Chuyên đề 1: ADN và nhân đôi AND

Chuyên đề 1: ADN và nhân đôi AND
I: ADN
1. Cấu trúc chung
- ADN cấu tạo từ các nguyên tố C, H, O, N, P
- ADN là 1 đại phân tử, cấu trúc theo nguyên tắc đa phân gồm nhiều đơn phân là các Nucleotit (viết tắt là Nu)
- ADN thường gặp có cấu trúc 2 mạch bổ sung, xoắn phải (theo mô hình của J.Oat xơn và F Crick), 2 mạch ngược chiều nhau, liên kết giữa các Nu trên 1 mạch là liên kết photphodieste; giữa các Nu trên 2 mạch với nhau là liên kết Hidro.
- Có nhiều loại ADN khác nhau, trong đó loại ADN mà J.Oat xơn và F Crick công bố là loại B, ngoài ra còn có nhiều loại ADN khác: A, C, D,... Z khác nhau chủ yếu ở kích thước và số Nu trong 1 chu kì. Đáng chú ý là ADN loại Z cấu trúc xoắn trái. ADN mạch đơn tìm thấy ở virus.
2. Cấu trúc cụ thể 1 Nu:
Đơn phân của ADN là Nucleotit, cấu trúc gồm 3 thành phần:
- Đường đeoxiriboz: 
- Nhóm Photphat 
- Bazo nito: gồm 2 loại chính: purin và pirimidin:
 + Purin: Nucleotit có kích thước lớn hơn: A (Adenin) và G (Guanin)
          + Pirimidin: Nucleotit có kích thước nhỏ hơn: T (Timin) và X (Xitozin)
Vì các thành phần đường và photphat là chung cho các Nu, nên người ta vẫn gọi thành phần bazo nito là Nu: Nu loại A, G, T, X...
Bazo nito liên kết với đường tai vị trí C thứ 1; nhóm photphat liên kết với đường tại vị trí C thứ 5 tạo thành cấu trúc 1 Nucleotit.
3. Sự tạo mạch:
Khi tạo mạch, nhóm photphat của Nu đứng trước sẽ tạo liên kết với nhóm OH của Nu đứng sau (tại vị trí C số 3). Liên kết này là liên kết photphodieste (nhóm photphat tạo liên kết este với OH của đường của chính nó và tạo liên kết este thứ 2 với OH của đường của Nu kế tiếp => đieste). Liên kết này, tính theo số thứ tự đính với C trong đường thì sẽ là hướng 3'-OH; 5'-photphat.
Giữa 2 mạch, các Nu liên kết với nhau theo nguyên tắc bổ sung. A liên kết với T bằng 2 liên kết Hidro; G liên kết với X bằng 3 liên kết Hidro. Do liên kết Hidro là liên kết yếu, nên nó có thể bị phá vỡ dễ dàng trong quá trình nhân đôi ADN và phiên mã gen.
II: QUÁ TRÌNH NHÂN ĐÔI ADN:
1. Thời điểm:
ADN được nhân đôi vào giai đoạn S thuộc kì trung gian của chu kì tế bào. Kì trung gian có 3 giai đoạn chính: G1, S, G2. Cụ thể, khi tế bào vượt qua điểm R (điểm cuối pha G1) nó sẽ bước vào S và nhân đôi ADN, dẫn đến nhân đôi NST.
2. Nguyên liệu:
Các Nucleotit các loại : A, T, G, X; năng lượng cung cấp dưới dạng ATP, hệ enzim sao chép.
3. Nguyên tắc:
- Bổ sung.
- Bán bảo toàn.
Có nhiều thí nghiệm chứng minh nguyên tắc nhân đôi ADN (đặc biệt là nguyên tắc bán bảo toàn) trong đó 1 thí nghiệm nổi tiếng là của Meselson và Stahl. Hai ông dùng đồng vị phóng xạ đánh dấu ADN, sau đó cho vi khuẩn chứa ADN này thực hiện quá trình nhân đôi ADN trong môi trường . Nhờ thực hiện ly tâm và phân tích kết quả thu được, họ đã chứng minh được cơ chế nhân đôi bán bảo toàn của ADN.
