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 • Ng
Trang 1QUÁ TRÌNH NHÂN ĐÔI ADN
- ADN là vật chất di truyền nằm trong nhân tế bào và tế bào chất (ti thể hoặc lục lạp) của sinh vật nhân thực hoặc trong vùng nhân của tế bào nhân sơ
- Nhân đôi ADN là quán trình tạo ra hai phân tử ADN con có cấu trúc giống hệt phân tử ADN mẹ ban đầu
1.Thời gian, Nơi diễn ra:
- Quá trình nhân đôi có thể diến ra ở pha S kì 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
2 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 bổ sung
• Nguyên tắc bán bảo toàn
• 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
3 Các thành phần tham gia :
• Hai mạch đơn của phân tử ADN mẹ
• Các nucleotit tự do trong môi trường (A, T, G, X) để tổng hợp mạch mới và các ribonucleotit
A, U, G, X để tổng hợp đoạn mồi
• Hệ thống các enzyme tham gia vào quá trình tái bản
gồm:
4 Quá trình nhân đôi ADN được diễn ra theo trình tự gồm 3 bước sau
Trang 2• Bước 1 : Phân tử ADN mẹ 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 các mạch ADN 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’ 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’ 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 nhờ enzim nối ADN - ligaza
Bước 3 : Hai phân tử mới được tạo thành
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
Kết thúc quá trình nhân đôi : Hai phân tử ADN con được tạo thành có cấu trúc giống hệt nhau và
giống ADN mẹ ban đầu
Hình 1 : Quá trình nhân đôi ở 1 chạc chữ Y
Ở sinh vật nhân thực, quá trình nhân đôi diễn ra ở 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).
Trang 3Hình 2 : Phân biệt nhân đôi ở sinh vật nhân thực và sinh vật nhân sơ
Chú ý :
Mỗi đơn vị tái bản gồm có hai chạc chữ Y phát sinh từ một điểm khời đầu và được nhân đôi theo hai hướng
Trong một đơn vị tái bản số đoạn mồi cung cấp cho quán trình nhân đôi bằng số đoạn okazaki + 2
CHÚ Ý:
- Thành phần tham gia:
+ ADN mẹ: Khuôn mẫu cho quá trình nhân đôi
+ Nuclêôtit tự do môi trường nội bào cung cấp (dưới dạng ATP, TTP, GTP, XTP): là nguyên liệu cho quá trình lắp ráp tạo thành chuỗi pôlinuclêôtit bổ sung Ngoài ra còn cần thêm các loại
ribônuclêôtit loại A, U, G, X cho quá trình tổng hợp đoạn RNA mồi
+ Enzim: Gyraza (tháo xoắn phân tử DNA mẹ), Helicaza (cắt các liên kết hiđrô giữa hai mạch đơn của phân tư DNA mẹ để giải lộ các mạch khuôn, tạo chạc ba tái bản), RNA pôlimeraza hay Primaza (tổng hợp các đoạn RNA mồi có đầu 3’ - OH tự do), DNA pôlimeraza (lắp ráp các nuclêôtit tự do thành chuỗi pôlinuclêôtit bổ sung dựa trên mạch khuôn gốc của DNA), Ligaza (nối các đoạn
Okazaki thành chuỗi pôlinuclêôtit hoàn chỉnh) Helicase: tháo xoắn mạch kép DNA ==> chạc
chữ Y SSB (single - strand binding protein): giữ vững trạng thái chữ Y.
ADN polymerase:
Vi khuẩn có ba nhóm DNA polymerase:
* Pol I: Đóng vai trò trong sửa chữa DNA
* Pol II: Hoạt động như một 5'->3' exonuclease (có thể loại bỏ primer), sau đó tiếp tục kéo dài phân tử DNA để lấp vào chỗ khuyết đó.
* Pol III: Là polymerase chủ yếu của vi khuẩn (tham gia nhân đôi phân tử DNA), và có hoạt tính đọc sửa (proofreading).
Eukaryote:
* Pol α: có vai trò như primase (để tổng hợp RNA primer), và sau đó thực hiên việc kéo dại phân tử DNA từ primer bằng cách gắn các nucleotid vào Sau đó một vài trăm nucleotid kéo dài đó được cắt bỏ bởi Pol δ và ε
* Pol β: có chức năng sửa chữa DNA
* Pol γ: sao chép DNA của ty thể
* Pol δ: cùng với Pol ε là các polymerase chính ở tế bào eukaryote, nó có thể lấp khoảng
Trang 4trông sau khi cắt bỏ primer nhưng nó không có đặc tính của men 5'->3'
* Pol ε: tương tự như Pol δ
+ Năng lượng: Từ ATP
+ Thành phần khác: Prôtêin B (đánh dấu điểm khởi đầu nhân đôi), Prôtêin SSB (căng mạch đơn,
ngăn cản sự đóng xoắn trở lại của các mạch khuôn)
- Nguyên tắc nhân đôi:
+ Nguyên tắc bổ sung: giữa các nuclêôtit tự do môi trường nội bào cung cấp với các nuclêôtit tương ứng trên mạch khuôn của DNA, trong đó: A liên kết với T bằng 2 liên kết hiđrô, G liên kết với X bằng 3 liên kết hiđrô và ngược lại Quá trình lắp ráp nuclêôtit được thực hiện theo chiều 5’ 3’ + Nguyên tắc bán bảo toàn: trong mỗi phân tử DNA con có một mạch cũ (của DNA mẹ) và một mạch mới (được lắp ráp từ nuclêôtit tự do)
