Quá trình nhân đôi ADN

Nhân đôi ADN là quá trình một phân tử ADN xoắn kép được sao chép để tạo ra hai phân tử ADN giống hệt nhau. Nhân đôi ADN là một trong những quá trình cơ bản nhất xảy ra trong tế bào. Mỗi lần tế bào phân chia, hai tế bào con thu được phải mang chính xác thông tin di truyền hoặc ADN như tế bào mẹ. Để thực hiện điều này, mỗi sợi ADN hoạt động như một khuôn mẫu để sao chép.

Quá trình sao chép xảy ra theo ba giai đoạn chính:

• Tháo chuỗi xoắn kép và tách sợi ADN
• Tạo mồi trên sợi mẫu
• Lắp ráp đoạn ADN mới

Trong khi phân tách, hai sợi của chuỗi ADN xoắn kép mở ra tại một vị trí gọi là điểm gốc. Một số enzyme và protein sau đó làm việc cùng nhau chuẩn bị cho các sợi thực hiện nhân đôi. Cuối cùng, một loại enzyme đặc biệt tên là ADN polymerase điều phối công đoạn lắp ráp các sợi ADN mới. Quá trình nhân đôi áp dụng chung cho tất cả các tế bào, nhưng một số biến thể trong quy trình có thể xảy ra tùy thuộc vào cơ quan và loại tế bào.

Diễn biến quá trình nhân đôi ADN

1. Đầu tiên, một enzyme tên là helicase phá vỡ các liên kết hydro giữ những cặp base (A với T, C với G) để tháo gỡ cấu trúc xoắn kép của phân tử ADN.
2. Hai chuỗi ADN đơn tách ra tạo thành hình chữ ‘Y’ được gọi là ‘ngã ba’ sao chép. Hai chuỗi này sẽ làm mẫu để tạo ra các sợi ADN mới.
3. Sợi ADN xếp theo chiều từ 3′ đến 5′ (về phía ngã ba sao chép) gọi là sợi dẫn đầu. Sợi còn lại xếp theo chiều từ 5’ đến 3’ (cách xa ngã ba sao chép) gọi là sợi trễ. Mỗi sợi được sao chép khác nhau tùy theo hướng sắp xếp.

Sợi dẫn đầu

1. Một đoạn ARN ngắn gọi là đoạn mồi (được tạo ra bởi enzyme primase) bám theo sau và liên kết với phần đuôi của sợi dẫn đầu. Đoạn mồi đánh dấu vị trí khởi đầu cho quá trình tổng hợp ADN.
2. ADN polymerase liên kết với sợi dẫn đầu, sau đó “chạy” dọc theo và thêm các base nucleotide mới tương ứng (A, C, G và T) vào sợi ADN theo chiều 5 ’đến 3’. Kiểu sao chép này được gọi là liên tục.

Sợi trễ

1. Nhiều đoạn ARN mồi được tạo ra bởi enzyme primase và liên kết tại các điểm khác nhau dọc theo sợi trễ.
2. Các đoạn ADN gọi là đoạn Okazaki được thêm vào sợi trễ cũng theo hướng 5 ‘đến 3’. Kiểu sao chép này gọi là không liên tục vì các đoạn Okazaki cần được nối với nhau sau này.

1. Khi tất cả các base đều khớp với nhau (A với T, C với G), enzyme exonuclease sẽ loại bỏ các đoạn mồi rồi lấp đầy khoảng trống bằng những nucleotide tương ứng.
2. Sợi mới được đọc lại để đảm bảo không có sai sót trong trình tự ADN mới.
3. Cuối cùng, enzyme ligase sẽ đóng trình tự ADN lại thành hai sợi kép liên tục.
4. Quá trình nhân đôi ADN tạo thành hai phân tử ADN gồm một chuỗi nucleotide mới và một chuỗi nucleotide cũ. Quá trình này được gọi là bán bảo toàn, bởi vì phân nửa chuỗi thuộc về phân tử ADN ban đầu, chỉ một nửa là hoàn toàn mới.
5. Sau khi sao chép, ADN mới sẽ tự động chuyển thành chuỗi xoắn kép.

Tốc độ sao chép

Với vi khuẩn nhân sơ E. coli, quá trình sao chép có thể xảy ra với tốc độ 1.000 nucleotide mỗi giây. Trong khi đó, ADN của người sao chép với tốc độ 50 nucleotide mỗi giây. Trong cả hai trường hợp, quá trình sao chép xảy ra nhanh vì có nhiều polymerase tổng hợp hai sợi mới cùng một lúc từ hai sợi mẫu ban đầu. Quá trình sao chép tất cả ADN trong một tế bào người chỉ mất vài giờ đồng hồ. Vào cuối quá trình này, một khi tất cả ADN được sao chép, tế bào thực sự có gấp đôi số lượng ADN cần thiết. Trong phần lớn trường hợp, tế bào có sau cùng thể phân chia và tách ADN này vào tế bào con, từ đó tạo thành tế bào con hoàn toàn giống với tế bào mẹ về mặt di truyền.