1. Nhân đôi ADN là gì?
Nhân đôi ADN hay còn được gọi là tái bản ADN là quá trình sao chép các phân tử ADN xoắn kép trước mỗi lần phân bào. Kết quả của quá trình là tạo ra hai phân tử ADN gần như giống nhau hoàn toàn và giống với ADN mẹ.
Trong quá trình nhân đôi ADN ở các tế bào nhân sơ thì cơ chế sao chép các phân tử ADN sẽ diễn ra ở tế bào chất (plasmid của vi khuẩn). Quá trình diễn ra ở pha S khi các nhiễm sắc thể trong tế bào đang ở trạng thái duỗi xoắn cực độ của kì trung gian.
Đối với tế bào nhân thực thì quá trình tái bản ADN sẽ diễn ra chính ở nhân tế bào, lục lạp và ti thể. Cũng giống tế bào nhân sơ, quá trình này sẽ được diễn ra tại pha S, hay còn gọi là kì trung gian giữa 2 lần phân bào. Nhiễm sắc thể duỗi xoắn cực đại sẽ giúp quá trình nhân đôi diễn ra nhanh chóng và hoàn chỉnh để tạo ra 2 ADN con giống với ADN mẹ.
2. Yếu tố tham gia quá trình nhân đôi ADN
2.1. ADN mạch khuôn
ADN mạch khuôn còn có cách gọi khác là ADN mẹ hay sợi ADN gốc. Trong đó các nucleotit sẽ được chọn lựa phù hợp để liên kết với các nuclêôtit trên ADN mẹ, lấy thông tin từ sợi gốc để tạo thông tin trên sợi bổ sung, cho ra bản sao ADN giống mẹ.
2.2. Nguyên liệu môi trường
Trong quá trình nhân đôi ADN ở tế bào các nucleotit tự do A, T, G, X sẽ tổng hợp mạch mới và các ribonucleotit A, U, G, X sẽ tổng hợp đoạn mồi.
Các nguyên liệu này sẽ thực hiện theo nguyên tắc bổ sung giữa các Nu để hình thành nên các phân tử ADN mới. Các cặp nucleotit sẽ được liên kết cố định với nhau.
2.3. Các protein
Có sự tham gia của các protein gắn đặc hiệu vào quá trình nhân đôi ADN. Cụ thể bao gồm:
Tên Protein
Chức năng
Dna A
Gắn vào ở thời điểm khởi đầu sao chép.
Dna C
Giúp tạo phức và thúc đẩy Dna B liên kết với ADN
REP, Dna B
Tạo dãn xoắn ADN
IHF và FIS
Liên kết với ADN
SSB
Ngăn cản 2 mạch ADN tái liên kết bổ sung
TBP
hỗ trợ dừng chạc tái bản.
2.4. Enzyme
Các enzyme chính tham gia vào quá trình nhân đôi ADN bao gồm:
Tên enzyme
Chức năng
Gyrase
Enzyme này có tác dụng làm giảm sức cân bằng, và phá vỡ không liên tục các liên kết của phosphodiester, tức là tháo xoắn ADN mẹ.
Helicase
Enzyme này sẽ giúp phá vỡ liên kết Hydro để tách 2 mạch phân tử ADN mạch đơn, tạo chạc ba tái bản.
ARN polimeraza
Chức năng của enzyme này sẽ giúp tổng hợp đoạn ARN ngắn (đoạn mồi) gắn với mạch khuôn của ADN mẹ.
ADN polimeraza
Enzyme này gồm 3 loại: Loại II và III có chức năng tổng hợp ADN và đọc sửa khi có sai sót, còn loại I sẽ tạo chuỗi và cắt chuỗi theo 2 chiều 5’- 3’ và 3’- 5’.
Ligaza
Đây là enzyme tham gia cuối cùng vào quá trình nhân đôi ADN. Chúng có chức năng nối lại các đoạn ADN, sửa chữa và tái tổ hợp.
2.5. Năng lượng
Năng lượng chính cung cấp cho quá trình này là năng lượng ATP.
Đăng ký ngay để được thầy cô ôn tập và xây dựng lộ trình ôn thi tốt nghiệp THPT đạt 9+ ngay từ bây giờ!!!
