Bài học

Tái bản DNA

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được cơ chế tái bản (nhân đôi) DNA theo nguyên tắc bán bảo toàn và bổ sung, và tính được số phân tử DNA con cũng như số nucleotide môi trường cần cung cấp sau một số lần tái bản liên tiếp.

Kiến thức nền cần nhớ

Em đã biết DNA gồm hai mạch đối song song (Bài 1) và nguyên tắc bổ sung A–T, G–C (Bài 2) — cả hai đều được dùng trực tiếp trong cơ chế tái bản (same-grade bridge). Bài này trả lời câu hỏi: làm sao một phân tử dài như vậy tự tạo ra bản sao gần như không sai sót trước mỗi lần tế bào phân chia?

Khởi động

Khi một tế bào chuẩn bị phân chia, nó phải tạo ra một bản sao DNA giống hệt bản gốc để trao cho tế bào con. Sao chép một phân tử dài hàng nghìn nucleotide mà gần như không có sai sót — bằng cách nào? Câu trả lời nằm ở chính nguyên tắc bổ sung em vừa học.

Kiến thức trọng tâm

Khi tế bào chuẩn bị phân chia, enzyme tháo xoắn phân tử DNA mẹ và tách hai mạch ra khỏi nhau, phá vỡ các liên kết hydrogen giữ chúng lại. Mỗi mạch đơn khi đó đóng vai trò khuôn mẫu: các nucleotide tự do có sẵn trong môi trường tế bào lần lượt liên kết vào mạch khuôn, đúng theo nguyên tắc bổ sung (A khuôn nhận T tự do, T khuôn nhận A tự do, và tương tự với G, C), tạo nên một mạch mới.

Kết quả là hai phân tử DNA con, mỗi phân tử gồm một mạch cũ (giữ nguyên từ phân tử mẹ) và một mạch mới vừa tổng hợp. Cách nhân đôi này gọi là nguyên tắc bán bảo toàn (semi-conservative): mỗi phân tử con giữ lại đúng một nửa vật chất của phân tử mẹ, nửa còn lại hoàn toàn mới. Vì mạch mới được xây đúng theo mạch khuôn cũ, hai phân tử con giống hệt phân tử mẹ và giống hệt nhau.

Từ cơ chế bán bảo toàn, suy ra hai hệ quả định lượng khi một phân tử tái bản liên tiếp k lần: tổng số phân tử con là $2^k$ (mỗi lần tái bản nhân đôi số phân tử hiện có). Hai mạch gốc ban đầu không bao giờ bị phá hủy — chúng luôn tồn tại làm khuôn ở mọi lần tái bản, nên luôn có đúng 2 phân tử (không hơn, không kém) mang một mạch gốc, dù tái bản bao nhiêu lần; số phân tử KHÔNG còn mạch gốc nào là $2^k - 2$ .

Về nguyên liệu: mỗi phân tử con có đúng N nucleotide, nên tổng số nucleotide sau k lần tái bản là $N \times 2^k$ . Trong đó N nucleotide đã có sẵn từ phân tử ban đầu, không cần cung cấp lại — vậy số nucleotide môi trường phải cung cấp mới là $N \times 2^k - N = N \times (2^k - 1)$ .

Về nguyên liệu: mỗi phân tử con có đúng N nucleotide, nên tổng số nucleotide sau k lần tái bản là $N \times 2^k$. Trong đó N nucleotide đã có sẵn từ phân tử ban đầu, không cần cung cấp lại — vậy số nucleotide môi trường phải cung cấp mới là $N \times 2^k - N = N \times (2^k - 1)$.

Số phân tử tăng theo cấp số nhân — công thức tổng quát là

2^k

phân tử sau k lần tái bản liên tiếp, không phải tăng đều mỗi lần thêm 2.Số phân tử tăng theo cấp số nhân — công thức tổng quát là $2^k$ phân tử sau k lần tái bản liên tiếp, không phải tăng đều mỗi lần thêm 2.

