ARN mang, truyền đạt thông tin di truyền và hỗ trợ tổng hợp protein được ứng dụng hiệu quả trong nghiên cứu y học hiện đại
ARN là phân tử chứa thông tin di truyền và đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp protein. ARN được sử dụng để truyền đạt thông tin gen từ ADN đến ribôxôm. Trong lĩnh vực y học, nghiên cứu về ARN đang mở ra những cơ hội mới trong việc hiểu và điều trị các bệnh lý, từ bệnh di truyền đến ung thư. Điều này đặt ARN làm trung tâm của nhiều nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực y học hiện đại.
Nội dung
1. ARN là gì?
ARN (axit ribonucleic) là bản sao của một đoạn DNA (tương ứng với một gen) hoặc vật chất di truyền. Đây là phân tử sinh học với cấu tạo theo nguyên tắc đa phân. Còn đơn phân là các nucleotit bao gồm 3 thành phần:
- Đường ribose: C5H10O5 (Trong ADN là deoxyribohydrate C5H10O4)
- Axit photphoric: H3PO4
- 1 trong 4 loại bazơ nitơ (A, U, G, X).
Các nuclêôtit khác biệt ở bazơ lấp đầy nên đặt tên dựa theo bazơ no. Các ribonucleotide liên kết bằng cộng hóa trị giữa gốc (H3PO4) của ribonucleotide này với nhóm đường của ribonucleotide kia. Từ đó, hình thành chuỗi polyribonucleotide.
2. Cấu trúc của ARN
2.1 Cấu trúc hóa học
ARN là đại phân tử hữu cơ (polyme) với cấu tạo theo nguyên tắc đa phân chuỗi đơn. Đơn phân là nucleotit có dạng A, U, G, X. Các bazo nito gắn vào đường ribose hình thành nên nucleotide ribose. Các đường ribose của ARN có cấu trúc tuần hoàn gồm năm nguyên tử cacbon và một oxy. Nhóm hydroxyl phản ứng hóa học (−OH) gắn với nhóm carbon thứ hai trong ribose khiến ARN bị thủy phân dễ dàng. Bởi vậy, tính hóa học của ARN không ổn định. Đây cũng là lý do khiến ADN tiến hóa thành vật mang thông tin di truyền được ưu tiên.
Nucleotide ribose được gắn bằng liên kết phosphodiester và hình thành độ dài khác nhau. Những nguyên tố này tạo nên tính đa dạng và đặc trưng cho ARN. Ngoài ra, còn có các đơn vị ribonucleotide liên kết với nhau. Cụ thể là liên kết cộng hóa trị giữa H3PO4 của ribonucleotide này với đường C5H10O5 của ribonucleotide kế tiếp. ARN mang thông tin di truyền quy định trình tự axit amin trong chuỗi polypeptide của protein tế bào. Đồng thời, thay thế ADN mang mã di truyền ở virus.
2.2 Cấu trúc không gian
Cấu trúc ba chiều của ARN quyết định tính ổn định và chức năng. Nó cho phép đường ribose và bazơ nitơ biến đổi theo nhiều cách. Còn enzyme tế bào gắn các nhóm hóa học vào chuỗi. Những sửa đổi này cho phép hình thành liên kết hóa học giữa các vùng xa nhau trong chuỗi ARN. Điều này tạo nên cấu trúc xoắn phức tạp trong chuỗi giúp tăng cường ổn định cấu trúc. Các phân tử cấu trúc yếu, thường xuyên biến đổi, rất dễ phá hủy. Ngoài ra, sự hiện diện của các trình tự tự bổ sung trong chuỗi ARN tạo nên các cặp ghép bazơ nội chuỗi và gấp khúc chuỗi ribonucleotide. Qua đó, hình thành cấu trúc phức tạp dưới dạng chỗ phình và xoắn.
Xem thêm:
3. Quá trình tổng hợp ARN ( Quá trình phiên mã/sao mã)
3.1 Nguyên tắc tổng hợp
- Thời gian, địa điểm: Diễn ra trong nhân tế bào, ở kì trung gian nhiễm sắc thể dạng sợi.
- Nguyên tắc: Dựa trên nguyên tắc bổ sung: A – U, T – A, G – X và X – G.
