Bài 1. DNA và cơ chế tái bản DNA – Tóm tắt Sinh học 12

1. Cấu trúc phân tử DNA

Phân tử DNA (deoxyribonucleic acid) là vật liệu di truyền của hầu hết sinh vật, nằm chủ yếu trong nhân tế bào nhân thực, còn ở sinh vật nhân sơ nằm trong vùng nhân.

Định nghĩa

Nucleotide là đơn vị cấu tạo nên mạch DNA, gồm ba thành phần: nhóm phosphate, đường deoxyribose (ngũ carbon) và một bazơ nitơ (adenine A, thymine T, guanine G, cytosine C).
Nhiều nucleotide liên kết với nhau bằng liên kết phosphodiester (nối nhóm phosphate ở carbon $5'$ của nucleotide này với nhóm $-\mathrm{OH}$ ở carbon $3'$ của nucleotide liền trước) tạo thành mạch polynucleotide. Vì vậy mỗi mạch có hai đầu khác nhau: đầu $5'$ (gắn phosphate) và đầu $3'$ (mang nhóm $-\mathrm{OH}$ tự do).
Phân tử DNA gồm hai mạch polynucleotide xoắn quanh một trục chung tạo nên xoắn kép. Hai mạch chạy ngược chiều nhau: một mạch theo chiều $5'\longrightarrow 3'$ , mạch kia theo chiều $3'\longrightarrow 5'$ .

Nguyên tắc bổ sung trong phân tử DNA.

Trong xoắn kép, bazơ nitơ của hai mạch đối diện bắt cặp với nhau một cách xác định bằng liên kết hydrogen: adenine (A) chỉ bắt cặp với thymine (T) qua 2 liên kết hydrogen; guanine (G) chỉ bắt cặp với cytosine (C) qua 3 liên kết hydrogen.

Bảng 1. Các cặp bazơ nitơ bổ sung trong DNA

Bazơ ở mạch 1	Bazơ bổ sung ở mạch 2	Số liên kết hydrogen
Adenine (A)	Thymine (T)	2
Thymine (T)	Adenine (A)	2
Guanine (G)	Cytosine (C)	3
Cytosine (C)	Guanine (G)	3

Hệ quả của sự bổ sung.

Do hai mạch bổ sung nhau nên trình tự bazơ nitơ của mỗi mạch chính là thông tin di truyền; chỉ cần biết trình tự một mạch là suy được trình tự mạch còn lại. Đây chính là cơ sở để DNA tự tái bản.

2. Tái bản DNA: khái niệm và đặc điểm

Định nghĩa

Tái bản DNA là quá trình tế bào tự tổng hợp một phân tử DNA mới giống hệt phân tử DNA ban đầu, dựa trên hai mạch khuôn của phân tử gốc. Ở tế bào nhân thực, tái bản diễn ra trong pha S của kỳ trung gian, trước khi phân bào.

Đặc điểm nổi bật của tái bản DNA:

Bán bảo toàn: mỗi phân tử DNA con gồm một mạch cũ (khuôn của phân tử gốc) và một mạch mới được tổng hợp bổ sung.
Bán gián đoạn: trên hai mạch khuôn ngược chiều nhau, một mạch được tổng hợp liên tục, mạch kia được tổng hợp gián đoạn thành từng đoạn.
Độ chính xác cao: nhờ khớp bổ sung chặt chẽ, DNA con mang đúng thông tin của DNA mẹ, đảm bảo ổn định vật liệu di truyền.

Cơ chế bán bảo toàn được kiểm chứng bằng thực nghiệm.

Nghiên cứu trên vi khuẩn Escherichia coli nuôi trong môi trường có đồng vị $\mathrm{^{15}N}$ rồi chuyển sang môi trường chỉ có $\mathrm{^{14}N}$ cho kết quả đúng như dự đoán của tái bản bán bảo toàn và loại trừ hai giả thuyết còn lại. Sau một lần nhân đôi, toàn bộ DNA ở dạng lai nặng $-$ nhẹ; sau hai lần nhân đôi, một nửa DNA ở dạng lai, một nửa ở dạng nhẹ hoàn toàn.

3. Quá trình tái bản DNA

Những điều kiện cho tái bản DNA

Mạch khuôn: hai mạch đơn của phân tử DNA gốc sau khi đã tách rời.
Nguyên liệu: bốn loại nucleotide tự do trong tế bào, mang các bazơ nitơ A, T, G, C.
Enzyme và protein: enzyme helicase tháo xoắn và tách hai mạch; protein gắn mạch đơn giữ hai mạch không bám lại; DNA polymerase nối các nucleotide mới vào mạch khuôn; enzyme ligase nối các đoạn mạch với nhau; ngoài ra cần enzyme primase tổng hợp đoạn mồi.
Năng lượng: ATP do quá trình chuyển hoá cung cấp.

