Quá trình nhân đôi ADN quan trọng với sinh vật như thế nào?

Quá trình nhân đôi ADN là quá trình diễn ra ở cả các sinh vật nhân thực và sinh vật nhân sơ. Quá trình này là một bước cần thiết để chuẩn bị nhân đôi nhiễm sắc thể và tế bào, góp phần quan trọng vào việc di truyền bộ gen của các loài sinh vật qua nhiều thế hệ.

Quá trình nhân đôi ADN được hiểu như thế nào?

Quá trình nhân đôi ADN là sự hình thành hai phân tử ADN con từ một phân tử ADN xoắn kép bằng cách sao chép diễn ra ở pha S của chu kỳ trung gian. Đây là bước chuẩn bị cho sự phân chia, hai tế bào con hình thành sẽ mang nhiễm sắc thể của tế bào mẹ.

Trong tế bào nhân sơ, quá trình này sẽ được thực hiện ở vùng tế bào chất (plasmid) của vi khuẩn. Sự nhân đôi được diễn ra khi các ADN đang ở trạng thái tháo xoắn cực độ.

Còn ở tế bào nhân thực, quá trình này sẽ diễn ra 3 nơi chính là nhân tế bào, nơi có lục lạp và ti thể và thời gian diễn ra quá trình cũng lâu hơn. Cũng giống như tế bào nhân sơ, ở tế bào nhân thực sự nhân đôi cũng được diễn ra khi các ADN ở trạng thái tháo xoắn cực độ.

Các yếu tố cần có để tham gia vào quá trình nhân đôi ADN

Để ADN có thể nhân đôi được cần có những yếu tố sau. Quá trình nhân đôi ADN có thể diễn ra một cách hoàn hảo và những mã gen ghép với nhau sẽ không bị lỗi chỉ khi các chất lượng của những yếu tố này ổn định.

ADN mẹ trong quá trình nhân đôi ADN

ADN mẹ hay còn gọi là ADN mạch khuôn và AND gốc. Mạch ADN này chứa các nuclêôtit mà khi tháo xoắn sẽ tạo thành hai mạch nucleotit gốc. Sau đó mạch gốc này sẽ để các nucleotit từ môi trường tự do sẽ tạo nên hai ADN con có các cặp nucleotit giống với ADN mẹ.

Nguyên liệu từ môi trường

Nguyên liệu từ môi trường gồm các nucleotit tự do, những nucleotit này gồm có 4 loại A, T, G, X. Chúng sẽ liên kết với những nucleotit có sẵn trong mạch gốc để tạo thành một ADN mới hoàn chỉnh.

Kèm theo đó là những ribonucleotit là A, U. G, X sẽ tổng hợp nên các đoạn mồi. Những đoạn mồi đó sẽ là khởi đầu cho quá trình liên kết để tạo thành những ADN mới.

Các enzyme cần trong quá trình nhân đôi ADN

Enzyme là thành phần quan trọng không thể thiếu trong quá trình nhân đôi của ADN. Trong khi nhân đôi ADN sẽ cần nhiều chất xúc tác để quá trình có thể diễn ra thành công và các enzyme đóng vai trò là những enzyme dưới đây:

• Enzyme ARN polimeraza: Enzyme này đóng vai trò quan trọng trong quá trình tổng hợp các đoạn ARN ngắn gắn vào mạch khuôn của ADN mẫu. Điều này giúp các nucleotit có thể gắn vào theo thứ tự.
• Enzyme ADN polimeraza: đây là loại enzyme giúp cho quá trình nhân đôi của ADN không bị lỗi bởi vì ADN polimeraza sẽ kiểm tra thứ tự của các nucleotit gắn vào và sửa chữa lỗi. Hơn nữa enzyme này còn có chức năng hình thành chuỗi và cắt chuỗi.
• Enzyme Gyrase: Enzyme bắt đầu quá trình nhân đôi của ADN vì nó có chức năng làm giảm liên kết của các phosphodiester cho nên đóng vai trò rất quan trọng trong việc tháo xoắn ADN mẹ.
• Enzyme Helicase: Đây là enzyme có giúp cho ADN có thể cắt được những liên kết hidro tạo thành 2 mạch gốc để cho các nucleotit tự do liên kết lại.
• Enzyme Ligase là enzyme cuối cùng tham gia vào quá trình nhân đôi của ADN. Bởi vì enzyme này có chức năng nối các đoạn ADN vừa được tổng hợp lại với nhau để tạo thành một ADN mới hoàn chỉnh.