3.2 Quá trình tổng hợp
- Bước 1: Khởi đầu
Enzym ARN polymerase gắn vào vùng điều hòa để mở xoắn gen khiến mạch lộ 3′ → 5′. Đồng thời, bắt đầu tổng hợp mARN tại vị trí xác định. - Bước 2: Kéo dài chuỗi ARN
Enzim ARN polymeraza trượt dọc theo mạch mẹ trên gen 3′ → 5′. Còn các nucleotit nội bào liên kết với nucleotit trên mạch gốc theo nguyên tắc bổ sung. - Bước 3: Kết thúc
Enzyme di chuyển đến điểm cuối của gen thì tín hiệu kết thúc. Quá trình phiên mã dừng lại và giải phóng ARN. Hai mạch đóng lại ngay khi vùng nào trên gen vừa phiên mã xong. - Kết quả: Từ gen ban đầu tạo ARN tham gia tổng hợp protein ngoài nhân.
3.3 Mối quan hệ giữa gen và ARN
- Gen (gốc của gen) là khuôn để tổng hợp sợi ARN.
- Bản chất của mối quan hệ: Trình tự nucleotit trên gen quyết định trình tự nucleotit trên ARN.
4. Phân loại và chức năng
Có 3 loại ARN. Mỗi loại thực hiện một chức năng riêng. Cùng BCC tìm hiểu ngay.
ARN vận chuyển (tARN)
Loại ARN này có chức năng vận chuyển axit amin tương ứng tới ribôxôm (nơi tổng hợp prôtêin) để tổng hợp chuỗi polipeptit. Cụ thể là đơn vị cấu tạo nên ribôxôm. tARN có cấu trúc ba thùy. Trong đó, một số thùy mang bộ ba, bổ sung cho bộ ba mã hóa axit amin trên mARN. Còn một đầu của tARN có bộ ba đối mã với 3 nucleotit đặc hiệu đối diện aa đặc hiệu mà nó vận chuyển. Không giống với DNA, RNA chỉ có cấu trúc mạch đơn để tồn tại bền vững ngoài không gian. Các nucleotide trên mạch đơn liên kết với nhau tạo cấu trúc bền vững hơn.
ARN riboxom (rARN)
ARN riboxom có cấu trúc mạch đơn. Nhiều vùng nucleotit liên kết và bổ sung cho nhau tạo cấu trúc vùng xoắn kép cục bộ. rARN liên kết với protein hình thành ribôxôm. Loại ARN có số lượng lớn liên kết hydro lớn nhất tế bào.
ARN thông tin (mARN)
mARN do một chuỗi polynucleotide ở dạng chuỗi thẳng tạo thành. Nó có chức năng truyền đạt thông tin di truyền từ ADN (gen cấu trúc) tới ribôxôm, quyết định cấu trúc protein cần tổng hợp. Cơ chế sao chép đúng một đoạn mạch ADN theo NTBS. Tuy nhiên, A thay cho T. Để thực hiện chức năng, mARN đã:
- Trình tự nucleotide đặc hiệu giúp ribosome tiếp nhận và gắn RNA
- Initiation code: Mã kích hoạt tín hiệu
- Codon mã hóa axit amin
- Mã kết thúc: Mang thông tin kết thúc quá trình biên dịch
5. ARN và bệnh tật
ARN và bệnh tật ở người có mối quan hệ mật thiết. Một số miRNA có thể điều chỉnh các gen liên quan đến ung thư giúp hạn chế sự phát triển của chúng. Ngoài ra, rối loạn điều hòa chuyển hóa miRNA còn liên quan đến một số bệnh. Chẳng hạn như bệnh thoái hóa thần kinh, Alzheimer,… Còn tRNA liên kết với các protein chuyên biệt (caspase) ức chế quá trình apoptosis (chết tế bào theo chương trình). Việc tế bào thoát khỏi tín hiệu chết là biểu hiện đặc trưng của ung thư. ARN không mã hóa là các mảnh từ tRNA cũng bị nghi ngờ có vai trò trong bệnh ung thư.
Giải trình tự ARN xuất hiện giúp xác định các bản phiên mã ARN đặc hiệu của khối u, cụ thể là MALAT1. Mức độ gia tăng được phát hiện trong các mô ung thư, liên quan đến tăng sinh và di căn tế bào u. Một loại ARN với trình tự lặp lại làm cô lập protein gắn với ARN góp phần tạo ra các tiêu điểm hoặc tập hợp trong mô thần kinh. Chúng đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển bệnh thần kinh. Chẳng hạn như bệnh xơ cứng teo cơ một bên và loạn dưỡng cơ. Mất chức năng, rối loạn điều hòa và đột biến các RBP có thể liên quan đến bệnh nào đó ở người. Các liên kết ARN được tìm thấy thêm và bệnh tật vẫn đang được nghiên cứu. Hiểu biết rõ hơn về ARN kết hợp với công nghệ giải trình tự và nỗ lực sàng lọc ARN và RBP làm mục tiêu điều trị tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khám phá.
