể được phân lập từ những con chuột này. Suy luận là một số thành phần của các tế bào SIII đã chết (nguyên lý biến đổi) phải chuyển đổi các tế bào RII còn sống thành S III.

OT Avery, CM MacLeod và M. McCarty năm 1944 đã lặp lại thí nghiệm của Griffith trong một hệ thống in vitro và đưa ra bằng chứng trực tiếp đầu tiên rằng vật liệu di truyền là DNA chứ không phải protein hay RNA. Họ đã chứng minh rằng thành phần của tế bào chịu trách nhiệm cho hiện tượng biến đổi trong vi khuẩn Diplococcus pneumoniae là DNA. Những thí nghiệm này liên quan đến việc sử dụng các enzyme làm suy giảm DNA, RNA hoặc protein.

Trong các thí nghiệm riêng biệt, DNA tinh khiết cao từ các tế bào S III đã được xử lý bằng:

(1) Deoxyribonuclease (DNAase) làm suy giảm DNA,

(2) Ribonuclease (RNAase) làm suy giảm RNA hoặc

(3) Protease (làm suy giảm protein) và sau đó được kiểm tra khả năng biến đổi tế bào RII thành SIII. Chỉ DNAase không có tác dụng đối với các hoạt động biến đổi của quá trình chuẩn bị DNA, nó đã loại bỏ hoàn toàn mọi hoạt động biến đổi. Do đó, những thí nghiệm này chỉ ra rằng DNA chứ không phải protein hay RNA là vật liệu di truyền.

Bằng chứng trực tiếp bổ sung cho thấy DNA là vật liệu di truyền đã được chứng minh bởi AD Hershey và MJ Chase trong vi khuẩn T 2 .

Thành phần hóa học của DNA:

Các phân tích hóa học đã chỉ ra rằng DNA bao gồm ba loại phân tử khác nhau.

1. Axit photphoric (H 3 PO 4 ) có ba nhóm phản ứng (-OH) trong đó hai nhóm có liên quan đến việc hình thành xương sống đường phốt phát của DNA.

2. Đường Pentose:

DNA chứa 2′-deoxy-D-ribose (hoặc đơn giản là deoxyribose) là lý do cho tên axit nucleic deoxyribose.

3. Cơ sở hữu cơ:

Các bazơ hữu cơ là các hợp chất dị vòng chứa nitơ trong vòng của chúng; do đó chúng còn được gọi là bazơ nitơ. DNA thường chứa bốn cơ sở khác nhau được gọi là adeniri (A), guanine (G), thymine (T) và cytosine (C).

Bốn cơ sở này được nhóm thành hai lớp trên cơ sở cấu trúc hóa học của chúng:

(1) pyrimidine (T và C) và

(2) purin (A, G).

Trong DNA, bốn nucleoside khác nhau được tìm thấy. Đó là:

(i) deoxycytidine

(ii) deoxythy-midine,

(iii) deoxyadenosine và

(iv) deoxyarchosine.

Tương tự bốn nucleotide trong DNA là:

(i) axit deoxycytidylic hoặc deox- ycytidylate,

(ii) axit deoxythymidylic hoặc deoxythymidylate,

(iii) axit deoxyadenylic hoặc deoxyadenylate và

(iv) axit deoxyguanylic hoặc deoxyguanylate.

Khi thành phần DNA từ nhiều sinh vật khác nhau được phân tích bởi E. Chargeaff và đồng nghiệp (1950), người ta nhận thấy rằng (i) bất kể nguồn gốc nào, các thành phần purine và pyrimidine xảy ra với số lượng bằng nhau trong một phân tử, (ii) lượng adenine (A) tương đương với lượng thymine (T) và của cytosine (C) tương đương với guanine (G) và (iii) tỷ lệ cơ sở A + T / G + C không đổi đối với một cụ thể loài.

Mô hình DNA xoắn đôi Watson và Crick:

Cấu trúc của DNA lần đầu tiên được suy luận bởi JD Watson và FH Crick vào năm 1953. Trên cơ sở dữ liệu của Chargeaff, các phát hiện nhiễu xạ tia X của Wilkin và Franklin từ các tòa nhà mô hình của chính họ, Watson và Crick đã đề xuất rằng DNA tồn tại như một chuỗi xoắn kép trong đó hai chuỗi polynucleotide được cuộn lại với nhau theo hình xoắn ốc.

