Quá trình nhân đôi ADN là gì? Chi tiết các bước và ý nghĩa

Quá trình nhân đôi ADN giúp truyền đạt chính xác thông tin di truyền và ứng dụng trong điều trị bệnh nhờ phát hiện được RNA sai hỏng

Quá trình nhân đôi ADN là cơ chế sao chép phân tử ADN trước mỗi phân bào, tạo ra hai phân tử gần như giống nhau hoàn toàn. Quá trình này dựa trên nguyên tắc bảo toàn, bổ sung, và nửa gián đoạn, đảm bảo truyền đạt thông tin nguyên vẹn. Tế bào sửa chữa sai hỏng RNA hiệu quả, nhưng hiện nay, các cấu trúc RNA dễ bị phá vỡ, ảnh hưởng đến DNA và có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe.

1. Quá trình nhân đôi ADN là gì?

Nhân đôi ADN (tái bản ADN) là quá trình sao chép phân tử ADN xoắn kép trước mỗi lần phân bào. Mỗi sợi ADN được sử dụng như khuôn mẫu sao chép. Từ đó, tạo ra hai phân tử ADN giống hệt nhau về mặt thông tin di truyền và giống với ADN mẹ. Đây là một trong những hoạt động cơ bản nhất xảy ra trong tế bào. Tại tế bào nhân sơ, trong quá trình nhân đôi ADN, cơ chế sao chép xảy ra ở tế bào chất (plasmid của vi khuẩn). Quá trình diễn ra ở pha S nếu các nhiễm sắc thể ở dạng duỗi xoắn cực độ của kì trung gian. Tại tế bào nhân thực, quá trình này lại diễn ra ở nhân tế bào, lục lạp và ti thể. Nó cũng xảy ra tại pha S như tế bào nhân sự. Hay còn gọi là kì trung gian giữa 2 lần phân bào. Quá trình nhân đôi ADN trải qua 3 giai đoạn chính:

Bạn đang xem: Quá trình nhân đôi ADN là gì? Chi tiết các bước và ý nghĩa

• Tháo chuỗi xoắn kép và tách sợi ADN
• Tạo mồi trên sợi mẫu
• Lắp ráp đoạn ADN mới

Khi phân tách, hai sợi của chuỗi ADN xoắn kép mở ra tại điểm gốc. Một số enzyme và protein là các yếu tố quan trọng hỗ trợ thực hiện nhân đôi. Quá trình nhân đôi ADN được áp dụng cho mọi tế bào. Tuy nhiên, một số biến thể có thể xảy ra tùy theo cơ quan và loại tế bào.

2. Nguyên tắc nhân đôi ADN

Quá trình nhân đôi ADN xảy ra ở cả tế bào sinh vật nhân sơ và nhân thực. DNA của virus (dạng sợi kép) được nhân đôi theo ba nguyên tắc chính. Đó là: nguyên tắc bổ sung, bán bảo toàn và khuôn mẫu. Cùng BCC khám phá ngay.

Nguyên tắc bán bảo toàn

Bản chất của nguyên tắc này là khả năng giữ nguyên lại mạch của ADN mẹ sau khi hoàn tất 2 ADN con. Bán bảo toàn vẫn được lặp lại trong quá trình nhân đôi phía sau.

Nguyên tắc bổ sung

Nguyên tắc bổ sung được thực hiện liên tục cho đến khi hoàn thiện. Cụ thể, nucleotit A (ATP) liên kết với nuclêôtit T (TTP) nhờ 2 liên kết hidro và ngược lại. Nucleotit G (GTP) liên kết với nuclêôtit X (XTP) với 3 liên kết hydro và ngược lại.

Nguyên tắc khuôn mẫu

Hai mạch đơn của ADN con được tổng hợp dựa trên trình tự sắp xếp các Nucleotit trên khuôn mẫu ADN mẹ. Dựa trên nguyên tắc này, 2 ADN con được tạo thành giống nhau và giống hệt ADN mẹ.

