SINH HỌC 12 · Hệ thống tái bản DNA: từ nguyên tắc bổ sung đến chạc chữ Y, đoạn Okazaki và phép đếm sau k lần
Đặc huấn hệ thống khái niệm Sinh học 12: nguyên tắc bổ sung và bán bảo tồn, điểm khởi đầu và đơn vị tái bản kể cả DNA ngoài nhân, bộ enzyme, mạch liên tục và…
THPT AI LUKATO · SINH HỌC 12 · ĐẶC HUẤN HỆ THỐNG KHÁI NIỆM · BÀI 01
Hệ thống tái bản DNA: từ nguyên tắc bổ sung đến chạc chữ Y, đoạn Okazaki và phép đếm sau k lần
Một chuỗi khái niệm liền mạch từ nguyên tắc bổ sung đến độ chính xác của tái bản. Em không học thuộc từng mảnh rời mà học chuỗi nhân quả: vì sao mạch mới chỉ lớn lên ở đầu 3', vì sao có mạch gián đoạn, vì sao hai mạch gốc luôn còn nguyên qua mọi lần tái bản, vì sao đột biến vẫn xuất hiện. Hiểu chuỗi ấy, em tự lý giải được mọi hiện tượng của tái bản, dù hiện tượng ấy được mô tả theo cách nào.
19 SƠ ĐỒ TỰ DỰNG 8 PHÒNG THÍ NGHIỆM TƯƠNG TÁC 3 HOẠT CẢNH BẢY KHỐI KHÁI NIỆM 8 CÂU TRẮC NGHIỆM TỰ BIÊN SOẠN MỌI CON SỐ ĐÃ KIỂM BẰNG MÁY
01 · TOÀN CẢNH
Chuỗi khái niệm và ba yêu cầu thiết kế
Mọi hiện tượng của tái bản DNA đều đi trên cùng một chuỗi: hai mạch của phân tử mẹ tách ra, mỗi mạch làm khuôn, nucleotide tự do được ghép theo nguyên tắc bổ sung, mạch mới được kéo dài theo chiều 5' → 3' nhờ DNA polymerase, kết quả là hai phân tử con, mỗi phân tử gồm một mạch cũ và một mạch mới . Bảy khối kiến thức của bài chỉ là bảy cách nhìn vào chuỗi đó: nó dựa trên nguyên tắc nào, bắt đầu ở đâu, ai làm việc gì, vì sao có mạch gián đoạn, đếm được bao nhiêu, gắn với nhiễm sắc thể ra sao và vì sao hiếm khi sai.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Tế bào phải giải bài toán thiết kế nào?
Trước mỗi lần phân chia, tế bào phải sao chép toàn bộ thông tin di truyền. Lời giải của tự nhiên không phải ngẫu nhiên: mỗi cơ chế là câu trả lời cho một yêu cầu cụ thể. Khi em nhìn thấy yêu cầu, em suy ra được cơ chế, và ngược lại.
Yêu cầu thiết kế · Lời giải của tế bào · Khối
Hai phân tử con phải giống hệt nhau và giống mẹ · Mỗi mạch cũ làm khuôn, nucleotide ghép theo nguyên tắc bổ sung; mỗi phân tử con giữ một mạch cũ (bán bảo tồn) · 1
DNA rất dài mà tái bản phải xong trong thời gian hạn chế · Nhiều điểm khởi đầu hoạt động cùng lúc, mỗi điểm cho hai chạc đi ngược chiều · 2
Mỗi bước hóa học phải có đúng "công nhân" phụ trách · Bộ enzyme chuyên hóa: tháo xoắn, tạo mồi, kéo dài, nối · 3
Hai mạch đối song song nhưng polymerase chỉ đi một chiều · Một mạch tổng hợp liên tục, mạch kia tổng hợp gián đoạn từng đoạn ngắn rồi nối lại · 4
Số lượng nguyên liệu và sản phẩm phải tính được · Mỗi lần nhân đôi số phân tử; mạch gốc không bị phá, chỉ có mạch mới cần nguyên liệu · 5
Tái bản phải khớp với nhịp phân chia tế bào · Nhân đôi DNA ở pha S biến NST đơn thành NST kép trước khi phân bào · 6
Sao chép gần như không sai, nhưng vẫn là nguồn biến dị · Ba lớp lọc sai sót; lớp nào cũng không hoàn hảo nên đột biến hiếm vẫn xảy ra · 7
Cách học bài này
- Học theo thứ tự. Khối sau dùng kết luận của khối trước; đặc biệt khối 4 và khối 5 chỉ dễ khi khối 3 đã chắc.
