DNA

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, tiếng Việt gọi là axit đêôxyribônuclêic (nguồn gốc từ tiếng Pháp: acide désoxyribonucléique, 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.
Friedrich Miescher đã cô lập được DNA lần đầu tiên vào năm 1869. Francis Crick và James Watson nhận ra cấu trúc phân tử chuỗi xoắn kép của nó vào năm 1953, dựa trên mô hình xây dựng từ dữ liệu thu thập qua ảnh chụp nhiễu xạ tia X do Rosalind Franklin thực hiện. DNA trở thành một công cụ phân tử giúp các nhà nghiên cứu khám phá các lý thuyết và định luật vật lý sinh học, như định lý ergodic và lý thuyết đàn hồi. Những tính chất vật liệu độc đáo của DNA biến nó trở thành phân tử hữu ích đối với các nhà khoa học vật liệu quan tâm trong lĩnh vực chế tạo vật liệu cỡ micro và nano, như trong công nghệ nano DNA. Các tiến bộ trong lĩnh vực này bao gồm phương pháp origami DNA và vật liệu lai dựa trên DNA.

Cấu trúc

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.
Trong những sinh vật sống, DNA thường không tồn tại như một phân tử đơn lẻ, mà thay vào đó là một cặp phân tử 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.
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), 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.

Phân loại nucleobase

Các nucleobase được phân thành hai loại: purine, gồm adenine (A) và guanine (G), là hợp chất dị vòng có hai vòng 5 và 6 nguyên tử cacbon gắn với nhau; và pyrimidine, gồm cytosine (C) và thymine (T), là hợp chất dị vòng có 6 nguyên tử cacbon. Một nucleobase pyrimidine thứ năm là uracil (U), thay thế cho thymine (T) trong RNA và khác với thymine do thiếu đi một nhóm metyl (–CH₃) trên vòng của nó. Ngoài RNA và DNA, một số lượng lớn axit nucleic nhân tạo tương tự được tạo ra để nghiên cứu các tính chất của axit nucleic, hoặc sử dụng trong công nghệ sinh học.
Uracil thường không có ở DNA, nó chỉ xuất hiện như một sản phẩm phân tách của cytosine. Tuy nhiên, ở một số thực khuẩn thể như: thực khuẩn thể ở Bacillus subtilis PBS1 và PBS2 và thực khuẩn Yersinia piR1-37, thì thymine được thay bằng uracil. Một thực khuẩn thể khác - thể Staphylococcal S6 - được phát hiện với bộ gene mà thymine thay bằng uracil.
Base J (beta-d-glucopyranosyloxymethyluracil), một dạng tinh chỉnh của uracil, cũng xuất hiện ở một số sinh vật: trùng roi Diplonema và Euglena, và mọi nhóm Kinetoplastida. Sinh tổng hợp base J diễn ra theo hai bước: bước thứ nhất một thymidine xác định trong DNA được biến đổi thành hydroxymethyldeoxyuridine (HOMedU); bước thứ hai HOMedU được glycosyl hóa thành base J. Các nhà khoa học cũng khám phá ra những protein được tổng hợp từ base này. Những protein này dường như có họ hàng xa với gene gây ung thư (oncogene) Tet1 mà tham gia vào quá trình phát sinh bệnh bạch cầu myeloid cấp tính. Base J cũng đóng vai trò làm tín hiệu kết thúc cho enzyme RNA polymerase II.

Rãnh DNA

Hai mạch đơn xoắn đôi vào nhau tạo thành bộ khung cho DNA. Ở chuỗi xoắn kép này có thể xuất hiện những khoảng trống nằm cách nhau giữa hai mạch gọi là các rãnh (groove). Những rãnh này nằm liền kề với các cặp base và có thể hình thành một điểm bám (binding site). Vì hai mạch đơn không đối xứng nhau nên dẫn đến các rãnh có kích thước không đều, trong đó rãnh lớn (major groove) rộng 22 Å và rãnh nhỏ (minor groove) rộng 12 Å. Độ rộng của rãnh giúp cho các cạnh của base trở nên dễ tiếp cận hơn trong rãnh lớn so với rãnh nhỏ. Kết quả là, các protein của các nhân tố phiên mã mà liên kết với những đoạn trình tự cụ thể trong chuỗi xoắn kép DNA thường thực hiện bằng việc tiếp xúc với các cạnh của các base ở rãnh lớn. Tình huống này thay đổi đa dạng tùy theo hình dáng bất thường của DNA bên trong tế bào (xem ở dưới), nhưng các rãnh lớn và rãnh nhỏ luôn luôn được đặt tên để phản ánh sự khác nhau về kích thước đo được nếu DNA vặn xoắn trở về dạng B thường gặp.

