SINH HỌC 12 · Hệ thống tính toán di truyền phân tử và công nghệ gene: từ cặp base đến DNA tái tổ hợp
Đặc huấn hệ thống khái niệm Sinh học 12: cấu trúc DNA và các liên kết, trục N gom mọi phép tính nhân đôi, phiên mã, dịch mã, tính chất hai mạch, nhiệt độ…
THPT AI LUKATO · SINH HỌC 12 · ĐẶC HUẤN HỆ THỐNG KHÁI NIỆM · BÀI 07 (TỔNG KẾT)
Hệ thống tính toán di truyền phân tử và công nghệ gene: từ cặp base đến DNA tái tổ hợp
Một trục N duy nhất để suy ra chiều dài, khối lượng, liên kết hydrogen, nhu cầu nucleotide của nhân đôi và phiên mã; một bảng hai mạch để tìm mạch khuôn; một bảng tra để phân loại đột biến điểm; một quy tắc để nhận ra thành tựu của công nghệ gene. Học để hiểu cơ chế, không học thuộc lòng.
27 SƠ ĐỒ TỰ DỰNG 10 PHÒNG THÍ NGHIỆM TƯƠNG TÁC 6 HOẠT CẢNH CHUYỂN ĐỘNG 8 MỤC TIÊU HỌC TẬP 13 HIỂU NHẦM ĐÃ GỠ 8 CÂU TRẮC NGHIỆM TỰ LUYỆN MỌI CON SỐ ĐÃ KIỂM BẰNG MÁY
01 Bản đồ 02 Cấu trúc DNA 03 Trục N 04 Nhân đôi · phiên mã 05 Hai mạch · mạch khuôn 06 Nóng chảy 07 Đột biến điểm 08 Hệ gene 09 Công nghệ gene 10 Hiểu nhầm 11 Khung trả lời 12 So sánh · quy tắc 13 Tổng kết 14 Trắc nghiệm
01 · TOÀN CẢNH
Bản đồ tư duy và mục tiêu học tập
Mọi vấn đề của bài đi trên một chuỗi nhân quả: nucleotide → mạch polynucleotide → DNA mạch kép → tổng số nucleotide N → mọi đại lượng suy ra từ N . Từ trục N, kiến thức rẽ ba hướng: DNA tiêu thụ nucleotide khi nhân đôi và phiên mã; DNA được đọc từng mạch khi xác định mạch khuôn; DNA đổi liên kết hydrogen khi nóng chảy hoặc khi đột biến điểm. Hai mắt xích cuối nhìn DNA ở quy mô cả tế bào (hệ gene) và quy mô kĩ thuật (công nghệ gene, DNA tái tổ hợp).
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Sau bài này, em có thể:
- Phân biệt đúng liên kết phosphodiester (cùng một mạch, cộng hóa trị, bền) với liên kết hydrogen (giữa hai mạch, yếu), và giải thích vì sao DNA không có liên kết peptide.
- Hiểu mọi dữ kiện (chiều dài, khối lượng, chu kì xoắn, liên kết hydrogen, phần trăm từng loại) là một phương trình theo hai ẩn N và G, rồi dựng được hệ để tìm cả hai.
- Giải thích vì sao nhân đôi k lần cần (2 mũ k - 1) nhân N nucleotide tự do, và phiên mã chỉ dùng một mạch nên mỗi lần cần N/2 ribonucleotide.
- Lập bảng hai mạch từ vài dữ kiện, suy ra các ô còn lại, và xác định mạch khuôn từ tỉ lệ nucleotide của mRNA bằng một quy trình chung.
- Giải thích vì sao DNA giàu G-C có nhiệt độ nóng chảy cao hơn và biết khi nào được so sánh bằng % G-C, khi nào không được so sánh bằng tổng số liên kết hydrogen.
- Từ thay đổi chiều dài và thay đổi liên kết hydrogen, nhận ra chính xác dạng đột biến điểm; và từ dạng đột biến suy ra hệ quả lên N, A, T, G, C, H, L.
- Định nghĩa chính xác hệ gene, và kể ra các thành phần DNA thuộc (và không thuộc) hệ gene của vi khuẩn, người, thực vật, virus.
- Trình bày quy trình tạo DNA tái tổ hợp (restrictase, ligase, vector plasmid, tế bào nhận, chọn lọc) và phân loại một thành tựu tạo giống bằng quy tắc hai câu hỏi.