- Mỗi khối có cùng khung: định nghĩa, chuỗi nhân quả, quy tắc quyết định, phòng thí nghiệm hoặc hoạt cảnh để tự kiểm chứng, và một hiểu nhầm điển hình.
- Hãy thao tác. Mỗi phòng thí nghiệm là một thí nghiệm tư duy: kéo thanh trượt, đổi điều kiện, rồi tự dự đoán kết quả trước khi nhìn số liệu.
- Cuối bài có các khung trả lời (cách diễn đạt cơ chế bằng tiếng Việt chuẩn mực) và bộ trắc nghiệm tự biên soạn kiểm tra khả năng suy luận từ khái niệm.
Học xong, em làm được
- Giải thích vì sao tái bản là bán bảo tồn và đọc được kết quả thí nghiệm đồng vị N-15 và N-14 qua nhiều thế hệ như một phép loại trừ giả thuyết.
- Nêu đúng điểm khởi đầu ở nhân sơ, nhân thực, DNA ti thể, DNA lục lạp và plasmid; hiểu vì sao DNA ngoài nhân tái bản độc lập với DNA nhân.
- Gọi đúng vai trò của helicase, primase, DNA polymerase, ligase và chỉ ra chúng ở đâu trên chạc chữ Y; giải thích vì sao cần đoạn mồi.
- Suy ra từ chiều khuôn và chiều chạc đi mạch nào liên tục, mạch nào gián đoạn, kể cả khi tái bản hai chiều từ một điểm khởi đầu.
- Nắm hệ thống công thức đếm số phân tử, số mạch, nucleotide tự do, liên kết hydrogen sau k lần tái bản và hiểu từng công thức đến từ đâu.
- Phân biệt nhân đôi DNA với nhân đôi NST, tái bản với phiên mã, cơ chế di truyền cấp phân tử với cấp tế bào.
- Giải thích vì sao tái bản rất chính xác mà đột biến gene vẫn xảy ra với tần số thấp.
02 · KHỐI KIẾN THỨC 1
Nguyên tắc bổ sung và tái bản bán bảo tồn
Định nghĩa Tái bản DNA (còn gọi là nhân đôi DNA) là quá trình từ một phân tử DNA mẹ tạo ra hai phân tử DNA con giống hệt nhau và giống DNA mẹ. Ở tế bào nhân thực, quá trình này diễn ra ở pha S của kì trung gian, trước khi tế bào phân chia.
Hai loại liên kết quyết định mọi thứ
Muốn hiểu vì sao tái bản làm được điều kỳ diệu là sao chép chính xác, hãy bắt đầu từ hai loại liên kết trong phân tử DNA và để ý chúng khác nhau về độ bền.
Liên kết · Nối cái gì với cái gì · Đặc điểm · Vai trò khi tái bản
Phosphodiester · Nối các nucleotide liền nhau trong cùng một mạch : đầu 3' của nucleotide này với nhóm phosphate ở đầu 5' của nucleotide kế tiếp · Bền, tạo "xương sống" của mỗi mạch · Không bị phá; được tạo mới khi mạch mới kéo dài
Hydrogen · Nối hai base bổ sung ở hai mạch khác nhau : A với T bằng 2 liên kết, G với C bằng 3 liên kết · Từng liên kết yếu, dễ tách, nhưng nhiều liên kết cộng lại giữ hai mạch rất vững · Helicase cắt để tách hai mạch; được hình thành lại giữa mạch khuôn và mạch mới
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Chuỗi nhân quả của tái bản bán bảo tồn
- Tách mạch chỉ cần cắt liên kết hydrogen , nên hai mạch đơn thoát ra còn nguyên vẹn, mỗi mạch giữ đủ thông tin (trình tự nucleotide) của phân tử mẹ.
- Mỗi mạch đơn làm khuôn: mỗi nucleotide tự do được gắn vào mạch mới theo cặp bổ sung với nucleotide của khuôn ( nguyên tắc bổ sung : A với T, G với C).
- Trình tự của mạch mới do khuôn quyết định hoàn toàn: không còn "tự do sáng tạo", nên hai phân tử con có cùng trình tự với mẹ.
- Hai khuôn cho hai phân tử. Mỗi phân tử con gồm một mạch cũ của mẹ (được giữ lại) và một mạch mới tổng hợp: đó là nguyên tắc bán bảo tồn .
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Bằng chứng thực nghiệm: loại trừ giả thuyết bằng đồng vị nitơ
Về nguyên tắc, có ba cách mà hai mạch cũ có thể đi vào các phân tử con. Mỗi cách cho một "dấu vân tay" khác nhau trên ống li tâm, nên thí nghiệm có thể loại trừ từng cách một.
