PHẦN 1: LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

I. Quá trình tái bản DNA

Quá trình tái bản DNA diễn ra trong nhân tế bào (sinh vật nhân thực) hoặc vùng nhân (sinh vật nhân sơ), trước khi tế bào bước vào giai đoạn phân chia.

Ba giai đoạn của tái bản DNA:

Giai đoạn 1 – Khởi đầu: Enzyme tháo xoắn hoạt động, phân tử DNA tháo xoắn, tách thành hai mạch đơn (mạch khuôn).

Giai đoạn 2 – Kéo dài: Các nucleotide tự do trong môi trường tế bào liên kết với nucleotide trên mỗi mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung (NTBS):

• A liên kết với T (bằng 2 liên kết hydrogen)
• G liên kết với C (bằng 3 liên kết hydrogen)

Enzyme DNA polymerase lắp ghép các nucleotide mới vào mạch khuôn theo chiều 5′ → 3′.

Giai đoạn 3 – Kết thúc: Hai mạch đơn (gồm một mạch mới tổng hợp và một mạch khuôn) xoắn trở lại → tạo ra hai phân tử DNA mới giống nhau và giống DNA ban đầu.

Kết quả: Từ 1 DNA mẹ → 2 DNA con giống hệt nhau và giống DNA mẹ. Mỗi DNA con gồm 1 mạch cũ (từ DNA mẹ) và 1 mạch mới (từ nucleotide môi trường) → gọi là nguyên tắc bán bảo tồn.

Ý nghĩa di truyền của tái bản DNA:

• Đảm bảo thông tin di truyền được truyền đạt qua các thế hệ tế bào và cơ thể một cách ổn định, liên tục.
• Mỗi tế bào con nhận được bản sao chính xác của thông tin di truyền từ tế bào mẹ.
• Là cơ sở cho sự sinh sản của tế bào.

Các thành phần tham gia tái bản DNA:

• DNA mẹ (làm khuôn)
• Các nucleotide tự do (A, T, G, C) từ môi trường
• Enzyme tháo xoắn (helicase): tách hai mạch DNA
• DNA polymerase: lắp ghép nucleotide mới theo NTBS
• DNA ligase: nối các đoạn Okazaki

Lưu ý quan trọng:

• Enzyme DNA polymerase tham gia tái bản DNA (không phải RNA polymerase).
• Enzyme RNA polymerase tham gia phiên mã (không phải tái bản).
• Trong tái bản: A liên kết T, G liên kết C (nucleotide tự do là A, T, G, C).
• Trong tái bản không có nucleotide U (uracil). Nếu U liên kết A → đó là phiên mã, không phải tái bản.

Ví dụ áp dụng:

Một đoạn DNA có trình tự:

Mạch 1: $A–A–G–C–T–C–G–C–G–A–T–A–G–C–C$

Mạch 2: $T–T–C–G–A–G–C–G–C–T–A–T–C–G–G$

Sau tái bản tạo 2 DNA con:

DNA con 1:

• Mạch cũ (mạch 1): $A–A–G–C–T–C–G–C–G–A–T–A–G–C–C$
• Mạch mới: $T–T–C–G–A–G–C–G–C–T–A–T–C–G–G$

DNA con 2:

• Mạch mới: $A–A–G–C–T–C–G–C–G–A–T–A–G–C–C$
• Mạch cũ (mạch 2): $T–T–C–G–A–G–C–G–C–T–A–T–C–G–G$

→ Hai DNA con giống nhau và giống DNA mẹ.

II. Quá trình phiên mã

Thông tin di truyền trên DNA (gene) không được chuyển trực tiếp thành protein mà phải qua hai quá trình: phiên mã và dịch mã.

Phiên mã là quá trình tổng hợp các phân tử RNA dựa trên trình tự polynucleotide của gene (DNA).

Ba giai đoạn của phiên mã:

Giai đoạn 1 – Khởi đầu: Enzyme RNA polymerase bám vào vị trí khởi đầu trên gene, DNA tháo xoắn tại vùng gene cần phiên mã.