4: Khởi đầu:
- Ta đều biết ADN xoắn khá chặt, và như vậy rất khó tạo điều kiện cho các enzim tiếp xúc. Vì vậy, hoạt động đầu tiên của quá trình là dãn mạch ADN nhờ enzim girase (1 loại enzim ADN topoisomeraza)
- Sau khi dãn mạch, enzim helicase sẽ cắt liên kết Hidro bắt đầu tại vị trí khởi đầu sao chép (ori) để tách 2 mạch của ADN, tạo chạc sao chép.
- Chạc sao chép được hình thành, các phân tử protein SSB (protein liên kết sợi đơn) sẽ bám vào sợi ADN đơn để ngăn 2 mạch tái liên kết với nhau, giữ 2 mạch thẳng, tạo điều kiện thuận lợi cho hệ enzim hoạt động.
* Thông thường, mỗi khi tách mạch ra, thì tại vị trí tách mạch sẽ hình thành 2 chạc sao chép ngược chiều với nhau.
5. Hình thành mạch:
a. Xét ở sinh vật nhân sơ: 
Trong quá trình nhân đôi ADN có sự tham gia của rất nhiều enzim. 1 trong số những enzim quan trọng là ADN polimeraza (ADN pol - vai trò chính ở nhân sơ là ADN pol III). Enzim ADN pol có 1 đặc tính là chỉ có thể bổ sung mạch mới dựa trên đầu 3'-OH có sẵn. Điều này dẫn tới 2 đặc điểm:
- ADN pol không thể tự tổng hợp mạch mới (Nhưng ARN pol thì không đòi hỏi yêu cầu này)=> cần 1 đoạn mồi khoảng 10 Nu (thường là ARN) - primer (enzim tổng hợp là primase - 1 loại ARN polimeraza). Đoạn mồi này có vai trò cung cấp đầu 3'-OH cho ADN pol tổng hợp mạch mới. Sau đó, đoạn mồi này, thường, sẽ được thay thế bằng 1 đoạn ADN tương ứng.
- ADN pol (III) chỉ có thể tổng hợp mạch mới theo chiều 5'-3'. Do vậy, trên mạch khuôn chiều 3'-5' sẽ được tổng hợp liên tục; còn mạch 5'-3' sẽ được tổng hợp gián đoạn thành các đoạn ADN ngắn khoảng 1000 Nu (gọi là đoạn Okazaki). 
Tiến trình có thể hiểu đơn giản là:
+ Sau khi hình thành chạc sao chép, enzim primase (ARN pol) sẽ tổng hợp 1 đoạn ARN mồi.
+ ADN pol III nối dài mạch dựa trên đoạn mồi đó. Trên mạch 3'-5', nó tổng hợp liên tục, hướng vào chạc sao chép; trên mạch 5'-3' tổng hợp gián đoạn thành các đoạn Okazaki, ngược hướng so với hướng phát triển của chạc sao chép.
+ Các đoạn mồi này hầu hết sẽ được enzim ADN pol I cắt đi và thay thế bằng 1 đoạn ADN tương ứng.
Sở dĩ nói hầu hết, vì đoạn mồi đầu tiên, ngoài cùng của ADN, nó cần 1 enzim riêng để tổng hợp đoạn ADN tương ứng (enzim này bản chất giống như 1 enzim sao chép ngược). Enzim này chỉ tồn tại trong các tế bào gốc, chưa biệt hóa. Ở các tế bào đã biệt hóa, gen tổng hợp enzim này bị khóa, do vậy sau mỗi lần nhân đôi, ADN lại ngắn đi 1 đoạn nhỏ. Điều này làm hạn chế số lần nhân đôi của tế bào, và cũng là 1 cơ chế tự chết của tế bào. 1 vài tế bào bị đột biến làm mở gen này -> không hạn chế phân bào -> phát triển thành ung thư (đây là 1 cơ chế gây ung thư)
+ Enzim ligaza sẽ nối các đoạn ADN rời lại với nhau (những đoạn Okazaki với đoạn ADN thay thế đoạn mồi...)
b. Ở sinh vật nhân thực. 
