Chuyên đề 1: ADN và nhân đôi ADN

I: ADN

1. Cấu trúc chung

- ADN cấu tạo từ các nguyên tố C, H, O, N, P

- ADN là 1 đại phân tử, cấu trúc theo nguyên tắc đa phân gồm nhiều đơn phân là các Nucleotit (viết tắt là Nu)

- ADN thường gặp có cấu trúc 2 mạch bổ sung, xoắn phải (theo mô hình của J.Oat xơn và F Crick), 2 mạch ngược chiều nhau, liên kết giữa các Nu trên 1 mạch là liên kết photphodieste; giữa các Nu trên 2 mạch với nhau là liên kết Hidro.
Có nhiều loại ADN khác nhau, trong đó loại ADN mà J.Oat xơn và F Crick công bố là loại B, ngoài ra còn có nhiều loại ADN khác: A, C, D,... Z khác nhau chủ yếu ở kích thước và số Nu trong 1 chu kì. Đáng chú ý là ADN loại Z cấu trúc xoắn trái. ADN mạch đơn tìm thấy ở virus.
2. Cấu trúc cụ thể 1 Nu:

Đơn phân của ADN là Nucleotit, cấu trúc gồm 3 thành phần:

- Đường đeoxiriboz:

- Nhóm Photphat

- Bazo nito: gồm 2 loại chính: purin và pirimidin:
+ Purin: Nucleotit có kích thước lớn hơn: A (Adenin) và G (Guanin)

+ Pirimidin: Nucleotit có kích thước nhỏ hơn: T (Timin) và X (Xitozin)

Vì các thành phần đường và photphat là chung cho các Nu, nên người ta vẫn gọi thành phần bazo nito là Nu: Nu loại A, G, T, X...

Bazo nito liên kết với đường tai vị trí C thứ 1; nhóm photphat liên kết với đường tại vị trí C thứ 5 tạo thành cấu trúc 1 Nucleotit

3. Sự tạo mạch
Khi tạo mạch, nhóm photphat của Nu đứng trước sẽ tạo liên kết với nhóm OH của Nu đứng sau (tại vị trí C số 3). Liên kết này là liên kết photphodieste (nhóm photphat tạo liên kết este với OH của đường của chính nó và tạo liên kết este thứ 2 với OH của đường của Nu kế tiếp => đieste). Liên kết này, tính theo số thứ tự đính với C trong đường thì sẽ là hướng 3'-OH; 5'-photphat.

Giữa 2 mạch, các Nu liên kết với nhau theo nguyên tắc bổ sung. A liên kết với T bằng 2 liên kết Hidro; G liên kết với X bằng 3 liên kết Hidro. Do liên kết Hidro là liên kết yếu, nên nó có thể bị phá vỡ dễ dàng trong quá trình nhân đôi ADN và phiên mã gen.

II: QUÁ TRÌNH NHÂN ĐÔI ADN:

1. Thời điểm:

ADN được nhân đôi vào giai đoạn S thuộc kì trung gian của chu kì tế bào. Kì trung gian có 3 giai đoạn chính: G1, S, G2. Cụ thể, khi tế bào vượt qua điểm R (điểm cuối pha G1) nó sẽ bước vào S và nhân đôi ADN, dẫn đến nhân đôi NST.

2. Nguyên liệu:

Các Nucleotit các loại : A, T, G, X; năng lượng cung cấp dưới dạng ATP, hệ enzim sao chép.

3. Nguyên tắc:

- Bổ sung.

- Bán bảo toàn.

Có nhiều thí nghiệm chứng minh nguyên tắc nhân đôi ADN (đặc biệt là nguyên tắc bán bảo toàn) trong đó 1 thí nghiệm nổi tiếng là của Meselson và Stahl. Hai ông dùng đồng vị phóng xạ đánh dấu ADN, sau đó cho vi khuẩn chứa ADN này thực hiện quá trình nhân đôi ADN trong môi trường . Nhờ thực hiện ly tâm và phân tích kết quả thu được, họ đã chứng minh được cơ chế nhân đôi bán bảo toàn của ADN.

4: Khởi đầu:

- Ta đều biết ADN xoắn khá chặt, và như vậy rất khó tạo điều kiện cho các enzim tiếp xúc. Vì vậy, hoạt động đầu tiên của quá trình là dãn mạch ADN nhờ enzim girase (1 loại enzim ADN topoisomeraza)

- Sau khi dãn mạch, enzim helicase sẽ cắt liên kết Hidro bắt đầu tại vị trí khởi đầu sao chép (ori) để tách 2 mạch của ADN, tạo chạc sao chép.

- Chạc sao chép được hình thành, các phân tử protein SSB (protein liên kết sợi đơn) sẽ bám vào sợi ADN đơn để ngăn 2 mạch tái liên kết với nhau, giữ 2 mạch thẳng, tạo điều kiện thuận lợi cho hệ enzim hoạt động.

* Thông thường, mỗi khi tách mạch ra, thì tại vị trí tách mạch sẽ hình thành 2 chạc sao chép ngược chiều với nhau.

