Chúng ta biết rằng ADN là một cấu trúc tự nhân đôi, sao chép từ một phân tử ADN mẹ để tạo thành 2 phân tử ADN con có cấu trúc ADN giống nhau. Nhân đôi ADN là một trong những quá trình cơ bản nhất xảy ra trong tế bào. Hãy cùng tìm hiểu chi tiết về quá trình tự nhân đôi của ADN và kết quả của quá trình này trong bài viết dưới đây.

Quá trình nhân đôi 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 lần tế bào phân chia, hai tế bào con được tạo thành phải chứa chính xác thông tin di truyền hoặc DNA giống như tế bào mẹ. Thông tin này phải chính xác tuyệt đối, không có bất cứ sai lệch nào. Để thực hiện điều này, mỗi chuỗi ADN hoạt động như một khuôn mẫu để sao chép.

Nguyên tắc nhân đôi ADN

Quá trình nhân đôi ADN, tác động theo ba nguyên tắc cơ bản, đó là nguyên tắc bán bảo toàn, nguyên tắc bổ sung và nguyên tắc nửa gián đoạn.

Nguyên tắc bán bảo toàn thể hiện rõ khi ADN con giữ lại một trong hai mạch của ADN mẹ trong quá trình nhân đôi. Sự bảo toàn này không chỉ xuất hiện trong ADN con mà còn được duy trì ổn định qua các chu kỳ nhân đôi tiếp theo.

Nguyên tắc bổ sung: Được thể hiện liên tục từ khi nhân đôi ADN diễn ra cho đến khi kết thúc quá trình này. Nguyên tắc bổ sung được nhận thấy khi Nucleotit A liên kết với Nucleotit T (A – T) bằng 2 liên kết Hydro và ngược lại. Trong khi đó, 3 liên kết Hidro giúp liên kết Nucleotit G với Nucleotit X (G – X) và ngược lại.

Nguyên tắc nửa gián đoạn: một mạch được tổng hợp liên tục, còn mạch kia bị tổng hợp từng đoạn một sau đó các đoạn mới được nối vào nhau.

Kết quả của sự thực hiện quá trình nhân đôi theo các nguyên tắc này là giúp cho thông tin di truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác được truyền đạt nguyên vẹn.

Quá trình nhân đôi ADN diễn ra ở đâu?

Quá trình nhân đôi ADN diễn ra chủ yếu ở pha S của kỳ trung gian trong chu kỳ tế bào. Vị trí diễn ra quá trình nhân đôi ADN có thể khác nhau tùy vào loài đó là sinh vật nhân sơ hay sinh vật nhân thực hoặc ADN nằm ở trong nhân hay ngoài tế bào chất, nhằm chuẩn bị cho sự phân chia tế bào diễn ra tốt nhất.

Đối với sinh vật nhân sơ: quá trình nhân đôi ADN sẽ diễn ra ở tế bào chất (ở plasmit của vi khuẩn) khi các nhiễm sắc thể trong tế bào đang ở trạng thái duỗi xoắn cực đại, cụ thể là ở pha S của kì trung gian.

Đối với sinh vật nhân thực: quá trình nhân đôi sẽ diễn ra ở 3 nơi chính: tại nhân tế bào, lục lạp và ở ty thể. Ở người và động vật do không có lục lạp nên quá trình nhân đôi chỉ ở 2 vị trí là tại nhân và ty thể. Quá trình này sẽ được diễn ra tại pha S, hay còn gọi là kì trung gian giữa 2 lần phân bào. Nhiễm sắc thể duỗi xoắn cực đại sẽ giúp quá trình nhân đôi diễn ra nhanh chóng và hoàn chỉnh để tạo ra 2 ADN con giống với ADN mẹ.

Yếu tố tham gia quá trình nhân đôi ADN

ADN mạch khuôn

ADN mạch khuôn, hay còn gọi là ADN mẹ hoặc sợi ADN gốc, chịu trách nhiệm trong quá trình sao chép gen. Các nucleotit được chọn kỹ lưỡng để tạo liên kết chặt chẽ với ADN mẹ, tạo bản sao chính xác và đầy đủ, đồng thời truyền đạt thông tin gen một cách chính xác từ thế hệ này sang thế hệ khác.

Nguyên liệu môi trường

Trong quá trình nhân đôi ADN ở tế bào, quá trình tổng hợp mạch mới được thực hiện thông qua sự tương tác của các nucleotit tự do, bao gồm A, T, G và X, để tạo ra một sợi ADN mới. Đồng thời, các ribonucleotit A, U, G và X sẽ tham gia 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, định hình thành công các phân tử ADN mới.

