Giáo trình Di truyền học - Chương 16: Cơ sở vậ chất di truyền

 c¸ch nµy, tèc ®é sao chÐp ADN ë sinh vËt 
nh©n thËt t¨ng lªn. Còng gièng ë vi khuÈn, qu¸ tr×nh sao chÐp 
ADN ë sinh vËt nh©n thËt tiÕn vÒ c¶ hai phÝa cña bãng sao chÐp. 
ë hai ®Çu cña bãng sao chÐp cã ch¹c sao chÐp. §ã lµ vïng 
cã d¹ng ch÷ Y lµ n¬i hai m¹ch ®¬n ADN cña chuçi xo¾n kÐp 
t¸ch nhau ra. Cã mét sè protein tham gia vµo ho¹t ®éng th¸o 
xo¾n nµy (H×nh 16.13). Helicase lµ nhãm c¸c enzym cã vai trß 
gi·n xo¾n vµ t¸ch hai m¹ch ®¬n ra khái nhau. Mçi m¹ch ®¬n 
sau ®ã ®−îc sö dông lµm khu«n (m¹ch “mÑ”) ®Ó tæng hîp nªn 
m¹ch ADN míi. Sau khi c¸c m¹ch lµm khu«n t¸ch nhau ra, c¸c 
protein liªn kÕt m¹ch ®¬n, gäi t¾t lµ SSB, sÏ ®Ýnh kÕt vµo 
m¹ch ADN lµm khu«n vµ gióp chóng trë nªn æn ®Þnh. Sù th¸o 
xo¾n cña chuçi xo¾n kÐp trong vïng bãng sao chÐp sÏ lµm cho 
c¸c ®Çu ë ch¹c sao chÐp trë nªn bÞ vÆn xo¾n chÆt h¬n vµ h×nh 
thµnh lùc c¨ng. Topoisomerase lµ nhãm enzym gióp “gi¶i táa” 
lùc c¨ng nµy b»ng kh¶ n¨ng lµm ®øt g·y t¹m thêi c¸c liªn kÕt 
céng hãa trÞ trªn m¹ch ®¬n ADN, xoay c¸c m¹ch ®¬n quanh 
nhau ®Ó th¸o xo¾n, råi nèi chóng trë l¹i víi nhau. 
C¸c m¹ch ADN “mÑ” sau khi gi·n xo¾n ®−îc dïng lµm 
khu«n ®Ó tæng hîp c¸c m¹ch ADN míi. Tuy vËy, enzym trùc 
tiÕp tæng hîp ADN kh«ng cã kh¶ n¨ng khëi ®Çu qu¸ tr×nh tæng 
hîp chuçi polynuclotide míi; chóng chØ cã thÓ bæ sung c¸c 
nucleotide vµo ®Çu 3’ cña mét chuçi cã s½n nÕu nucleotide bæ 
sung kÕt cÆp phï hîp víi nucleotide trªn m¹ch ADN lµm 
khu«n. V× lý do nµy, chuçi nucleotide ®Çu tiªn ®−îc t¹o ra 
trong tæng hîp ADN lu«n lµ mét ®o¹n ng¾n ARN, chø kh«ng 
ph¶i ADN. §o¹n ARN ng¾n nµy ®−îc gäi lµ ®o¹n måi vµ ®−îc 
xóc t¸c tæng hîp bëi enzym primase (xem H×nh 16.13). 
Primase b¾t ®Çu tæng hîp ®o¹n måi tõ mét ribonucleotide (hay 
nucleotide ARN) duy nhÊt; sau ®ã, mçi lÇn ph¶n øng nã g¾n 
thªm mét ribonucleotide theo nguyªn t¾c bæ sung víi m¹ch 
ADN lµm khu«n. Mét ®o¹n måi hoµn chØnh, gåm kho¶ng 5 - 10 
nucleotide, lóc nµy sÏ b¾t cÆp víi m¹ch khu«n. M¹ch ADN 
®−îc tæng hîp míi sÏ b¾t ®Çu tõ ®Çu 3’ cña ®o¹n måi ARN. 
Tæng hîp m¹ch ADN míi 
C¸c enzym cã tªn gäi lµ ADN polymerase chÝnh lµ c¸c 
enzym trùc tiÕp xóc t¸c tæng hîp m¹ch ADN míi b»ng viÖc bæ 
sung c¸c nucleotide vµo mét chuçi s½n cã. ë E. coli, cã mét sè 
lo¹i ADN polymerase kh¸c nhau; tuy vËy, hai lo¹i cã vai trß 
chÝnh trong sao chÐp ADN lµ ADN polymerase III vµ ADN 
polymerase I. §Æc ®iÓm nµy ë sinh vËt nh©n thËt lµ phøc t¹p 
h¬n. §Õn nay, ®· cã Ýt nhÊt 11 lo¹i ADN polymerase kh¸c nhau 
®· ®−îc x¸c ®Þnh; tuy vËy, nguyªn lý ho¹t ®éng chung cña 
chóng vÒ c¬ b¶n lµ gièng nhau. 