Protein cần thiết trong quá trình nhân đôi ADN

Một trong những yếu tố không thể thiếu trong quá trình nhân đôi của ADN là các protein. Những protein này là protein mang tính đặc hiệu có vai trò quan trọng trong quá trình hình thành ADN sau này, cụ thể là:

• Protein Dna A là protein gắn vào khi bắt đầu quá trình sao chép của ADN
• Protein REP, DnB dãn xoắn ADN
• Protein Dna C tạo phức và giúp Dna B liên kết với ADN

Năng lượng

Khi thực hiện bất kỳ một hoạt động hay một quá trình nào cũng cần tiêu tốn một nguồn năng lượng hay còn gọi là ATP.  Cho nên để quá trình nhân đôi của ADN được diễn ra thuận lợi cũng cần số lượng ATP thích hợp. Đây là nguồn năng lượng không thể thiếu để quá trình nhân đôi diễn ra một cách hiệu quả nhất. 

Quá trình nhân đôi ADN hình thành như thế nào?

Để tìm hiểu quá trình nhân đôi của ADN, trước tiên chúng ta hãy cùng nhau tìm hiểu về những nguyên tắc tạo nên quá trình này. Những nguyên tắc này giúp kết quả của quá trình nhân đôi được hoàn hảo hơn bao giờ hết.

Nguyên tắc nhân đôi của ADN

• Nguyên tắc bán bảo toàn: Tất là một mạch ADN từ ADN mẹ sẽ làm khuôn để tổng hợp nên mạch còn lại còn ADN con. Điều này sẽ giúp cho những mã gen cũng như cấu tạo của ADN được nhân đôi và di truyền một cách ít bị lỗi nhất.
• Nguyên tắc khuôn mẫu: Trình tự sắp xếp của các nucleotit mạch gốc sẽ tạo nên trình tự của các nucleotit ở mạch bổ sung. Điều này giúp cho ADN con có cấu tạo giống ADN mẹ.
• Nguyên tắc bổ sung: Mạch mới được hình thành dựa trên sự bổ sung các nuleotit để liên kết với mạch gốc của ADN. Quá trình này diễn ra theo nguyên tắc A liên kết với T bằng hai hidro, G liên kết với X bằng ba liên kết hidro.

Quá trình nhân đôi ADN là một quá trình khá phức tạp và qua nhiều giai đoạn. Nó diễn ra như thế nào và kết quả ra sao sẽ được đề cập cụ thể trong những nội dung dưới đây.

Giai đoạn 1: Quá trình tháo xoắn của các phân tử ADN

Vì một phân tử ADN bình thường sẽ là một chuỗi xoắn kép theo chiều ngược kim đồng hồ cho nên khi muốn nhân đôi ADN, phân tử này phải tháo xoắn. Yếu tố đầu tiên để việc tháo xoắn dược diễn ra thành công là protein Dna A, protein này sẽ nhận biết và liên kết với vị trí sao chép đầu tiên. Sau đó sẽ tiến hành làm đứt gãy liên kết hidro giữa các bazơ. 

Sau đó là sự tham gia của enzyme Gyrase, enzyme này sử dụng nguồn năng lượng ATP để giải phóng ADN giúp phân tử ADN dãn xoắn nhanh hơn. Tiếp theo Enzyme Helica sẽ phá vỡ liên kết hidro và giúp ADN tách rời ra tạo thành hình chữ Y và những protein tìm kiếm và gắn vào mạch đơn của ADN gốc để chúng không tái liên kết lại.

Giai đoạn 2: Bắt đầu tổng hợp các phân tử ADN mới

Khi đã giãn xoắn thành công, quá trình nhân đôi của ADN sẽ bước vào giai đoạn tổng hợp nên hai ADN mới. Ban đầu một đoạn nhỏ gồm 10 nucleotit được hình thành bởi enzyme ARN polimeraza. Đoạn này gọi là đoạn mồi của ADN

Sau đó ARN polimeraza sẽ bắt đầu thực hiện việc liên kết các nuleotit tự do và những nucleotit có sẵn trên mạch gốc lại với nhau. Quá trình liên kết được thực hiện theo nguyên tắc bổ sung chiều từ 5’ đến 3’.