3. Mô tả quá trình nhân đôi ADN
3.1. Các phân tử ADN tháo xoắn
Thông thường ADN trong tế bào sẽ dài và chứa nhiều cặp Nu, với chiều dài như thế sẽ bị hạn chế trong một không gian chật hẹp. Bởi vậy nó sẽ cuộn lại, đóng xoắn để phù hợp với giới hạn của một tế bào. Khi tiến hành nhân đôi thì phân tử này sẽ được tháo xoắn.
Quá trình tháo xoắn diễn ra như sau:
- Protein Dna A nhận biết và liên kết với vị trí khởi đầu sao chép, sau đó tương tác, bẻ gãy liên kết hidro giữa các cặp bazơ khoảng 40 liên kết bị bẻ gãy. Quá trình này cần cung cấp năng lượng và năng lượng đó được lấy từ ATP. Sự liên kết của Dna A làm protein Dna B và Dna C dễ dàng gắn vào vị trí khởi đầu sao chép hình thành nên phức hệ tiền khởi đầu.
- Tiếp theo, enzyme gyrase (một loại enzyme topoisomerase) sẽ sử dụng ATP làm nguồn năng lượng để giải phóng các ADN giúp cho quá trình dãn xoắn của phân tử ADN ở hai phía của protein Dna B. Enzym này cũng cần thiết cho việc tách riêng hai phân tử ADN mạch kép mới và giúp chúng cuộn xoắn và định khu lại trong các tế bào con.
- Sau đó các enzyme helicase tách hai mạch của ADN bằng cách phá vỡ các liên kết hidro giữa các bazơ nhờ năng lượng giải phóng từ sự thủy giải các nucleoside 5' triphosphate (NTP). Nhiều loại helicase cùng hoạt động đồng thời: protein REP gắn trên mạch 3' - 5’, còn helicase II và lIl gắn trên mạch 5' - 3'.
- Tiếp theo các protein SSB (Single Strand Binding-liên kết với mạch đơn) gắn lên khắp mạch đơn làm cho hai mạch không kết hợp trở lại được để việc sao chép được dễ dàng.
3.2. Tổng hợp từng mạch ADN mới
a) Tổng hợp đoạn mồi ARN
Các enzyme ADN polymerase chỉ có thể tổng hợp mạch đơn mới bằng cách nối dài một đoạn mồi đã bắt cặp sẵn trên khuôn. Mồi này là ARN nhỏ khoảng 10 nucleotit được tổng hợp bởi một phức hợp protein gọi là primosome, trong đó có enzyme tổng hợp ARN từ mạch khuôn ADN gọi là primase (RNA polymerase).
b) Tổng hợp mạch liên tục (sợi dẫn đầu)
- Sợi ADN có chiều từ 3′ đến 5′ (về phía ngã ba sao chép) gọi là sợi dẫn đầu. Sợi còn lại có chiều từ 5 ’đến 3’ (cách xa ngã ba sao chép) gọi là sợi trễ. Mỗi sợi được sao chép khác nhau tùy theo hướng sắp xếp của nó.
- Đoạn mồi (được tạo ra bởi enzyme primase) bám theo và liên kết với đuôi của sợi dẫn đầu. Đoạn mồi giúp đánh dấu vị trí khởi đầu cho quá trình nhân đôi ADN.
- ADN polymerase liên kết với sợi dẫn đầu, sau đó chạy dọc theo sợi đó và thêm các base nucleotide mới tương ứng (A, T, G và X) vào sợi ADN theo chiều 5 ’đến 3’. Cách sao chép này được gọi là liên tục nên đây được gọi là quá trình tổng hợp mạch liên tục.
c) Tổng hợp mạch gián đoạn (sợi trễ)
- Có nhiều đoạn mồi được tạo ra bởi enzyme primase và liên kết tại các điểm khác nhau dọc theo sợi trễ.
- Các đoạn Okazaki (bản chất là ADN) được thêm vào sợi trễ cũng theo hướng 5 ‘ -> 3’. Kiểu sao chép này gọi là không liên tục vì các đoạn Okazaki cần được nối với nhau sau này bởi vậy đây là quá trình tổng hợp mạch gián đoạn (không liên tục).
