Lesson 02 — DNA & nhân đôi

Bộ công cụ tương tác: bắt cặp bổ sung từ mạch khuôn, mô phỏng chạc nhân đôi với 5 bước enzyme, mô phỏng thí nghiệm Meselson–Stahl, và máy tính tốc độ nhân đôi với nhiều origin song song.

1. Bắt cặp bổ sung — viết mạch đối song

Nhập mạch khuôn (template) chiều 5'→3'. Viz tự tính mạch bổ sung (đối song) và đếm A, T, G, C, liên kết hydrogen.

Mạch khuôn 5'→3':

Chỉ chấp nhận A, T, G, C. Tối đa 40 nucleotide.

A (purine) T (pyrimidine) G (purine) C (pyrimidine)

A = 0 T = 0 G = 0 C = 0 Liên kết H = 0

Quy ước: 5'→3' đọc trái sang phải cho mạch trên; mạch dưới chiều ngược lại (3'→5'). A–T có 2 liên kết H, G–C có 3.

2. Chạc nhân đôi — đội ngũ enzyme từng bước

Click các bước theo thứ tự để xem enzyme nào làm gì tại chạc. Có thể click "Tiếp theo" hoặc click thẳng vào ô bước.

3. Meselson–Stahl — theo dõi DNA nặng / nhẹ / lai

Bắt đầu với 1 DNA mẹ "nặng" (cả 2 mạch N15). Chuyển sang môi trường N14 và kéo thanh để xem trạng thái sau n chu kỳ. Viz tính số DNA, tỉ lệ lai vs nhẹ, và mô phỏng vị trí băng ly tâm.

Số chu kỳ n: n = 2

Tổng DNA = 4 Nặng (N15+N15) = 0 Lai (N15+N14) = 2 Nhẹ (N14+N14) = 2

Băng ly tâm dự đoán (gradient CsCl):

nặng (N15) → ← nhẹ (N14)

📐 Công thức tổng quát

Sau n chu kỳ trong N14 từ 1 DNA mẹ nặng:

Tổng DNA con = 2ⁿ.
DNA "nặng" = 0 (sau chu kỳ 1 trở đi).
DNA "lai" = luôn 2 (vì chỉ có 2 mạch N15 gốc).
DNA "nhẹ" = 2ⁿ − 2.

Tỉ lệ % lai = 2/2ⁿ = 1/2ⁿ⁻¹. n=1: 100% lai; n=2: 50%; n=3: 25%; n=10: ~0.2%.

4. Tốc độ nhân đôi — chơi với origin song song

Genome lớn nhân đôi nhanh nhờ nhiều origin chạy song song. Mỗi origin cho 2 chạc đi ngược nhau. Kéo các thanh và xem thời gian thay đổi.

Loài:

Số origin: k = 1

Số chạc = 2 Thời gian = 38m 20s Mỗi chạc gánh 2.3 Mbp

📐 Công thức

t = (genome size) / (2k × v) · k = số origin, v = tốc độ/chạc. Mỗi origin → 2 chạc đi ngược chiều.

Trong thực tế các origin không khởi động đồng thời nên thời gian thực dài hơn ước lượng. Ở người: ~30,000 origin nhưng pha S kéo dài ~8h, không phải ~17 phút như công thức lý tưởng.

5. Tóm lược cấu trúc và quá trình

Khía cạnh	Chi tiết
Cấu trúc DNA	Xoắn kép, 2 mạch antiparallel (5'→3' & 3'→5'), ~10 bp/vòng, đường kính 2 nm
Bắt cặp	A–T (2 H-bond), G–C (3 H-bond); purine + pyrimidine
Cơ chế nhân đôi	Bán bảo toàn (Meselson–Stahl 1958): mỗi con = 1 mạch cũ + 1 mạch mới
Chiều tổng hợp	5'→3'; cần đầu 3'-OH; cần primer khởi đầu
Enzyme chính	Helicase, topoisomerase, SSB, primase, DNA pol III, DNA pol I, ligase
Mạch dẫn đầu vs trễ	Liên tục vs ngắt quãng (đoạn Okazaki ~1500 nt vi khuẩn, ~150 nt người)
Sai sót cuối	~10⁻⁹ nhờ proofreading + mismatch repair