Câu 5. Một phân tử DNA của một tế bào có hiệu số %G với nucleotide không bổ sung bằng 20%. Biết số nucleotide loại G của phân tử DNA trên bằng 14000 nucleotide. Khi DNA trên nhân đôi bốn lần, hãy xác đ...

Ta có một phân tử DNA kép với 4 loại nucleotide A, T, G, C. Cho biết “hiệu số %G với nucleotide không bổ sung” bằng 20% và số nucleotide G của phân tử (trong toàn DNA kép) là 14.000, ta sẽ xác định số lượng của mỗi nucleotide trong phân tử ban đầu, sau đó tính số nucleotide môi trường cung cấp (để tổng hợp các sợi mới) qua 4 vòng nhân đôi, cũng như số liên kết cộng hoá trị (phosphodiester) và số liên kết hydrogen bị phá huỷ. Trong DNA kép theo nguyên lý Watson–Crick và định lý Chargaff thông thường, các cặp bổ sung là: A với T và G với C. Tuy nhiên, trong một số trường hợp (ví dụ: một số DNA vi khuẩn, vi rút hay DNA một chuỗi đơn) các thành phần trên từng sợi có thể không đối xứng. Ở đây đề bài được đưa ra theo dạng “hiệu số %G với nucleotide không bổ sung” bằng 20% – ta chọn hiểu rằng trên một trong các sợi (hoặc nhìn theo thành phần toàn DNA kép) phần trăm nucleotide G vượt phần trăm nucleotide (không là bổ sung của G) – tức là nucleotide A, chênh lệch 20 điểm phần trăm. Nhận xét: Vì theo quy tắc Chargaff trong DNA kép, tổng số G = tổng số C và tổng số A = tổng số T. Ta đặt:   Số nucleotide của toàn phân tử DNA kép = N.   G = 14.000 → C = 14.000.   Giả sử số A = số T = x. Như vậy: N = 14.000 + 14.000 + x + x = 28.000 + 2x. Tính phần trăm của G (trên toàn DNA kép):   %G = (14.000 / N) × 100. Phần trăm của nucleotide “không bổ sung” với G được hiểu là nucleotide A (vì A không kết hợp với G) nên:   %A = (x / N) × 100. Theo đề: hiệu số %G – %A = 20, tức   [14.000/N – x/N] × 100 = 20 ⟹ (14.000 – x)/(N) = 0.2. Biết N = 28.000 + 2x nên   14.000 – x = 0.2 (28.000 + 2x) = 5.600 + 0.4x. Giải:   14.000 – x – 5.600 – 0.4x = 0 ⟹ 8.400 – 1.4x = 0 ⟹ x = 8.400/1.4 = 6.000. Vậy tổng số nucleotide trong DNA kép:   A = 6.000, T = 6.000, G = 14.000, C = 14.000. Tỷ lệ phần trăm:   %A = 6.000/40.000 ×100 = 15%,   %G = 14.000/40.000 ×100 = 35%, chênh lệch = 35% – 15% = 20% như đề cho. Lưu ý: Vì DNA kép nên mỗi sợi độc lập có số nucleotide bằng một nửa số trên toàn phân tử. Do đó mỗi sợi có:   A = 3.000, T = 3.000, G = 7.000, C = 7.000, tổng = 20.000 nucleotide. Sau đó, xét quá trình nhân đôi 4 lần theo cơ chế bán bảo tồn: ──────────────────────────── (I) Tính số nucleotide môi trường cung cấp (cho các sợi tổng hợp mới): Ban đầu ta có 1 phân tử gồm 2 sợi (40.000 nucleotide). Trong cơ chế bán bảo tồn, mỗi vòng nhân đôi, từ mỗi phân tử ban đầu, mỗi sợi cũ làm khuôn cho một sợi mới. Do đó: • Vòng nhân đôi 1: Mỗi phân tử ban đầu tạo ra 2 phân tử, trong đó có 2 sợi mới được tổng hợp. • Sau đó:   Vòng 1: số phân tử ban đầu =1, số sợi mới = 2.   Vòng 2: số phân tử nhân đôi = 2, số sợi mới = 2 × 2 = 4.   Vòng 3: số phân tử nhân đôi = 4, số sợi mới = 4 × 2 = 8.   