Sự nhân đôi ở sinh vật nhân thực nhìn chung là giống sinh vật nhân sơ. Tuy nhiên, có 1 vài điểm khác đáng lưu ý:
- Ở sinh vật nhân sơ chỉ có 1 điểm khởi đầu sao chép (Ori C), nhưng ở sinh vật nhân thực, do hệ gen lớn, nên có rất nhiều điểm khởi đầu tái bản.
- Ở sinh vật nhân thực, hệ enzim tham gia phức tạp hơn so với nhân sơ. Hệ enzim ADN pol có nhiều loại alpha, beta, gama... và cơ chế hoạt động phức tạp hơn.
- Nhìn chung, tốc độ nhân đôi ở sinh vật nhân sơ lớn hơn ở sinh vật nhân thực.
6. Hoàn thiện:
Ở cả sinh vật nhân sơ và nhân thực luôn có quá trình sửa sai nhờ hệ thống enzim sửa sai luôn rà soát trên phân tử ADN.
Phân tử ADN sau khi tổng hợp xong sẽ hình thành cấu trúc ổn định (cuộn xoắn, liên kết với protein...) và độc lập với phân tử ADN mẹ. Quá trình nhân đôi ADN kết thúc thường dẫn tới quá trình phân chia tế bào.
III CÁC SỐ LIỆU CẦN NHỚ.
- 1 ångström (Å) = mét = 0,1 nanômét
- Đường kính của ADN là 20 Å
- Chiều dài 1 chu kì xoắn (10 cặp bazo): 34 Å
- Chiều dài 1 Nu 3.4 Å
- A = T; G = X (A, T, G, X là số lượng cácNu tương ứng trên cả đoạn ADN đang xét)
- A1 = T2; A2 =T1; G1 =X2; G2 = X1 (A1, A2... là các Nu từng loại trên mạch 1, mạch 2)
- A liên kết với T bằng 2 liên kết Hidro; G liên kết với X bằng 3 liên kết Hidro => Số liên kết Hidro được tính: H = 2A+3G
- 1 lần nhân đôi, 1 phân tử ADN tạo ra 2 phân tử ADN con. Do vậy
sau k lần nhân đôi, 1 phân tử ADN tạo ra phân tử ADN con; 
n phân tử ADN ban đầu, sau k lần nhân đôi sẽ tạo ra phân tử ADN con.
- (Số Nu môi trường cung cấp cho quá trình nhân đôi ADN) = (số Nu có trong tổng phân tử con) - (số Nu có trong ADN ban đầu)
Bài tập
Dạng 1: Tính tỉ lệ và số lượng từng loại nu trên DNA:
Bài 1: Trên một mạch đơn của một phân tử AND có 3.10^6 nucleotit với tỉ lệ A:T:G:X= 1:2:3:4.
A, Tính tỉ lệ phần trăm và số lượng từng loại nu trên mỗi mạch đơn ADN
B, Tính tỉ lệ phần trăm và số lượng từng loại nu trên cả phân tử của ADN
Bài 2: Một gen có 600 G, chiếm 20% số nucleotit của gen. Trên mạch 1 có A nhiều hơn T là 100 nucleotit và có X nhiều hơn G là 300 nucleotit.
A, Tính số lượng từng loại nucleotit của cả gen?
B, Tính số lượng từng loại nucleotit trên từng mạch đơn của gen?
Dạng 2: Tính chiều dài, số chu kì xoắn và khối lượng phân tử DNA:
Bài 3: Một gen có 150 chu kì xoắn. Trong gen có hiệu % của A với 1 loại nucleotit không bổ sung là 10%.
A, Tính chìeu dài của gen, khối lượng phân tử của gen.
B, Tính tỉ lệ % và số lượng từng loại Nu của gen.
Bài 4: Một gen dài 5100Ao và có A= 1,5G. Trên một mạch đơn có 20% T, 10% X
A, Tính khối lượng phân tử, số vòng xoắn của gen?
B, Tính số lượng từng loại Nu trên mỗi mạch đơn của gen này?
Dạng 3: DNA và cơ chế tự nhân đôi:
Bài 5: Một gen có 3120 lk H và có 20%A. Khi gen này nhân đôi liên tiếp một số đợt đã có 21840 lk H bị cắt đứt.
