I. Khái niệm nhân đôi DNA
Nhân đôi ADN là quá trình tạo ra hai phân tử ADN con có cấu trúc giống hệt phân tử ADN mẹ ban đầu.
Quá trình nhân đôi có thể diễn ra ở pha S kì trung gian của chu kì tế bào (trong nhân của sinh vật nhân thực) hoặc ngoài tế bào chất (ADN ngoài nhân: ti thể, lục lạp) để chuẩn bị cho phân chia tế bào.
Nguyên tắc:
Quá trình nhân đôi ADN diễn ra theo các nguyên tắc: Nguyên tắc bổ sung, nguyên tắc bán bảo toàn, nguyên tắc gián đoạn
Nguyên tắc bổ sung: A-T bằng 2 liên kết hirdro, G-X bằng 3 liên kết hidro.
Nguyên tắc bán bảo toàn: Trong mỗi DNA con được tạo ra thì có 1 mạch là tổng hợp mới hoàn toàn còn mạch kia là của DNA mẹ.
Nguyên tắc nửa gián đoạn: Trong quá trình tổng hợp thì 1 mạch được tổng hợp liên tục, còn mạch kia được tổng hợp từng đoạn một sau sẽ được nối lại bằng enzyme nối.
Nguyên tắc bổ sung A-T (2 liên kết Hirdro), G-X (3 liên kết Hidro)
Nguyên tắc bán bảo toàn
Vai trò: giúp cho thông tin di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác được truyền đạt nguyên vẹn.
Các thành phần tham gia:
+ Hai mạch đơn của phân tử ADN mẹ.
+ Các nucleotit tự do trong môi trường (A, T, G, X) để tổng hợp mạch mới và các ribonucleotit A, U, G, X để tổng hợp đoạn mồi.
+ Hệ thống các enzyme tham gia vào quá trình tái bản gồm:
II. Diễn biến quá trình nhân đôi DNA
Quá trình nhân đôi ADN được diễn ra theo trình tự gồm 3 bước sau:
Bước 1: Phân tử ADN mẹ tháo xoắn:
Nhờ các enzim tháo xoắn, 2 mạch đơn của phân tử ADN mẹ tách nhau dần tạo nên chạc chữ Y và để lộ ra 2 mạch khuôn, trong đó một mạch có đâu 3’, còn mạch kia có đầu 5’.
Bước 2: Tổng hợp các mạch ADN mới:
Enzim ARN-pôlimeraza tổng hợp đoạn mồi, tiếp theo enzim ADN-pôlimeraza lần lượt liên kết các nuclêôtit tự do từ môi trường nội bào với các nuclêôtit trên mỗi mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung. Vì enzim ADN-pôlimeraza chỉ tổng hợp mạch mới theo chiều 5’ → 3’ nên:
- Trên mạch khuôn có đầu 3’ thì mạch bổ sung được tổng hợp liên tục theo chiều 5’→ 3’cùng chiều với chiều tháo xoắn.
- Trên mạch khuôn có đầu 5’ thì mạch bổ sung được tổng hợp ngắt quãng tạo nên các đoạn ngắn gọi là đoạn Okazaki cũng theo chiều 5’→ 3’ ngược chiều với chiều tháo xoắn, sau đó các đoạn này được nối lại với nhau nhờ enzim nối ADN – ligaza.
Bước 3: Hai phân tử mới được tạo thành
Mạch mới tổng hợp đến đâu thì 2 mạch đơn (một mạch được tổng hợp và một mạch cũ của phân tử ban đầu) đóng xoắn lại với nhau tạo thành hai phân tử ADN con.
Kết thúc quá trình nhân đôi: Hai phân tử ADN con được tạo thành có cấu trúc giống hệt nhau và giống ADN mẹ ban đầu.
Chú ý:
+ Mỗi đơn vị tái bản gồm có hai chạc chữ Y phát sinh từ một điểm khởi đầu và được nhân đôi theo hai hướng.
+ Trong một đơn vị tái bản số đoạn mồi cung cấp cho quá trình nhân đôi bằng số đoạn okazaki + 2.
Ý nghĩa của quá trình nhân đôi:
+ Nhân đôi ADN trong pha S của kì trung gian để chuẩn bị cho quá trình nhân đôi nhiễm sắc thể và chuẩn bị cho quá trình phân chia tế bào.
+ Nhân đôi ADN giải thích sự truyền đạt thông tin di truyền một cách chính xác qua các thế hệ.
III. Phương pháp giải các dạng bài tập về quá trình nhân đôi ADN
a) Tính số phân tử ADN:
1 ADN mẹ qua 1 lần tự nhân đôi tạo 2= 21 ADN con
1 ADN mẹ qua 2 lần tự nhân đôi tạo 4= 22 ADN con
1 ADN mẹ qua 3 lần tự nhân đôi tạo 8= 23 ADN con
1 ADN mẹ qua k lần tự nhân đôi tạo ra 2k ADN con
→ Qua k lần tự nhân đôi
$\text{Tổng số ADN tạo thành} = 2^k$
Trong 2k phân tử ADN tạo thành có một phân tử ADN mẹ ban đầu.