PhÇn lín c¸c enzym ADN polymerase ®Òu cÇn mét ®o¹n 
måi vµ mét m¹ch ADN lµm khu«n. Trªn c¬ së tr×nh tù cña 
m¹ch lµm khu«n, chóng bæ sung c¸c nucleotide míi däc theo 
m¹ch ®−îc tæng hîp míi theo nguyªn t¾c bæ sung. ë E. coli, 
ADN polymerase III (viÕt t¾t lµ ADN pol III) bæ sung c¸c 
nucleotide ADN vµo ®o¹n måi råi tiÕp tôc kÐo dµi chuçi ADN 
theo nguyªn t¾c bæ sung víi m¹ch lµm khu«n cho ®Õn khi kÕt 
thóc chuçi. Tèc ®é kÐo dµi chuçi ADN vµo kho¶ng 500 
nucleotide mçi gi©y ë vi khuÈn, vµ vµo kho¶ng 50 nucleotide 
mçi gi©y ë ng−êi. 
Mçi nucleotide khi ®−îc bæ sung vµo chuçi ADN ®ang kÐo 
dµi ®Òu ë d¹ng nucleotide triphosphate; ®ã lµ mét nucleoside 
(gåm ®−êng pentose vµ baz¬ nit¬) liªn kÕt víi ba nhãm 
phosphate. Chóng ta ®· ®Ò cËp ®Õn mét ph©n tö nh− vËy lµ ATP 
(adenosine triphosphate; xem H×nh 8.8). Sù kh¸c biÖt duy nhÊt 
gi÷a ph©n tö ATP (cã vai trß trong trao ®æi n¨ng l−îng) víi 
dATP (lµ tiÒn chÊt cña adenine trong ADN) lµ ë thµnh phÇn 
®−êng. NÕu nh− ®−êng trong ADN lµ deoxyribose th× ®−êng 
trong ATP lµ ribose. Còng gièng nh− ATP, c¸c nucleoside 
triphosphate ®−îc dïng ®Ó tæng hîp nªn ADN lµ nh÷ng chÊt 
hãa häc ph¶n øng m¹nh; mét phÇn bëi chóng chøa ®u«i 
triphosphate vèn tÝch ®iÖn ©m vµ kÐm bÒn. Mçi lÇn mét 
nucleotide g¾n thªm vµo chuçi ®ang kÐo dµi, hai nhãm 
phosphate (kÝ hiÖu lµ -i vµ cßn ®−îc gäi lµ pyrophosphate) 
sÏ ®øt khái ph©n tö nucleoside triphosphate tiÒn chÊt. Sù thñy 
ph©n diÔn ra ngay sau ®ã cña nhãm pyrophosphate thµnh hai 
ph©n tö phosphate v« c¬ i ®i liÒn víi c¸c ph¶n øng sinh nhiÖt 
lµ ®éng lùc ®Ó ph¶n øng trïng hîp ADN diÔn ra (H×nh 16.14). 
 H×nh 16.13 Mét sè protein liªn quan 
®Õn khëi ®Çu sao chÐp ADN. C¸c lo¹i 
protein gièng nhau ho¹t ®éng ë c¶ hai ch¹c sao 
chÐp cña cïng mét bãng sao chÐp. §Ó gi¶n 
l−îc, ë ®©y chØ minh häa mét ch¹c sao chÐp. 
Topoisomerase lµm ®øt g·y 
c¸c m¹ch ®¬n, th¸o xo¾n råi 
nèi chóng trë l¹i víi nhau. 
C¸c protein liªn kÕt m¹ch 
®¬n (SSB) gióp lµm æn ®Þnh 
m¹ch ADN lµm khu«n. 
Primase tæng hîp 
®o¹n måi ARN cã 
tr×nh tù bæ sung víi 
m¹ch khu«n. 
Helicase lµm gi·n xo¾n vµ t¸ch 
hai m¹ch ®¬n ADN khái nhau. 
§o¹n 
måi ARN 
 Ch−¬ng 16 C¬ së di truyÒn häc ph©n tö 315 
KÐo dµi chuçi kiÓu ®èi song song 
Nh− ®· nªu ë trªn, hai ®Çu cña mét m¹ch ADN lµ kh¸c nhau, 
t¹o cho mçi m¹ch ADN cã tÝnh ph©n cùc, gièng nh− ®−êng mét 
chiÒu vËy (xem H×nh 16.5). Ngoµi ra, hai m¹ch ADN trong 
chuçi xo¾n kÐp lµ ®èi song song, nghÜa lµ chóng ph©n cùc theo 
chiÒu ®èi diÖn nhau, còng gièng nh− hai lµn ®−êng mét chiÒu 
trªn xa lé theo h−íng ng−îc nhau vËy (xem H×nh 16.14). Râ 
rµng lµ hai m¹ch míi ®−îc tæng hîp trong qu¸ tr×nh sao chÐp 
ADN ph¶i ®èi song song so víi c¸c m¹ch khu«n cña chóng. 