3. Quá trình nhân đôi của ADN diễn ra ở đâu, khi nào?

3.1 Vị trí

Quá trình nhân đôi ADN diễn ra tại pha S của kỳ trung gian trong tế bào. Vị trí diễn ra quá trình này khác nhau tùy loại sinh vật. Cụ thể là sinh vật nhân sơ hay nhân thực. Hoặc vị trí ADN trong nhân hay ngoài tế bào chất. Từ đó, đảm bảo cho quá trình nhân đôi diễn ra nhanh chóng và chính xác nhất.

Đối với sinh vật nhân sơ

Quá trình nhân đôi ADN ở sinh vật nhân sơ diễn ra ở tế bào chất. Nói cụ thể hơn là diễn ra ở plasmit của vi khuẩn. Quá trình này xảy ra khi nhiễm sắc thể được duỗi xoắn cực đại. Cụ thể là tại pha S của kì trung gian.

Đối với sinh vật nhân thực

Quá trình nhân đôi ADN ở sinh vật nhân thực diễn ra tại 3 vị trí chính. Đó là: nhân tế bào, lục lạp và ty thể. Ở người và động vật không có lục lạp nên quá trình nhân đôi chỉ xảy ra tại nhân và ty thể. Nó cũng xảy ra tại pha S của kì trung gian giữa 2 lần phân bào. Khi đó, nhiễm sắc thể duỗi xoắn cực thúc đẩy quá trình nhân đôi nhanh chóng và hoàn chỉnh.

3.2 Thời điểm

Nhiễm sắc thể nhân đôi ở pha S của kì trung gian. Nó được quyết định bởi thành phần ADN trong nhiễm sắc thể. Nhiễm sắc thể duỗi xoắn cực đại thúc đẩy 2 mạch của ADN tách nhau và bắt đầu quá trình nhân đôi ADN.

3.3 Tốc độ sao chép

Với vi khuẩn nhân sơ E. coli, tốc độ sao chép là 1.000 nucleotide/ giây. Còn ADN sao chép với tốc độ 50 nucleotide/ giây. Tất cả các trường hợp này đều xảy ra rất nhanh. Ngoài ra, còn có số lượng lớn polymerase tổng hợp hai sợi mới cùng lúc từ hai sợi mẫu ban đầu. Quá trình sao chép tất cả ADN trong tế bào người chỉ mất vài giờ đồng hồ. Khi mọi ADN được sao chép, tế bào có gấp đôi số lượng ADN cần thiết. Hầu hết tế bào sau cùng có thể phân chia và tách ADN này vào tế bào con. Từ đó, tạo ra tế bào con giống hệt với ADN mẹ về mặt thông tin di truyền.

Xem thêm : 2 cách làm trứng muối (hột vịt trứng muối) siêu ngon đơn giản nhất tại nhà

Xem thêm:

• Mã di truyền là gì? Giải mã chi tiết bản chất và các đặc điểm
• Gen di truyền- Nguyên lý hoạt động và ứng dụng xét nghiệm

4. Yếu tố tham gia nhân đôi ADN

4.1 ADN mạch khuôn

ADN mạch khuôn (ADN mẹ) hay sợi ADN gốc. Các nucleotit sẽ được lựa chọn phù hợp để liên kết với nu trên ADN mẹ. Chúng lấy và mang thông tin di truyền từ mạch gốc để tạo thông tin trên sợi bổ sung. Từ đó, tạo ra các ADN con, bản sao giống hệt ADN mẹ.

4.2 Nguyên liệu môi trường

Các nucleotit tự do A, T, G, X có chức năng tổng hợp mạch mới. Còn ribonucleotit A, U, G, X sẽ tổng hợp đoạn mồi. Chúng hoạt động theo nguyên tắc bổ sung giữa các Nu để hình thành phân tử ADN mới. Các cặp nucleotit sẽ liên kết cố định với nhau.