Giai đoạn 2 – Kéo dài: RNA polymerase trượt dọc trên mạch khuôn của DNA, tổng hợp mạch RNA theo nguyên tắc bổ sung:

• A (trên DNA) → U (trên RNA)
• T (trên DNA) → A (trên RNA)
• G (trên DNA) → C (trên RNA)
• C (trên DNA) → G (trên RNA)

Giai đoạn 3 – Kết thúc: RNA polymerase gặp tín hiệu kết thúc trên DNA → dừng phiên mã. Phân tử mRNA được giải phóng.

So sánh tái bản DNA và phiên mã:

Thông tin thêm – Kĩ thuật PCR: Kĩ thuật PCR (Polymerase Chain Reaction) phát minh năm 1983, mô phỏng quá trình tái bản DNA trong điều kiện nhân tạo, cho phép tạo số lượng lớn bản sao DNA. Ứng dụng trong nông nghiệp, y tế, pháp y…

Câu hỏi đúng/sai – Củng cố lý thuyết

Câu 1. Quá trình tái bản DNA:

Câu 2. Quá trình phiên mã:

Câu 3. Các bước tái bản DNA:

Câu 4. Cấu trúc DNA:

Câu 5. Chức năng RNA:

Câu 6. Tầm quan trọng tái bản DNA:

Câu 7. Thành phần tham gia tái bản:

Câu 9. Phiên mã và RNA polymerase:

Câu 10. Khác biệt DNA và RNA:

Câu 14. Đặc điểm tái bản DNA:

Câu 19. Các bước tái bản:

PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI TẬP

Các công thức cần nhớ

1. Tái bản DNA k lần:

$$\text{Số DNA con} = 2^k$$

$$\text{Số mạch polynucleotide mới hoàn toàn từ môi trường} = 2(2^k – 1)$$

(Vì trong $2^k$ DNA con, mỗi DNA có 2 mạch → tổng $2 \times 2^k$ mạch. Trong đó 2 mạch cũ ban đầu vẫn còn → mạch mới = $2 \times 2^k – 2 = 2(2^k – 1)$.)

2. Số nucleotide tự do cần cho tái bản k lần (1 DNA):

$$N_{\text{mt}} = N \times (2^k – 1)$$

Trong đó $N$ là tổng số nucleotide của DNA ban đầu.

Số nucleotide từng loại: $A_{\text{mt}} = T_{\text{mt}} = A \times (2^k – 1)$; $G_{\text{mt}} = C_{\text{mt}} = G \times (2^k – 1)$

3. Phiên mã (1 lần):

Mạch khuôn DNA → mRNA theo NTBS:

• $A_{\text{khuôn}} → U_{\text{RNA}}$
• $T_{\text{khuôn}} → A_{\text{RNA}}$
• $G_{\text{khuôn}} → C_{\text{RNA}}$
• $C_{\text{khuôn}} → G_{\text{RNA}}$

Số nucleotide mỗi loại trên mRNA = số nucleotide bổ sung trên mạch khuôn.

Nếu phiên mã m lần: số nucleotide loại X cần = m × (số X trên 1 mRNA).

Dạng 1: Tính số DNA con sau k lần tái bản

Phương pháp:

$$\text{Số DNA con} = 2^k$$

Nếu có a phân tử DNA cùng tái bản k lần: tổng DNA = $a \times 2^k$.

Ví dụ mẫu 1

Một DNA tái bản 3 lần. Số DNA con tạo ra là bao nhiêu?

Giải:

$$2^3 = 8 \text{ (DNA con)}$$

Ví dụ mẫu 2

Một DNA tái bản k lần tạo 64 DNA con. Tìm k.

Giải:

$$2^k = 64 = 2^6 \Rightarrow k = 6$$

Bài tập tương tự

Có 6 phân tử DNA tái bản cùng số lần, tổng hợp được 180 mạch polynucleotide mới hoàn toàn từ môi trường. Mỗi DNA tái bản mấy lần?

