Mục lục bài họcĐang ở d06-b1
DNA Structure and Semi-conservative Replication
The structure that makes copying possible
A DNA nucleotide is deoxyribose, a phosphate group and one of four bases. Nucleotides join through phosphodiester bonds between the phosphate on carbon $5$ of one sugar and the hydroxyl on carbon $3$ of the next, so every strand has a $5'$ end and a $3'$ end. The two strands of the double helix run antiparallel and are held together by hydrogen bonds between complementary bases: $A$ pairs with $T$ using two hydrogen bonds, $G$ pairs with $C$ using three. A purine always pairs with a pyrimidine, which keeps the width of the helix constant. Because $G$–$C$ pairs have three bonds, DNA with a high $G$–$C$ content needs a higher temperature to separate its strands.
Semi-conservative replication
DNA helicase unwinds the double helix and breaks the hydrogen bonds, exposing two template strands. DNA polymerase adds free nucleotides that pair with the templates, but it can only add to the $3'$ end of a growing strand, so synthesis always runs in the $5'$ to $3'$ direction. On one template that direction points towards the fork, so synthesis is continuous; on the other it points away, so the strand is made as a series of short fragments that DNA ligase later joins. Each new molecule ends up with one original strand and one new strand — this is what semi-conservative means.
The evidence
Meselson and Stahl grew bacteria in a medium containing heavy nitrogen so that all their DNA was dense, then transferred them to normal nitrogen. After one round of replication all the DNA had intermediate density, which ruled out conservative replication. After two rounds, half the DNA was intermediate and half was light, which ruled out dispersive replication. Only the semi-conservative model predicts both results.
Cấu trúc đã sẵn sàng cho việc sao chép
Một nucleotide của DNA gồm đường deoxyribose, nhóm phosphate và một trong bốn base. Các nucleotide nối nhau bằng phosphodiester bond giữa nhóm phosphate ở carbon số $5$ của đường này với nhóm hydroxyl ở carbon số $3$ của đường kế tiếp, nên mọi mạch đều có một đầu $5'$ và một đầu $3'$. Hai mạch của chuỗi xoắn kép chạy antiparallel (ngược chiều nhau) và được giữ bằng hydrogen bond giữa các base bổ sung: $A$ ghép với $T$ bằng hai hydrogen bond, $G$ ghép với $C$ bằng ba. Một purine luôn ghép với một pyrimidine, nhờ đó bề rộng chuỗi xoắn không đổi. Vì cặp $G$–$C$ có ba liên kết, DNA giàu $G$–$C$ cần nhiệt độ cao hơn mới tách được hai mạch.
Nhân đôi bán bảo toàn
DNA helicase tháo xoắn và phá hydrogen bond, để lộ hai mạch khuôn. DNA polymerase lắp các nucleotide tự do khớp với khuôn, nhưng nó chỉ nối được vào đầu $3'$ của mạch đang lớn, nên tổng hợp luôn chạy theo chiều $5'$ tới $3'$. Trên một mạch khuôn, chiều đó hướng về phía chạc sao chép nên tổng hợp diễn ra liên tục; trên mạch kia nó hướng ra xa nên mạch mới được tạo thành nhiều đoạn ngắn, và DNA ligase nối chúng lại sau. Mỗi phân tử con cuối cùng gồm một mạch cũ và một mạch mới — đó chính là nghĩa của semi-conservative.
Bằng chứng
Meselson và Stahl nuôi vi khuẩn trong môi trường chứa nitrogen nặng để toàn bộ DNA của chúng có tỉ trọng cao, rồi chuyển sang nitrogen thường. Sau một lần nhân đôi, toàn bộ DNA có tỉ trọng trung gian — kết quả này loại bỏ mô hình bảo toàn. Sau hai lần, một nửa DNA ở tỉ trọng trung gian và một nửa ở tỉ trọng nhẹ — kết quả này loại bỏ mô hình phân tán. Chỉ mô hình bán bảo toàn tiên đoán đúng cả hai.
Một phân tử DNA mạch kép có $18\%$ nucleotide mang cytosine. Tính phần trăm của ba base còn lại, và cho biết phân tử này cần nhiệt độ cao hơn hay thấp hơn một phân tử có $30\%$ cytosine để tách hai mạch.
Bước 1 — dùng ghép cặp bổ sung. Mỗi $C$ ghép với một $G$, nên $\%G = \%C = 18\%$.
Bước 2 — phần còn lại. Bốn base cộng lại bằng $100\%$: $\%A + \%T = 100 - 18 - 18 = 64\%$.
Bước 3 — chia đôi. Mỗi $A$ ghép với một $T$ nên $\%A = \%T = 64 \div 2 = 32\%$.
Kết quả: $A = 32\%$, $T = 32\%$, $G = 18\%$, $C = 18\%$. Cộng lại: $32+32+18+18 = 100$.
Câu về nhiệt độ. Cặp $G$–$C$ có ba hydrogen bond, cặp $A$–$T$ chỉ có hai. Phân tử của đề chỉ có $36\%$ base thuộc cặp $G$–$C$, trong khi phân tử kia có $60\%$. Ít liên kết hơn nghĩa là hai mạch dễ tách hơn, nên phân tử của đề cần nhiệt độ thấp hơn.
Lưu ý điều kiện. Toàn bộ lập luận này chỉ đúng với DNA mạch kép. Với RNA mạch đơn thì không có ràng buộc $A = U$ hay $G = C$ nào cả, và bài toán không giải được.
Vi khuẩn được nuôi nhiều thế hệ trong môi trường chứa nitrogen nặng, rồi chuyển sang môi trường nitrogen thường. Dự đoán vị trí và tỉ lệ các vạch DNA sau một, hai và ba lần nhân đôi theo mô hình bán bảo toàn, và giải thích vì sao kết quả sau hai lần mới loại được mô hình phân tán.
Sau một lần nhân đôi. Mỗi phân tử con gồm một mạch nặng cũ và một mạch nhẹ mới, nên toàn bộ DNA nằm ở vạch lai (trung gian). Không còn vạch nặng nào.
Sau hai lần. Mỗi phân tử lai tách ra: mạch nặng làm khuôn cho một phân tử lai mới, mạch nhẹ làm khuôn cho một phân tử hoàn toàn nhẹ. Kết quả: một nửa lai, một nửa nhẹ.
Sau ba lần. Số mạch nặng vẫn chỉ có hai, và chúng vẫn nằm trong hai phân tử lai. Tổng số phân tử là tám, nên tỉ lệ là $2$ lai trên $6$ nhẹ, tức $25\%$ lai và $75\%$ nhẹ.
Vì sao phải chờ tới lần thứ hai. Mô hình bảo toàn đã bị loại ngay ở lần một, vì nó tiên đoán hai vạch tách bạch — một nặng nguyên vẹn và một nhẹ hoàn toàn — chứ không phải một vạch lai duy nhất.
Nhưng mô hình phân tán, trong đó mỗi mạch là hỗn hợp đoạn cũ và đoạn mới rải đều, cũng tiên đoán một vạch trung gian duy nhất ở lần một. Hai mô hình chỉ tách nhau ở lần hai: phân tán tiên đoán một vạch duy nhất ở tỉ trọng lưng chừng giữa lai và nhẹ, còn bán bảo toàn tiên đoán hai vạch tách bạch. Thực nghiệm cho hai vạch, nên phân tán bị loại.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Nucleic Acids and Protein Synthesis gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.