Ký hiệu và đơn vị dùng xuyên suốt
Ký hiệu · Ý nghĩa · Đơn vị, quy ước
N · Tổng số nucleotide của cả hai mạch · nucleotide; mỗi mạch có N/2
A, T, G, C · Số nucleotide từng loại của cả phân tử · A = T, G = C, A + G = N/2
A1, T1, G1, C1 · Số (hay tỉ lệ) từng loại trên mạch 1; mạch 2 viết A2, T2, G2, C2 · A1 = T2, T1 = A2, G1 = C2, C1 = G2
L · Chiều dài phân tử · angstrom; 10 angstrom = 1 nm
M · Khối lượng phân tử · đvC; mỗi nucleotide 300 đvC
H · Số liên kết hydrogen giữa hai mạch · cặp A-T: 2; cặp G-C: 3
k · Số lần nhân đôi liên tiếp của một DNA · số nguyên không âm
r · Số lần phiên mã của một gene · mỗi lần cho một phân tử RNA
GIA SƯ Cách học: đọc khái niệm ngắn, chạy ngay phòng thí nghiệm đứng dưới khái niệm đó (kéo thanh trượt đến cực trị, nhập số vô lí để xem hệ thống phản ứng), rồi dùng khung trả lời ở phần 11. Các phòng thí nghiệm là những cỗ máy để em tự khám phá quy luật. Mọi con số trong bài đã được một chương trình kiểm tra độc lập tính lại.
02 · CẤU TRÚC DNA
Nucleotide, hai mạch đối song song và các loại liên kết
K1. Nucleotide: ba thành phần, một điểm khác nhau
Định nghĩa Nucleotide là đơn phân của DNA, gồm nhóm phosphate , đường deoxyribose (đường 5 carbon) và một base nitơ thuộc bốn loại A (adenine), T (thymine), G (guanine), C (cytosine). Bốn loại nucleotide giống nhau về đường và phosphate, chỉ khác nhau ở base ; vì vậy trình tự base chính là "chữ viết" của thông tin di truyền.
Hai họ base A và G là base kích thước lớn (hai vòng), T và C là base kích thước bé (một vòng). Nguyên tắc bổ sung luôn ghép một base lớn với một base bé, nên mọi cặp base có cùng bề rộng; điều này làm đường kính chuỗi xoắn kép không đổi dọc phân tử.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
K2. Mạch polynucleotide và liên kết phosphodiester
Định nghĩa Nhiều nucleotide nối nhau thành mạch polynucleotide : nhóm phosphate gắn ở carbon số 5' của nucleotide sau nối với nhóm OH ở carbon số 3' của đường nucleotide trước bằng liên kết phosphodiester . Chuỗi liên kết này tạo khung đường-phosphate cộng hóa trị chạy dọc mỗi mạch. Mỗi mạch có hai đầu khác nhau: đầu 5' (còn nhóm phosphate) và đầu 3' (còn nhóm OH); mạch được kéo dài ở đầu 3', tức theo chiều 5' → 3'.
Cơ chế, hệ quả Liên kết phosphodiester là liên kết cộng hóa trị nên bền : khi hai mạch tách nhau (nhân đôi, phiên mã, nóng chảy) khung mỗi mạch vẫn nguyên vẹn, và thông tin (trình tự base) không bị mất. Muốn cắt khung phải có enzyme chuyên biệt (restrictase, nuclease); muốn nối phải có enzyme (ligase, DNA polymerase khi kéo dài mạch).
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hiểu lầm phổ biến. "Hai nucleotide kề nhau trên một mạch nối bằng liên kết hydrogen." Sai: hydrogen nối các base bổ sung của hai mạch khác nhau ; hai nucleotide kề nhau trên một mạch nối bằng phosphodiester. Và DNA là polynucleotide nên không có liên kết peptide : peptide chỉ nối các amino acid trong protein.
K3. Hai mạch đối song song và nguyên tắc bổ sung
Định nghĩa Hai mạch của DNA đối song song : một mạch chạy 5' → 3', mạch kia 3' → 5', và xoắn đều quanh một trục. Các base hướng vào trong, bắt cặp bổ sung : A với T bằng 2 liên kết hydrogen; G với C bằng 3 liên kết hydrogen.
Chuỗi nhân quả Hình dạng và vị trí các nhóm tạo hydrogen của base chỉ khớp theo cặp A-T và G-C → mỗi base ở mạch này quy định base đối diện ở mạch kia → biết trình tự một mạch là suy được mạch còn lại → khi nhân đôi, mỗi mạch làm khuôn tạo mạch mới giống hệt mạch đã tách. Đây là nền của sự truyền thông tin di truyền chính xác.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hoạt cảnh tự dừng khi cuộn ra khỏi màn hình.