$\text{Tổng số ADN con} $ $=2^k-1$
Dù ở đợt tự nhân đôi nào, trong số ADN con tạo ra từ 1 ADN ban đầu, vẫn có 2 ADN con mà mỗi ADN con này có chứa 1 mạch cũ của ADN mẹ. Có nghĩa là luôn có 2 mạch ADN ban đầu.
Vì vậy số ADN con còn lại có cả 2 mạch có nguyên liệu hoàn toàn từ nucleotit mới của môi trường nội bào.
$\text{Số ADN con có 2 mạch mới hoàn toàn} $ $=2^k-2$
b) Tính số chuỗi polinucleotit.
Mỗi một phân tử ADN gồm có hai chuỗi polinucleotit. Sau k lần nhân đôi thì số chuỗi polinucleotit được tạo ra là:
\[2 \times {2^k}\]
Sau k lần nhân đôi thì số chuỗi polinucleotit có nguyên liệu hoàn toàn từ môi trường được tổng hợp là:
\[2 \times \left( {{2^k} - 1} \right)\]
2. Tính số nucleotit môi trường cung cấp cho quá trình nhân đôi.
Phân tử ADN mới được tạo ra có thành phần cấu tạo và số lượng các loại nucleotit giống với phân tử ADN ban đầu.
- Khi gen nhân đôi một lần:
Nmt = Ngen
Amt = Tmt = Agen = Tgen
Gmt = Xmt = Ggen = Xgen
- Từ đó nếu phân tử ADN nhân đôi k lần thì sẽ có:
\[\begin{array}{l}\begin{array}{*{20}{c}}{{N_{mt}} = N \times ({{\bf{2}}^{\bf{k}}} - {\bf{1}})}\\{{A_{mt}} = {T_{mt}} = T \times ({{\bf{2}}^{\bf{k}}} - {\bf{1}}) = A \times ({{\bf{2}}^{\bf{k}}} - {\bf{1}})}\end{array}\\{G_{mt}} = {X_{mt}} = G \times ({{\bf{2}}^{\bf{k}}} - {\bf{1}}) = X \times ({{\bf{2}}^{\bf{k}}} - {\bf{1}})\end{array}\]
3. Xác định số liên kết hiđrô và liên kết cộng hóa trị được hình thành và bị phá hủy trong nhân đôi.
a) Tính số liên kết hiđrô (H).
Số liên kết H trong một phân tử ADN là: 2A + 3G = 2A + 2G + G = N + G
Số liên kết H được hình thành trong lần nhân đôi thứ k là Hht = H× 2k
Tổng số liên kết hidro được hình thành sau k lần nhân đôi (bao gồm cả các lần nhân đôi từ 1 → k) là:
\[\] \(\sum H {\rm{ = }}H \times \left( {{2^1}{\rm{ + }}{2^2}{\rm{ + }}... + {2^k}} \right) = {\bf{2H}} \times ({{\bf{2}}^{\bf{k}}} - {\bf{1}})\)
Số liên kết H bị phá vỡ là trong lần nhân đôi thứ k là: H = H× 2k – 1
Tổng số liên kết hidro bị phá vỡ sau k lần nhân đôi là:
\(\sum H = H \times \left( {{2^0} + {2^1} + ... + {2^{k - {\rm{ }}1}}} \right) = {\bf{H}} \times ({{\bf{2}}^{\bf{k}}} - {\bf{1}})\)
b) Tính số liên kết cộng hóa trị
Liên kết cộng hóa trị giữa các nucleotit trong 1 mạch thì không bị phá vỡ, sau khi nhân đôi thì số lượng liên kết hóa trị tăng lên gấp đôi.
Sau khi nhân đôi k lần thì số liên kết hóa trị của phân tử là
\[{\bf{H}}{{\bf{T}}_{{\bf{hinhthanh}}}} = {\bf{HT}} \times \left( {{{\bf{2}}^{\bf{k}}} - {\bf{1}}} \right)\]
4. Tính số đoạn mồi và đoạn Okazaki xuất hiện trong nhân đôi
Xét với một chạc chữ Y:
Mạch được tổng hợp liên tục có 1 đoạn mồi để khởi đầu, 0 đoạn Okazaki.
Mạch được tổng hợp gián đoạn có: số đoạn mồi = số đoạn Okazaki
Trong một đơn vị tái bản thì có hai chạc chữ Y
→ Số đoạn mồi xuất hiện trong một chạc chữ Y là:
$\text{Số đoạn mồi}$ $=$ $\text{Số đoạn okazaki}$ $+2$