Giải:

Mỗi DNA tái bản k lần → mạch mới hoàn toàn = $2(2^k – 1)$

6 DNA → tổng mạch mới = $6 \times 2(2^k – 1) = 180$

$12(2^k – 1) = 180$

$2^k – 1 = 15 \Rightarrow 2^k = 16 \Rightarrow k = 4$

Dạng 2: Tính số nucleotide môi trường cung cấp cho tái bản

Phương pháp:

Tổng nucleotide môi trường cung cấp cho 1 DNA tái bản k lần:

$$N_{\text{mt}} = N \times (2^k – 1)$$

Nucleotide từng loại: $A_{\text{mt}} = A \times (2^k – 1)$; $G_{\text{mt}} = G \times (2^k – 1)$

Ví dụ mẫu

Giả sử một đoạn DNA có mạch 1: $A_1 = 70$, $G_1 = 100$, $C_1 = 90$, $T_1 = 80$. Tái bản 1 lần. Số nucleotide loại C môi trường cung cấp?

Giải:

Tổng C của DNA: $C = C_1 + C_2 = C_1 + G_1 = 90 + 100 = 190$

(Vì $C_2 = G_1$ theo NTBS.)

Tái bản 1 lần ($k = 1$): $C_{\text{mt}} = C \times (2^1 – 1) = 190 \times 1 = 190$

Bài tập tương tự

Có một số phân tử DNA tái bản 5 lần, môi trường cung cấp 62 mạch polynucleotide mới. Hỏi số phân tử DNA ban đầu?

Giải:

Mỗi DNA tái bản 5 lần → mạch mới hoàn toàn = $2(2^5 – 1) = 2 \times 31 = 62$

Mà tổng mạch mới = 62 → chỉ có 1 phân tử DNA ban đầu.

(Nếu có a DNA: $a \times 62 = 62 → a = 1$.)

Dạng 3: Xác định trình tự mạch DNA mới sau tái bản

Phương pháp:

Áp dụng NTBS trong tái bản: A ↔ T, G ↔ C (chỉ dùng 4 loại A, T, G, C; không có U).

Mỗi mạch khuôn tổng hợp 1 mạch mới bổ sung → 2 DNA con có trình tự giống nhau và giống DNA mẹ.

Ví dụ mẫu

Mạch đơn DNA: $…ATGCATGGCCGC…$. Viết trình tự mạch mới tổng hợp từ mạch này.

Giải:

Áp dụng NTBS: A→T, T→A, G→C, C→G:

Mạch mới: $…TACGTACCGGCG…$

Dạng 4: Xác định trình tự nucleotide trên mRNA (phiên mã)

Phương pháp:

Phiên mã dựa trên mạch khuôn (mạch gốc) của DNA. NTBS phiên mã:

• A (DNA) → U (RNA)
• T (DNA) → A (RNA)
• G (DNA) → C (RNA)
• C (DNA) → G (RNA)

Lưu ý: Trình tự mRNA bổ sung với mạch khuôn và giống mạch bổ sung (mạch mã gốc) của DNA (thay T bằng U).

Ví dụ mẫu

Mạch khuôn DNA: $3’–T–A–C–G–A–T–5’$. Viết trình tự mRNA.

Giải:

T→A, A→U, C→G, G→C, A→U, T→A:

mRNA: $5’–A–U–G–C–U–A–3’$

Bài tập tương tự

Gene có mạch bổ sung: $5’–A–T–G–C–A–T–G–3’$. Viết mạch khuôn và mRNA.

Giải:

Mạch khuôn (bổ sung với mạch bổ sung): $3’–T–A–C–G–T–A–C–5’$

mRNA (từ mạch khuôn): $5’–A–U–G–C–A–U–G–3’$

Dạng 5: Xác định mạch khuôn phiên mã và số lần phiên mã

Phương pháp:

Nếu biết số nucleotide từng loại trên mRNA và trên từng mạch DNA → xác định mạch nào là khuôn bằng cách so sánh theo NTBS phiên mã.

Số lần phiên mã = $\dfrac{\text{tổng nucleotide loại X môi trường cung cấp}}{\text{số nucleotide loại X trên 1 mRNA}}$

Ví dụ mẫu

Gene có $G = 20\%$ và $T = 720$. Mạch 1: $C_1 = 276$, $A_1 = 21\%$ số nucleotide mạch 1. Phiên mã cần 1404 nu loại U. Xác định mạch khuôn và số lần phiên mã.

Giải:

$T = A = 720$ → $\%A = \%T$. Ta có $\%G = 20\%$ → $\%C = 20%$, $\%A = \%T = 30\%$.