4.3 Các protein

Một số protein gắn đặc hiệu tham gia vào quá trình nhân đôi ADN. Cụ thể:

Tên Protein Chức năng Dna A Gắn ở thời điểm khởi đầu sao chép. Dna C Tạo phức, thúc đẩy Dna B liên kết với ADN REP, Dna B Tạo dãn xoắn ADN IHF và FIS Liên kết ADN SSB Ngăn cản 2 mạch ADN tái liên kết bổ sung TBP Hỗ trợ dừng chạc tái bản

4.4 Enzyme

Một số enzyme chính tham gia vào quá trình nhân đôi ADN:

Tên enzyme Chức năng Gyrase Giảm cân bằng, phá vỡ không liên tục các liên kết của phosphodiester. Tức là duỗi thẳng, làm xoăn nhẹ ADN mẹ. Helicase Phá vỡ liên kết Hydro, dãn xoắn, tách 2 mạch phân tử ADN mạch đơn và tạo chạc ba tái bản. ARN polimeraza Tổng hợp đoạn ARN ngắn (đoạn mồi) gắn mạch khuôn ADN mẹ. ADN polimeraza DNA polymeraza I: cắt RNA mồi, tổng hợp mạch polinucleotide mới theo 2 chiều: 5’- 3’ và 3’- 5’.

DNA polymeraza II: sửa sai sót khi nối các đoạn okazaki.

DNA polymeraza III: lắp ráp nu, kéo dài mạch đơn mới.

Ligaza Tham gia cuối cùng vào quá trình nhân đôi ADN. Nó hỗ trợ hàn gắn các đoạn ADN, sửa chữa và tái tổ hợp. Primaza (RNA polymeraza) Tổng hợp đoạn mồi Protein SSB Ngăn hai mạch đơn dính với nhau để enzyme hoạt động Telomeraza Hạn chế sự cố đầu mút. Chỉ có trong tinh hoàn và buồng trứng, ở tất cả các tế bào sinh dưỡng enzyme này không hoạt động

4.5 Năng lượng

Năng lượng ATP là năng lượng chính cần cung cấp cho tế bào này

5. Quá trình nhân đôi

5.1 Mở đầu

ADN cần nhân đôi trước khi tế bào phân chia (11). Quá trình bắt đầu tại các điểm cụ thể trong DNA, do protein khởi tạo đặt làm mục tiêu. [4] Trong E. coli, protein này là DnaA; trong nấm men, là phức hợp nhận diện gốc. [12] Các chuỗi do protein khởi tạo thường “giàu A,T” vì hai liên kết hydro trong cặp A-T dễ tách rời (thay vì ba trong cặp G-X). [13] Khi vị trí gốc được xác định, protein khởi tạo cùng protein khác tạo phức hợp tiền nhân bản. Từ đó, DNA sợi kép được giải phóng.

5.2 Kéo dài

DNA polymeraza có hoạt tính chiều 5′ -3′. Còn các hệ thống sao chép DNA tạo một nhóm hydroxyl 3′ tự do trước khi bắt đầu tổng hợp. Có bốn cơ chế tổng hợp DNA bao gồm:

• Trong tế bào sống và nhiều virus DNA, enzyme primaza được phage và plasmid sử dụng để tạo một mồi RNA ngắn với nhóm 3′ OH tự do. Các DNA polymeraza sau đó sẽ kéo dài chúng.
• Retroelement (bao gồm retrovirus) dùng RNA chuyển đổi để sao chép DNA bằng 3 ′OH tự do. Ngoài ra, chúng còn giúp kéo dài enzyme phiên mã ngược.
• Virus Adeno và họ φ29 trong thể thực khuẩn cung cấp nhóm 3′ OH từ chuỗi bên của một amino acid để DNA polymeraza tổng hợp mạch mới.
• Tại virus DNA mạch đơn, nhiều loại thực thể và plasmid sử dụng cơ chế nhân rộng vòng tròn lăn (RCR), endonuclease RCR tạo vết cắt. Tiếp theo, nhóm 3′ OH tự do được DNA polymeraza dùng để tổng hợp mạch mới..

