Quá trình tự nhân đôi ADN

QUÁ TRÌNH NHÂN ĐÔI ADN

I. LÝ THUYẾT

1. Thời điểm và vị trí

- Thời điểm: Xảy ra pha S của chu kỳ trung gian của chu kì tế bào (ADN trong nhân của sinh vật nhân thực) hoặc ngoài tế bào chất (ADN ngoài nhân) để chuẩn bị cho phân chia tế bào.

- Vị trí: Trong nhân tế bào đối với sinh vật nhân thực và vùng nhân tế bào đối với sinh vật nhân sơ.

2. Thành phần tham gia

• ADN khuôn (ADN mẹ)
• Các nu tự do A, T, G, X
• Năng lượng: ATP
• Hệ enzim:

#	Enzim tham gia	Chức năng
1	Tháo xoắn	- Dãn xoắn và tách hai mạch kép của AND để lộ hai mạch đơn
2	ARN polimeraza	- Tổng hợp đoạn mồi ARN bổ sung với mạch khuôn
3	ADN polimeraza	- Gắn các nucleotit tự do ngoài môi trường vào liên kết với các nucleotit trong mạch khuôn để tổng hợp mạch mới hoàn chỉnh theo chiều 5’ – 3’
4	Ligaza	- Nối các đoạn Okazaki thành mạch mới hoàn chỉnh

 

3. Nguyên tắc nhân đôi

Quá trình nhân đôi ADN là quá trình tổng hợp hai phân tử ADN mới có cấu trúc giống với tế bào mẹ ban đầu đó là do quá trình nhân đôi diễn ra theo các nguyên tắc:

• Nguyên tắc bán bảo toàn (giữ lại ½)
• Nguyên tắc bổ sung: A lk T, G lk X
• Nguyên tắc nửa gián đoạn 

=> Hệ quả của việc thực hiện quá trình nhân đôi theo các nguyên tắc này là giúp cho thông tin di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác được truyền đạt nguyên vẹn.

4. Các bước của cơ chế tự sao

Bước 1: 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’-OH, còn mạch kia có đầu 5’-P.

Bước 2: Tổng hợp sợi mới:

- 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’)

- Trên mạch khuôn có đầu 3’-OH 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’-P 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 tạo thành mạch mới nhờ enzim nối ADN - ligaza.

Bước 3: Hình thành ADN con:

- 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

5. Kết quả

- Từ 1 phân tử ADN mẹ ban đầu → tự sao 1 lần → 2 ADN con.

- 2 ADN con giống hệ nhau và giống ADN mẹ ban đầu.

- ADN con có 1 mạch đơn mới với 1 mạch đơn cũ của ADN mẹ.

Lưu ý:

- Có sự khác biệt trong cơ chế nhân đôi ADN của sinh vật nhân thực với sinh vật nhân sơ

• Hệ gen: Sinh vật nhân thực có hệ gen lớn và phức tạp hơn → Có nhiều điểm tái bản khác nhau (nhiều đơn vị tái bản). Ở sinh vật nhân sơ chỉ chỉ xảy ra tại một điểm (đơn vị tái bản).
• Tốc độ: Sinh vật nhân sơ có tốc độ nhân đôi lớn hơn
• Hệ enzym: Sinh vật nhân thực phức tạp hơn

II. CÔNG THỨC VÀ BÀI TẬP

1. Xác định số phân tử adn và chuỗi polinucleotit

a) Tính số phân tử ADN

Trong quá trình nhân đôi ADN ta có: 

- 1 ADN mẹ qua 1 đợt tự nhân đôi tạo 2 = 2¹ ADN con

- 1 ADN mẹ qua 2 đợt tự nhân đôi tạo 4 = 2² ADN con

- 1 ADN mẹ qua 3 đợt tự nhân đôi tạo 8 = 2³ ADN con

   …………………………………………………..…..

- 1 ADN mẹ qua k đợt tự nhân đôi tạo ra 2^k ADN con

→Qua k đợt tự nhân đôi tổng số ADN con = 2^k

- Trong 2^k phân tử ADN có 1 phân tử ADN mẹ ban đầu nên số phân tử AND con được tạo ra là: 2^k - 1

Chú ý: Trong số ADN con tạo ra có 2 ADN con mà mỗi ADN con này có chứa 1 mạch cũ của ADN mẹ. Vì vậy số ADN con có cả 2 mạch có nguyên liệu hoàn toàn từ nucleotit mới của môi trường nội bào.

 => Số ADN con có 2 mạch mới hoàn toàn = 2^k – 2.

Ví dụ 1: Có 8 phân tử ADN tự nhân đôi một số lần bằng nhau đã tổng hợp được 112 mạch pôlinuclêôtit mới lấy nguyên liệu hoàn toàn từ môi trường nội bào. Số lần tự nhân đôi của mỗi phân tử ADN trên là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Số mạch đơn mới được tổng hợp từ một phân tử ADN là: 112/8 = 14 mạch

Số phân tử AND mới được tổng hợp là: 14/2 = 7

Ta có 7 + 1 = 8 = 2³

=> Mỗi phân tử ADN nhân đôi 3 lần.

b) Tính số chuỗi polinucleotit.

- Mỗi một phân tử ADN gồm có hai chuỗi polipeptit .