Tuỳ theo mạch gốc ADN có 3’ đến 5’ là về phía ngã ba sao chép gọi là mạch dẫn dầu. Còn mạch có chiều từ 5’ đến 3’ xa chiều ngã ba sao chép gọi là mạch trễ. Tuỳ theo mạch mà các loại nucleotit được gắn vào cũng theo những cách tổng hợp khác nhau.

Mạch gốc ADN  từ 3’ đến 5’ các nucleotit tự do tạo thành mạch bổ sung bằng cách tổng hợp liên tục. Tất là đoạn mồi sẽ dần liên kết lại với đoạn đuôi của sợi dẫn đầu, enzyme polimeraza sẽ đi dọc theo sợi dẫn dầu và liên kết trực tiếp các nucleotit với mạch gốc.

Mạch từ 5’ đến 3’ sẽ được tổng hợp gián đoạn có nghĩa là enzyme polimeraza sẽ tạo ra các đoạn mồi và những liên kết trên mạch gốc. Sau đó các đoạn sẽ thêm các đoạn Okazaki vào và các okazaki phải liên kết với nhau thêm một lần nữa mới tạo thành mạch bổ sung hoàn chỉnh. Cho nên được gọi là tổng hợp ngắt quãng.

Giai đoạn 3: Hai phân tử ADN mới được hình thành  

Khi tất cả liên kết đều hoàn tất chuỗi ADN mới sẽ được hình thành và những mạch bổ sung sẽ được kiểm tra lại một lần nữa để chắc chắn rằng các nucleotit đã liên kết đúng với vị trí của nó. Sau đó ADN sẽ bắt đầu xoắn lại như ADN mẹ ban đầu.

Kết quả của quá trình này sẽ tạo ra 2 phân tử ADN con có cấu trúc giống hệt với ADN mẹ hoặc có khác biệt rất nhỏ và cũng có một mạch đơn cũ từ ADN mẹ. Đây là điều quan trọng trong quá trình di truyền gen của các loài sinh vật. 

Tốc độ sao chép trong quá trình nhân đôi của ADN

Tuỳ vào những loài sinh vật khác nhau, tốc độ sao chép trong quá trình nhân đôi của ADN sẽ khác nhau. Sinh vật nhân thực sẽ có tốc độ sao chép lâu hơn các loài sinh vật nhân sơ bởi vì quá trình nhân đôi ở sinh vật nhân thực có nhiều thành phần tham gia và phức tạp hơn.

Ví dụ như ở người, tốc độ sao chép khoảng 50 nucleotit cho một giây, kết thúc một quá trình sao chép tất cả ADN trong cơ thể của một người là vài tiếng đồng hồ. Nhưng vi khuẩn ecoli lại là một loài sinh vật nhân sơ lại có tốc độ sao chép nucleotit là khoảng 1000 lần trong 1 giây.

Vì có tốc độ sao chép nhanh như thế nên những sinh vật nhân sơ thường có thời gian sinh sôi khá nhanh. Thậm chí là có những loài có thể tăng số lượng cá thể lên gấp nhiều lần chỉ trong vòng vài giờ đặc biệt là ở những loài vi khuẩn, nấm.

Trong sinh học quá trình nhân đôi ADN có ý nghĩa gì?

Hầu như tất cả mọi loài sinh vật đều cần có quá trình nhân đôi của ADN. Bởi vì quá trình này là bước đệm cho quá trình phân chia các nhiễm sắc thể và phân chia tế bào. 

Đảm bảo cho việc bộ mã gen của các loài sinh vật được di truyền chính xác qua nhiều thế hệ, giảm thiểu các khả năng lỗi gen trong quá trình nhiễm sắc thể phân đôi. Điều này sẽ giúp cho các loài sinh vật tiếp tục sinh sản và phát triển qua các đời sau.

Lời kết

Các nội dung của bài viết đã nêu những yếu tố cần có và các bước trong quá trình nhân đôi ADN. Hy vọng bài viết đã giúp cho các bạn biết và hiểu thêm một kiến thức thú vị về cách mà bộ gen của chúng ta đã được di truyền từ các thế hệ trước.