Khi nói về quá trình nhân đôi ADN, mọi người có thể còn cảm thấy mới lạ, mặc dù đây là quá trình diễn ra trong mỗi cơ thể chúng ta. Nhân đôi ADN là quá trình sao chép từ một phân tử ADN mẹ để tạo thành 2 phân tử ADN con có cấu trúc ADN giống nhau. Quá trình này còn được gọi là quá trình tái bản ADN. Cùng tìm hiểu thêm về nguyên tắc, diễn biến, kết quả của quá trình này trong bài viết dưới đây.
Nguyên tắc nhân đôi ADN
Qua diễn biến và kết quả nêu trên, có thể thấy ADN được nhân đôi theo 3 nguyên tắc:
- Nguyên tắc bán bảo toàn: Được thể hiện thông qua việc ADN con giữ lại 1 trong 2 mạch của ADN mẹ. Nguyên tắc này còn được lặp lại ở quá trình phân đôi sau đó.
- Nguyên tắc bổ sung: Được thể hiện liên tục từ khi nhân đôi ADN diễn ra cho đến khi kết thúc quá trình này. Nguyên tắc bổ sung được nhận thấy khi Nucleotit A liên kết với Nucleotit T (A - T) bằng 2 liên kết Hydro và ngược lại. Trong khi đó, 3 liên kết Hydrom giúp liên kết Nucleotit G với Nucleotit X (G - X) và ngược lại.
- Nguyên tắc khuôn mẫu: Được thể hiện thông qua việc tổng hợp 2 mạch đơn của ADN con dựa vào trình tự sắp xếp Nucleotit của mạch khuôn ADN mẹ. Nguyên tắc này giúp cho ADN con có cấu trúc giống nhau và cùng giống với ADN mẹ.
Quá trình nhân đôi ADN là gì?
Khái niệm: Nhân đôi ADN là quá trình sao chép từ một phân tử ADN và tạo ra hai phân tử ADN giống y hệt nhau về cấu trúc.
Trong những quá trình diễn ra ở tế bào thì nhân đôi ADN là một trong những quá trình cơ bản nhất. Với mỗi một lần phân chia, tế bào con thu được và tế bào mẹ phải có chung thông tin di truyền hoặc ADN. Thông tin này phải chính xác tuyệt đối, không có bất cứ sai lệch nào. Để điều này được xảy ra thì mỗi sợi ADN đóng vai trò như 1 khuôn mẫu để sao chép thông tin di truyền. Thông qua xét nghiệm ADN, có thể thấy ADN ở cha mẹ và con cái đều có đặc điểm chung này.
Quá trình nhân đôi ADN diễn ra ở đâu?
Quá trình nhân đôi ADN diễn ra ở pha S kì trung gian của chu kì tế bào, trong nhân tế bào, ADN ty thể, lục lạp hay tế bào chất.
Cụ thể hơn, đối với tế bào nhân sơ thì cơ chế sao chép ADN được diễn ra ở tế bào chất (plasmid) của vi khuẩn. Quá trình này diễn ra khi các NST trong tế bào đang ở trạng thái duỗi xoắn cực độ của kì trung gian ở pha S.
Trong quá trình nhân đôi ADN ở tế bào nhân thực thì quá trình nhân đôi ADN diễn ra ở nhân tế bào, lục lạp và ty thể. ADN và NST nhân đôi ở pha S tức kỳ trung gian giữa hai lần phân bào. Quá tình nhân đôi này được diễn ra nhanh chóng nhờ có NST duỗi xoắn cực đại.
Các thành phần tham gia quá trình nhân đôi ADN
Có 5 yếu tố tham gia vào quá trình nhân đôi ADN ở tế bào: ADN mẹ, nguyên liệu môi trường, protein, enzyme, năng lượng.
1. ADN mẹ (ADN mạch khuôn)
ADN mẹ (ADN gốc, hay gọi một cách khoa học là ADN mạch khuôn) là cơ sở để hình thành nên các sợi ADN bổ sung ở ADN con. Dựa vào các Nucleotit trên ADN mẹ mà các Nucleotit khác sẽ được lựa chọn để liên kết nhằm tạo ra bản sao ADN giống y hệt ADN mẹ.
