Gene và sự tái bản DNA

I. Chức năng của DNA

Ở hầu hết sinh vật, deoxyribonucleic acid (DNA) là vật chất di truyền. 

 

DNA có chức năng:

• Mang thông tin di truyền: Thành phần, số lượng và trật tự sắp xếp các đơn phân nucleotide trên một mạch DNA là thông tin di truyền đặc thù của mỗi cá thể. Các liên kết hóa học giữa các nucleotide giúp DNA bền vững, bảo quản thông tin di truyền ổn định.
• Truyền thông tin di truyền: Nucleotide trên hai mạch đơn DNA liên kết nhau bằng liên kết hydrogen theo nguyên tắc bổ sung: A - T, G - C và ngược lại. Liên kết này yếu, có thể tách nhau trong quá trình tái bản DNA để tạo thành hai mạch khuôn, khi đó các nucleotide mới kết cặp với các nucleotide mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung. Nhờ tái bản, DNA truyền thông tin di truyền qua các thế hệ tế bào và cơ thể.
• Biểu hiện thông tin di truyền: Trình tự nucleotide của DNA được truyền qua nucleotide của RNA, từ đó quy định trình tự amino acid của protein. Protein là cơ sở hình thành các cấu trúc, chức năng tế bào và tính trạng của cơ thể. → DNA có chức năng biểu hiện thông tin di truyền.
• Tạo biến dị: Trình tự nucleotide của DNA có khả năng biến đổi, dẫn đến đột biến gen có lợi, có hại hoặc trung tính. Biến dị di truyền là nguyên liệu của chọn lọc tự nhiên và tiến hóa. Nhờ đó, sinh giới trở nên đa dạng và phong phú.​​

II. Khái niệm, cấu trúc và phân loại gene

1. Khái niệm và cấu trúc của gene

Gene là đoạn trình tự nucleotide trên DNA mang thông tin di truyền mã hóa RNA hoặc chuỗi polypeptide.

Quá trình biểu hiện gene: Gene → RNA → polypeptide → protein.

Cấu trúc một gene:

• Vùng điều hòa: Có trình tự khởi động tổng hợp RNA → điều hòa lượng sản phẩm của gene.
• Vùng mã hóa: Chứa thông tin di truyền quy định trình tự RNA hoặc chuỗi polypeptide.
• Vùng kết thúc: Mang tín hiệu kết thúc quá trình tổng hợp RNA.

2. Các loại gene

Dựa vào chức năng: Gene cấu trúc và gene điều hòa.

• Gene cấu trúc: Gene mã hóa protein hình thành cấu trúc hoặc thực hiện một số chức năng khác nhưng không có chức năng điều hòa. Ví dụ: Gene mã hóa protein cấu trúc màng tế bào, gene mã hóa enzyme amylase xúc tác phản ứng thủy phân tinh bột, gene mã hóa rRNA, tRNA,...
• Gene điều hòa: Gene mã hóa protein điều hòa hoạt động của gene cấu trúc. Ví dụ: Gene mã hóa protein ức chế/hoạt hóa mức độ biểu hiện của các gene mã hóa enzyme.

Dựa vào cấu trúc vùng mã hóa: Gene không phân mảnh và gene phân mảnh.

• Gene không phân mảnh: Vùng mã hóa chỉ có trình tự được dịch mã. Vi khuẩn chỉ có gene không phân mảnh. Ở sinh vật nhân thực, gene không phân mảnh chiếm tỉ lệ nhỏ.

• Gene phân mảnh: Vùng mã hóa gồm các đoạn trình tự được dịch mã (exon) xen kẽ các đoạn không được dịch mã (intron). Gene phân mảnh có ở sinh vật nhân thực và một số ít vi sinh vật cổ.

III. Tái bản DNA

Là quá trình tạo ra bản sao giống với phân tử DNA ban đầu. Diễn biến: 

• Hai mạch của DNA mẹ tách nhau, mỗi mạch làm khuôn để tổng hợp mạch mới theo nguyên tắc bổ sung và theo chiều 5' → 3' nhờ sự xúc tác của enzyme DNA polymerase.
• Một mạch được tổng hợp liên tục (mạch dẫn đầu); một mạch được tổng hợp gián đoạn (đoạn Okazaki), sau đó enzyme DNA ligase nối các đoạn ngắn này thành mạch hoàn chỉnh (mạch ra chậm).
• Nguyên tắc bán bảo toàn: Mỗi DNA con có một mạch từ DNA mẹ, một mạch mới tổng hợp.