Xem thêm : Những món bé không nên ăn sau chích ngừa để tránh biến chứng sau tiêm

Tái tạo DNA diễn ra qua các bước cụ thể. Đầu tiên, primaza thêm mồi RNA vào mỗi mạch DNA sau khi chúng tách ra. Mạch dẫn đầu và mạch tụt lại được kéo dài bằng DNA polymeraza. Từ đó, tạo ra các đoạn liên tục và đoạn Okazaki không liên tục. RNase loại bỏ RNA mồi và DNA polymeraza khác lấp đầy khoảng trống. Ligaza sau đó kết hợp các đoạn để tạo ra phân tử DNA mới. Primaza trong vi khuẩn thuộc họ siêu protein DnaG, chứa vòng TOPRIM giống cấu trúc của nhiều loại protein khác như topoisomerase và protein sửa chữa DNA.

6. Diễn biến

6.1 Ở tế bào sinh vật nhân sơ

Bước 1: Tháo xoắn phân tử DNA

Nhờ enzym tôpôizômêraza tháo xoắn, DNA không còn ở tình trạng siêu xoắn của cấu trúc tôpô. Sau đó, helicase tách hai mạch đơn DNA và tạo chạc nhân đôi làm xuất hiện khuôn 2 mạch đơn. Thường ADN sẽ dài và chứa nhiều cặp Nu nhưng bị hạn chế trong không gian chật hẹp. Do đó, nó cần cuộn lại và đóng xoắn. Phân tử sẽ được nhân đôi khi đóng xoắn. Một số bước trong quá trình tháo xoắn:

• Protein Dna A nhận biết và liên kết với vị trí khởi đầu sao chép. Chúng tiếp tục bẻ gãy liên kết hidro kết nối cặp bazơ với khoảng 40 liên kết. Quá trình này cần cung cấp năng lượng được lấy từ ATP. Liên kết Dna A giúp Dna B và C dễ dàng gắn với vị trí khởi đầu hình thành phức hệ tiền khởi đầu. Enzyme gyrase tiếp tục sử dụng nguồn năng lượng này để giải phóng các ADN. Từ đó, hỗ trợ dãn xoắn phân tử ADN về hai phía Dna B. Enzyme này cũng cần thiết để tạo ADN mạch kép mới, cuộn xoắn và định khu lại trong tế bào.
• Enzyme Helicase tiếp tục tách hai mạch của ADN bằng cách phá vỡ liên kết hidro. Nó được thực hiện nhờ năng lượng giải phóng từ thủy giải các nucleoside 5′ triphosphate (NTP). Ngoài ra, còn có nhiều loại helicase cùng hoạt động đồng thời. Tiếp theo, các protein SSB gắn lên khắp mạch đơn ngăn cản hai mạch kết hợp trở lại được để sao chép dễ dàng.

Bước 2: Tổng hợp mạch DNA mới

Enzyme DNA polymeraza tổng hợp mạch mới từ hai mạch đơn khuôn theo nguyên tắc bổ sung. Nó chỉ tổng hợp theo chiều 5′ – 3′ nên mạch khuôn có chiều 3′ – 5′. Mạch mới được tổng hợp liên tục gọi là mạch sớm hay mạch trước. Trên mạch khuôn 5′-3′, quá trình tổng hợp gián đoạn tạo các đoạn okazaki. Mạch tổng hợp gián đoạn chậm hơn gọi là mạch ra chậm (lagging strand). Các đoạn okazaki được nối lại với nhau nhờ enzyme nối ligaza.