A, Tính số gen con sinh ra.
B, Tính số lượng từng loại Nu tự do của môi trường nội bào đã cung cấp cho quá trình nhân đôi.
Bài 6: Một gen có 2998 lk hoá trị giữa các Nu và có tỉ lệ A+G/T+X=2/3. Gen đã nhân đôi một số lần liên tiếp tạo ra 30 gen con có chứa toàn là Nu tự do của môi trừơng cung  cấp.
A, Tính số lượng từng loại Nu tự do do môi trường cung cấp.
B, Tính số liên kết H bị cắt đứt trong quá trình nhân đôi của ADN.
Bài 7: Phân tử DNA của E.Coli chỉ chứ nguyên tố N15 phóng xạ.Nếu chuyển E.Coli này vào môi trường chỉ có N14 thì sau 4 lần tự sao chép sẽ có bao nhiêu phân tử DNA  chứa N15, Bao nhiêu phân tử chỉ chứa toàn N14,  bao nhiêu mạch chứa N14.
Dạng 4: Tổng hợp:
Bài 8: Một phân tử DNA có 4 đơn vị tái bản với số liệu sau:
 - Đơn vị tái bản 1 có L 3900 lk H giữa các cặp bazo nitric, tỉ lệ A/G= 2/3
 - Đơn vị tái bản 2 có :1798 lk hoá trị giữa các Nu, a= 500nu
 - Đơn vị tái bản 3 có khối lượng phân tử 72.10^4 đvC và A= 480 Nu
 - Đơn vị tái bản 4 có chìeu dài 10200 ăngstrom, tỉ lệ 2 loại A/G= 3/2
 1, Tìm số lượng Nu. mỗi loại trên phân tử DNA
 2, Tính chiều dài của DNA
 3, Khi phân tử DNA đso tái bản liên tiếp 5 lần cần phải cung cấp thêm mỗi loại nu là bao nhiêu?
Giải
Bài 1: 
Đáp án:
a, Dựa vào đề bài, ta có: A1:T1:G1:X1 = 1:2:3:4= = 10% : 20% : 30% : 40%
===> A1=T2= 10%
T1=A2=20%
G1=X2=30%
X1=G2=40%
Mà số lượng Nu mạch 1 của gen là , từ đó có thể suy ra số lượng Nu từng loại của mạch 1 và mạch 2 là:
A1=T2= 
A2=T1= 
G1=X2= 
G2= X2= 
b, Dựa vào số lượng Nu từng mạch, chúng ta có thể suy ra số lượng Nu của cả 2 mạch gen bằng cách cộng số Nu từng loại lại với nhau, đáp án:
A=T= = 15%
G=X= = 35%
Chú ý: Trong bài 1 đa số các bạn chưa đọc kĩ đề.
Trên một mạch đơn của một phân tử AND có 3.10^6 nucleotit với tỉ lệ A:T:G:X= 1:2:3:4.
A, Tính tỉ lệ phần trăm và số lượng từng loại nu trên mỗi mạch đơn ADN
B, Tính tỉ lệ phần trăm và số lượng từng loại nu trên cả phân tử của ADN
Đó là một số từ các bạn cần lưu ý khi làm bài. Những bài của các bạn sai hoặc thiếu là do chưa đọc kĩ đề. Và một vài tính chất sau:
A1=T2, A2=T1, G1=X2, G2=X1
Và 2A+2G= Số nu mach1 nhân 2= Số nu mạch2 nhân 2= Tổng Nu
Bài 2:
Đáp án: (Bài làm của quysudangyeu)
A)
có G=600 chiếm 20% tổng số Nu của gen nên
tổng Nu của gen = 3000 Nu
vậy có G= X = 600; A=T=(3000 - 600*2) /2 = 900
B)
có A = A1 = A2= 900(1)
theo giả thiết A1 - T1=100(2) mà A2 = T1, thế vào (2) ta có A1 - A2 = 100(3)
giả (1)(3) ta có A1= 500, A2 = 400
làm tương tư ta có G1=150, G2 = 450
Vậy tóm lại A1 = T2=500, A2= T1=400; X2=G1= 150, X1=G2 = 450
Chú ý: Bài này khá đơn giản, đa số các bạn đều làm đúng. Chỉ lưu ý nhỏ là các bạn nên đọc kĩ đề:  X nhiều hơn G là 300 nucleotit
Bài 3:
Bài giải: (Bài làm của nhocti1610)
a. gen có 150 chu kì xoắn => N = 3000.