K4. Hệ thức Chargaff: chỉ đúng với mạch kép
Hệ thức Vì mỗi A của mạch này luôn đối diện một T của mạch kia và mỗi G đối diện một C, trong cả phân tử DNA mạch kép :
A = T, G = C → A + G = T + C = N/2 → (A + G) / (T + C) = 1
Ngược lại, tỉ số (A + T) / (G + C) không bị ràng buộc bằng 1: nó đặc trưng cho từng loài và cho biết DNA giàu A-T hay giàu G-C (phần nóng chảy sẽ dùng đại lượng này). Hệ thức Chargaff không áp dụng cho một mạch đơn : trên một mạch, số A và T thường khác nhau; hai mạch bù trừ nhau nên cả phân tử mới cân bằng. Lab 1 cho thấy điều đó bằng trình tự do em gõ.
LAB 1 Máy bổ sung: gõ mạch 1, DNA tự dựng mạch 2
Gõ trình tự mạch 1 theo chiều 5' → 3' (chỉ A, T, G, C; tối đa 16 nucleotide). Máy dựng mạch 2 bổ sung, đối song song , đếm liên kết hydrogen và tính các tỉ số. Thử trình tự toàn A-T, rồi toàn G-C, rồi trình tự lệch (ví dụ AAAAAAGG) để thấy tỉ số ở mạch đơn lệch khỏi 1 trong khi cả phân tử luôn bằng 1.
Mạch 1, 5' → 3'
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
K5. Chuỗi xoắn kép và ba con số gốc
Số đo Hai cặp base kề nhau cách nhau 3,4 angstrom (0,34 nm); một vòng xoắn (chu kì xoắn) có 10 cặp base và dài 34 angstrom ; đường kính chuỗi xoắn là 20 angstrom (2 nm), xoắn theo chiều phải; mỗi nucleotide nặng trung bình 300 đvC . Ba con số 3,4; 34 và 300 là nền của mọi công thức ở phần 03.
Hoạt cảnh dưới đây cho thấy chuỗi xoắn đang quay: mỗi nấc thang là một cặp base. Nấc dày màu cam là cặp G-C (3 liên kết hydrogen), nấc mảnh màu lục lam là cặp A-T (2 liên kết hydrogen).
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Hoạt cảnh tự dừng khi cuộn ra khỏi màn hình để tiết kiệm pin.
Bảng so sánh các loại liên kết liên quan đến DNA
Liên kết · Nối cái gì với cái gì · Bản chất · Có trong phân tử DNA? · Bị phá khi DNA nóng chảy? · Enzyme liên quan
Trong nucleotide (đường - base, đường - phosphate) · Ba thành phần của một nucleotide · Cộng hóa trị, bền · Có · Không · -
Phosphodiester · Hai nucleotide kế tiếp trong cùng một mạch · Cộng hóa trị, bền · Có · Không · Nối: ligase, DNA polymerase. Cắt: restrictase, nuclease
Hydrogen · Hai base bổ sung của hai mạch (A-T: 2; G-C: 3) · Yếu, nhưng rất nhiều nên giữ chặt hai mạch · Có · Có (hai mạch tách nhau) · Tháo xoắn: enzyme tháo xoắn (helicase) khi nhân đôi
Peptide · Hai amino acid kế tiếp · Cộng hóa trị · Không (chỉ có ở protein) · Không liên quan · Ribosome xúc tác khi dịch mã
Cụm từ "theo Watson và Crick" Mô hình mô tả hai loại liên kết đặc trưng giữa các thành phần của chuỗi xoắn kép: phosphodiester (nối các nucleotide trên một mạch) và hydrogen (nối hai mạch). Peptide không có mặt vì DNA không phải protein.
03 · TRỤC N
Mọi đại lượng đều đi qua tổng số nucleotide N
Ý tưởng trung tâm của bài: đừng nhớ mười công thức rời rạc, hãy nhớ một trục N . Mọi số liệu cho về một đoạn DNA mạch kép (chiều dài, khối lượng, số vòng xoắn, số liên kết hydrogen, số lượng hay tỉ lệ từng loại nucleotide) đều là một phương trình theo N và G . Có N và G là có tất cả.