DNA có thành phần hóa học thay thế

Trong một vài năm, các nhà sinh học vũ trụ đã đề xuất về một sinh quyển bóng tối (shadow biosphere), một sinh quyển vi sinh vật giả thuyết tồn tại trên Trái Đất mà sử dụng các quá trình phân tử và hóa học khác căn bản so với những gì đã biết về sự sống hiện tại. Một trong các đề xuất đó là sự tồn tại của dạng sinh vật sống mà nguyên tử asen thay cho phospho trong DNA. Một báo cáo năm 2010 cho thấy khả năng này có mặt trong vi khuẩn GFAJ-1, mặc dù đã có những tranh cãi, và cuối cùng năm 2012 một báo cáo khác nêu ra bằng chứng cho thấy các vi khuẩn này chủ động ngăn không cho asen kết hợp vào bộ khung DNA của nó và những phân tử sinh học khác.

Chức năng sinh học

DNA thông thường hiện diện trong nhiễm sắc thể dạng thẳng ở sinh vật nhân thực, và nhiễm sắc thể dạng vòng ở sinh vật nhân sơ. Nhiễm sắc thể (chromosome) thực chất là chất nhiễm sắc (chromatin) bị co xoắn từ kỳ đầu của quá trình phân bào. Còn chất nhiễm sắc chính là phức hợp giữa chuỗi xoắn kép DNA với các protein histone và phi histone gói gọn thành một cấu trúc cô đặc. Điều này cho phép các phân tử DNA rất dài nằm gọn trong nhân tế bào. Cấu trúc vật lý của nhiễm sắc thể và chất nhiễm sắc thay đổi luân phiên tùy thuộc vào từng giai đoạn của chu kỳ tế bào. Tập hợp các nhiễm sắc thể trong một tế bào tạo thành bộ gene của nó; bộ gene người có xấp xỉ 3 tỷ cặp base DNA xếp thành 46 nhiễm sắc thể. Thông tin chứa trong DNA tổ chức dưới dạng trình tự của các đoạn DNA gọi là gene. Sự kế thừa thông tin di truyền trong gene được thực hiện thông qua các cặp base bổ sung. Ví dụ, trong quá trình phiên mã, khi một tế bào sử dụng thông tin ở một gene, trình tự DNA sẽ được sao mã vào trình tự bổ sung RNA thông qua lực hút giữa DNA và các nucleotide chính xác của RNA. Thông thường, bản sao RNA này được dùng làm khuôn mẫu để xác định trình tự các axit amino trong quá trình dịch mã, thông qua sự tương tác giữa các nucleotide RNA. Trong quá trình khác, một tế bào có thể tự sao chép thông tin di truyền của nó bằng quá trình nhân đôi DNA. Chi tiết của những chức năng này được nêu trong những bài viết liên quan; bài này tập trung vào tương tác giữa DNA và các phân tử khác mà đảm trách các chức năng của bộ gene.

Axit nucleic ngoại bào

DNA ngoại bào trần (extracellular DNA - eDNA), hầu hết được giải phóng khi tế bào chết đi, xuất hiện khắp nơi trong môi trường. Mức độ tập trung của nó trong đất có thể lên tới 2 μg/lít, và trong môi trường nước tự nhiên lên tới 88 μg/lít. Đã có một số chức năng khả thi của eDNA được đề xuất: nó có thể tham gia vào chuyển gene ngang; cung cấp dinh dưỡng; và có khả năng hoạt động như một chất đệm để khôi phục hoặc chuẩn độ ion hoặc tính kháng sinh. DNA ngoại bào hoạt động như một thành phần chức năng của chất nền ngoại bào trong lớp màng vi sinh vật (phim sinh học - biofilm) của một số loài vi khuẩn. Nó có thể hoạt động như một nhân tố nhận diện để điều phối sự bám dính và phân tán của một số loại tế bào đặc hiệu trong phim sinh học; hoặc đóng góp vào sự hình thành phim sinh học; cũng như đóng góp vào đặc tính vật lý chắc chắn của phim sinh học và sức đề kháng trước những căng thẳng sinh học (biological stress).

Tương tác với protein

Mọi chức năng của DNA phụ thuộc vào tương tác với protein. Những tương tác protein này có thể không đặc hiệu hoặc đặc hiệu khi protein liên kết với một trình tự DNA cụ thể. Các enzyme cũng liên kết với DNA và trong số này, những enzyme polymerase sao chép trình tự base của DNA trong quá trình phiên mã và nhân đôi DNA có vai trò đặc biệt quan trọng.