5. Hình thành mạch:

a. Xét ở sinh vật nhân sơ:

Trong quá trình nhân đôi ADN có sự tham gia của rất nhiều enzim. 1 trong số những enzim quan trọng là ADN polimeraza (ADN pol - vai trò chính ở nhân sơ là ADN pol III). Enzim ADN pol có 1 đặc tính là chỉ có thể bổ sung mạch mới dựa trên đầu 3'-OH có sẵn. Điều này dẫn tới 2 đặc điểm:

- ADN pol không thể tự tổng hợp mạch mới (Nhưng ARN pol thì không đòi hỏi yêu cầu này)=> cần 1 đoạn mồi khoảng 10 Nu (thường là ARN) - primer (enzim tổng hợp là primase - 1 loại ARN polimeraza). Đoạn mồi này có vai trò cung cấp đầu 3'-OH cho ADN pol tổng hợp mạch mới. Sau đó, đoạn mồi này, thường, sẽ được thay thế bằng 1 đoạn ADN tương ứng.

- ADN pol (III) chỉ có thể tổng hợp mạch mới theo chiều 5'-3'. Do vậy, trên mạch khuôn chiều 3'-5' sẽ được tổng hợp liên tục; còn mạch 5'-3' sẽ được tổng hợp gián đoạn thành các đoạn ADN ngắn khoảng 1000 Nu (gọi là đoạn Okazaki).

Tiến trình có thể hiểu đơn giản là:

+ Sau khi hình thành chạc sao chép, enzim primase (ARN pol) sẽ tổng hợp 1 đoạn ARN mồi.

+ ADN pol III nối dài mạch dựa trên đoạn mồi đó. Trên mạch 3'-5', nó tổng hợp liên tục, hướng vào chạc sao chép; trên mạch 5'-3' tổng hợp gián đoạn thành các đoạn Okazaki, ngược hướng so với hướng phát triển của chạc sao chép.

+ Các đoạn mồi này hầu hết sẽ được enzim ADN pol I cắt đi và thay thế bằng 1 đoạn ADN tương ứng.

Sở dĩ nói hầu hết, vì đoạn mồi đầu tiên, ngoài cùng của ADN, nó cần 1 enzim riêng để tổng hợp đoạn ADN tương ứng (enzim này bản chất giống như 1 enzim sao chép ngược). Enzim này chỉ tồn tại trong các tế bào gốc, chưa biệt hóa. Ở các tế bào đã biệt hóa, gen tổng hợp enzim này bị khóa, do vậy sau mỗi lần nhân đôi, ADN lại ngắn đi 1 đoạn nhỏ. Điều này làm hạn chế số lần nhân đôi của tế bào, và cũng là 1 cơ chế tự chết của tế bào. 1 vài tế bào bị đột biến làm mở gen này -> không hạn chế phân bào -> phát triển thành ung thư (đây là 1 cơ chế gây ung thư)

+ Enzim ligaza sẽ nối các đoạn ADN rời lại với nhau (những đoạn Okazaki với đoạn ADN thay thế đoạn mồi...)

b. Ở sinh vật nhân thực.

Sự nhân đôi ở sinh vật nhân thực nhìn chung là giống sinh vật nhân sơ. Tuy nhiên, có 1 vài điểm khác đáng lưu ý:

- Ở sinh vật nhân sơ chỉ có 1 điểm khởi đầu sao chép (Ori C), nhưng ở sinh vật nhân thực, do hệ gen lớn, nên có rất nhiều điểm khởi đầu tái bản.

- Ở sinh vật nhân thực, hệ enzim tham gia phức tạp hơn so với nhân sơ. Hệ enzim ADN pol có nhiều loại alpha, beta, gama... và cơ chế hoạt động phức tạp hơn.

- Nhìn chung, tốc độ nhân đôi ở sinh vật nhân sơ lớn hơn ở sinh vật nhân thực.

6. Hoàn thiện:

Ở cả sinh vật nhân sơ và nhân thực luôn có quá trình sửa sai nhờ hệ thống enzim sửa sai luôn rà soát trên phân tử ADN.

Phân tử ADN sau khi tổng hợp xong sẽ hình thành cấu trúc ổn định (cuộn xoắn, liên kết với protein...) và độc lập với phân tử ADN mẹ. Quá trình nhân đôi ADN kết thúc thường dẫn tới quá trình phân chia tế bào.


III CÁC SỐ LIỆU CẦN NHỚ.

- 1 ångström (Å) = mét = 0,1 nanômét

- Đường kính của ADN là 20 Å

- Chiều dài 1 chu kì xoắn (10 cặp bazo): 34 Å

- Chiều dài 1 Nu 3.4 Å

- A = T; G = X (A, T, G, X là số lượng cácNu tương ứng trên cả đoạn ADN đang xét)

- A1 = T2; A2 =T1; G1 =X2; G2 = X1 (A1, A2... là các Nu từng loại trên mạch 1, mạch 2)

- A liên kết với T bằng 2 liên kết Hidro; G liên kết với X bằng 3 liên kết Hidro => Số liên kết Hidro được tính: H = 2A+3G

- 1 lần nhân đôi, 1 phân tử ADN tạo ra 2 phân tử ADN con. Do vậy

sau k lần nhân đôi, 1 phân tử ADN tạo ra phân tử ADN con;

n phân tử ADN ban đầu, sau k lần nhân đôi sẽ tạo ra phân tử ADN con.

- (Số Nu môi trường cung cấp cho quá trình nhân đôi ADN) = (số Nu có trong tổng phân tử con) - (số Nu có trong ADN ban đầu)