Bài học

Cấu trúc phân tử DNA

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được cấu trúc chuỗi xoắn kép của phân tử DNA, gọi đúng tên ba thành phần của một nucleotide và bốn loại base nitơ, và giải thích được vì sao hai mạch của DNA sắp xếp đối song song thay vì cùng chiều.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở lớp 8, em đã học tế bào có nhân, nơi chứa vật chất di truyền của cơ thể (prior-grade review). Trong khóa Nhiễm sắc thể và phân bào ngay trước khóa này, em cũng đã biết nhiễm sắc thể — cấu trúc mang gene, nhìn thấy được dưới kính hiển vi khi tế bào phân chia — được tạo nên từ DNA cuộn cùng protein (same-grade bridge). Bài học hôm nay đi sâu thêm một bậc: xem chính phân tử DNA nằm bên trong nhiễm sắc thể đó được xây dựng ra sao.

Khởi động

Nếu tháo xoắn và nối toàn bộ DNA bên trong một tế bào người thành một sợi thẳng, sợi đó dài hơn một mét — dài gấp hàng triệu lần đường kính của chính nhân tế bào chứa nó. Một phân tử dài như vậy vẫn cuộn gọn không rối là nhờ một kiểu cấu trúc rất đều đặn, lặp lại y hệt nhau suốt chiều dài phân tử. Cấu trúc đó là gì?

Kiến thức trọng tâm

Năm 1953, James Watson và Francis Crick công bố mô hình cấu trúc DNA: hai mạch polynucleotide xoắn quanh nhau quanh một trục chung, tạo thành hình chuỗi xoắn kép (double helix) — giống hai dải ruy băng xoắn đều đặn quanh một cây cột. Đơn phân cấu tạo nên mỗi mạch gọi là nucleotide.

Mỗi nucleotide gồm đúng ba thành phần gắn liền nhau: một phân tử đường deoxyribose (đường 5 carbon), một nhóm phosphate, và một trong bốn loại base nitơ — Adenine (A), Thymine (T), Guanine (G) hoặc Cytosine (C). Các nucleotide nối tiếp nhau qua liên kết giữa đường của nucleotide này với phosphate của nucleotide kế tiếp, tạo thành một mạch xương sống đường-phosphate chạy dọc suốt chiều dài mạch; các base nitơ nhô ra từ mạch xương sống này, hướng vào phía trong chuỗi xoắn.

Một nucleotide luôn có đủ ba thành phần ở nhóm bên trái; base nitơ của nó là một trong bốn loại ở nhóm bên phải — hai nhóm không trộn lẫn vào nhau.

Hai mạch của phân tử DNA không chạy cùng chiều. Mỗi mạch có một đầu gọi là đầu 5' (đọc là "năm phẩy") và một đầu gọi là đầu 3'; khi hai mạch xoắn lại với nhau, đầu 5' của mạch này luôn nằm đối diện đầu 3' của mạch kia. Cách sắp xếp ngược chiều nhau này gọi là đối song song (antiparallel). Base nitơ của hai mạch quay vào trong và liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen — đây là mối liên kết giữ hai mạch không tách rời, nhưng base nào ghép với base nào thì bài tiếp theo mới trả lời.

Mỗi ô vừa là một nucleotide đầy đủ ba thành phần, vừa mang đúng một chữ cái base — chữ cái viết trong ô chỉ là base, không phải toàn bộ nucleotide.

Ví dụ

Đếm thành phần của một đoạn mạch DNA đơn

1
Một đoạn mạch đơn của DNA có trình tự 5'-A T T G C-3'. Xác định số nucleotide của đoạn mạch, số lượng mỗi loại base, và số đường deoxyribose, số nhóm phosphate có trong đoạn mạch này.
2
Trình tự A T T G C gồm 5 kí tự, mỗi kí tự ứng với một base nitơ nằm trên một nucleotide riêng — vậy đoạn mạch có 5 nucleotide. (1)
3
Trong 5 kí tự trên: A xuất hiện 1 lần, T xuất hiện 2 lần, G xuất hiện 1 lần, C xuất hiện 1 lần. Kiểm tra tổng: 1 + 2 + 1 + 1 = 5, khớp với (1).
4
Mỗi nucleotide chỉ có đúng một đường deoxyribose và đúng một nhóm phosphate, nên số đường và số phosphate luôn bằng đúng số nucleotide — từ (1), đoạn mạch có 5 đường deoxyribose và 5 nhóm phosphate.
5
Vậy đoạn mạch 5'-ATTGC-3' gồm 5 nucleotide (1 A, 2 T, 1 G, 1 C), 5 đường deoxyribose và 5 nhóm phosphate.

Ví dụ

Xác định chiều mạch bổ sung từ tính đối song song (dạng đề thi)

1
Một đoạn DNA gồm hai mạch xoắn với nhau. Mạch 1 có trình tự viết theo chiều 5'-A T G C-3'. Biết hai mạch của DNA luôn đối song song. Nếu xếp mạch 2 thẳng hàng ngay bên dưới mạch 1 (mỗi base của mạch 2 đứng đối diện đúng một base của mạch 1), đầu nào của mạch 2 sẽ nằm ở cột bên trái, cùng cột với đầu 5' của mạch 1?
2
Theo đề, mạch 1 viết 5'-ATGC-3', nghĩa là đầu 5' nằm ở cột trái (ứng với base A), đầu 3' nằm ở cột phải (ứng với base C). (1)
3
Đối song song nghĩa là khi hai mạch xếp thẳng hàng theo cột, đầu 5' của mạch này luôn nằm đối diện đầu 3' của mạch kia, không bao giờ hai đầu 5' đối diện nhau. Từ (1), cột trái là đầu 5' của mạch 1, nên cột trái phải là đầu 3' của mạch 2.
4
Ở cột phải, mạch 1 là đầu 3' — theo cùng nguyên tắc, mạch 2 ở cột phải phải là đầu 5'. Hai đầu của mạch 2 do đó ngược hẳn hai đầu của mạch 1 khi đọc theo cùng một chiều cột.
5
Vậy khi xếp mạch 2 thẳng hàng dưới mạch 1, đầu nằm ở cột trái (cùng cột với đầu 5' của mạch 1) chính là đầu 3' của mạch 2 — không phải đầu 5'.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất là nhầm giữa "nucleotide" và "base nitơ". Nucleotide là đơn vị cấu tạo đầy đủ, gồm ba thành phần: đường, phosphate và base; base nitơ chỉ là một trong ba phần đó, không phải toàn bộ nucleotide. Một sai lầm khác là nghĩ hai mạch của DNA chạy cùng chiều song song với nhau — thực tế chúng chạy ngược chiều nhau, đối song song, một mạch 5' đến 3', mạch kia 3' đến 5'.

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Ghi nhớ ba điều của bài hôm nay: một nucleotide gồm đường deoxyribose, phosphate và một trong bốn base (A, T, G, C); các nucleotide nối tiếp qua liên kết đường-phosphate tạo mạch xương sống; hai mạch xoắn với nhau theo kiểu đối song song, base nhô vào trong và liên kết bằng liên kết hydrogen.

Hai mạch xoắn cạnh nhau, nhưng base nào đứng đối diện base nào lại không phải ngẫu nhiên. Bài tiếp theo gọi tên quy luật đó — nguyên tắc bổ sung, quy tắc quan trọng nhất của cả chương này.