Cấu trúc chuỗi xoắn kép DNA

Cấu trúc chuỗi xoắn kép DNAVào 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 1) gợi ý rằng DNA có cấu trúc xoắn gồm hai hoặc ba chuỗi.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cấu trúc chuỗi xoắn kép DNACấu trúc chuỗixoắn kép DNAVào năm 1951-52, việc nghiên cứu cấutrúc ba chiều của DNA bằng phân tíchnhiễu xạ tia X được bắt đầu bởi MauriceWilkins và Rosalind Franklin. Các bứcảnh chụp được 1952 (hình 1) gợi ý rằngDNA có cấu trúc xoắn gồm hai hoặc bachuỗi. Lúc này ở Anh còn có một sốnghiên cứu khác nhằm phát triển lýthuyết nhiễu xạ của Linus Pauling để tìmhiểu cấu trúc DNA. Tuy nhiên, giải phápđúng đắn nhất là chuỗi xoắn kép bổ sungdo Watson và Crick đưa ra năm 1953(Hình 2 và 3). Mô hình này hoàn hoàntoàn phù hợp với các số liệu của Wilkinsvà Franklin cũng như của Chargaff. Sựkiện này mở ra một bước ngoặt mới chocho sự ra đời và phát triển với tốc độnhanh chóng của di truyền học phân tử. b)Hình 1 R.Franklin (trái) và M.Wilkins;và (b) Ảnh chụp cấu trúc DNA tinh thểbằng tia X của Franklin.(a) (b)Hình 2 (a) J.Watson (trái) và F.Crick; và(b) Mô hình cấu trúc tinh thể DNA.Hình 3 Các mô hình cấu trúc chuỗixoắn kép DNA.1. Mô hình Watson-CrickMô hình Watson-Crick (DNA dạng B;Hình 3) có các đặc điểm sau:(1) DNA gồm hai chuỗi đối song song(antiparallel) cùng uốn quanh một trụctrung tâm theo chiều xoắn phải, với o -10đường kính 20A (1Angstrom = 10 m),gồm nhiều vòng xoắn lặp lại một cáchđều đặn và chiều cao mỗi vòng xoắn là34 Ao, ứng với 10 cặp base (base pair,viết tắt là bp).(2) Các bộ khung đường-phosphate phânbố ở mặt ngoài chuỗi xoắn và các basenằm ở bên trong; chúng xếp trên nhữngmặt phẳng song song với nhau và thẳnggóc với trục phân tử, với khoảng cách otrung bình 3,4 A .(3) Hai sợi đơn gắn bó với nhau bằng cácmối liên kết hydro (vốn là lực hóa họcyếu) được hình thành giữa các cặp baseđối diện theo nguyên tắc bổ sung mộtpurine - một pyrimidine. Cụ thể là, trongDNA chỉ tồn tại hai kiểu kết cặp base đặcthù là A-T (với hai liên kết hydro) và G-C (với ba liên kết hydro) (Hình 3 và 4).(4) Tính chất bổ sung theo cặp base dẫnđến sự bổ sung về trình tự các base giữahai sợi đơn của mỗi chuỗi xoắn kép. Vìvậy, trong bất kỳ một phân tử DNA sợikép nào hoặc một đoạn của nó bao giờcũng có: A = T và G = C; nghĩa là: [A +G] = [T + C] hay (đây là tỷ số giữacác base purine và các base pyrimidine),còn tỷ lệ là đặc thù cho từng loài (thựcchất đây là tỷ lệ giữa hai base không bổsung cho nhau hoặc giữa hai base cùngnhóm, ví dụ A/G hoặc T/C).Như vậy, mô hình cấu trúc chuỗi xoắnkép của Watson-Crick (1953) hoàn toànthoả mãn và cho phép lý giải một cáchthoả đáng các kết quả nghiên cứu củaChargaff (1949). Vì vậy người ta gọi cácbiểu thức A = T và G = C là các quy luậthay quy tắc Chargaff (Chargaffs rules).Theo nguyên tắc bổ sung của các cặpbase, ta có thể xác định trình tự base ởsợi bổ sung khi biết được trình tự basecủa một sợi đơn. Ví dụ:Sợi cho trước: 5- AATTCTTAAATTC -3Sợi bổ sung: 3- TTAAGAATTTAAG-5Hình 4 Hai kiểu kết cặp base củaDNA. Cặp AT nối với nhau bằng hai liênkết hydro và cặp GC - ba liên kết hydro(biểu thị bằng các đường chấm: ---). Cácnguyên tử C1 đại diện cho vị trí củađường và phosphate ở mỗi cặpnucleotide.Tóm lại, hai đặc điểm quan trọng nhấttrong cấu trúc DNA là sự phân cựcngược chiều của hai sợi đơn (5→3 và3→5) và nguyên tắc bổ sung của cáccặp base (A-T và G-C). Đây là hainguyên lý căn bản chi phối các cơ chế ditruyền ở cấp độ phân tử (tái bản, phiênmã và dịch mã), mà ta có thể hình dungtổng quát dưới dạng các kênh truyềnthông tin di truyền trong tế bào (được gọilà Giáo lý hay Lý thuyết trung tâm,Central Dogma, của Sinh học phân tử;Hình 5) sau đây:Hình 5 Lý thuyết trung tâm của Sinhhọc phân tử* Về tầm vóc vĩ đại của phát minh cấutrúc phân tử DNA, Lawrence Bragg -Giám đốc Phòng thí nghiệm Cavendish(England) - đánh giá rằng: Sự phát minhra cấu trúc DNA với tất cả các hệ quảsinh học của nó là một trong các sự kiệnkhoa học to lớn nhất của thế kỷ chúngta... (Watson 1968, bản Việt dịch của LêĐình Lương và Thái Doãn Tĩnh, NxbKH-KT tr.9). Nhờ phát minh vĩ đại đó,Watson và Crick cùng chia xẻ vớiWilkins giải thưởng Nobel năm 1962.Thật vậy, nhìn lại ta thấy rằng Watson vàCrick đã công bố phác thảo về mô hìnhcấu trúc DNA trong bài báo nhan đề AStructure for Deoxyribose Nucleic Acidtrên tạp chí Nature Vol. 171, trang 737ngày 25-4-1953 (Chttp://www.nature.com/). Đây là một bàibáo khoa học kinh điển rất ấn tượng vàkhông bình thường tý nào! Một cáchchính xác, bài báo này chỉ dài 900 chữvới vỏn vẹn 128 dòng, nhưng đằng saumỗi dòng là cả một lịch sử khoa học kỳdiệu, một câu chuyện thú vị. Bài báo nàyđược công bố rất nhanh, chưa đầy mộttháng kể từ sau ngày gởi đăng.Trên thực tế, Crick muốn làm sáng tỏ cáchàm ý sinh học của mô hình này, nhưngWatson thì chẳng hài lòng với cách làmnhư vậy. Hai ông đã thoả thuận trongmột câu mà nó đã trở thành một trongnhững câu nói giản lược vĩ đại trong tàiliệu khoa học: Chúng ta khôn ...