Ví dụ

Đếm phân tử con và nucleotide cần cung cấp sau nhiều lần tái bản

1
Phân tử DNA ở các bài trước có N = 3000 nucleotide, nhân đôi liên tiếp k = 3 lần. Tính: a) tổng số phân tử DNA con; b) số phân tử không còn mang mạch gốc nào; c) tổng số nucleotide môi trường phải cung cấp.
2
Áp dụng $2^k$ với $k = 3$ : tổng số phân tử con là $2^3 = 8$ phân tử. (1)
Áp dụng $2^k$ với $k = 3$: tổng số phân tử con là $2^3 = 8$ phân tử. (1)
3
Luôn có đúng 2 phân tử giữ 1 mạch gốc (vì chỉ có 2 mạch gốc ban đầu). Từ (1), số phân tử không còn mạch gốc nào là $2^3 - 2 = 8 - 2 = 6$ phân tử.
Luôn có đúng 2 phân tử giữ 1 mạch gốc (vì chỉ có 2 mạch gốc ban đầu). Từ (1), số phân tử không còn mạch gốc nào là $2^3 - 2 = 8 - 2 = 6$ phân tử.
4
Áp dụng $N \times (2^k - 1)$ : $3000 \times (2^3 - 1) = 3000 \times 7 = 21000$ nucleotide.
Áp dụng $N \times (2^k - 1)$: $3000 \times (2^3 - 1) = 3000 \times 7 = 21000$ nucleotide.
5
Tổng nucleotide sau 3 lần tái bản là $N \times 2^3 = 3000 \times 8 = 24000$ ; trừ đi 3000 nucleotide đã có sẵn từ phân tử ban đầu, còn lại 21000 — khớp với kết quả câu c.
Tổng nucleotide sau 3 lần tái bản là $N \times 2^3 = 3000 \times 8 = 24000$; trừ đi 3000 nucleotide đã có sẵn từ phân tử ban đầu, còn lại 21000 — khớp với kết quả câu c.
6
Vậy sau 3 lần tái bản: có 8 phân tử con, trong đó 6 phân tử không còn mạch gốc nào, và môi trường phải cung cấp 21000 nucleotide.

Ví dụ

Xác định số lần tái bản từ tổng số phân tử con (dạng đề thi)

1
Từ một phân tử DNA ban đầu, sau một số lần tái bản liên tiếp, người ta đếm được 32 phân tử DNA con. Xác định số lần tái bản k và số phân tử con không mang mạch gốc nào.
2
Theo công thức, tổng số phân tử con là $2^k$ ; đề cho tổng số phân tử là 32, nên $2^k = 32$ . (1)
Theo công thức, tổng số phân tử con là $2^k$; đề cho tổng số phân tử là 32, nên $2^k = 32$. (1)
3
Từ (1): $2^5 = 32$ , nên $k = 5$ lần tái bản.
Từ (1): $2^5 = 32$, nên $k = 5$ lần tái bản.
4
Áp dụng $2^k - 2$ với $k = 5$ : $2^5 - 2 = 32 - 2 = 30$ phân tử.
Áp dụng $2^k - 2$ với $k = 5$: $2^5 - 2 = 32 - 2 = 30$ phân tử.
5
2 phân tử còn lại (trong tổng 32) đều mang đúng 1 mạch gốc mỗi phân tử — cộng $30 + 2 = 32$ , khớp đúng tổng số phân tử đề cho.
2 phân tử còn lại (trong tổng 32) đều mang đúng 1 mạch gốc mỗi phân tử — cộng $30 + 2 = 32$, khớp đúng tổng số phân tử đề cho.
6
Vậy phân tử DNA đã tái bản liên tiếp k = 5 lần, và có 30 trong số 32 phân tử con không còn mang mạch gốc nào.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất: tưởng rằng sau nhiều lần tái bản, hai mạch gốc ban đầu sẽ "biến mất" hoàn toàn. Thực ra hai mạch gốc không bao giờ bị phá hủy — chúng luôn tồn tại làm khuôn ở mọi lần tái bản, nên luôn có đúng 2 phân tử mang một mạch gốc, dù tái bản bao nhiêu lần. Một lỗi khác: tính nhầm số phân tử hoàn toàn mới là $2^k$ thay vì $2^k - 2$ , tức là quên trừ đi 2 phân tử vẫn còn giữ mạch gốc.

Sai lầm phổ biến nhất: tưởng rằng sau nhiều lần tái bản, hai mạch gốc ban đầu sẽ "biến mất" hoàn toàn. Thực ra hai mạch gốc không bao giờ bị phá hủy — chúng luôn tồn tại làm khuôn ở mọi lần tái bản, nên luôn có đúng 2 phân tử mang một mạch gốc, dù tái bản bao nhiêu lần. Một lỗi khác: tính nhầm số phân tử hoàn toàn mới là $2^k$ thay vì $2^k - 2$, tức là quên trừ đi 2 phân tử vẫn còn giữ mạch gốc.

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Ghi nhớ ba điều của bài hôm nay: tái bản DNA theo nguyên tắc bán bảo toàn — mỗi phân tử con giữ một mạch cũ, một mạch mới; sau k lần tái bản liên tiếp có $2^k$ phân tử con, trong đó $2^k - 2$ phân tử không còn mạch gốc; số nucleotide môi trường phải cung cấp là $N \times (2^k - 1)$ .

DNA nhân đôi để truyền nguyên vẹn thông tin di truyền — nhưng bản thân thông tin đó được viết bằng ngôn ngữ nào? Bài cuối cùng của khóa học giải mã chính điều đó: gene và mã di truyền.