Giả thuyết · Hai mạch cũ đi đâu? · Dự đoán sau lần 1 · Dự đoán sau lần 2
Bảo tồn · Ở nguyên trong một phân tử; phân tử kia gồm hai mạch hoàn toàn mới · Hai vạch: nặng và nhẹ, không có vạch trung gian · Hai vạch: nặng (1 phân tử) và nhẹ (3 phân tử)
Bán bảo tồn · Tách ra, mỗi mạch cũ vào một phân tử con · Một vạch trung gian duy nhất · Hai vạch: trung gian và nhẹ, lượng bằng nhau
Phân tán · Bị cắt thành đoạn và xen với đoạn mới ở cả hai mạch của mọi phân tử con · Một vạch trung gian duy nhất · Một vạch duy nhất, nhẹ dần (vị trí giữa trung gian và nhẹ)
Quy trình Vi khuẩn E. coli được nuôi qua nhiều thế hệ trong môi trường chỉ có N-15 (đồng vị nặng) nên DNA của chúng nặng. Sau đó chuyển sang môi trường chỉ có N-14 (đồng vị nhẹ); mọi mạch DNA tổng hợp từ lúc đó đều chứa N-14. DNA lấy ra sau mỗi thế hệ được li tâm trong gradient tỉ trọng: DNA nặng nằm thấp, DNA nhẹ nằm cao, DNA lai (một mạch nặng, một mạch nhẹ) nằm ở giữa.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Đọc kết quả Sau lần tái bản thứ nhất chỉ thấy một vạch trung gian : điều này loại giả thuyết bảo tồn (vì nó dự đoán có vạch nặng và vạch nhẹ), nhưng chưa tách được bán bảo tồn khỏi phân tán. Sau lần thứ hai thấy hai vạch, một vạch trung gian và một vạch nhẹ : điều này loại giả thuyết phân tán (vì nó dự đoán vẫn chỉ một vạch). Chỉ còn bán bảo tồn. Mỗi thế hệ loại thêm một giả thuyết: đó là cách một thí nghiệm "chứng minh" trong sinh học.
Sau k lần tái bản trong môi trường N-14 (xuất phát từ một phân tử nặng):
phân tử lai (N-15/N-14) = 2 ; phân tử nhẹ (N-14/N-14) = 2 k - 2
tỉ lệ phân tử lai = 2 / 2 k = 1 / 2 k-1
PHÒNG THÍ NGHIỆM 1
Dấu vết N-15: ba giả thuyết, một kết quả
Vi khuẩn E. coli được nuôi nhiều thế hệ trong môi trường có N-15 (đồng vị nặng), rồi chuyển sang môi trường có N-14 (đồng vị nhẹ). Chọn một giả thuyết, kéo thanh số lần tái bản, rồi đối chiếu vạch DNA dự đoán trên ống li tâm với kết quả quan sát thật.
Số lần tái bản trong môi trường N-14: 1
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
GIA SƯ HỎI Vì sao sau lần 2 vẫn còn hai phân tử lai chứ không phải bốn? Đáp: hai mạch N-15 của mẹ không bị phá hủy, chỉ được chia về hai phân tử con ở lần 1. Ở lần 2, mỗi mạch N-15 vẫn đi theo phân tử của nó và lại làm khuôn cho một mạch N-14 mới, nên vẫn chỉ có đúng hai phân tử chứa N-15; hai phân tử còn lại chỉ gồm N-14.
Hiểu lầm phổ biến. "Sau nhiều lần tái bản, mạch gốc dần biến mất." Sai: mạch gốc không bao giờ bị phá hủy hay pha loãng thành các đoạn; nó nằm nguyên vẹn trong đúng hai phân tử con ở mọi lần, chỉ là tỉ lệ của hai phân tử đó trong tổng số ngày càng nhỏ.
03 · KHỐI KIẾN THỨC 2
Điểm khởi đầu và đơn vị tái bản
Định nghĩa Điểm khởi đầu tái bản (ori) là trình tự nucleotide đặc hiệu trên DNA, nơi các enzyme và protein bám vào để tháo xoắn và bắt đầu tái bản. Từ mỗi điểm khởi đầu, hai chạc chữ Y đi ngược chiều nhau ( tái bản hai chiều ) và tạo thành một bong bóng tái bản . Đơn vị tái bản là đoạn DNA được tái bản từ một điểm khởi đầu, cho đến chỗ gặp đơn vị tái bản bên cạnh.
