Cấu tạo và chức năng của ADN và gen

ADN (axit deoxyribonucleic) là một phân tử phức tạp, đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc lưu trữ và truyền đạt thông tin di truyền. Hiểu biết rõ về cấu tạo và chức năng của ADN không chỉ giúp chúng ta nắm bắt những khía cạnh cơ bản của di truyền học mà còn mở ra cánh cửa cho các nghiên cứu khoa học mới trong lĩnh vực sinh học phân tử. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về cấu tạo hóa học của ADN, gen và những công thức liên quan.

I. Cấu Tạo Hóa Học Của ADN

1. Cấu tạo của ADN

ADN là một đại phân tử được cấu thành từ các đơn phân gọi là nucleotit. Mỗi nucleotit bao gồm ba thành phần chính:

Gốc bazơ nitơ: có thể là Adenin (A), Thymine (T), Guanin (G) hoặc Xitoxin (X).
Gốc đường deoxiribôzơ: có công thức hóa học C₅H₁₀O₄.
Gốc axit photphoric: có công thức H₃PO₄.

Các nucleotit liên kết với nhau thông qua các liên kết hóa trị (phospho dieste), tạo thành chuỗi polinucleotit.

Cấu trúc không gian của phân tử ADN

2. Cấu trúc của một chuỗi polinucleotit

Phân tử ADN được cấu tạo từ hai chuỗi polinucleotit song song với chiều hướng ngược nhau (chiều 3’→5’ và chiều 5’→3’). Các nucleotit trong hai mạch liên kết với nhau theo nguyên tắc bổ sung:

A liên kết với T thông qua hai liên kết hydro.
G liên kết với X thông qua ba liên kết hydro.

Khoảng cách giữa hai cặp bazơ nitơ là 3,4 Å, với mỗi vòng xoắn chứa 10 cặp nucleotit (tương đương 20 nucleotit), và đường kính của vòng xoắn là 20 Å.

3. Chức năng của ADN

ADN có chức năng chủ yếu trong việc lưu trữ, truyền đạt và bảo quản thông tin di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác. Điều này làm cho ADN trở thành nền tảng cho sự phát triển và duy trì các organism.

II. GEN

Gen là một đoạn ADN chịu trách nhiệm mã hóa cho một chuỗi polypeptit hoặc ARN, là đơn vị thông tin di truyền, mà ở đó mỗi gen trên một phân tử ADN có thể chứa hàng triệu nucleotit.

1. Các loại gen

Gen cấu trúc: Chứa thông tin mã hóa cho các sản phẩm cấu trúc hoặc chức năng của tế bào.
Gen điều hòa: Chứa thông tin để tạo ra sản phẩm kiểm soát hoạt động của các gen khác.

2. Cấu trúc chung của gen

Mỗi gen có hai mạch polinucleotit, nhưng chỉ có một mạch gốc (3′-5′) chứa thông tin mã hóa cho các axit amin, còn mạch bổ sung không tham gia vào việc mã hóa.

Cấu trúc của một gen điển hình bao gồm:

Cấu trúc chung của một gen điển hình

Vùng điều hòa: Nằm ở đầu 3’ của gen, giúp ARN polymeraza nhận biết và liên kết để bắt đầu quá trình phiên mã, cũng như chứa các trình tự nucleotit điều hòa.
Vùng mã hóa: Chứa thông tin mã hóa cho các axit amin.
Vùng kết thúc: Nằm ở đầu 5′ của mạch mã gốc, mang tín hiệu để kết thúc quá trình phiên mã.

3. Phân biệt gen ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực

Mặc dù gen ở sinh vật nhân sơ (SVNS) và sinh vật nhân thực (SVNT) có cấu tạo ba phần như nhau, nhưng chúng lại khác nhau về cấu trúc vùng mã hóa:

Gen không phân mảnh: Được gọi là gen ở SVNS, nơi vùng mã hóa liên tục không có các đoạn mã hóa (exon) và không mã hóa (intron).
Gen phân mảnh: Có ở SVNT, trong đó các đoạn mã hóa (exon) và không mã hóa (intron) xen kẽ nhau.

III. Các Công Thức Liên Quan Đến Cấu Tạo Của ADN

Tính số lượng các loại nucleotit trong phân tử ADN

Theo nguyên tắc bổ sung:

A = T
G = X
%A = %T; %G = %X
N = A + T + G + X
%A + %G = %T + %X = 50%

Tính chiều dài gen

Chiều dài gen được tính bằng công thức:
[ L = frac{N times 3.4}{2} ]

Tính số chu kỳ xoắn

Công thức để tính số chu kỳ xoắn:
[ C = frac{N}{20} ]

Tính số liên kết hydrocacbon của gen

Số liên kết hydro được xác định như sau:
[ H = 2A + 3G ]

Tính khối lượng phân tử ADN (gen)

Khối lượng phân tử ADN được tính:
[ M_{ADN} = N times 300 ]

Tính số liên kết photphodieste

Trong phân tử ADN, liên kết photphodieste là kết quả của liên kết giữa các gốc đường và gốc axit của cùng một nucleotit. Công thức liên kết được tính như sau:

Liên kết giữa các nucleotit:
[ HT = N – 2 ]
Tổng số liên kết photphodieste:
[ text{Tổng} = N + (N – 2) = 2N – 2 ]

IV. Ví dụ và Bài Tập

Ví dụ

Giả sử một gen có chiều dài 5100 Å và số nucleotit loại Adenin chiếm 20%, ta có thể xác định số lượng từng loại nucleotit như sau:

Số nucleotit của gen (N):
[ N = frac{L}{3.4}times 2 = frac{5100}{3.4}times 2 = 3000 , text{nu} ]
Số liên kết hydro của gen:
[ H = 2A + 3G = 3600 ]
Số chu kỳ xoắn:
[ = 1500 ]
Số liên kết photphodieste:

Trên mỗi mạch:
[ = N – 1 = 2999 ]
Trên phân tử ADN:
[ = 2N – 2 = 5998 ]

Bài tập tự giải

Một gen có chiều dài 4080 Å, số nucleotit loại Adenin chiếm 20%.
- Xác định số lượng từng loại nucleotit, số liên kết hydro, số ribonucleotit trên mARN, số chu kỳ xoắn và số liên kết photphodieste.
Một gen có 3120 liên kết hydro và 480 Adenin.
- Tính số lượng và tỷ lệ nucleotit của mỗi loại, xác định chiều dài gen và số liên kết hóa trị giữa các nucleotit.

Kết luận lại, thông qua việc tìm hiểu về cấu tạo và chức năng của ADN và gen, chúng ta không chỉ có cái nhìn sâu sắc hơn về di truyền học mà còn nhận thức rõ hơn về những tác động của chúng lên mọi khía cạnh của sự sống. Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về các chủ đề liên quan đến ADN và gen, hãy truy cập tại loigiaihay.edu.vn.