• Tổng hợp đoạn mồi ARN

Các enzyme ADN polymerase chỉ có thể tổng hợp mạch đơn mới bằng cách nối dài một đoạn mồi đã bắt cặp sẵn trên khuôn. Mồi này là ARN nhỏ khoảng 10 nucleotit được tổng hợp bởi một phức hợp protein gọi là primosome, trong đó có enzyme tổng hợp ARN từ mạch khuôn ADN gọi là primase (RNA polymerase). Primase tổng hợp mồi bắt cặp sẵn vào mạch ADN khuôn

• Tổng hợp mạch liên tục (sợi dẫn đầu)

Sợi ADN có chiều từ 3′ đến 5′ gọi là sợi dẫn đầu. Sợi còn lại có chiều từ 5 ’đến 3’ có tên là sợi trễ. Chúng được sao chép khác nhau tùy từng hướng. Đoạn mồi bám theo và liên kết với đuôi của sợi dẫn đầu. Nó đánh dấu vị trí khởi đầu trong quá trình nhân đôi. ADN polymerase liên kết với sợi dẫn đầu. Sau đó, chạy dọc và bổ sung các base nucleotide mới tương ứng vào sợi ADN theo chiều 5 ’đến 3’. Sao chép liên tục nên được gọi là quá trình tổng hợp mạch liên tục.

• Tổng hợp mạch gián đoạn (sợi trễ)

Nhiều đoạn mới enzyme primase và liên kết tại các điểm khác nhau dọc theo sợi trễ. Các đoạn Okazaki được thêm vào theo hướng 5 ‘ – 3’. Kiểu sao chép này không liên tục. Do đó, nó được gọi là quá trình tổng hợp mạch gián đoạn (không liên tục). Khi các cặp bazo khớp với nhau, enzyme exonuclease loại bỏ các đoạn mồi và lấp bằng nucleotide tương ứng. Sợi mới được đọc lại để đảm bảo không xảy ra sai sót. Cuối cùng, enzyme ADN ligase đóng trình tự ADN lại và hình thành hai sợi kép liên tục. Sao chép xong, ADN mới sẽ tự động chuyển về dạng chuỗi xoắn kép.

Bước 3: Hai phân tử DNA được tạo thành (kết thúc)

Tổng hợp mạch mới khiến 2 mạch đơn xoắn lại ngay lập tức và hình thành DNA con. Chỉ một mạch được tổng hợp. Còn mạch kia từ DNA ban đầu (nguyên tắc bán bảo toàn). Tuy nhiên, tế bào sinh vật nhân thực chứa nhiều phân tử DNA lớn. Quá trình nhân đôi DNA xảy ra tại nhiều điểm. Từ đó, tạo ra số lượng lớn đơn vị tái bản với nhiều enzyme tham gia. Ở sinh vật nhân thực, quá trình tổng hợp mạch mới ở đầu mút DNA xảy ra sự cố đầu mút[1]. Cuối cùng, 2 phân tử ADN con được hình thành từ các bước sau:

• Sau khi các cặp bazo khớp với nhau, enzyme exonuclease dần loại bỏ các đoạn mồi và thay thế bằng các nucleotit tương ứng.
• Enzyme ADN ligase đóng trình tự ADN tạo hai sợi kép liên tục.
• Kết thúc sao chép, 2 phân tử ADN con chuyển về dạng chuỗi xoắn kép với cấu trúc y hệt ADN mẹ.