- Cơ chế: Diễn biến quá trình nhân đôi gồm các giai đoạn sau (Đánh dấu > tháo > cắt > căng
> mồi > lắp ráp ->nối ->hoàn chỉnh)
+ Giai đoạn khởi đầu nhân đôi:
Gồm các thao tác: Đánh dấu điểm khởi đầu nhân đôi Tháo xoắn phân tử DNA mẹ Cắt các liên kết hiđrô giữa hai mạch đơn để tạo ra chạc ba tái bản (chạc chữ Y) Căng các mạch đơn, ngăn cản sự đóng xoắn trở lại, chuẩn bị khuôn sẵn sàng cho quá trình tổng hợp mạch bổ sung
+ Giai đoạn tổng hợp mạch bổ sung:
Để tiến hành tổng hợp mạch bổ sung, trước hết enzim RNA pôlimeraza có nhiệm vụ tổng hợp các đoạn mồi (gồm khoảng 10 ribônuclêôtit) để tạo ra đầu 3’ - OH trên hai mạch khuôn của DNA mẹ theo nguyên tắc bổ sung (A U, T A, G X, X G) Trong đó, trên mạch khuôn 3’ - 5’ có một đoạn mồi
ở đầu 3’; trên mạch khuôn 5’ - 3’ có nhiều đoạn mồi được tổng hợp với khoảng cách giữa hai đoạn liên tiếp khoảng từ 1000 - 2000 nuclêôtit Sau đó, enzim DNA pôlimeraza có nhiệm vụ nối tiếp đoạn mồi và tiến hành tổng hợp kéo dài mạch bổ sung, bằng cách sử dụng các nuclêôtit tự do môi trường nội bào cung cấp và năng lượng để liên kết bổ sung các nuclêôtit này tương ứng với các nuclêôtit trên mạch khuôn của DNA mẹ theo chiều 5’ - 3’ (A T, G X và ngược lại) Đặc biệt, trên mạch khuôn 3’ - 5’, quá trình lắp ráp kéo dài mạch bổ sung xảy ra liên tục; còn trên mạch khuôn 5’
- 3’, quá trình tổng hợp mạch bổ sung xảy ra ngắt quãng, tương ứng với một đoạn mồi là một đoạn mạch khoảng 1000 - 2000 nuclêôtit (gọi là đoạn Okazaki) Khi việc lắp ráp nucleotit hoàn tất, các đoạn mồi sẽ được enzim loại bỏ và thay thế vào đó la các trình tự nucleotit và nhờ enzim ligaza, các đoạn Okazaki sẽ được nối lại với nhau để tạo ra mạch bổ sung hoàn chỉnh
* Lưu ý:
Do enzim DNA pôlimeraza chỉ có thể tiến hành lắp ráp các nuclêôtit tự do lại với nhau và kéo dài mạch bổ sung khi có sẵn đầu 3’ - OH tự do (để tiếp tục photphoryl hóa các nuclêôtit tự do vào đầu 5’ của mạch bổ sung) nên quá trình nhân đôi DNA nhất thiết phải có các đoạn RNA mồi
Trong một chạc ba tái bản, số đoạn mồi = số đoạn Okazaki + 1 Trong một đơn vị tái bản, số đoạn mồi = số đoạn Okazaki + 2
Hiện tượng tổng hợp nửa gián đoạn: Do phân tử DNA có hai mạch ngược chiều nhau, trong khi đó hoạt động lắp ráp nuclêôtit được thực hiện bởi enzim ADN pôlimeraza luôn xảy ra theo chiều 5’ 3’ nên trên mạch khuôn 5’ 3’ quá trình tổng hợp mạch bổ sung phải xảy ra ngắt quãng
+ Giai đoạn hoàn kết thúc:
Giải phóng các prôtêin ssb và hai mạch của DNA con đóng xoắn trở lại
- Kết quả:
Từ một phân tử DNA mẹ qua một lần nhân đôi tạo ra 2 DNA con giống nhau
* Lưu ý:
Cơ chế nhân đôi DNA ở sinh vật nhân thực và nhân sơ cơ bản là giống nhau Tuy nhiên có một số khác biệt chi tiết như sau:
Nhân đôi DNA ở nhân sơ Nhân đôi DNA ở nhân thực
- Chỉ có một điểm khởi đầu nhân đôi, một đơn vị tái bản gồm 2 chạc chữ Y úp vào nhau nhân
thực-Có nhiều điểm khởi đầu nhân đôi, nhiều đơn vị tái bản (do kích thước DNA lớn và cuôn xoắn nhiều lần trong nhiễm sắc thể)
- Số lượng các thành phần tham gia ít hơn nhân thực - Số lượng các thành phần tham gia nhiều hơn
Trang 5- Enzim DNA pôlimeraza có 3 loại I, II, III với chức năng nhiệm vụ khác nhau Trong đó, DNA pôlimeraza III chịu trách nhiệm chính trong lắp ráp mạch bổ sung DNA pôlimeraza I có chức năng sửa sai trong nhân đôi và loại mồi nhân thực - Enzim DNA pôlimeraza có 5 loại , , , ,
(Chức năng nhiệm vụ phức tạp hơn)
- Tốc độ tổng hợp nhanh (ở vi khuẩn E.Coli là 50000 nu/phút) nhân thực - Tốc độ tổng hợp chậm (ở nấm men là 50 nu/giây)
- Đoạn Okazaki và đoạn mồi dài hơn nhân thực - Đoạn Okazaki và đoạn mồi ngắn hơn
- Hai DNA con mạch vòng giống hệt nhau và giống DNA mẹ nhân thực - Hai DNA con có mạch
hở Trong đó có 1 DNA con có mạch bổ sung ngắn hơn mạch khuôn do có 1 đoạn mồi (ở đầu 3’ của mạch khuôn 3’ - 5’) bị loại bỏ nhưng không được thay thế Do đó DNA càng nhân đôi nhiều lần thì phân tử càng ngắn (liên quan đến tuổi thọ của tế bào)