Sù s¾p xÕp ®èi song song cña chuçi xo¾n kÐp ¶nh h−ëng thÕ 
nµo ®Õn qu¸ tr×nh sao chÐp? Do ®Æc ®iÓm cÊu tróc, c¸c enzym 
ADN polymerase chØ cã thÓ bæ sung c¸c nucleotide vµo phÝa 
®Çu 3’ tù do cña mét ®o¹n måi hoÆc cña mét m¹ch ADN ®ang 
kÐo dµi, chø kh«ng bao giê bæ sung ®−îc c¸c nucleotide vµo 
phÝa ®Çu 5’ (xem H×nh 16.14). V× vËy, mét m¹ch ADN míi chØ 
cã thÓ kÐo dµi theo chiÒu 5’ → 3’. Víi nguyªn t¾c ®ã, hay xem 
sù sao chÐp diÔn ra thÕ nµo t¹i mét ch¹c sao chÐp (H×nh 16.15). 
Däc theo mét m¹ch khu«n ADN, ADN polymerase III cã thÓ 
tæng hîp m¹ch míi mét c¸ch liªn tôc theo nguyªn t¾c bæ sung 
b»ng viÖc kÐo dµi m¹ch míi theo chiÒu b¾t buéc 5’ → 3’. ADN 
pol III mét c¸ch ®¬n gi¶n l¸ch vµo ch¹c sao chÐp trªn m¹ch 
khu«n råi bæ sung liªn tôc c¸c nucleotide vµo m¹ch míi cïng 
víi viÖc ch¹c sao chÐp tiÕn vÒ phÝa tr−íc. M¹ch ADN míi ®−îc 
tæng hîp theo kiÓu nµy ®−îc gäi lµ m¹ch dÉn ®Çu. §Ó tæng 
hîp m¹ch dÉn ®Çu, ADN pol III chØ cÇn mét ®o¹n måi duy nhÊt 
(xem H×nh 16.15). 
§Ó cã thÓ kÐo dµi m¹ch ADN míi cßn l¹i theo ®óng chiÒu 
5’ → 3’, ADN pol III ph¶i ho¹t ®éng däc theo m¹ch khu«n cßn 
l¹i theo chiÒu ng−îc h−íng víi chiÒu dÞch chuyÓn cña ch¹c sao 
chÐp. M¹ch ADN míi ®−îc tæng hîp theo chiÒu ng−îc h−íng 
nµy ®−îc gäi lµ m¹ch ra chËm hay m¹ch theo sau *. Kh«ng 
gièng m¹ch dÉn ®Çu ®−îc tæng hîp liªn tôc, m¹ch ra chËm 
®−îc tæng hîp gi¸n ®o¹n thµnh c¸c ®o¹n nhá. C¸c ®o¹n cña 
*
 Qu¸ tr×nh tæng hîp m¹ch dÉn ®Çu vµ m¹ch theo sau diÔn ra ®ång thêi víi tèc 
®é t−¬ng ®−¬ng. Së dÜ gäi lµ m¹ch ra (hay chËm m¹ch theo sau) lµ do sù tæng 
hîp m¹ch nµy diÔn ra chËm h¬n chót Ýt so víi m¹ch dÉn ®Çu; mçi ph©n ®o¹n 
míi cña m¹ch ra chËm chØ ®−îc khëi ®Çu tæng hîp khi mét ®o¹n m¹ch khu«n 
ADN t¹i ch¹c sao chÐp ®· béc lé ®ñ dµi. 
§Çu 5' 
§Çu 3' 
§Çu 5' 
§Çu 3' 
ADN polymerase 
§Çu 5' 
§Çu 3' 
§Çu 5' 
§Çu 3' 
§−êng
Phosphate
Nucleoside 
triphosphate 
M¹ch míi M¹ch khu«n 
Pyrophosphate 
 H×nh 16.14 Sù kÕt hîp 
nucleotide vµo m¹ch ADN. 
Enzym ADN polymerase xóc t¸c viÖc 
bæ sung mét nucleoside triphosphate 
vµo ®Çu 3’ cña mét m¹ch ADN ®ang 
kÐo dµi, víi sù gi¶i phãng hai nhãm 
phosphate. 
Sö dông s¬ ®å nµy ®Ó gi¶i thÝch 
t¹i sao chóng ta nãi mçi m¹ch 
ADN cã tÝnh ph©n cùc. 
? 

