Quá trình nhân đôi ADN luôn diễn ra liên tục trong cơ thể chúng ta và hầu hết tất cả sinh vật trên thế giới. Có thể tự hiểu, nhân đôi ADN là quá trình ADN tạo ra bản sao của chính mình để đảm bảo rằng mỗi tế bào mới đều có thông tin di truyền giống với tế bào mẹ. Hãy cùng DNA TESTINGS tìm hiểu chi tiết hơn về quá trình này cũng như kết quả ra sao trong bài viết dưới đây.
Quá trình nhân đôi ADN là gì?
Theo khái niệm trong sinh học phân tử, nhân đôi ADN là quá trình mà một phân tử ADN sợi kép được tháo xoắn và sao chép để tạo ra hai phân tử ADN y hệt nhau. Đây được xem là một quá trình cơ bản nhất trong tế bào, bất kỳ sinh vật nào cũng xảy ra quá trình này.
Sau khi ADN phân chia, hai tế bào con phải đảm bảo mang chính xác thông tin di truyền giống hệt tế bào mẹ. Cho nên, mỗi sợi ADN hoạt động như là một khuôn mẫu để nhân đôi.
Quá trình nhân đôi ADN xảy ra theo ba giai đoạn chính:
- Tháo xoắn phân tử ADN
- Tổng hợp mạch ADN mới
- Tạo thành hai phân tử ADN
ADN nhân đôi theo nguyên tắc nào?
Quá trình nhân đôi ADN xảy ra theo ba nguyên tắc cơ bản sau:
- Nguyên tắc bán bảo toàn: hai bản sao phân tử ADN được tạo ra với mỗi bản sao bảo toàn thông tin y hệt từ một phân tử ADN ban đầu. Nghĩa là, quá trình nhân đôi ADN sẽ tạo ra hai bản sao chứa 1 sợi ADN ban đầu và 1 sợi ADN mới.
- Nguyên tắc bổ sung: Đây là nguyên tắc diễn ra xuyên suốt quá trình nhân đôi ADN. Vì sợi ADN ban đầu sẽ tháo xoắn và đóng xoắn lại đều dựa theo nguyên tắc này. Nucleotit A sẽ liên kết bổ sung với Nucleotit T (A - T) bằng 2 liên kết Hydro và ngược lại. Tương tự, Nucleotit G liên kết bổ sung với Nucleotit X (G - X) bằng 3 liên kết Hydro và ngược lại.
- Nguyên tắc khuôn mẫu: Quá trình này diễn ra dựa trên khuôn mẫu ADN mẹ. Nghĩa là 2 mạch đơn ADN mới được tổng hợp sẽ dựa vào trình tự sắp xếp Nucleotit của mạch khuôn ADN ban đầu. Vì thế, hai ADN mới được tại ra sẽ có cấu trúc giống y hệt ADN ban đầu.
Quá trình nhân đôi ADN diễn ra ở đâu?
Quá trình nhân đôi ADN diễn ra chủ yếu tại pha S kỳ trung gian của chu kỳ tế bào. Thời gian diễn ra quá trình này tùy thuộc vào từng loại tế bào khác nhau. Như là ở tế bào người tăng sinh nhanh thì pha S kéo dài khoảng 8 giờ. Nhưng ở tế bào trứng phân chia tế bào, pha S xảy ra rất ngắn xen kẽ với các pha M.
Ngoài ra, vị trí nhân đôi ADN cũng khác nhau tùy theo từng loài sinh vật hay nơi mà ADN cư ngụ trong tế bào:
- Đối với sinh vật nhân sơ: Thường hiện diện ở vi khuẩn nên quá trình nhân đôi sẽ ít phức tạp hơn. Sự sao chép ADN diễn ra tại tế bào chất, đa phần chứa một phân tử ADN dạng vòng duy nhất để tạo nên vật chất di truyền. Nên quá trình này diễn ra nhanh chóng.