Các bước tái bản DNA

1.
Tháo xoắn, tách hai mạch. Enzyme helicase bẻ gãy liên kết hydrogen giữa các cặp bazơ nitơ tại vùng khởi đầu tái bản; protein gắn mạch đơn giữ hai mạch tách rời, hình thành chạc tái bản. Ở sinh vật nhân thực, DNA rất dài nên có nhiều vùng khởi đầu hoạt động cùng lúc.
2.
Khởi đầu tổng hợp mạch mới. Enzyme primase tổng hợp đoạn mồi (một đoạn RNA ngắn) bổ sung với mạch khuôn, tạo đầu $3'$ -OH để DNA polymerase bắt đầu nối nucleotide (DNA polymerase không tự khởi đầu được mạch mới).
3.
Kéo dài mạch mới. DNA polymerase đọc mạch khuôn theo chiều $3'\longrightarrow 5'$ và lắp nucleotide bổ sung vào đầu $3'$ của mạch mới, nên mạch mới chỉ kéo dài được theo chiều $5'\longrightarrow 3'$ . Vì hai mạch khuôn ngược chiều nhau nên xuất hiện hai cách thức:
- Mạch dẫn đầu: cùng chiều với chạc tái bản, được tổng hợp liên tục.
- Mạch chậm: ngược chiều chạc tái bản, được tổng hợp gián đoạn thành từng đoạn ngắn gọi là đoạn Okazaki.
4.
Kết thúc. Đoạn mồi RNA được loại bỏ, thay bằng nucleotide DNA; enzyme ligase nối các đoạn Okazaki thành mạch liền. Kết quả: từ một phân tử DNA gốc thu được hai phân tử DNA giống nhau, mỗi phân tử gồm một mạch cũ và một mạch mới.

Bảng 2. So sánh mạch dẫn đầu và mạch chậm

Nội dung	Mạch dẫn đầu	Mạch chậm
Hướng so với chạc tái bản	Cùng chiều tháo xoắn	Ngược chiều tháo xoắn
Cách thức tổng hợp	Liên tục	Gián đoạn
Sản phẩm	Một mạch liền	Nhiều đoạn Okazaki rồi nối lại
Đoạn mồi	Một lần ở đầu mạch	Nhiều lần, ở đầu mỗi đoạn

4. Ý nghĩa và một số ứng dụng

Với tế bào: tái bản DNA đảm bảo mỗi tế bào con sau phân bào nhận được bản sao DNA đầy đủ và chính xác từ tế bào mẹ.
Với cơ thể và loài: giúp bảo toàn đặc trưng di truyền qua các thế hệ tế bào, duy trì sự ổn định của loài.
Với tiến hoá: những lỗi hiếm hoi trong tái bản tạo ra biến dị, làm đa dạng nguồn nguyên liệu cho tiến hoá.
Với đời sống: kĩ thuật nhân bản DNA trong ống nghiệm (PCR) mô phỏng quá trình tái bản với ba bước lặp lại theo chu kì: nâng nhiệt độ cao để tách hai mạch, hạ nhiệt độ để mồi gắn vào mạch khuôn, rồi DNA polymerase chịu nhiệt kéo dài mạch mới.

5. Ví dụ minh hoạ và câu hỏi vận dụng

5.1 Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Một phân tử DNA có cả hai mạch đều được đánh dấu bằng đồng vị $\mathrm{^{15}N}$ được nhân lên trong môi trường chỉ có $\mathrm{^{14}N}$ . Hỏi sau hai lần nhân đôi có bao nhiêu phân tử DNA? Trong đó bao nhiêu phân tử dạng lai nặng $-$ nhẹ và bao nhiêu phân tử nhẹ hoàn toàn?

Lời giải · 2 bước

Mỗi lần nhân đôi làm tăng gấp đôi số phân tử DNA. Sau hai lần nhân đôi:

N=1\times 2^2=4 \text{ phân tử DNA}.

Bước 2

Hai mạch gốc mang $\mathrm{^{15}N}$ chỉ làm khuôn nên mỗi mạch nằm trong một phân tử DNA con. Vì vậy chỉ có 2 phân tử dạng lai (mỗi phân tử gồm một mạch cũ $\mathrm{^{15}N}$ và một mạch mới $\mathrm{^{14}N}$ ); số phân tử nhẹ hoàn toàn ( $\mathrm{^{14}N}/\mathrm{^{14}N}$ ) là $4-2=2$ . Nhận xét: dù nhân đôi bao nhiêu lần, số phân tử mang $\mathrm{^{15}N}$ luôn bằng 2.