6. So sánh ADN với ARN
6.1 Giống nhau
- Đều là axit hữu cơ – axit nucleic
- Cấu tạo từ 5 nguyên tố hóa học C, H, O, N, P
- Tính chất đại phân tử với khối lượng và kích thước lớn
- Đơn phân là nuclêôtit. Có 3 loại nuclêôtit trong 1 giống nhau: A, G, X
- Các góc đa dạng, độc đáo do số lượng, thành phần và trình tự sắp xếp các nucleotit
- Các nucleotit trên mạch đơn liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị
- Góc kết cấu xoắn
- Có chức năng truyền đạt thông tin di truyền trong quá trình tổng hợp protein.
6.2 Khác nhau
| ADN | ARN |
| Kích thước và khối lượng lớn hơn | Kích thước và khối lượng nhỏ hơn |
| Đơn phân là các nucleotit A, T, G, X ( có T không có U) | Đơn phân các nucleotit A, U, G, X (có U không có T) |
| Có nguyên tắc bổ sung và liên kết hidro trong cấu trúc | Không có nguyên tắc bổ sung và liên kết hidro trong cấu trúc |
| Có 2 mạch đơn | Có 1 mạch đơn |
| Có đường đêôxiribôzơ C5H10O4, bazơ nitric (A, T, G, X) và axit H3PO4 | Có đường ribôzơ C5H10O5, bazơ nitric (A, U, G, X) và axit H3PO4 |
| Mang thông tin di truyền mã gốc
Mang gen quy định cấu trúc của phân tử protein |
Mang thông tin di chuyển bản mã
Trực tiếp tham gia tổng hợp protein |
6.3 Mối quan hệ giữa ADN và ARN
ADN và ARN là hai loại phân tử quan trọng trong quá trình tổng hợp protein. Đồng thời, có mối quan hệ mật thiết với nhau:
ADN là khuôn mẫu tạo mARN (loại ARN chuyển thông tin từ ADN sang protein) và quy định cấu trúc protein.
ADN gồm nhiều gen cấu trúc, tương ứng với protein cụ thể. Mỗi gen sẽ tạo ra một mARN khác nhau tùy thuộc quá trình sao chép.
Trình tự của các nucleotit trong ADN quy định trình tự nucleotit trong mARN theo nguyên tắc bổ sung.
- A (ADN) liên kết với U (ARN)
- T (ADN) liên kết với A (ARN)
- C (ADN) liên kết với G (ARN)
- G (ADN) liên kết với C (ARN)
Xem thêm:
- Gen di truyền- Nguyên lý hoạt động và ứng dụng xét nghiệm
- Phiên mã là gì? Quá trình tổng hợp quan trọng cho sự sống
6.4 Các bất thường ADN và ARN
ADN và ARN không phải lúc nào cũng có biểu hiện như trên. Trong một số trường hợp, chúng có thể xảy ra biến thể, bất thường. ADN chủ yếu ở dạng chuỗi xoắn kép. Tuy nhiên, chúng có thể biến dạng với cấu trúc ADN phân nhánh, ADN tứ phân và được tạo ra từ sợi ba. Ngoài ra, các nhà khoa học cũng tìm thấy ADN, ở đó, asen thay thế cho phốt pho. Các biến thể này được phát hiện thông qua xét nghiệm ADN.
ARN thường có cấu trúc một sợi đơn. Tuy nhiên, trường hợp hiếm gặp sợi đôi (dsRNA) cũng có thể xảy ra. Nó tương tự như ADN, ngoại trừ Thymine được thay thế bằng Uracil.
Nó được tìm thấy trong một số loại virus. Khi lây nhiễm vào tế bào nhân thực, dsRNA tác động đến chức năng bình thường của RNA và kích thích phản ứng interferon. RNA sợi đơn tròn (circleRNA) có ở trong cả thực vật và động vật. Tuy nhiên, đến nay, chức năng của ARN vẫn chưa được biết rõ.
7. Tạm kết
ARN (Acid Ribonucleic) là một phân tử quan trọng trong tế bào. Chúng chịu trách nhiệm chủ yếu trong việc chứa thông tin gen di truyền. Với vai trò quan trọng này, ARN đóng một vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp protein và duy trì sự hoạt động của cơ thể. Sự hiểu biết về ARN không chỉ quan trọng trong lĩnh vực y học mà còn đóng góp vào nhiều lĩnh vực khoa học khác, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của tế bào và sự phát triển của sinh vật. BCC chuyên cập nhật nhanh chóng và chính xác nhất các thông tin liên quan đến nghiên cứu và ứng dụng Tế bào trong mọi lĩnh vực.