K1. Vì sao L, M, chu kì đều quy về N
Chuỗi nhân quả Hai mạch xếp song song, mỗi cặp base chiếm 3,4 angstrom dọc trục → số cặp là N/2 → L = (N/2) nhân 3,4 (chỉ nhân với số cặp , không nhân với N). Mỗi nucleotide nặng 300 đvC và cả hai mạch đều có khối lượng → M = 300 nhân N . Mỗi chu kì có 10 cặp, tức 20 nucleotide, dài 34 angstrom → chu kì xoắn = N/20 = L/34 .
Liên kết hydrogen Cặp A-T có 2, cặp G-C có 3: H = 2A + 3G . Vì N = 2A + 2G nên H = N + G: mỗi nucleotide loại G (hay C) cộng thêm đúng một liên kết so với "nền" N . Đây là cách nhớ nhanh và là cầu nối giữa H và N.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
K2. Mỗi dữ kiện là một phương trình, cần hai phương trình độc lập
Nguyên lí Phân tử DNA mạch kép thẳng được xác định hoàn toàn bởi hai ẩn: tổng số nucleotide N và số nucleotide loại G (suy ra A = N/2 - G). Vì vậy cần hai dữ kiện độc lập . Các dữ kiện chia thành ba nhóm theo thông tin mà chúng mang:
Nhóm · Dữ kiện · Phương trình theo N và G · Cho biết
Chỉ về N · N; chiều dài L; khối lượng M; số chu kì xoắn; số liên kết phosphodiester (thẳng) · N = giá trị; L = 1,7 N; M = 300 N; chu kì = N/20; phosphodiester = N - 2 · N (không cho G)
Chỉ về thành phần · Phần trăm G hay A của cả phân tử; tỉ số (A + T) / (G + C) · G = (phần trăm G) nhân N; A = (phần trăm A) nhân N; A = tỉ số nhân G · Tỉ lệ G/N (không cho N)
Hỗn hợp · Số G hoặc số A; tổng liên kết hydrogen H · G = giá trị; N/2 - G = A; N + G = H · Một tổ hợp của N và G
Quy tắc chọn cặp dữ kiện
- Hai dữ kiện cùng nhóm "chỉ về N" (ví dụ L và M) chỉ cho cùng một thông tin N: chưa đủ .
- Phần trăm A và phần trăm G của cả phân tử luôn thỏa A% + G% = 50%, nên biết cái này là suy được cái kia: không độc lập .
- Tỉ số (A + G) / (T + C) luôn bằng 1 ở mạch kép nên không mang thông tin nào.
- Một dữ kiện "chỉ về N" cộng một dữ kiện "thành phần" hay "hỗn hợp" thì đủ . Riêng H không đủ vì H = N + G có hai ẩn.
LAB 2 Động cơ N: chọn hai dữ kiện, máy giải hệ và dựng phân tử
Chọn hai loại dữ kiện và nhập giá trị. Máy lập hệ hai phương trình theo N và G, giải, rồi cho mọi đại lượng. Thử các cặp mẫu: cặp tốt (L và H), cặp không độc lập (L và M; phần trăm G và phần trăm A) để xem máy báo gì, và nhập giá trị vô lí để xem máy phát hiện mâu thuẫn.
Dữ kiện thứ nhất
Dữ kiện thứ hai
Dạng phân tử (chỉ đổi cách đếm liên kết)
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
K3. Đếm liên kết phosphodiester: nói rõ tên liên kết và dạng DNA
Quy ước dùng trong bài Mỗi mạch có N/2 nucleotide; nối thành mạch thẳng cần N/2 - 1 liên kết giữa các nucleotide, nên cả phân tử thẳng có N - 2 liên kết phosphodiester. Với DNA vòng (plasmid, DNA vùng nhân của vi khuẩn, DNA ti thể) mỗi mạch nối kín nên có N/2 liên kết, cả phân tử có N .
Cụm từ "liên kết hóa trị giữa đường và phosphate" Phải tính cả liên kết đường-phosphate nằm trong mỗi nucleotide (N liên kết) cộng các liên kết phosphodiester giữa các nucleotide: N + (N - 2) = 2N - 2 ở DNA thẳng và 2N ở DNA vòng. Hai công thức N - 2 và 2N - 2 đều đúng, nhưng đếm hai loại liên kết khác nhau, nên việc đầu tiên là xác định tên loại liên kết đang xét.
Bảng đại lượng suy ra từ N (và G)
Đại lượng · Công thức · Giải thích ngắn