Vòng 4: số phân tử nhân đôi = 8, số sợi mới = 8 × 2 = 16. Tổng số sợi mới tổng hợp = 2 + 4 + 8 + 16 = 30. Vì mỗi sợi mới được tổng hợp dựa trên khuôn của một sợi cũ có thành phần (A, T, G, C) là: (3.000; 3.000; 7.000; 7.000) nhưng sợi tổng hợp là bổ sung (nghịch đảo các cặp):   Nếu khuôn có: A, T, G, C thì sợi bổ sung có: T, A, C, G. Nhưng về số lượng, mỗi sợi mới cũng sẽ có:   A: 3.000, T: 3.000, G: 7.000, C: 7.000. (Vì tổng hợp theo cặp nên về tổng số của mỗi nucleotide qua toàn hệ thống môi trường, chỉ cần nhân số trên một sợi mới với số sợi mới.) Do đó, số nucleotide môi trường cung cấp qua 4 vòng là:   Nucleotide A: 3.000 × 30 = 90.000.   Nucleotide T: 3.000 × 30 = 90.000.   Nucleotide G: 7.000 × 30 = 210.000.   Nucleotide C: 7.000 × 30 = 210.000. Tổng số: 90.000 + 90.000 + 210.000 + 210.000 = 600.000 nucleotide mới. ──────────────────────────── (II) Tính số liên kết cộng hoá trị được hình thành trong quá trình: Liên kết cộng hoá trị ở đây là liên kết phosphodiester nối các nucleotide trong sợi (trong phản ứng polyme hóa, mỗi sợi mới có số liên kết bằng (số nucleotide – 1)). Mỗi sợi mới có 20.000 nucleotide → 19.999 liên kết. Tổng số sợi mới = 30 nên số liên kết cộng hoá trị hình thành:   = 30 × 19.999 = 599.970. ──────────────────────────── (III) Tính số liên kết hydrogen bị phá huỷ: Để nhân đôi DNA, cần “tách” mở đôi xoắn qua quá trình khuếch tách qua enzyme helicase, tức phá vỡ các liên kết hydrogen giữa các cặp base. Trong phân tử DNA ban đầu có 40.000 nucleotide → tức có 20.000 cặp base. Số liên kết hydrogen trong mỗi cặp phụ thuộc vào cặp nucleotide:   – Cặp A–T có 2 liên kết hydrogen.   – Cặp G–C có 3 liên kết hydrogen. Ta có số lượng nucleotide:   Tổng A = 6.000, T = 6.000 → nên số cặp A–T = 6.000 (vì mỗi cặp A–T có 1 A và 1 T).   Tổng G = 14.000, C = 14.000 → số cặp G–C = 14.000. Vậy trong mỗi phân tử DNA ban đầu số liên kết hydrogen là:   = (số cặp A–T × 2) + (số cặp G–C × 3)   = 6.000×2 + 14.000×3   = 12.000 + 42.000 = 54.000. Trong quá trình nhân đôi, ở mỗi vòng, mỗi phân tử DNA bị “mở” lên để tổng hợp sợi mới. Số phân tử được nhân đôi theo vòng như sau:   Vòng 1: 1 phân tử → phá vỡ 54.000 liên kết.   Vòng 2: 2 phân tử → 2×54.000 = 108.000.   Vòng 3: 4 phân tử → 4×54.000 = 216.000.   Vòng 4: 8 phân tử → 8×54.000 = 432.000. Tổng số liên kết hydrogen bị phá huỷ qua 4 vòng:   = 54.000 + 108.000 + 216.000 + 432.000 = 810.000. ──────────────────────────── Tóm lại: (a) Số nucleotide được cung cấp cho sợi mới (của môi trường) qua 4 vòng nhân đôi:   A: 90.000, T: 90.000, G: 210.000, C: 210.000. (b) Số liên kết cộng hoá trị hình thành: 599.970. (c) Số liên kết hydrogen phá huỷ: 810.000. Đáp án trên dựa trên giả định rằng “hiệu số %G với nucleotide không bổ sung” có nghĩa là phần trăm guanine vượt phần trăm nucleotide A (nội dung nucleotide không bổ sung đối với G) lên 20 điểm phần trăm trên toàn DNA kép.