- Đối với sinh vật nhân thực: Quá trình nhân đôi ADN sẽ diễn ra tại nhân tế bào, ty thể và lục lạp. Đối với lục lạp, chỉ có ở thực vật nên ở người và động vật sẽ không diễn ra tại đây. Cũng giống sinh vật nhân sơ, đều diễn ra tại pha S của kỳ trung gian trong chu kỳ tế bào. Tuy nhiên, quá trình này tạo ra rất nhiều bảo sao trên nhiễm sắc thể hơn vi khuẩn.
Các yếu tố tham gia vào quá trình nhân đôi ADN
ADN mạch khuôn
Là thành phần quan trọng trong quá trình nhân đôi ADN. Vì vật liệu di truyền tạo ra sẽ dựa trên khuôn mẫu ADN ban đầu hay ADN mẹ. ADN mạch khuôn chịu trách nhiệm liên kết chặt chẽ với nucleotit và truyền đạt thông tin gen chính xác từ thế hệ này sang thế hệ khác.
Nguyên liệu môi trường
Để tạo ra được mạch mới từ mạch khuôn ban đầu, phải có sự tương tác của các nucleotit tự do với ADN mẹ. Cụ thể là các Nucleotit Triphotphat bao gồm A (ATP), T (TTP), G (GTP) và X (XTP). Ngoài ra, còn có các ribonucleotit A, U, G và X để tổng hợp các đoạn mồi phục vụ quá trình nhân đôi ADN.
Protein
Protein có vai trò quan trọng trong quá trình này vì sẽ gắn đặc hiệu vào sợi ADN để liên kết và hỗ trợ sao chép:
- Dna A: Gắn vào trình tự liên kết tại điểm khởi đầu để kích hoạt quá trình nhân đôi ADN.
- Dna C: Tạo phức với đầu C của Dna B để ngăn cản việc giải phóng dsDNA tại một mạch khuôn sao chép.
- REP và Dna B: Giúp ADN dãn xoắn.
- IHF và FIS: Liên kết với ADN.
- SSB: Ngăn cho 2 mạch mới ADN không tạo liên kết với nhau.
- TBP: Hỗ trợ chạc ba sao chép dừng lại.
Enzyme
Thành phần quan trọng làm nên quá trình nhân đôi ADN là enzyme, đây là những chất tiên quyết trong quá trình này để tổng hợp ra hai mạch ADN mới.
- Enzyme Helicase: Cắt các liên kết Hydro để tách hai mạch đơn và dãn xoắn ADN.
- Enzyme Gyrase (Enzyme Topoisomerase II): Phá vỡ các liên kết Phosphodiester làm tháo xoắn ADN ban đầu hay duỗi thẳng phân tử ADN.
- Enzyme DNA Polymerase I: Cắt đoạn mồi và tổng hợp mạch mới.
- Enzyme DNA Polymerase II: Sửa sai sau khi nối các đoạn okazaki.
- Enzyme DNA Polymerase III: Lắp ráp các nucleotit, đồng thời kéo dài mạch đơn mới.
- Enzyme Ligase: Nối lại các đoạn okazaki được tổng hợp.
- Enzyme Primase (Enzyme RNA Polymerase): Tổng hợp đoạn mồi.
- Enzyme Telomerase: Hạn chế sự cố đầu mút. Enzyme này chỉ có trong tế bào tinh hoàn và buồng trứng, không hoạt động ở tế bào sinh dưỡng.
- Protein SSB: Gắn vào một mạch đơn để ngăn hai mạch đơn không dính vào nhau, tạo thuận tiện cho enzyme khác hoạt động.
Năng lượng
Xuyên suốt trong quá trình nhân đôi ADN nguồn năng lượng được sử dụng là ATP (Adenosine Triphosphate).
Quá trình nhân đôi ADN diễn ra như thế nào?
Tháo xoắn phân tử ADN
Các nhà nghiên cứu về sinh học phân tử đã tìm ra rằng, ADN luôn trong trạng thái đóng xoắn vì đây là một phân tử rất dài và chứa nhiều cặp nucleotit, mà tế bào thường nhỏ không đủ để chứa. Cho nên để không bị hạn chế trong chiều không gian chật hẹp, phân tử ADN phải cuộn lại, đóng xoắn ngắn lại để phù hợp hơn với tế bào. Mà quá trình nhân đôi ADN cần được tiến hành trên từng nu nên bắt buộc phải tháo xoắn trước khi bắt đầu. Các bước thực hiện sẽ bao gồm:
Đầu tiên, enzyme Topoisomerase tháo xoắn phân tử ADN từ trạng thái siêu xoắn.