- Khi tất cả các bazơ đều khớp với nhau (A với T, C với G), enzyme exonuclease sẽ loại bỏ các đoạn mồi rồi lấp đầy chỗ trống bằng những nucleotide tương ứng.
- Sợi mới sẽ được đọc lại để đảm bảo không có sai sót trong trình tự ADN mới tạo ra.
- Cuối cùng, enzyme ADN ligase sẽ đóng trình tự ADN lại thành hai sợi kép liên tục.
- Sau khi sao chép, ADN mới sẽ tự động chuyển về dạng chuỗi xoắn kép.
>> Xem thêm: Quá trình nhân đôi ADN diễn ra ở đâu? Vào thời gian nào?
4. Kết quả của quá trình nhân đôi ADN
- Từ 1 phân tử ADN mẹ ban đầu sau khi tự nhân đôi 1 lần sẽ tạo ra 2 ADN con.
- 2 ADN con có đặc điểm là gần như giống hệt nhau và giống ADN mẹ ban đầu (nếu có khác cũng chỉ khác 1 phần cực kỳ nhỏ).
- Trong phân tử ADN con thì có 1 mạch đơn mới được tổng hợp và 1 mạch đơn cũ từ ADN mẹ.
Chú ý:
- Có sự khác biệt trong cơ chế nhân đôi ADN giữa sinh vật nhân thực với sinh vật nhân sơ:
Hệ gen: Sinh vật nhân thực có hệ gen lớn và phức tạp hơn nên sẽ có nhiều điểm tái bản khác nhau (nhiều đơn vị tái bản) còn ở sinh vật nhân sơ thì chỉ xảy ra tại một điểm duy nhất (1 đơn vị tái bản).
Tốc độ: Sinh vật nhân sơ có tốc độ nhân đôi nhanh hơn.
Hệ enzyme: Ở sinh vật nhân thực có có hệ enzyme phức tạp hơn nhân sơ.
- Vậy ADN được nhân đôi thông qua 3 nguyên tắc chính:
Nguyên tắc bán bảo toàn
Đây là nguyên tắc giữ lại mạch của ADN mẹ sau khi đã hoàn thành 2 ADN con. Nguyên tắc này vẫn lặp lại ở những quá trình nhân đôi phía sau.
Nguyên tắc bổ sung
Trong quá trình nhân đôi ADN thì nguyên tắc này được thực hiện liên tục cho đến khi hoàn thiện. Cụ thể Nucleotit A (ATP) sẽ liên kết với Nuclêôtit T (TTP) bằng 2 liên kết hydro và ngược lại. Nucleotit G (GTP) sẽ liên kết với Nuclêôtit X (XTP) bằng 3 liên kết hydro và ngược lại.
Nguyên tắc khuôn mẫu
Hai mạch đơn của ADN con được tổng hợp sẽ được tổ hợp dựa trên các trình tự bố trí Nucleotit trên mạch khuôn của mẹ. Chính vì tuân theo nguyên tắc này mà 2 ADN con vừa tạo thành đều giống hệt nhau và giống hệt ADN mẹ ban đầu.
5. Ý nghĩa quá trình nhân đôi ADN trong tế bào
- 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 cho câu hỏi vì sao sự truyền đạt thông tin di truyền lại xảy ra một cách chính xác qua các thế hệ.
Nhận trọn kiến thức và phương pháp giải mọi dạng bài tập Sinh học 12 với giải pháp PAS THPT ngay
Trên đây là toàn bộ những thông tin cần thiết liên quan đến quá trình nhân đôi ADN. Đây là một phần rất quan trọng trong chương trình sinh 12 và đòi hỏi các em phải nắm thật chắc để kỳ thi THPT Quốc gia đạt kết quả cao. Ngoài ra, em có thể truy cập ngay Vuihoc.vn để đăng ký tài khoản hoặc liên hệ trung tâm hỗ trợ để nhận thêm nhiều bài học hay và chuẩn bị được kiến thức tốt nhất cho kỳ thi THPT Quốc gia sắp tới nhé!