$N = \dfrac{720}{0{,}3} = 2400$ → mỗi mạch có 1200 nu.

$A_1 = 21\% \times 1200 = 252$ → $T_1 = A – A_1 = 720 – 252 = 468$

Nếu mạch 1 là khuôn → $U_{\text{mRNA}} = A_1 = 252$

Nếu mạch 2 là khuôn → $U_{\text{mRNA}} = A_2 = T_1 = 468$

Số lần phiên mã nếu mạch 2 khuôn: $\dfrac{1404}{468} = 3$ lần ✓

Số lần phiên mã nếu mạch 1 khuôn: $\dfrac{1404}{252} \approx 5{,}57$ (không nguyên) ✗

→ Mạch 2 là mạch khuôn, gene phiên mã 3 lần.

Dạng 6: Bài toán tổng hợp – kết hợp tái bản và NTBS

Phương pháp:

Kết hợp các công thức:

• NTBS: $A = T$, $G = C$
• $N$, $L$, $C$: $N = \dfrac{2L}{3{,}4} = 20C$
• $H = 2A + 3G$
• Nucleotide trên mạch: $A_1 = T_2$, $T_1 = A_2$, $G_1 = C_2$, $C_1 = G_2$
• Tái bản k lần: $2^k$ DNA, nucleotide mt = $N(2^k – 1)$

Ví dụ mẫu

Mạch khuôn dùng làm cơ sở tổng hợp mạch bổ sung nhân tạo có tỉ lệ $\dfrac{T + C}{A + G} = 0{,}25$. Tính tỉ lệ nucleotide tự do cần cung cấp.

Giải:

Mạch khuôn: $\dfrac{T + C}{A + G} = 0{,}25$ → $(T + C) = 0{,}25(A + G)$

Mà $(A + G) + (T + C) = 100\%$ → $1{,}25(A + G) = 100\%$ → $A + G = 80\%$, $T + C = 20\%$

Mạch bổ sung tổng hợp theo NTBS: $A’ = T_{\text{khuôn}}$, $T’ = A_{\text{khuôn}}$, $G’ = C_{\text{khuôn}}$, $C’ = G_{\text{khuôn}}$

→ Nucleotide tự do cần: $(A’ + G’) = (T + C)_{\text{khuôn}} = 20\%$, $(T’ + C’) = (A + G)_{\text{khuôn}} = 80\%$

Vậy: $A + G = 20\%$; $T + C = 80\%$.

SƠ ĐỒ TƯ DUY

1. Tái bản DNA

• 1.1. Vị trí: nhân tế bào (nhân thực) / vùng nhân (nhân sơ)
• 1.2. Thời điểm: trước khi phân chia tế bào
• 1.3. Ba giai đoạn: Tháo xoắn → Tổng hợp mạch mới (NTBS: A–T, G–C) → Xoắn lại
• 1.4. Enzyme: DNA polymerase, helicase, ligase
• 1.5. Kết quả: 1 DNA → 2 DNA con (giống nhau, giống mẹ)
• 1.6. Ý nghĩa: truyền thông tin di truyền ổn định qua các thế hệ

2. Phiên mã

• 2.1. Khái niệm: tổng hợp RNA từ mạch khuôn DNA
• 2.2. Enzyme: RNA polymerase
• 2.3. NTBS: A→U, T→A, G→C, C→G
• 2.4. Ba giai đoạn: Khởi đầu → Kéo dài → Kết thúc
• 2.5. Sản phẩm: mRNA, tRNA, rRNA

3. So sánh

• 3.1. Giống: đều theo NTBS, đều diễn ra trong nhân
• 3.2. Khác: tái bản dùng DNA polymerase → 2 DNA; phiên mã dùng RNA polymerase → RNA

4. Ứng dụng

• Kỹ thuật PCR (mô phỏng tái bản nhân tạo)

SAI LẦM THƯỜNG GẶP

Cô Trần Thị Thanh Thảo

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Khoa Học Tự Nhiên THCS

Trình độ: Cử nhân Sư phạm KHTN, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 6+ năm kinh nghiệm tại Trường THCS Nguyễn Siêu