Nuclease và ligase

Nuclease là các enzyme có khả năng cắt mạch DNA bằng cách xúc tác cho phản ứng thủy phân các liên kết phosphodieste. Loại nuclease thủy phân nucleotide từ những đầu mút của mạch DNA được gọi là exonuclease, trong khi endonuclease lại phân cắt từ những điểm trong mạch. Những nuclease được sử dụng thường xuyên nhất trong sinh học phân tử là các endonuclease giới hạn, do chúng cắt DNA tại những đoạn trình tự đặc hiệu. Ví dụ, enzyme EcoRV ở hình ảnh bên trái nhận ra trình tự gồm 6 base 5′-GATATC-3′ và thực hiện việc cắt theo một đường nằm ngang. Trong tự nhiên, những enzyme này bảo vệ vi khuẩn chống lại sự tấn công của thể thực khuẩn bằng cách tiêu hóa DNA thể thực khuẩn khi chúng xâm nhập vào tế bào vi khuẩn, lúc này các enzyme hoạt động như một phần trong hệ thống hạn chế cải biến (restriction modification system). Trong công nghệ sinh học, những nuclease hoạt động với các trình tự đặc hiệu được sử dụng trong tách dòng phân tử (molecular cloning) và kỹ thuật nhận diện DNA (DNA profiling).
Những enzyme có chức năng nối lại những đoạn DNA bị cắt hoặc bị đứt gãy được gọi là DNA ligase. Ligase đặc biệt quan trọng trong việc nối lại các mạch theo sau ngắt quãng của DNA, tức là các đoạn Okazaki tại chạc tái bản thành một bản sao hoàn chỉnh từ mạch khuôn DNA. Chúng cũng tham gia vào việc sửa chữa DNA và tái tổ hợp di truyền.

Polymerase

Polymerase là những enzyme thực hiện tổng hợp mạch polynucleotide từ nucleoside triphosphat. Tính tuần tự của các sản phẩm của chúng được sinh ra dựa trên những mạch polynucleotide đã có—gọi là mạch khuôn. Những enzyme này hoạt động bằng lần lượt thêm vào một nucleotide tại nhóm 3′ hydroxyl ở điểm cuối của mạch polynucleotide đang phát triển. Kết quả là, mọi polymerase hoạt động luôn theo chiều từ đầu 5′ đến đầu 3′. Tại trung tâm hoạt động của các enzyme này, phân tử nucleoside triphosphat đi đến ghép cặp với base của mạch khuôn: điều này cho phép polymerase tổng hợp một cách chính xác mạch bổ sung đối với mạch khuôn của nó. Các polymerase được phân loại theo các nhóm mạch khuôn mà chúng sử dụng.
Trong quá trình sao chép DNA, DNA polymerase phụ thuộc DNA tạo nên những bản sao của những mạch polynucleotide DNA. Để bảo toàn thông tin sinh học, điều cơ bản là trình tự của các base trong mỗi bản sao là trình tự bổ sung chính xác cho trình tự base trong mạch khuôn mẫu. Nhiều DNA polymerase có hoạt tính đọc và sửa sai (proofreading). Ở đây, polymerase nhận ra các lỗi thường xuất hiện trong phản ứng tổng hợp do sự thiếu đi những base ghép cặp giữa các nucleotide không khớp với nhau. Nếu polymerase phát hiện một sự không ăn khớp, hoạt tính exonuclease 3'-5′ được kích hoạt và base không khớp nào được phát hiện sẽ bị cắt bỏ. Trong hầu hết các sinh vật, DNA polymerase hoạt động trong một phức hệ lớn gọi là replisome có chứa nhiều tiểu đơn vị phụ, như protein kẹp DNA (DNA clamp) hay hêlicaza.
DNA polymerase phụ thuộc RNA là những loại polymerase chuyên biệt thực hiện sao chép trình tự của mạch RNA sang DNA. Chúng bao gồm enzyme phiên mã ngược (reverse transcriptase, RT), ví dụ như một enzyme của virut retrovirus tham gia vào quá trình xâm nhập tế bào, và telomerase, cần cho quá trình sao chép telomere. Telomerase là một polymerase khác thường bởi vì nó chứa chính mạch khuôn RNA của nó như là một phần trong cấu trúc của enzyme này.
Sự phiên mã được thực hiện bởi RNA polymerase phụ thuộc DNA thông qua quá trình sao chép trình tự của mạch DNA sang RNA. Để bắt đầu giải mã một gene, RNA polymerase gắn với một trình tự của DNA gọi là vùng khởi động (promoter) và tách hai mạch DNA khỏi nhau. Sau đó nó sao chép trình tự gene vào một RNA thông tin cho đến khi nó đi đến vùng kết thúc (terminator) của DNA, nơi RNA polymerase dừng lại và tách khỏi DNA. Với DNA polymerase phụ thuộc DNA ở người, RNA polymerase II, enzyme thực hiện phiên mã hầu hết các gene trong bộ gene người, hoạt động như là một phần của một phức hệ protein lớn với nhiều tiểu đơn vị phụ và vùng điều hòa khác nhau.