Lý thuyết trọng tâm

I. Chức năng của DNA

DNA có ba chức năng cơ bản: mang – bảo quản – truyền đạt thông tin di truyền.

• Mang thông tin di truyền: thông tin được mã hóa dưới dạng trình tự các nucleotide. Số lượng và cách sắp xếp 4 loại nucleotide đủ lớn và đa dạng để bộ máy phân tử của tế bào tạo ra mọi đặc điểm của tế bào và cơ thể.
• Bảo quản thông tin di truyền: nhờ cấu trúc xoắn kép bền vững nên thông tin ít bị hư hỏng.
• Truyền đạt thông tin di truyền: nhờ tái bản chính xác (truyền qua các thế hệ tế bào, cơ thể) và qua phiên mã, dịch mã (DNA → mRNA → protein).

Lưu ý: Protein tạo nên các tính trạng nhưng không thể là vật chất di truyền vì protein không tự tái bản và không liên kết theo nguyên tắc bổ sung để truyền đạt thông tin nguyên vẹn.

II. Đặc điểm cấu trúc của DNA phù hợp với chức năng

Các thông số cấu trúc cần nhớ:

• Khoảng cách giữa 2 nucleotide kế tiếp: 0,34 nm.
• Chiều dài 1 chu kì xoắn (10 cặp nucleotide): 3,4 nm.
• Đường kính chuỗi xoắn: 2 nm.
• Hai mạch đối song song (ngược chiều): một mạch $5′ \to 3’$, mạch kia $3′ \to 5’$.
• Hai mạch liên kết bằng liên kết hydrogen: cặp $A = T$ có 2 liên kết, cặp $G \equiv C$ có 3 liên kết.

Ý nghĩa kết cặp đặc hiệu A – T, G – C: một mạch dùng làm khuôn để tổng hợp mạch còn lại, nhờ đó thông tin di truyền được sao chép và truyền đạt gần như nguyên vẹn qua các thế hệ tế bào.

III. Cơ chế tái bản DNA

• Nguyên tắc tái bản: bán bảo toàn và bổ sung (NTBS).
• Thời điểm: kì trung gian, giữa hai lần phân bào.
• Vị trí (tế bào động vật): trong nhân và ti thể (động vật không có lục lạp).
• Tái bản bắt đầu từ điểm khởi đầu sao chép (Ori), tiến hành theo hai hướng ngược nhau tạo nên một đơn vị tái bản. Gồm 2 giai đoạn:

1. Khởi đầu sao chép

• Một số protein và enzyme liên kết vào Ori, tách DNA thành 2 mạch đơn ở cả hai phía → tạo chạc sao chép hình chữ Y.
• Enzyme RNA polymerase dùng mạch DNA làm khuôn tổng hợp đoạn mồi (RNA ngắn), cung cấp đầu 3’–OH cho DNA polymerase.

2. Tổng hợp mạch DNA mới

• Enzyme DNA polymerase kéo dài mạch mới bằng cách gắn nucleotide vào đầu 3′ của đoạn mồi theo NTBS (A – T, G – C) với mạch khuôn.
• DNA polymerase chỉ tổng hợp theo chiều $5′ \to 3’$, mà 2 mạch khuôn ngược chiều nhau, nên:
  • Mạch liên tục (mạch dẫn đầu): tổng hợp liên tục.
  • Mạch gián đoạn (mạch ra chậm): tổng hợp thành từng đoạn Okazaki.
• DNA polymerase loại bỏ đoạn mồi và tổng hợp đoạn DNA thay thế; enzyme ligase nối các đoạn Okazaki lại.

Kết quả: 1 phân tử DNA mẹ → 2 phân tử DNA con giống nhau và giống mẹ; mỗi con có 1 mạch cũ + 1 mạch mới (nguyên tắc bán bảo toàn).

Ý nghĩa: truyền đạt thông tin di truyền gần như nguyên vẹn qua các thế hệ tế bào và cơ thể.

Phân biệt nhân sơ và nhân thực:

Ứng dụng: nhân bản DNA trong pháp y (truy tìm thủ phạm, xác định danh tính), chẩn đoán tác nhân gây bệnh, giải trình tự gene và hệ gene, công nghệ di truyền.