Trước khi nguyên phân, ở pha S của chu kì tế bào, DNA trong tế bào mẹ tái bản và phân chia về hai tế bào con. → Hai tế bào con có thông tin di truyền giống hệt nhau.

Trong giảm phân tạo giao tử, sự nhân đôi của nhiễm sắc thể bắt nguồn từ sự tái bản DNA xảy ra một lần trước giảm phân I. Nhiễm sắc thể phân li hai lần trong giảm phân → tạo ra các giao tử mang một nửa DNA trong nhân so với tế bào lưỡng bội trước giảm phân.

Trong thụ tinh, sự kết hợp các nhiễm sắc thể trong giao tử - là bản sao DNA từ bố và mẹ tạo nên các cặp nhiễm sắc thể tương đồng ở hợp tử.

Như vậy, tái bản DNA là cơ chế phân tử của sự truyền thông tin di truyền qua các thế hệ tế bào và các thế hệ cơ thể.

 

​IV. Thực hành tách chiết DNA

Cơ sở lí thuyết

Có thể tách chiết DNA từ tế bào sinh vật thông qua việc phá vỡ tế bào bằng dung dịch chất tẩy rửa và NaCl; kết tủa DNA bằng dung môi như ethanol hoặc isopropanol.

Các bước tiến hành

Chuẩn bị

• Dụng cụ: Cối và chày sứ, cốc thủy tinh, cốc đong (cốc có chia vạch), ống nghiệm, phễu, giấy lọc, thìa, que tăm, thiết bị chụp ảnh.

• Hóa chất: Ethanol 90° hoặc isopropanol 99% được giữ lạnh ở nhiệt độ 2 – 4 °C, nước rửa bát dạng lỏng, muối ăn (NaCl), nước cất.

• Mẫu vật: Quả dâu tây, quả chuối, củ hành tây, lá non hoặc gan lợn. Mẫu vật được giữ ở ngăn đông của tủ lạnh (–20 đến 0 °C) qua đêm trước khi dùng để tách DNA.

​Tiến hành 

• Cho 50 g mẫu thực vật vào cối sứ. Dùng chày nghiền nát mẫu thành hỗn hợp đồng nhất.
• Lấy 50 mL nước, bổ sung 1 thìa muối ăn khoảng 5 g (NaCl) và 1 – 2 mL nước rửa bát dạng lỏng, lắc trộn đều tạo thành một hỗn hợp.
• Rót hỗn hợp này vào cối có mẫu đã nghiền sẵn, trộn đều mẫu trong hỗn hợp tạo dịch nghiền đồng nhất. Rót dịch nghiền vào phễu có lót sẵn giấy lọc để lọc bỏ phần bã, thu được dịch lọc.
• Rót một thể tích tương đương ethanol lạnh vào cốc dịch lọc (rót từ từ vào thành cốc để tạo thành một lớp ethanol phía trên dịch lọc). Các sợi màu trắng từ từ xuất hiện trong lớp ethanol phía trên. Chuyển dung dịch ethanol phía trên chứa DNA sang một ống nghiệm sạch. Để ống nghiệm ở nhiệt độ 0 – 4 °C, DNA từ từ kết tủa trong dung dịch ethanol.
• Chụp ảnh kết quả tách chiết DNA.

Báo cáo kết quả thí nghiệm

 

• Trả lời câu hỏi: Vì sao cần bổ sung nước rửa bát vào mẫu sau khi nghiền? Mục đích của việc sử dụng alcohol (như ethanol 90°) trong tách chiết DNA là gì?
• Viết báo cáo kết quả thí nghiệm theo mẫu dưới đây:

1. DNA có cấu trúc hóa học phù hợp với chức năng là vật chất di truyền: mang thông tin di truyền, truyền thông tin di truyền, biểu hiện thông tin di truyền, tạo biến dị.
2. Gene là một đoạn trình tự nucleotide trên phân tử DNA mang thông tin mã hóa RNA hoặc chuỗi polypeptide. Cấu trúc của một gene điển hình gồm vùng điều hòa, vùng mã hóa và vùng kết thúc tổng hợp RNA.
3. Dựa vào chức năng, gene được phân loại thành gene điều hòa và gene cấu trúc; dựa vào cấu trúc, gene được chia thành: gene phân mảnh và gene không phân mảnh.
4. Tái bản DNA là quá trình tạo ra bản sao giống với phân tử DNA ban đầu, từ đó, thông tin di truyền được truyền qua các thế hệ tế bào và các thế hệ cơ thể.