- Sau k lần nhân đôi thì số chuỗi polipepetit được tạo ra là: 2*2^k

- Sau k lần nhân đôi thì số chuỗi polipepetit có nguyên liệu hoàn toàn từ môi trường được tạo tổng hợp là: 2*(2^k -1).

Ví dụ 2: Phân tử ADN ở vi khuẩn Ecoli chỉ chứa N¹⁵ phóng xạ. Nếu chuyển E.coli này sang môi trường chỉ có chứa N¹⁴ thì sau 5 lần tự sao.

a. Tính số mạch polinucleotit được tạo ra sau 5 lần nhân đôi bao nhiêu?

b. Tính tỷ lệ các tỷ lệ các mạch polinucleotit chứa N¹⁵ trong tổng số các mạch được tổng hợp trong các phân tử con là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải

Sau 5 lần tự sao thì số mạch polinucleotit đưuọc tạo ra sau 5 lần nhân đôi là 2 × 2⁵ = 64 (mạch)

Khi chuyển các phân tử Ecoli này sang môi trường chỉ chứa N¹⁴ thì vẫn có 2 mạch gốc ban đầu chứa N¹⁵

=> Tỉ lệ các phân tử ADN chứa N¹⁵ trong các phân tử con là 2/64 = 3,125%

2. Tính số nucleotit môi trường cung cấp cho quá trình nhân đôi

Để tổng hợp nên các phân tử mới ADN thì môi trường cần cung cấp nguyên liệu là các nucleotit tự do.

Phân tử ADN mới được tao 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:

• N_mt = N_gen
• A_mt = T_mt = A_gen = T_gen
• G_mt = X_mt = G_gen = X_gen

=> Từ đó nếu phân tử ADN nhân đôi k lần thì sẽ có:

• N_mt = N * (2^k -1).
• A_mt = T_mt = T * (2^k -1) = A * (2^k -1).
• G_mt = X_mt = G * (2^k -1) = X * (2^k -1).

Ví dụ 3: Một phân tử ADN của vi khuẩn có chiều dài là 34*10⁶Å và A chiếm 30% tổng số nucleotit. Phân tử ADN này nhân đôi liên tiếp hai lần. Tính số nucleotit loại G mà môi trường cung cấp cho quá trình nhân đôi?

Hướng dẫn giải

Số lượng nucleotit trong phân tử ADN là: N = (34*10⁶/3,4) *2 = 2*10⁷ nu

A chiếm 30%, ta có G + A = 50% => G = 20%

Số lượng G trong phân tử ADN là:  20%*2*10⁷ = 0,2*2*10⁷ = 4*10⁶

Số Nu loại G mà môi trường cung cấp cho hai lần nhân đôi liên tiếp là: 4*10⁶*(2² - 1) = 12*10⁶

3. Tính số đoạn mồi và số đoạn okazaki xuất hiện trong quá trình 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 nên số đoạn mồi xuất hiện trong một chạc chữ Y là: Số đoạn mồi = Số đoạn okazaki + 2

Ví dụ 4: Trên phân tử ADN có 5 điểm tái bản. Quá trình tái bản hình thành 80 đoạn okazaki. Xác định số đoạn mồi được tổng hợp?

Hướng dẫn giải

Mỗi đoạn Okazaki cần có một đoạn mồi để khởi đầu, trong quá trình tổng hợp mạch mới có 80 đoạn Okazaki => cần có 80 đoạn mồi

Trên mỗi đơn vị tái bản có 2 mạch liên tục, mỗi mạch liên tục này cần có 1 đoạn mồi để tổng hợp mạch mới nên một đơn vị tái bản cần có 2 đoạn mồi để tổng hợp mạch liên tục.

Tổng số các đoạn mồi cần thiết để khởi đầu quá trình tổng hợp mạch mới của phân tử ADN đó là:

 80 + 2*5 = 90 đoạn mồi

4. Xác định số liên kết hidro và liên kết hóa trị hình thành và bị phá hủy

a) Tính số liên kết hiđrô

- 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:  H_ht = H*2^k

=> Tổng số liên kết hidro được hình thành sau k lần nhân đôi là: H_ht = H*(2¹ + 2² +…+ 2^k) = 2H*(2^k - 1) 

- Số liên kết H bị phá vỡ là trong lần nhân đôi thứ k là: H = H*2^k-1

=> Tổng số liên kết hidro bị phá vỡ sau k lần nhân đôi là: H = H*(2⁰ + 2¹ +…+ 2^k-1) = H*(2^k -1)

b) Tính số liên kết cộng hóa trị

- Liên kết cộng hóa trị là liên kết được giữa các nucleotit trong 1 mạch nên nó 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:  LKHT_ht = HT*(2^k - 1)

Ví dụ 5: Một phân tử ADN nhân thực có 50 chu kì xoắn. Phân tử ADN này nhân đôi liên tiếp 4 lần Tính số liên kết hóa trị được hình thành giữa các nucleotit trong quá trình nhân đôi.

Hướng dẫn giải

Số lượng nucleotit trong phân tử ADN là: 50 x 20 = 1000 nu

Số liên kết hoá trị trong phân tử ADN là: (1000/2 – 1)*2 = 998 (liên kết)

Số liên kết hóa trị mới được hình thành sau 4 lần nhân đôi là: 998 × (2⁴ – 1) = 14970 (liên kết)