Protein

Các loại protein gắn đặc hiệu có vai trò quan trọng trong quá trình nhân đôi ADN. Các loại protein này bao gồm:

  • Dna A: gắn vào ở thời điểm khởi đầu sao chép
  • Dna C: giúp tạo phức, thúc đẩy Dna B liên kết với ADN
  • REP và Dna: giúp tạo dãn xoắn trên ADN
  • IHF và FIS: Liên kết với ADN
  • SSB: giúp ngăn cho 2 mạch ADN mới tạo thành không liên kết lại với nhau
  • TBP: hỗ trợ chạc tái bản dừng lại

Enzyme

Enzyme cũng là thành phần không thể thiếu trong quá trình nhân đôi ADN, bao gồm:

  • Enzyme Gyrase: làm giảm sức cân bằng, tháo xoắn ADN mẹ hay nói cách khác là phá vỡ các liên kết của photphodieste.
  • Enzyme Helicase: giúp phá vỡ liên kết Hydro, tách 2 mạch phân tử ADN thành 2 mạch đơn ở ADN con.
  • Enzyme ARN Polimeraza: giúp tổng hợp đoạn mồi gắn với mạch khuôn của ADN mẹ.
  • Enzyme ADN Polimeraza: tổng hợp ADN và đọc sửa sai sót (Loại II và III), cắt chuỗi và tạo chuỗi (Loại I).

Năng lượng

Năng lượng chính cung cấp cho quá trình này là năng lượng ATP.

Quá trình nhân đôi ADN diễn ra như thế nào?

Các phân tử ADN tháo xoắn

Thông thường ADN trong tế bào sẽ dài và chứa nhiều cặp Nu, với chiều dài như thế sẽ bị hạn chế trong một không gian chật hẹp. Bởi vậy nó sẽ cuộn lại, đóng xoắn để phù hợp với giới hạn của một tế bào. Khi tiến hành nhân đôi thì phân tử này sẽ được tháo xoắn. Quá trình tháo xoắn gồm các bước sau:

Đầu tiên, một enzyme tên là helicase phá vỡ các liên kết hydro giữa những cặp base (A với T, C với G) để tháo gỡ cấu trúc xoắn kép của phân tử ADN.

Hai chuỗi ADN đơn tách ra tạo thành hình chữ ‘Y’ được gọi là ‘ngã ba’ sao chép. Hai chuỗi này sẽ làm mẫu để tạo ra các sợi ADN mới.

Sợi ADN xếp theo chiều từ 3′ đến 5′ (về phía ngã ba sao chép) gọi là sợi dẫn đầu. Sợi còn lại xếp theo chiều từ 5’ đến 3’ (cách xa ngã ba sao chép) gọi là sợi trễ. Mỗi sợi được sao chép khác nhau tùy theo hướng sắp xếp.

Tổng hợp mạch ADN mới

Enzim ARN-pôlimeraza tổng hợp đoạn mồi, tiếp theo enzim ADN-pôlimeraza lần lượt liên kết các nuclêôtit tự do từ môi trường nội bào với các nuclêôtit trên mỗi mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung. Vì enzim ADN-pôlimeraza chỉ tổng hợp mạch mới theo chiều 5’ → 3’ nên:

Trên mạch khuôn có đầu 3’ thì mạch bổ sung được tổng hợp liên tục theo chiều 5’→ 3’cùng chiều với chiều tháo xoắn.

Trên mạch khuôn có đầu 5’ thì mạch bổ sung được tổng hợp ngắt quãng tạo nên các đoạn ngắn gọi là đoạn Okazaki cũng theo chiều 5’→ 3’ ngược chiều với chiều tháo xoắn, sau đó các đoạn này được nối lại với nhau nhờ enzim nối ADN – ligaza.

Hai phân tử mới được tạo thành

Cuối cùng, 2 phân tử ADN com sẽ được hình thành qua các bước:

Sau khi trùng khớp được tất cả các Bazơ với nhau (A – T, C – G), Enzyme exonuclease dần loại bỏ các đoạn mồi và những Nucleotit được lấp đầy vào vị trí tương ứng.

Enzyme ADN ligase đóng trình tự ADN, tạo thành hai sợi kép liên tục.

Quá trình sao chép kết thúc, 2 phân tử ADN con vừa được tạo thành tự động chuyển về dạng chuỗi xoắn kép có cấu trúc giống y hệt ADN mẹ.

Kết quả của quá trình nhân đôi ADN

Từ 1 phân tử ADN mẹ ban đầu sau khi tự nhân đôi 1 lần sẽ tạo ra 2 ADN con.

2 ADN con có đặc điểm là gần như giống hệt nhau và giống ADN mẹ ban đầu (nếu có khác cũng chỉ khác 1 phần cực kỳ nhỏ).

Trong phân tử ADN con thì có 1 mạch đơn mới được tổng hợp và 1 mạch đơn cũ từ ADN mẹ.

Tổng kết, bài viết trên đã trình bày một cái nhìn toàn diện về quá trình nhân đôi ADN, bao gồm các nguyên tắc cơ bản, diễn biến chi tiết và kết quả quan trọng của quá trình này. Hy vọng rằng thông tin được cung cấp sẽ mở rộng kiến thức của bạn và giúp giải đáp những thắc mắc liên quan đến cơ chế sinh học quan trọng này.