Bảng tóm tắt quá trình tái bản DNA (theo mẫu Luyện tập trong sách)

Vận dụng (sản xuất thuốc trị nhiễm khuẩn): vì nhiều enzyme và protein tham gia tái bản DNA ở vi khuẩn khác với ở người, nên có thể sản xuất thuốc nhắm trúng đích enzyme đặc trưng của vi khuẩn → tiêu diệt vi khuẩn mà ít ảnh hưởng tế bào người, giúp giảm tác dụng không mong muốn của kháng sinh.

Công thức cốt lõi

Với một phân tử DNA (gen) mạch kép có $N$ nucleotide:

$$A = T,\qquad G = C$$ $$N = 2A + 2G ;\Rightarrow; A + G = \dfrac{N}{2};\Rightarrow; \%A + \%G = 50\%$$

• Chiều dài: $L = \dfrac{N}{2} \times 3{,}4 \ \text{(Å)}$
• Số chu kì xoắn: $C = \dfrac{N}{20}$
• Số liên kết hydrogen: $H = 2A + 3G$
• Quan hệ hai mạch: $A_1 = T_2,\ T_1 = A_2,\ G_1 = C_2,\ C_1 = G_2$
• Quan hệ mạch – cả gen: $A = T = A_1 + A_2 = A_1 + T_1$ ; $G = C = G_1 + G_2 = G_1 + C_1$

Tái bản DNA (1 phân tử nhân đôi $k$ lần):

• Số phân tử DNA con: $2^k$
• Số mạch đơn mới hoàn toàn từ môi trường: $2(2^k – 1)$
• Số nucleotide môi trường cung cấp: $N(2^k – 1)$
• Theo bán bảo toàn: luôn có đúng 2 phân tử còn chứa mạch của DNA mẹ.

Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng 1: Tính chiều dài, số nucleotide, số liên kết hydrogen của gen

Cách làm: phối hợp $H = 2A + 3G$ ; $N = 2A + 2G$ ; $L = \dfrac{N}{2}\times 3{,}4$ Å. Nếu cho trình tự một mạch thì đếm số nucleotide từng loại rồi quy về cả gen.

Ví dụ 1. Một gen có 480 adenin và 3120 liên kết hydrogen. Tính số nucleotide của gen.

$$H = 2A + 3G \Rightarrow 3120 = 2\cdot 480 + 3G \Rightarrow 3G = 2160 \Rightarrow G = 720$$ $$N = 2A + 2G = 2\cdot 480 + 2\cdot 720 = \mathbf{2400 \text{ nucleotide}}$$

Ví dụ 2. Một đoạn gen có trình tự một mạch: $3′-ATG-TAC-CGT-AGG-XXX-5’$. Tính số liên kết hydrogen.

Đếm trên mạch: $A_1 = 3,\ T_1 = 3,\ G_1 = 4,\ X_1,(C_1) = 5$. Quy về cả gen theo NTBS: $$A = A_1 + T_1 = 3 + 3 = 6 \qquad ; \qquad G = G_1 + C_1 = 4 + 5 = 9$$ $$H = 2A + 3G = 2\cdot 6 + 3\cdot 9 = \mathbf{39 \text{ liên kết hydrogen}}$$

Dạng 2: Xác định tỉ lệ phần trăm và số lượng từng loại nucleotide

Cách làm: dùng $\%A + \%G = 50\%$ cho cả gen; khi hỏi từng mạch thì dùng thêm $A_1 = T_2,\ G_1 = C_2 \dots$ và $A_{\text{gen}} = A_1 + T_1$.

Ví dụ 1. Một phân tử DNA ở vi khuẩn có 20\% nucleotide loại A. Tính tỉ lệ loại C.

$$\%A = %T = 20\% \Rightarrow \%G = \%C = 50\% – 20\% = \mathbf{30\%}$$

Ví dụ 2. Một phân tử DNA xoắn kép có $\dfrac{A+T}{G+C} = \dfrac{1}{4}$. Tính tỉ lệ loại A.

$$\dfrac{A+T}{G+C} = \dfrac{2A}{2G} = \dfrac{A}{G} = \dfrac{1}{4}\quad(1)\qquad ; \qquad A + G = 50\%\quad(2)$$ Từ (1) và (2) suy ra $A = \mathbf{10\%}$ (và $G = 40\%$).