Mỗi chuỗi polynucleotide bao gồm một chuỗi các nucleotide được liên kết với nhau bằng liên kết phosphodiester, tạo thành các gốc deoxyribose liền kề. Hai chuỗi polynucleotide được giữ với nhau trong cấu hình xoắn ốc của chúng bằng liên kết hydro giữa các bazơ trong các chuỗi đối nghịch, các cặp bazơ kết quả được xếp chồng lên nhau giữa hai chuỗi vuông góc với trục của phân tử giống như các bước của thang xoắn ốc.

Việc ghép cặp cơ bản là cụ thể, adenine luôn được ghép nối với thymine và guanine luôn được ghép nối với cytosine. Do đó, tất cả các cặp bazơ bao gồm một purine và một pyrimidine. Tính đặc hiệu của kết quả ghép cặp cơ sở từ khả năng liên kết hydro của các bazơ, trong cấu hình bình thường của chúng.

Trong cấu hình cấu trúc phổ biến nhất của chúng, adenine và thymine tạo thành hai liên kết hydro và guanine và cytosine tạo thành ba liên kết hydro. Liên kết hydro tương tự giữa cytosine và adenine, ví dụ, nói chung là không thể.

Một khi trình tự các bazơ trong một chuỗi của chuỗi xoắn kép DNA được biết đến, trình tự các bazơ trong chuỗi khác cũng tự động được biết do sự ghép cặp cơ sở cụ thể. Do đó, hai sợi của một chuỗi xoắn kép được cho là bổ sung (không giống nhau); chính tính chất này, sự bổ sung của hai chuỗi, làm cho DNA phù hợp nhất để lưu trữ và truyền thông tin di truyền.

Các cặp cơ sở trong DNA được xếp chồng lên nhau cách nhau 3, 4A ° với 10 cặp cơ sở mỗi lượt (360 °) của chuỗi xoắn kép. Các xương sống đường phốt phát của hai chuỗi bổ sung là phản song song; đó là chúng có cực tính ngược lại.

Khi một người di chuyển một hướng dọc theo chuỗi xoắn kép DNA, các liên kết phosphodiester trong một sợi đi từ 3 ′ carbon của một nucleotide đến 5 ′ carbon của nucleotide liền kề trong khi các chuỗi trong chuỗi bổ sung đi từ 5 ′ carbon đến 3 ′ carbon .

Dạng DNA A, B và Z:

Phần lớn các phân tử DNA có trong các tế bào sống của các tế bào sống gần như chắc chắn tồn tại ở dạng xoắn kép Watson-Crick được mô tả ở trên. Đây được gọi là dạng B của DNA và hiển thị cuộn dây tay phải. Nó chứa 10, 4 cặp cơ sở mỗi lượt (thay vì 10 cặp đã đề cập ở trên). DNA mất nước xảy ra ở dạng A cũng là một chuỗi xoắn phải, nhưng nó có 11 cặp cơ sở mỗi lượt.

Một số trình tự DNA nhất định xảy ra ở dạng Z, cho thấy cuộn bằng tay trái, chứa 12 cặp cơ sở mỗi lượt. Trong Z-DNA, đường trục phốt phát đường đi theo con đường ngoằn ngoèo, đặt tên là Z-DNA hoặc dạng Z.

Các phân đoạn cụ thể của phân tử DNA có thể trải qua các thay đổi về hình dạng từ dạng B sang dạng Z và ngược lại; những thay đổi này có thể được đưa ra bởi một số protein điều tiết cụ thể. DNA dạng Z được yêu cầu đóng vai trò điều hòa gen.

Bằng chứng hỗ trợ cấu trúc xoắn kép của DNA:

Cấu trúc xoắn ốc kép của DNA được đưa ra bởi Waston và Crick được hỗ trợ bởi các bằng chứng sau đây.

1. MHF Wilkins và các đồng nghiệp đã nghiên cứu DNA bằng phương pháp tinh thể học tia X và hỗ trợ cấu trúc xoắn ốc kép của nó.

2. Kornberg và các cộng sự đã cố gắng tổng hợp DNA trong môi trường không có DNA với sự có mặt của enzyme DNA polymerase và nucleotide, các khối xây dựng của DNA. Họ phát hiện ra rằng trong môi trường không có DNA với tất cả các hợp chất cần thiết, quá trình tổng hợp DNA không xảy ra. Chỉ khi một số DNA được thêm vào làm mồi cho cùng một môi trường thì quá trình tổng hợp DNA mới bắt đầu.