Chúng ta đều biết rằng ADN là một cấu trúc tự nhân bản, tức là nó sao chép từ một phân tử ADN mẹ để tạo ra hai phân tử ADN con với cấu trúc giống hệt nhau. Quá trình nhân đôi ADN là một trong những quá trình căn bản nhất xảy ra trong tế bào. Hãy cùng DNA Testing tìm hiểu chi tiết về quá trình tự nhân đôi của ADN và kết quả của nó trong bài viết dưới đây.
Quá Trình Tự Nhân Đôi Của ADN là gì?
Quá trình nhân đôi ADN là quá trình sao chép một phân tử ADN sợi kép để tạo ra hai phân tử ADN giống hệt nhau. Sao chép ADN là một trong những quá trình cơ bản nhất xảy ra trong tế bào. Mỗi khi tế bào phân chia, hai tế bào con được tạo ra phải chứa đúng thông tin di truyền hoặc DNA giống với tế bào mẹ. Thông tin này phải chính xác tuyệt đối, không được phép có bất kỳ sai sót nào. Để đảm bảo điều này, mỗi chuỗi ADN hoạt động như một bản mẫu để sao chép.
Nguyên tắc nhân đôi ADN
- Quá trình nhân đôi ADN tuân theo ba nguyên tắc cơ bản, gồm nguyên tắc bảo toàn, bổ sung và nửa gián đoạn.
- Nguyên tắc bảo toàn thể hiện khi ADN con giữ lại một trong hai sợi mạch của ADN mẹ trong quá trình nhân đôi. Sự bảo toàn này không chỉ áp dụng cho ADN con mà còn duy trì qua các chu kỳ nhân đôi tiếp theo.
- Nguyên tắc bổ sung được thể hiện liên tục trong suốt quá trình nhân đôi ADN. Nó được thể hiện khi Nucleotit A kết hợp với Nucleotit T (A – T) qua 2 liên kết Hydro và ngược lại. Đồng thời, 3 liên kết Hydro giúp Nucleotit G kết hợp với Nucleotit X (G – X) và ngược lại.
- Nguyên tắc nửa gián đoạn áp dụng khi một sợi mạch được tổng hợp liên tục, trong khi sợi mạch kia được tổng hợp từng đoạn một trước khi các đoạn này được nối lại.
- Kết quả của việc tuân theo các nguyên tắc này trong quá trình nhân đôi là đảm bảo thông tin di truyền được truyền đạt một cách nguyên vẹn từ thế hệ này sang thế hệ khác.
Quá trình tự nhân đôi của ADN diễn ra ở đâu?
- Quá trình nhân đôi ADN chủ yếu xảy ra trong giai đoạn S của chu kỳ tế bào, trong giai đoạn này, ADN được sao chép để chuẩn bị cho quá trình phân chia tế bào.
- Địa điểm diễn ra quá trình nhân đôi ADN có thể thay đổi tùy theo loại sinh vật, bao gồm sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân thực, cũng như vị trí của ADN trong tế bào, có thể nằm trong nhân hoặc ngoài tế bào chất.
- Đối với sinh vật nhân sơ, quá trình nhân đôi ADN thường xảy ra trong tế bào chất, ví dụ như trong plasmid của vi khuẩn. Điều này thường diễn ra khi các nhiễm sắc thể trong tế bào đang ở trạng thái duỗi xoắn cực đại, đặc biệt là trong giai đoạn S của chu kỳ tế bào.
- Đối với sinh vật nhân thực, quá trình nhân đôi có thể xảy ra ở ba vị trí chính: trong nhân tế bào, tại lục lạp và ở ty thể. Trong người và động vật, vì không có lục lạp, quá trình nhân đôi thường xảy ra tại nhân và ty thể. Quá trình này thường diễn ra trong giai đoạn S của chu kỳ tế bào, được gọi là giai đoạn trung gian giữa hai lần phân bào.
- Trạng thái duỗi xoắn cực đại của các nhiễm sắc thể sẽ tăng cường quá trình nhân đôi, giúp nó diễn ra nhanh chóng và hoàn chỉnh, tạo ra hai phân tử ADN con giống hệt với ADN mẹ.
Yếu tố tham gia quá trình nhân tự đôi của ADN
Mạch khuôn ADN, hay còn gọi là ADN mẹ hoặc mạch gốc ADN, đóng vai trò quan trọng trong quá trình sao chép gen. Các nucleotit được chọn kỹ lưỡng để tạo ra liên kết chặt chẽ với mạch khuôn ADN, tạo ra bản sao chính xác và đầy đủ, truyền đạt thông tin gen một cách chính xác từ thế hệ này sang thế hệ khác.
Trong quá trình nhân đôi ADN trong tế bào, quá trình tổng hợp mạch mới được thực hiện thông qua tương tác của các nucleotit tự do, bao gồm A, T, G và C, để tạo ra một sợi ADN mới. Đồng thời, các ribonucleotit A, U, G và C tham gia vào tổng hợp đoạn mồi. Quá trình này tuân theo nguyên tắc bổ sung giữa các nucleotit, trong đó các cặp nucleotit chính xác sẽ liên kết với nhau, tạo thành phân tử ADN mới.
Các loại protein đặc hiệu đóng vai trò quan trọng trong quá trình nhân đôi ADN, bao gồm:
- Protein DnaA: gắn vào khi bắt đầu sao chép
- Protein DnaC: giúp tạo phức, kích thích protein DnaB liên kết với ADN
- Protein REP và Dna: giúp mở rộng xoắn trên ADN
- Protein IHF và FIS: Liên kết với ADN
- Protein SSB: giúp ngăn mạch ADN mới hình thành khỏi liên kết với nhau
- Protein TBP: hỗ trợ cho việc dừng lại tái bản ADN
Các enzyme cũng đóng vai trò không thể thiếu trong quá trình này, bao gồm:
- Enzyme Gyrase: giảm cân bằng xoắn, giúp mở rộng ADN mẹ bằng cách phá vỡ liên kết photphodieste.
- Enzyme Helicase: giúp phá vỡ liên kết hydro, tách 2 mạch phân tử ADN thành 2 mạch đơn ở ADN con.
- Enzyme RNA Polimeraza: tổng hợp đoạn mồi gắn với mạch khuôn của ADN mẹ.
- Enzyme ADN Polimeraza: tổng hợp ADN và kiểm tra sửa lỗi (Loại II và III), cắt và nối chuỗi (Loại I).
Năng lượng cần thiết cho quá trình này được cung cấp chủ yếu từ ATP.
Quá trình tự nhân đôi của ADN diễn ra như thế nào?
Các phân tử ADN thường được cuộn lại và đóng xoắn để phù hợp với không gian hạn chế trong tế bào. Khi quá trình nhân đôi diễn ra, các phân tử này cần được tháo xoắn. Quá trình tháo xoắn diễn ra như sau:
- Phá vỡ liên kết hydro: Enzyme helicase làm giảm cân bằng, phá vỡ các liên kết hydro giữa các cặp base (A với T, C với G), giúp tháo gỡ cấu trúc xoắn kép của phân tử ADN.
- Tách thành hai chuỗi đơn: Hai chuỗi ADN đơn tách ra và tạo thành hình chữ ‘Y’, được gọi là ‘ngã ba’ sao chép, làm mẫu cho việc tạo ra các sợi ADN mới.
- Tổng hợp mạch ADN mới: Enzyme ARN-polymerase tổng hợp đoạn mồi, sau đó enzyme ADN-polymerase lần lượt kết nối các nucleotit tự do từ môi trường nội bào với các nucleotit trên mỗi chuỗi khuôn theo nguyên tắc bổ sung.
- Trên chuỗi khuôn có đầu 3’, mạch mới được tổng hợp liên tục theo chiều 5’ → 3’.
- Trên chuỗi khuôn có đầu 5’, mạch mới được tổng hợp ngắt quãng, tạo thành các đoạn ngắn (đoạn Okazaki) theo chiều 5’ → 3’, sau đó các đoạn này được nối lại với nhau bằng enzyme nối ADN – ligaza.
- Tạo thành hai phân tử mới:
- Enzyme exonuclease loại bỏ các đoạn mồi và nucleotit dư thừa, trùng khớp các bazơ (A – T, C – G).
- Enzyme ADN ligase kết hợp các đoạn ADN, tạo thành hai sợi kép liên tục.
Cuối cùng, hai phân tử ADN mới được tạo thành, có cấu trúc giống với ADN mẹ.
Kết quả của quá trình tự nhân đôi của ADN
- Từ một phân tử ADN mẹ ban đầu, sau khi nhân đôi một lần, sẽ tạo ra hai phân tử ADN con.
- Hai phân tử ADN con này có đặc điểm gần như giống hệt nhau và giống với ADN mẹ ban đầu (nếu có khác biệt, cũng chỉ là khác biệt rất nhỏ).
- Trong mỗi phân tử ADN con, có một mạch đơn mới được tổng hợp và một mạch đơn cũ được giữ lại từ ADN mẹ.
Xem thêm: Thông tin về ADN: Tính chất, chức năng và cấu trúc không gian ADN