Ví dụ 2

Một phân tử DNA chỉ có một mạch được đánh dấu bằng đồng vị phóng xạ $\mathrm{^{3}H}$ được nhân đôi ba lần trong môi trường không có chất phóng xạ. Hỏi sau ba lần nhân đôi có bao nhiêu phân tử DNA và có bao nhiêu phân tử mang $\mathrm{^{3}H}$ ?

Lời giải · 2 bước

Số phân tử DNA sau ba lần nhân đôi:

N=2^3=8.

Bước 2

Theo nguyên tắc bán bảo toàn, mạch mang $\mathrm{^{3}H}$ luôn được giữ nguyên vẹn và nằm trong đúng một phân tử DNA con; mạch không đánh dấu và mọi mạch mới đều không chứa $\mathrm{^{3}H}$ . Vậy chỉ có 1 trong 8 phân tử mang $\mathrm{^{3}H}$ , chiếm tỉ lệ $\dfrac{1}{8}$ . Quy luật chung: nếu chỉ một mạch được đánh dấu thì sau $n$ lần nhân đôi chỉ có 1 phân tử mang nhãn; nếu cả hai mạch được đánh dấu thì có 2 phân tử mang nhãn.

Ví dụ 3

Một phân tử DNA có 1500 cặp nucleotide, trong đó tổng số guanine trên cả hai mạch chiếm $20\%$ . Hỏi sau một lần tái bản, tế bào cần bao nhiêu nguyên liệu nucleotide và mỗi loại bao nhiêu?

Lời giải · 2 bước

Tổng số nucleotide trong DNA gốc: $1500\times 2=3000$ . Theo nguyên tắc bổ sung, $G=C$ nên $G+C=40\%$ , $A+T=60\%$ , do đó $A=T=30\%$ . Số nucleotide mỗi loại trong DNA gốc:

A=T=0{,}30\times 3000=900,\qquad G=C=0{,}20\times 3000=600.

Bước 2

Sau một lần tái bản cần một lượng nucleotide mới bằng đúng lượng nucleotide của một phân tử DNA, tức $3000$ nucleotide, và phải bổ sung khớp với khuôn: cần $A_{\text{tự do}}=T=900$ , $T_{\text{tự do}}=A=900$ , $G_{\text{tự do}}=C=600$ , $C_{\text{tự do}}=G=600$ . Tổng cộng $900+900+600+600=3000$ nucleotide.

5.2 Câu hỏi vận dụng

Câu hỏi 1

Tại sao nói tái bản DNA có tính bán bảo toàn? Ý nghĩa của tính chất này là gì?

Gợi ý trả lời

Vì mỗi phân tử DNA con chứa một mạch khuôn của DNA mẹ và một mạch mới được tổng hợp bổ sung. Nhờ vậy, thông tin di truyền trên mạch gốc được bảo toàn, tạo ra bản sao đúng cho tế bào con.

Câu hỏi 2

Vì sao trong tái bản DNA lại có hiện tượng mạch dẫn đầu được tổng hợp liên tục còn mạch chậm lại gián đoạn?

Gợi ý trả lời

Hai mạch khuôn chạy ngược chiều nhau, còn DNA polymerase chỉ có thể nối nucleotide vào đầu $3'$ của mạch mới (tổng hợp $5'\longrightarrow 3'$ , đọc khuôn $3'\longrightarrow 5'$ ). Mạch dẫn đầu cùng chiều chạc tái bản nên tổng hợp được liên tục; mạch chậm ngược chiều chạc nên chỉ tổng hợp được từng đoạn Okazaki khi chạc vừa tách ra, rồi enzyme ligase nối lại.

Câu hỏi 3

Nếu DNA polymerase lắp nhầm một nucleotide so với mạch khuôn thì kết quả ra sao? Điều này có ý nghĩa gì?

Gợi ý trả lời

Mạch mới sẽ không bổ sung đúng với khuôn, dẫn đến sai lệch trình tự nucleotide. Nếu sai sót không được sửa chữa thì phát sinh đột biến. Tỉ lệ sai sót rất thấp nên phần lớn DNA con giống DNA mẹ, đảm bảo ổn định; những đột biến hiếm khi xảy ra trở thành nguồn nguyên liệu cho biến dị và tiến hoá.

Nhớ nhanh

1. Cấu trúc phân tử DNA

2. Tái bản DNA: khái niệm và đặc điểm

3. Quá trình tái bản DNA

4. Ý nghĩa và một số ứng dụng

5. Ví dụ minh hoạ và câu hỏi vận dụng

5.1 Ví dụ minh hoạ

5.2 Câu hỏi vận dụng