Chuỗi nhân quả: độ dài DNA quyết định số điểm khởi đầu
- Tốc độ mỗi chạc chữ Y là hữu hạn: chạc chỉ có thể đi qua một lượng nucleotide nhất định trong một đơn vị thời gian.
- Mỗi điểm khởi đầu cho hai chạc đi ngược chiều, nên mỗi điểm khởi đầu "phụ trách" một đoạn DNA có độ dài hữu hạn.
- DNA vòng của nhân sơ tương đối ngắn: một điểm khởi đầu với hai chạc là đủ, hai chạc gặp nhau ở phía đối diện điểm khởi đầu.
- DNA thẳng trong nhân thực dài hơn rất nhiều, và chu kì tế bào chỉ có một giai đoạn (pha S) để tái bản: nếu chỉ có một điểm khởi đầu thì không kịp. Vì thế mỗi phân tử DNA nhân có nhiều điểm khởi đầu cùng hoạt động; các bong bóng lớn dần rồi hợp nhất.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Mô hình: n điểm khởi đầu cách đều, bắt đầu cùng lúc; tốc độ mỗi chạc v; DNA dài L
thời gian tái bản xong T = L / (2 nhân n nhân v)
nhiều điểm khởi đầu hơn thì thời gian giảm tương ứng (n lần)
Số 2 trong mẫu số là vì mỗi điểm khởi đầu có hai chạc cùng làm việc. Với DNA vòng chỉ có một điểm khởi đầu (n = 1), thời gian là L / (2v): hai chạc đi ngược chiều cho đến khi gặp nhau.
PHÒNG THÍ NGHIỆM 2
Điểm khởi đầu quyết định thời gian tái bản
Mô hình đơn giản: các điểm khởi đầu cách đều nhau, bắt đầu cùng lúc, mỗi điểm cho hai chạc đi ngược chiều với tốc độ như nhau. Số liệu là giả định để so sánh, không phải số đo thực của một loài.
Chiều dài DNA (nghìn cặp nucleotide): 2000
Số điểm khởi đầu n: 6
Tốc độ mỗi chạc (nghìn nucleotide mỗi phút): 3
Thời gian đã trôi (phút): 0
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
DNA ngoài nhân: những phân tử tự lo việc của mình
Ngoài DNA nhân (hoặc DNA vùng nhân ở vi khuẩn), tế bào còn có các phân tử DNA nhỏ hơn: DNA ti thể, DNA lục lạp ở tế bào nhân thực và plasmid ở vi khuẩn. Chúng là các phân tử vòng, mỗi phân tử có điểm khởi đầu riêng và tái bản độc lập với sự tái bản của DNA nhân hoặc DNA vùng nhân: diễn ra bên trong bào quan hoặc trong tế bào chất theo nhịp riêng, không bị ràng buộc vào pha S của DNA nhân.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Vì sao điều này quan trọng DNA ti thể, DNA lục lạp và plasmid không phải là NST trong nhân, nên nhịp tái bản và số bản sao của chúng không bị gắn với pha S và với việc nhân đôi NST của tế bào. Tái bản độc lập nghĩa là: ori riêng, thời điểm riêng, không phụ thuộc vào tái bản của DNA nhân.
Hiểu lầm phổ biến. "Vi khuẩn nhỏ nên có nhiều điểm khởi đầu, tế bào người lớn nên chỉ có một." Ngược lại: DNA vòng của nhân sơ có một điểm khởi đầu; DNA thẳng của nhân thực mới có nhiều điểm khởi đầu. Quy tắc nhớ: "vòng một, thẳng nhiều".
04 · KHỐI KIẾN THỨC 3
Bộ máy enzyme và quy tắc đầu 3'-OH
Bộ máy Tái bản không do một enzyme duy nhất thực hiện mà do nhiều enzyme và protein phối hợp, mỗi loại một chức năng. Cách nhớ chắc nhất là gắn mỗi enzyme với một động từ : helicase tháo , primase đặt mồi , DNA polymerase nối nucleotide , ligase nối đoạn .
Enzyme hoặc protein · Vai trò · Điều cần nhớ
Helicase · Làm đứt các liên kết hydrogen giữa hai mạch, tháo xoắn và mở chạc chữ Y · Chỉ tháo xoắn, không tổng hợp mạch mới
Protein SSB (mở rộng) · Bám vào mạch đơn vừa tách để hai mạch không ghép lại · Giữ khuôn ở dạng mạch đơn
Primase · Tổng hợp đoạn mồi RNA ngắn, cung cấp đầu 3'-OH đầu tiên · Là một loại RNA polymerase; đoạn mồi sau đó được cắt bỏ và thay bằng DNA