2. Nguyên liệu môi trường
Nguyên liệu môi trường trong quá trình nhân đôi ADN là các loại Nucleoxit Triphotphat. Cụ thể, có 4 loại tham gia vào quá trình này là các Nucleotit: A (ATP), T (TTP), G (GTP), X (XTP). Các nguyên liệu môi trường này đóng vai trò hình thành nên các phân tử ADN mới.
3. Protein
Các loại protein gắn đặc hiệu có vai trò quan trọng trong quá trình nhân đôi ADN. Các loại protein này bao gồm:
- Dna A: gắn vào ở thời điểm khởi đầu sao chép
- Dna C: giúp tạo phức, thúc đẩy Dna B liên kết với ADN
- REP và Dna: giúp tạo dãn xoắn trên ADN
- IHF và FIS: Liên kết với ADN
- SSB: giúp ngăn cho 2 mạch ADN mới tạo thành không liên kết lại với nhau
- TBP: hỗ trợ chạc tái bản dừng lại
4. Enzyme
Enzyme cũng là thành phần không thể thiếu trong quá trình nhân đôi ADN, bao gồm:
- Enzyme Gyrase: làm giảm sức cân bằng, tháo xoắn ADN mẹ hay nói cách khác là phá vỡ các liên kết của photphodieste.
- Enzyme Helicase: giúp phá vỡ liên kết Hydro, tách 2 mạch phân tử ADN thành 2 mạch đơn ở ADN con.
- Enzyme ARN Polimeraza: giúp tổng hợp đoạn mồi gắn với mạch khuôn của ADN mẹ.
- ENzyme ADN Polimeraza: tổng hợp ADN cà đọc sửa sai sót (Loại II và III), cắt chuỗi và tạo chuỗi (Loại I).
5. Năng lượng
Để các thành phần nêu trên hoạt đông được không thể thiếu được sự xuất hiện của năng lượng. Cụ thể, ATP là loại năng lượng cung cấp cho quá tình nhân đôi ADN.
Quá trình nhân đôi ADN diễn ra như thế nào?
Quá trình nhân đôi được diễn ra trong 3 giai đoạn chính: Tháo xoắn, Tổng hợp và Tạo 2 phân tử con
1. Các phân tử ADN tháo xoắn
Để giải thích cho giai đoạn tháo xoắn, cần căn cứ vào độ dài của ADN. Theo nghiên cứu, ADN trong tế bào rất dài và chứa nhiều cặp Nu, điều này làm cản trở quá trình hoạt động vì nó tạo ra không gian chật hẹp. Do đó mà ADN cần phải cuộn lại, đóng xoắn và tháo xoắn để quá trình nhân đôi diễn ra.
Quá trình tháo xoắn gồm các bước sau:
- Khi đã nhận biết được vị trí để bắt đầu sao chép, Protein Dna A liên kết và tương tác với vị trí đó, rồi bẻ gãy khoảng 40 liên kết Hydro giữa các cặp Bazo nhờ năng lượng từ ATP.
- Enzyme Gyrase giải phóng các ADN nhờ năng lượng ATP để thúc đẩy quá trình dãn xoắn của ADN ở 2 phía của Protein Dna B. Đây cũng chính là loại Enzyme có vai trò tách riêng hai phân tử ADN mạch kép mới và khiến chúng có thể cuộn xoắn lại và định khu lại trong các tế bào con.
- Enzyme Helicase tiến hành phá vỡ những liên kết Hydro giữa những cặp bases A - T, C - G. Quá trình này được diễn ra nhằm tháo gỡ cấu trúc xoắn kép của phân tử ADN.
- Protein SSB (Single Strand Binding) gắn lên khắp các mạch đơn để 32 mạch vừa tách ra không thể kết hợp lại được nữa, nhằm giúp cho quá trình sao chép diễn ra thuận lợi hơn.
2. Tổng hợp mạch ADN mới
Sau khi tháo xoắn, các mạch ADN mới được tạo thành với các diễn biến sau:
- Các enzyme ADN polymerase tổng hợp mạch đơn bằng phương pháp nối mồi một đoạn dài đã được bắt cặp trên khuôn trước đó.
- Sợi ADN có chiều về ngã ba sao chép là sợi dẫn đầu. Ngược lại, sợi có chiều dần cách xa ngã ba sao chép là sợi trễ. Tùy thuộc vào hướng sắp xép của mỗi sợi mà giữa chúng có sự khác nhau về cách sao chép.
- Tổng hợp mạch liên tục: Đoạn mồi lúc đầu dần bám theo và liên kết với đuôi của sợi dẫn đầu. Trong khi đó ADN polymerase liên kết và chạy dọc theo sợi dẫn đầy, đồng thời thêm các Nucleotit mới (A, T, G, X) vào ADN theo chiều dần cách xa ngã ba sao chép. Quá trình này được gọi là tổng hợp mạch liên tục.
- Tổng hợp mạch gián đoạn: Enzyme primase tạo ra nhiều đoạn mồi và các liên kết tại những điểm khác nhau trên sợi trễ. Trên sợi trễ được thêm vào các đoạn Okazaki theo hướng dần xa ngã ba sao chép. Do Okazaki cần được nối lại với nhau nữa nên đây được gọi là quá trình tổng hợp mạch gián đoạn, hay nói cách khác là không liên tục.
Theo nhiều nghiên cứu, tốc độ sao chép ADN ở người khoảng 50 Nu/s. Nguyên nhân giúp cho tốc độ sao chép nhanh như vậy là do có nhiều polymerase tổng hợp 2 sợi ADN mới cùng một lúc từ hai sợi mẫu ở ADN mẹ ban đầu. Với tốc độ này, để sao chép được hết tất cả ADN trong một tế bào cơ thể người chỉ mất khoảng vài giờ đồng hồ.
3. Tạo ra hai phân tử ADN con
Cuối cùng, 2 phân tử ADN com sẽ được hình thành qua các bước:
- Sau khi trùng khớp được tất cả các Bazo với nhau (A - T, C - G), Enzyme exonuclease dần loại bỏ các đoạn mồi và những Nucleotit được lấp đầy vào vị trí tương ứng.
- Enzyme ADN ligase đóng trình tự ADN, tạo thành hai sợi kép liên tục.
- Quá trình sao chép kết thúc, 2 phân tử ADN con vừa được tạo thành tự động chuyển về dạng chuỗi xoắn kép có cấu trúc giống y hệt ADN mẹ.
Kết quả của quá trình nhân đôi ADN
Như vậy, kết quả của quá trình nhân đôi là tạo ra 2 phân tử ADN con từ 1 phân tử ADN mẹ.
ADN con có các đặc điểm sau:
- Thông thường, hai phân tử ADN con có cấu trúc giống y hệt cấu trúc của phân tử ADN mẹ, hoặc trong một số trường hợp thì chỉ có những khác biệt cực kì nhỏ, không đáng kể.
- Trong phân tử ADN con cũng có 2 chuỗi xoắn nhưng chỉ có một mạch đơn được tổng hợp, còn lại 1 mạch đơn cũ được lấy từ ADN mẹ.
Ý nghĩa của quá trình nhân đôi ADN
Quá trình nhân đôi ADN có vai trò chuẩn bị cho quá trình nhân đôi NST và chuẩn bị cho quá trình phân chia tế bào.
Nếu như ARN có quá trình tổng hợp thì ADN có quá trình nhân đôi. Nhân đôi ADN chính là cơ sở khoa học để giải thích cho nguyên nhân có sự giống nhau về mặt di truyền giữa các thế hệ trong gia đình.
>>> Xem thêm: So Sánh ADN Và ARN: Giống Và Khác Nhau Ở Điểm Nào?
Như vậy, bài viết trên đã cung cấp thông tin cần thiết về quá trình nhân đôi ADN với các nguyên tắc, diễn biến và kết quả. Hy vọng bài viết sẽ giúp bạn có thêm kiến thức mới và giúp bạn giải đáp được nhũng thắc mắc về quá trình này. Nếu còn bất cứ thắc mắc nào, vui lòng để lại dưới phần bình luận để được giải đáp một cách nhanh chóng.