6.2 Ở tế bào nhân thực

Quá trình nhân đôi ADN diễn ra trong nhân tại kỳ trung gian, trước khi tế bào phân chia. Hai cromatit trong nhiễm sắc thể được sử dụng chuẩn bị phân chia tế bào. Quá trình nhân đôi ADN được diễn ra như sau:

• Bước 1: Tháo xoắn phân tử ADN nhờ enzyme. Hai mạch đơn của ADN tách dần tạo chạc hình chữ Y làm lộ mạch khuôn.
• Bước 2: Tổng hợp các mạch ADN mới. Enzyme ADN polimeraza dùng một mạch làm khuôn tổng hợp mạch mới theo nguyên tắc bổ sung. ADN polimeraza chỉ tổng hợp mạch mới theo chiều 5′ – 3′. Do đó, trên mạch khuôn 3′ – 5′, mạch bổ sung được tổng hợp liên tục. Còn với mạch khuôn 5′ – 3′, mạch bổ sung tổng hợp ngắt quãng tạo các đoạn ngắn okazaki. Những đoạn này sau đó được nối với nhau nhờ enzim nối.
• Bước 3: Hai phân tử ADN được tạo thành. Trong đó, một mạch là mạch mới được tổng hợp. Còn mạch kia từ ADN ban đầu (nguyên tắc bán bảo toàn).

Xem thêm : 2 cách làm trứng muối (hột vịt trứng muối) siêu ngon đơn giản nhất tại nhà

Xem thêm:

• Phiên mã là gì? Quá trình tổng hợp quan trọng cho sự sống
• Dịch mã là gì? Chi tiết toàn bộ quá trình và ý nghĩa

7. Kết quả của quá trình nhân đôi ADN

Quá trình nhân đôi giúp tạo ra 2 phân tử ADN con từ 1 phân tử ADN mẹ. Chúng mang các đặc tính di truyền giống nhau và giống với ADN mẹ. [2] ADN con mang một số đặc điểm sau:

• Từ một phân tử ADN mẹ ban đầu, tạo ra hai phân tử ADN con có cấu trúc giống hệ với ADN mẹ. Cũng có một số trường hợp ngoại lệ có sự khác biệt. Tuy nhiên, tỷ lệ này rất nhỏ, hiếm và không đáng kể.
• Phân tử ADN con cũng có 2 chuỗi xoắn. Tuy nhiên, chỉ có một mạch đơn được tổng hợp. Còn mạch đơn cũ được lấy từ ADN mẹ.
• Tuy nhiên, giữa sinh vật nhân thực và nhân sơ, cơ chế nhân đôi ADN có sự khác biệt.

– Hệ gen: Sinh vật nhân thực có hệ gen lớn và phức tạp. Vì vậy, có nhiều đơn vị tái bản. Còn sinh vật nhân sơ chỉ xảy ra ở 1 điểm duy nhất. – Tốc độ: Sinh vật nhân sơ có tốc độ nhân đôi nhanh hơn. – Hệ enzyme: Hệ enzyme ở sinh vật nhân thực phức tạp hơn nhân sơ.

8. Ý nghĩa quá trình nhân đôi ADN trong tế bào

Nhân đôi ADN trong pha S của kì trung gian để chuẩn bị cho quá trình nhân đôi nhiễm sắc thể và chuẩn bị cho quá trình phân chia tế bào. Nhân đôi ADN giải thích cho câu hỏi vì sao sự truyền đạt thông tin di truyền lại xảy ra một cách chính xác qua các thế hệ.

9. Tạm kết

Quá trình nhân đôi ADN là một quy trình phức tạp và quan trọng trong sinh học. Nó đảm bảo rằng thông tin gen di truyền được sao chép chính xác và đầy đủ, làm nền tảng cho sự phát triển, sửa chữa và duy trì của tất cả các loài sống. Hiểu rõ quá trình này không chỉ mở ra cánh cửa cho nghiên cứu khoa học sâu sắc. Nó còn giúp chúng ta thấu hiểu sâu sắc hơn về bản chất của sự sống và nguồn gốc của chúng ta. BCC chuyên cập nhật nhanh chóng và chính xác nhất các thông tin liên quan đến nghiên cứu và ứng dụng Tế bào trong mọi lĩnh vực.

Nguồn: https://luatduonggia.edu.vn
Danh mục: Tổng hợp