 H×nh 16.15 Tæng hîp m¹ch dÉn ®Çu trong sao 
chÐp ADN. S¬ ®å nµy tËp trung vµo ch¹c sao chÐp bªn tr¸i 
cña mét bãng sao chÐp. ADN polymerase III (ADN pol III), ®−îc 
vÏ gièng nh− bµn tay khum h×nh chÐn, ®Ýnh kÕt chÆt chÏ víi mét 
protein ®−îc gäi lµ “kÑp tr−ît”, ®−îc vÏ gièng nh− mét chiÕt 
b¸nh vßng. Protein kÑp tr−ît “®Èy” ADN pol III tr−ît däc m¹ch 
ADN lµm khu«n. 
Bãng sao chÐp ADN tæng qu¸t 
M¹ch dÉn ®Çu M¹ch ra chËm 
§iÓm khëi ®Çu sao chÐp 
Måi 
M¹ch dÉn ®Çu M¹ch ra chËm 
ChiÒu sao 
chÐp chung 
Sau khi ®o¹n måi ARN 
®−îc t¹o ra, ADN pol III b¾t 
®Çu tæng hîp m¹ch dÉn ®Çu 
M¹ch dÉn ®Çu ®−îc 
kÐo dµi liªn tôc theo chiÒu 
5’ → 3’ cïng víi chiÒu di 
chuyÓn cña ch¹c sao chÐp 
§iÓm khëi ®Çu 
sao chÐp
Måi ARN 
Protein 
“kÑp tr−ît” 
ADN pol III ADN “mÑ” 
316 khèi kiÕn thøc 3 Di truyÒn häc 
m¹ch ra chËm nh− vËy ®−îc gäi lµ c¸c ®o¹n Okazaki theo 
tªn nhµ khoa häc NhËt b¶n ®· ph¸t hiÖn ra chóng. ë E. coli c¸c 
®o¹n Okazaki dµi kho¶ng 1000 ®Õn 2000 nucleotide, trong khi 
ë sinh vËt nh©n thËt chóng dµi kho¶ng 100 ®Õn 200 nucleotide. 
H×nh 16.16 minh häa c¸c b−íc cña qu¸ tr×nh tæng hîp m¹ch 
ra chËm. NÕu nh− ®Ó tæng hîp m¹ch dÉn ®Çu chØ cÇn mét ®o¹n 
måi duy nhÊt, th× mçi ®o¹n Okazaki trªn m¹ch ra chËm ®Òu cÇn 
riªng mét ®o¹n måi. Mét lo¹i ADN polymerase kh¸c, gäi lµ 
ADN polymerase I (ADN pol I) sÏ thay thÕ c¸c nucleotide 
ARN cña ®o¹n måi b»ng c¸c nucleotide ADN t−¬ng øng b»ng 
viÖc bæ sung tõng nucleotide vµo ®Çu 3’ cña ®o¹n Okazaki liÒn 
kÒ (®o¹n sè 2 trªn H×nh 16.16). Tuy vËy, ADN pol I kh«ng thÓ 
nèi nucleotide cuèi cïng thuéc ®o¹n ADN võa ®−îc thay thÕ 
víi nucleotide ®Çu tiªn cña ®o¹n Okazaki liÒn kÒ (®o¹n sè 1 
trªn H×nh 16.16). Lóc nµy, mét enzym kh¸c, gäi lµ ADN ligase, 
sÏ thùc hiÖn nhiÖm vô nµy; nã xóc t¸c ph¶n øng nèi khung 
®−êng - phosphate cña tÊt c¶ c¸c ®o¹n Okazaki víi nhau ®Ó t¹o 
nªn m¹ch ADN ra chËm liªn tôc. 
H×nh 16.16 vµ B¶ng 16.1 m« t¶ tãm t¾t qu¸ tr×nh sao chÐp 
ADN. H·y ®äc vµ quan s¸t tr−íc khi tiÕp tôc c¸c phÇn d−íi ®©y. 
Phøc hÖ sao chÐp ADN 
Tr−íc ®©y, ®Ó dÔ t−ëng t−îng, c¸c ph©n tö ADN polymerase 
®−îc m« t¶ gièng nh− c¸c “®Çu xe löa” di chuyÓn däc “®−êng 
ray” ADN; tuy vËy, h×nh ¶nh ®ã kh«ng chÝnh x¸c ë hai ®iÓm 
quan träng. Thø nhÊt, “bé m¸y sao chÐp ADN” trong thùc tÕ lµ 
mét phøc hÖ lín gåm nhiÒu protein kh¸c nhau. C¸c t−¬ng t¸c 
protein - protein qui ®Þnh hiÖu qu¶ vÒ chøc n¨ng cña phøc hÖ 
nµy. Ch¼ng h¹n nh−, b»ng sù t−¬ng t¸c víi c¸