=> L= (N/2)x3.4A0 = 5100A0.
m= Nx300 = 9x10^5 (dvC)
b. 
=> %A =  %T = 30% = 900
%G =  %X = 20% = 600
Bài 4:
Bài giải: (Bài giải của Hugohuyen)
Tổng số Nu của gen là  N= 2.L / 3,4
                                             =2 . 5100 / 3,4  =3000 Nu đvC
A )     Khối lượng phân tử là :M = 300 .  3000 = 9 .10^5
Số vòng xoắn là  3000 /20 =150 (vòng )
B)      Theo  NTBS ta có A=T; G=X.  
Mà     A+T+G+X =3000 
đặt   A+T=2A  ; G+X= 2G
nên ta có  2A +2G =3000 (1)
                   A =1,5 G            (2)  
Thế (2) vào (1) ta có    2.1,5 G +2G = 3000
                                      5G= 3000  =>  G=600Nu
  A=T =900Nu ; G=X =600 Nu
Mỗi mạch gen có    3000:2 =1500 Nu
T1 =A2 =20% .1500 =300 Nu
X1= G2 =10%.1500 =150 Nu
T2=A1 =900-300= 600 Nu
G1=X2= 600-150 =450 Nu
Chú ý: Một số bạn nên chú ý cách trình bày bài của mình. Chẳng hạn: %X=%G=10%=150 Nu è Về cơ bản là sai ý nghĩa, giáo viên sẽ bắt lỗi chỗ này :D
Bài 5:
Bài giải: (Bài làm của quysudangyeu)
A)
gọi k là số lần nhân đôi của ADN thì số phân tử đc tạo ra trong quá trình nhân đôi là 
số lk H bị phá vỡ = 
vậy có 8 gen con đc tạo ra
B)
vì A=T=20% ----> G=X=30% ------>A/G = 2/3---->3A - 2G =0(1)
mà 2A + 3G =3120(2)
giải (1)(2) ta có A=T=480; G=X = 720
vậy sos Nu môi trường cung cấp A= T =(8 - 1)*480 = 3360
                                                         G=X = (8 - 1)*720=5040
Bài 6:
Hướng dẫn giải:
Số liên kết hoá trị (liên kết photphodieste) của  gen: 2(n-1) = 2998 [Trong đó n là số nu của 1 mạch DNA]
==> n= 1500 => Tổng nu = 3000 nu
Từ đó các bạn có thể dựa vào các công thức tương tự các bài trên để giải. Bài này chưa có bạn nào giải nên các bạn vẫn có thể tiếp tục giải bài này. 
Bài 7:
Bài giải: (Bài làm của Fulham)
Sau 4 lần tự sao chép , sẽ có phân tử .
- 2 phân tử DNA chứa N15
- 14 phân tử chỉ chứa toàn N14
- 14 phân tử chứa toàn N14 có 28 mạch chứa N14, cộng thêm 2 mạch N14 kia là tổng cộng 30 mạch chứa N14.
Bài 8:
Bài giải: (Bài giải của bạn nhocti1610)
1. * Ở Đơn vị tái bản 1 : 
=> A = T = 600; G = X = 900
* Ở Đơn vị tái bản 2: N = 1800
=> A = T = 500; G= X = 400
* Ở Đơn vị tái bản 3: khối lượng phân tử 72x10^4 dvC  => N = 2400
=> A = T = 480; G= X = 720
* Ở Đơn vị tái bản 4: chiều dài 10200 angstrom => N = 6000
=> A = T = 1800; G= X = 1200
Chú ý:   Ở từng đơn vị tái bản, các bạn tính như các bài tập khác, rồi sau đó cộng các kết quả lại để được Tổng số nu mỗi loại của phân tử DNA:
A=T=2780
G=X=3820
Chiều dài phân tử DNA: 22440 Angstrom
Số lượng nu mỗi loại môi trường cung cấp: