SHDT – Bài 18 – DNA – Cơ sở phân tử Di truyền

Cấu Trúc và Quá Trình Nhân Đôi DNA

1. Cấu trúc và Đặc tính của DNA

Phân loại dựa trên hình dạng

• Ở sinh vật nhân thực (Eukaryote): DNA có cấu trúc xoắn kép dạng thẳng, dài và liên kết chặt chẽ với protein histone để đóng gói trong nhân tế bào.
• Ở sinh vật nhân sơ (Prokaryote): DNA thường có dạng xoắn kép dạng vòng (tròn), không liên kết với protein histone. Dạng này cũng tìm thấy ở một số virus, ty thể và lục lạp.
• Lưu ý: Ở một số loại virus, DNA có thể tồn tại ở dạng mạch đơn.

Cấu trúc bộ gen ở Eukaryote

Bộ gen của sinh vật nhân thực phức tạp hơn nhiều, bao gồm:

1. Trình tự lặp lại nhiều lần (10-15%): Là các đoạn ngắn, không mã hóa, tập trung ở tâm động (centromere) và đầu mút NST (telomere).
2. Trình tự lặp lại trung bình (25-40%): Kích thước lớn hơn, phân bố toàn bộ hệ gen. Có thể mã hóa cho rRNA, tRNA.
3. Trình tự duy nhất (Trình tự mã hóa): Chính là các gen mã hóa protein, mang đặc trưng riêng biệt.

Đặc tính vật lý quan trọng

• Biến tính: Dưới tác dụng của nhiệt độ cao hoặc hóa chất (NaOH, urea...), 2 mạch đơn của DNA sẽ tách rời nhau do liên kết hydro bị phá vỡ.
• Hồi tính: Khi giảm nhiệt độ hoặc nồng độ hóa chất, 2 mạch đơn có thể bắt cặp lại theo nguyên tắc bổ sung để khôi phục cấu trúc xoắn kép ban đầu.

---

2. Quá trình tự nhân đôi DNA (Tái bản DNA)

Quá trình này diễn ra ở pha S của chu kỳ tế bào, giúp tạo ra 2 phân tử DNA con giống hệt nhau và giống hệt mẹ từ 1 phân tử ban đầu.

Cơ chế này dựa trên nguyên tắc: Bổ sung và Bán bảo toàn (giữ lại một nửa).

Quá trình gồm 3 giai đoạn chính (lấy ví dụ ở Prokaryote):

Giai đoạn 1: Mở đầu

• Quá trình bắt đầu tại điểm Ori (Origin of replication) – vùng giàu A-T (dễ tách nhau).
• Enzyme Helicase trượt trên DNA để tháo xoắn và tách 2 mạch đơn, tạo thành chạc ba nhân đôi (hình chữ Y).
• Protein SSB bám vào mạch đơn để giữ cho hai mạch không dính lại với nhau, sẵn sàng làm khuôn.

Giai đoạn 2: Kéo dài

Có 2 nguyên tắc cần nhớ:

1. Enzyme tổng hợp DNA Polymerase III chỉ hoạt động theo chiều 5' → 3'.
2. Cần có một đoạn mồi RNA (Primer) do enzyme Primase tạo ra để DNA Polymerase có chỗ bám vào.

Do DNA có 2 mạch ngược chiều nhau, nên diễn biến tại chạc ba sẽ khác nhau:

• Mạch tới (Leading strand): Mạch khuôn có chiều 3' →5', mạch mới được tổng hợp liên tục cùng chiều tháo xoắn.
• Mạch chậm (Lagging strand): Mạch khuôn có chiều 5' → 3', mạch mới được tổng hợp gián đoạn thành từng đoạn ngắn gọi là đoạn Okazaki, ngược chiều tháo xoắn.

Giai đoạn 3: Kết thúc

• Enzyme DNA Polymerase I sẽ loại bỏ đoạn mồi RNA và thay thế bằng DNA.
• Enzyme DNA Ligase sẽ "hàn" nối các đoạn Okazaki lại với nhau thành mạch hoàn chỉnh.
• Hai phân tử DNA con xoắn lại tạo thành cấu trúc hoàn chỉnh.

Các enzyme hỗ trợ khác:

• Topoisomerase: Cắt và nối DNA để giảm áp lực xoắn phía trước chạc ba.
• Sliding clamp: Kẹp giữ DNA Polymerase không bị trượt khỏi mạch khuôn.

---

3. So sánh nhân đôi DNA: Prokaryote và Eukaryote

Dù cơ chế cơ bản giống nhau (3 giai đoạn, cần mồi, nguyên tắc bổ sung), nhưng do cấu trúc tế bào khác biệt nên có những điểm khác nhau lớn:

Đặc điểm	Prokaryote (Vi khuẩn)	Eukaryote (Sinh vật nhân thực)
Vị trí	Tế bào chất	Trong nhân tế bào
Điểm khởi đầu (Ori)	Duy nhất 1 điểm	Nhiều điểm (do kích thước DNA rất lớn)
Đoạn Okazaki	Dài (1000-2000 nu)	Ngắn (100-200 nu)
Tốc độ tổng hợp	Rất nhanh	Chậm hơn (khoảng 1/10 vi khuẩn)
Hệ Enzyme Polymerase	Pol I, II, III	Phức tạp hơn ( α,β,δ,ϵ...)
Loại bỏ đoạn mồi	DNA Polymerase I	RNase H