Tiếp theo, Enzyme Helicase tách hai mạch đơn của ADN ra bằng cách phá vỡ các liên kết hydro giữa các cặp base với nhau (A - T, C - G), tạo thành chạc chữ Y (Ngã ba sao chép) để lộ ra hai mạch đơn làm khuôn cho việc tạo các sợi ADN mới.
Có hai dạng mạch ADN mới được tổng hợp: Mạch dẫn đầu là sợi ADN được xếp theo chiều 3′ tới 5′ (về phía chạc chữ Y) và mạch còn lại là mạch trễ là sợi ADN được xếp theo chiều ngược lại 5′ tới 3′ (Cách xa chạc chữ Y). Mỗi mạch mới sẽ được sao chép khác nhau tùy theo hướng sắp xếp.
Tổng hợp mạch ADN mới
Để bắt đầu tổng hợp mạch ADN mới phải có sự xuất hiện của đoạn mồi, đoạn mồi được tổng hợp bởi Enzyme Primase. Sau đó, enzyme DNA Polymerase liên tục liên kết các nucleotit tự do có trong môi trường nội bào với các nucleotit có sẵn ở mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung. Tuy nhiên, enzyme DNA Polymerase có hoạt tính chiều 5′-3′, nghĩa là chỉ tổng hợp mạch mới theo chiều 5′-3′.
Cho nên, đối với mạch khuôn có đầu 3′ thì mạch bổ sung được tổng hợp liên tục theo chiều cùng chiều tháo xoắn là 5′-3′. Còn đối với mạch khuôn đầu 5′, khi tổng hợp mạch bổ sung sẽ bị ngắt quãng tạo lên các đoạn okazaki ngược chiều với chiều tháo xoắn. Để nối các đoạn okazaki lại với nhau, enzyme ligase sẽ xuất hiện để gắn lại tạo một mạch bổ sung hoàn chỉnh.
Hai phân tử ADN mới được tạo thành
Mạch ADN mới được tổng hợp tới đâu thì 2 mạch đơn của sợi ADN ban đầu sẽ xoắn lại đến đó, từ đó tạo thành 2 phân tử ADN mới. Những phân tử ADN này sẽ có đặc điểm hầu như giống hệt nhau và giống sợi ADN ban đầu (Nếu có sự khác biệt thì chỉ khác một phần cực nhỏ, không đáng kể). Và trong mỗi phân tử ADN mới sẽ có 2 mạch, 1 mạch đơn mới được tổng hợp và 1 mạch đơn cũ từ sợi ADN ban đầu.
Ý nghĩa của quá trình nhân đôi ADN
Quá trình nhân đôi ADN tại pha S của kỳ trung gian có vai trò và ý nghĩa vô cùng lớn về sự phát triển của cơ thể vì đây là một giai đoạn để chuẩn bị cho quá trình nhân đôi nhiễm sắc thể và tiếp đó là quá trình phân chia tế bào của cơ thể. Một ý nghĩa quan trọng của quá trình này là có thể trả lời cho câu hỏi vì sao các thế hệ đều có sự truyền đạt thông tin di truyền một cách chính xác như thế.
Từ những thông tin trên, chúng tôi mong rằng đã cung cấp đầy đủ kiến thức về quá trình nhân đôi ADN. Đây là một phần kiến thức quan trọng trong cuộc sống, để mọi người có thể hiểu hơn về cơ thể lẫn cơ chế hoạt động của cơ thể qua từng thế hệ. Ngoài ra, bạn có thể liên hệ tới hotline: 0938 454 900 (Ms. Phượng) của trung tâm để được tư vấn chi tiết hơn.
>> Tham khảo thêm: CfDNA là gì? Ứng dụng cfDNA trong xét nghiệm NIPT
