ADN (Axit Deoxyribonucleic) là vật chất di truyền mang thông tin quan trọng cho sự phát triển và hoạt động của mọi sinh vật. Cấu trúc ADN xoắn kép đặc trưng không chỉ đảm bảo sự ổn định của thông tin di truyền mà còn cho phép các quá trình sao chép và phiên mã diễn ra hiệu quả. Hiểu rõ về cấu trúc và các công thức liên quan đến ADN là nền tảng quan trọng trong Sinh học phân tử. Bài viết này sẽ đi sâu vào công thức chu kỳ xoắn ADN, một khái niệm then chốt để nắm bắt cấu trúc và chức năng của ADN.
A. Cấu trúc ADN và các công thức liên quan
Trước khi đi vào công thức chu kỳ xoắn, chúng ta cần nắm vững các khái niệm cơ bản về cấu trúc ADN.
I. Số lượng Nucleotide (Nu) trong ADN
-
Trên mỗi mạch đơn:
- Tổng số Nu trên mỗi mạch là bằng nhau: A1 + T1 + G1 + X1 = A2 + T2 + G2 + X2 = N/2.
- Các Nu không nhất thiết bằng nhau trên cùng một mạch.
- Nguyên tắc bổ sung: A1 = T2; T1 = A2; G1 = X2; X1 = G2.
-
Trên cả hai mạch:
-
Số Nu mỗi loại của ADN: A = T = A1 + A2 = T1 + T2 = A1 + T1 = A2 + T2; G = X = G1 + G2 = X1 + X2 = G1 + X1 = G2 + X2.
-
Tỉ lệ %: %A = %T, %G = %X.
-
Tổng hai loại Nu khác nhóm bổ sung luôn bằng nửa số Nu của ADN (hoặc 50%): A + G = N/2 hoặc %A + %G = 50%.
-
-
Tổng số Nu của ADN (N):
- N = 2A + 2G = 2T + 2X hay N = 2(A + G).
- A + G = N/2 hoặc %A + %G = 50%.
II. Công thức chu kỳ xoắn ADN
Đây là công thức quan trọng nhất trong bài viết này.
-
Một chu kỳ xoắn chứa 10 cặp Nu, tương đương 20 Nu.
-
Công thức:
Số chu kỳ xoắn (C) = N / 20
Trong đó: N là tổng số Nu của ADN.
III. Các công thức khác liên quan đến ADN
-
Khối lượng phân tử ADN (M):
- M = N × 300 đvc (Dalton).
-
Chiều dài phân tử ADN (L):
- L = (N / 2) × 3.4 Å (Angstrom).
- Đổi đơn vị: 1 micromet = 10^4 Å; 1 micromet = 10^3 nm; 1 mm = 10^3 micromet = 10^6 nm = 10^7 Å.
-
Số liên kết Hydro (H):
- H = 2A + 3G hoặc H = 2T + 3X.
-
Số liên kết hóa trị (HT):
- Trên 1 mạch: (N/2) – 1.
- Trên 2 mạch: N – 2.
- Liên kết hóa trị đường – photphat (HT Đ-P): 2N – 2.
B. Ứng dụng công thức chu kỳ xoắn và các công thức liên quan
Hiểu và vận dụng các công thức trên giúp giải quyết nhiều bài tập và vấn đề liên quan đến ADN, bao gồm:
- Xác định số lượng Nu: Tính toán số lượng Nu mỗi loại khi biết tổng số Nu hoặc tỉ lệ phần trăm.
- Tính toán chiều dài và khối lượng: Xác định chiều dài và khối lượng của phân tử ADN dựa trên số lượng Nu.
- Phân tích cấu trúc: Ước tính số chu kỳ xoắn, số liên kết hydro và liên kết hóa trị, từ đó hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính ổn định của ADN.
- Giải bài tập di truyền: Vận dụng các công thức trong các bài toán về tự nhân đôi, phiên mã và dịch mã.
C. Ví dụ minh họa
Ví dụ 1: Một đoạn ADN có chiều dài 4080 Å. Tính số chu kỳ xoắn của đoạn ADN này.
-
Giải:
- Số Nu của ADN: N = (L / 3.4) 2 = (4080 / 3.4) 2 = 2400 Nu.
- Số chu kỳ xoắn: C = N / 20 = 2400 / 20 = 120 chu kỳ.
Ví dụ 2: Một gen có 90 chu kỳ xoắn. Số Nu loại A chiếm 20% tổng số Nu của gen. Tính số liên kết hydro của gen.
-
Giải:
- Tổng số Nu của gen: N = C 20 = 90 20 = 1800 Nu.
- Số Nu loại A: A = 20% N = 0.2 1800 = 360 Nu.
- Số Nu loại G: G = (N / 2) – A = (1800 / 2) – 360 = 540 Nu.
- Số liên kết hydro: H = 2A + 3G = 2 360 + 3 540 = 2340 liên kết.
D. Cơ chế tự nhân đôi ADN và các công thức liên quan
I. Số Nucleotide tự do cần dùng
-
Một lần tự nhân đôi:
- Atd = Ttd = A = T ; Gtd = Xtd = G = X
- Ntd = N
-
Nhiều lần tự nhân đôi (x lần):
- Tổng số ADN con = 2^x
- Số ADN con có 2 mạch hoàn toàn mới = 2^x – 2
- Tổng số Nu tự do cần dùng: ∑Ntd = N.2^x – N = N(2^x – 1)
- Số Nu tự do mỗi loại: ∑Atd = ∑Ttd = A(2^x – 1) ; ∑Gtd = ∑Xtd = G(2^x – 1)
- Nếu tính số Nu tự do của ADN con có 2 mạch hoàn toàn mới: ∑Ntd mới = N(2^x – 2); ∑Atd mới = ∑Ttd mới = A(2^x – 2); ∑Gtd mới = ∑Xtd mới = G(2^x – 2)
II. Liên kết hidro và liên kết hóa trị
-
Một lần tự nhân đôi
- Số liên kết hidro bị phá vỡ: Hbị đứt = HADN
- Số liên kết hidro hình thành: Hht= 2.HADN
- Số liên kết hóa trị hình thành: N-2
-
Nhiều lần tự nhân đôi (x lần)
-
Tổng số liên kết hidro bị phá vỡ: ∑Hbị phá vỡ = H(2^x – 1)
-
Tổng số liên kết hidro hình thành: ∑Hht = H×2^x
-
Tổng số liên kết hóa trị được hình thành: (N-2)(2.2^x – 2)/2
-
III. Thời gian sao mã
-
Thời gian tự nhân đôi
-
Thời gian để 2 mạch của ADN tiếp nhận và kiên kết nu tự do
-
Thời gian để tiếp nhận và liên kết trong 1 nu là dt , thời gian tự sao dược tính là: t = N/2 * dt
-
Khi biết tốc độ tự sao (mỗi giây liên kết được bao nhiêu nu )thì thời gian tự nhân đôi của ADN là: t = N/2 : V
-
Kết luận
Nắm vững công thức chu kỳ xoắn ADN và các công thức liên quan là rất quan trọng để hiểu sâu sắc về cấu trúc và chức năng của ADN. Việc áp dụng các công thức này giúp giải quyết các bài tập Sinh học một cách hiệu quả và mở ra cánh cửa khám phá thế giới di truyền đầy thú vị.