Ví dụ 3. Một gen dài 425 nm, $A + T$ chiếm 40% tổng nucleotide. Mạch 1 có 220 T và số C chiếm 20% số nucleotide của mạch. Tính tỉ lệ C của mạch 2.

$$N = \dfrac{L}{3{,}4}\times 2 = \dfrac{4250}{3{,}4}\times 2 = 2500 \Rightarrow \dfrac{N}{2} = 1250$$ $$A = T = 40\%\cdot N \div 2 = 500 \quad ; \quad G = C = 750$$ Mạch 1: $T_1 = 220 \Rightarrow A_1 = 500 – 220 = 280$ ; $C_1 = 20\%\cdot 1250 = 250 \Rightarrow G_1 = 750 – 250 = 500$. Mạch 2: $C_2 = G_1 = 500 \Rightarrow \%C_2 = \dfrac{500}{1250} = \mathbf{40\%}$.

Dạng 3: Bài tập về quá trình tái bản DNA

Cách làm: sau $k$ lần nhân đôi từ 1 phân tử → $2^k$ DNA con; số mạch mới hoàn toàn $= 2(2^k-1)$; số phân tử còn chứa mạch mẹ luôn = 2.

Ví dụ 1. Một phân tử DNA mẹ tự sao 3 lần liên tiếp thì tạo ra bao nhiêu phân tử DNA?

$$2^k = 2^3 = \mathbf{8 \text{ phân tử}}$$

Ví dụ 2. Có 8 phân tử DNA tự nhân đôi cùng số lần, tổng hợp được 112 mạch polynucleotide mới hoàn toàn từ môi trường. Mỗi phân tử nhân đôi mấy lần?

Tổng số mạch sau $k$ lần: $2\cdot 8\cdot 2^k = 16\cdot 2^k$. Trừ 16 mạch cũ của 8 DNA mẹ: $$16\cdot 2^k – 16 = 112 \Rightarrow 16\cdot 2^k = 128 \Rightarrow 2^k = 8 \Rightarrow \mathbf{k = 3}$$

Ví dụ 3. Nuôi 1 tế bào E. coli có DNA chỉ chứa $N^{15}$ trong môi trường chỉ có $N^{14}$, tạo ra 8 tế bào con. Có bao nhiêu phân tử DNA còn chứa $N^{15}$?

$8 = 2^k \Rightarrow k = 3$. Theo nguyên tắc bán bảo toàn, dù nhân đôi bao nhiêu lần cũng luôn chỉ có đúng 2 phân tử còn giữ một mạch $N^{15}$ của mẹ → 2 phân tử.

Dạng 4: Bài tập về đoạn mồi và đoạn Okazaki

Cách làm: một đơn vị tái bản có 2 chạc chữ Y; mỗi chạc có 1 mạch liên tục cần 1 đoạn mồi, mỗi đoạn Okazaki cần 1 đoạn mồi. Do đó: $$\text{Số đoạn mồi} = \text{Số đoạn Okazaki} + 2$$

Ví dụ 1. Một đơn vị tái bản có 30 đoạn Okazaki. Tính số đoạn mồi cần khi nhân đôi một lần.

$$\text{Số đoạn mồi} = 30 + 2 = \mathbf{32 \text{ đoạn mồi}}$$

Ví dụ 2. Tách chiết, tinh sạch nguyên liệu để nhân đôi DNA trong ống nghiệm; sản phẩm chỉ gồm các đoạn DNA ngắn vài trăm cặp nucleotide. Hỗn hợp ban đầu thiếu thành phần nào?

Các đoạn ngắn chính là các đoạn Okazaki chưa được nối lại → thiếu enzyme DNA ligase (enzyme nối các đoạn Okazaki).

Sai lầm thường gặp

Ghi nhớ: Tái bản DNA theo nguyên tắc bán bảo toàn và bổ sung. DNA polymerase chỉ tổng hợp một chiều $5′ \to 3’$ nên sinh ra mạch liên tục và mạch gián đoạn (Okazaki); ligase nối lại; 1 mẹ → 2 con giống hệt mẹ.

Cô Nguyễn Ngọc Châu

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Sinh Học THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Sinh học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ AT sinh học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Trần Phú