Bài học

Luyện bài tập tính toán trên DNA và gene

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em vận dụng lại nguyên tắc bổ sung, cách tính số lượng nucleotide, quy luật nhân đôi DNA và mối liên hệ giữa chiều dài gene với số amino acid để giải các bài tính toán nhiều bước trên DNA và gene.

Kiến thức nền cần nhớ

Khóa 3 đã dạy cấu trúc DNA, nguyên tắc bổ sung, sự nhân đôi và mối liên hệ gene — mã di truyền (same-grade bridge). Bài này không thêm khái niệm mới, mà luyện cách phối hợp nhiều công thức trong CÙNG một câu hỏi — đúng cách một câu tự luận đề thi thường ra: cho một, hai dữ kiện, rồi hỏi liên tiếp nhiều đại lượng khác nhau của cùng một gene.

Khởi động

Nếu biết một phân tử DNA có tổng 3000 nucleotide và 20% trong số đó là A, em có thể tính ra TẤT CẢ các đại lượng còn lại của phân tử — không cần đo thêm gì. Vì sao chỉ hai con số lại đủ để suy ra toàn bộ phần còn lại?

Kiến thức trọng tâm

Nguyên tắc bổ sung trên phân tử DNA mạch kép: A liên kết với T, G liên kết với C. Vì vậy, tính trên toàn phân tử, số nucleotide loại A luôn bằng số nucleotide loại T, và số loại G luôn bằng số loại C. Từ đó suy ra: tổng tỉ lệ phần trăm A và G luôn bằng 50% tổng số nucleotide (vì A+T=50% và G+C=50%, mà A=T, G=C). Chỉ cần biết tổng số nucleotide N và tỉ lệ phần trăm của MỘT loại, em tính được số lượng của cả bốn loại.

Chiều dài gene và số amino acid: mỗi ba nucleotide trên mạch mã hoá (một bộ ba) quy định một amino acid, đọc liên tục không chồng lấp. Ta dùng đúng quy ước đã học ở Khóa 3: số bộ ba trên gene bằng $N/6$ (vì mỗi mạch chỉ có $N/2$ nucleotide, chia tiếp cho 3 nucleotide mỗi bộ ba); bộ ba cuối cùng là bộ ba kết thúc, không mã hoá amino acid, nên số amino acid trong chuỗi polypeptide bằng $N/6 - 1$ . Đây là một quy ước cần nêu rõ trước khi dùng, giống mọi công thức sinh học khác.

Chiều dài gene và số amino acid: mỗi ba nucleotide trên mạch mã hoá (một bộ ba) quy định một amino acid, đọc liên tục không chồng lấp. Ta dùng đúng quy ước đã học ở Khóa 3: số bộ ba trên gene bằng $N/6$ (vì mỗi mạch chỉ có $N/2$ nucleotide, chia tiếp cho 3 nucleotide mỗi bộ ba); bộ ba cuối cùng là bộ ba kết thúc, không mã hoá amino acid, nên số amino acid trong chuỗi polypeptide bằng $N/6 - 1$. Đây là một quy ước cần nêu rõ trước khi dùng, giống mọi công thức sinh học khác.

Nhân đôi DNA: mỗi lần nhân đôi, số phân tử DNA tăng gấp đôi — sau $x$ lần nhân đôi liên tiếp từ một phân tử ban đầu, tổng số phân tử con là $2^x$ . Vì nhân đôi theo nguyên tắc bán bảo toàn, MỖI phân tử con đều giữ lại đúng một mạch gốc từ phân tử mẹ ban đầu — nghĩa là dù trải qua bao nhiêu lần nhân đôi, luôn có đúng HAI mạch đơn còn là mạch gốc (không đổi theo số lần nhân đôi), số mạch còn lại đều là mạch mới tổng hợp.

Nhân đôi DNA: mỗi lần nhân đôi, số phân tử DNA tăng gấp đôi — sau $x$ lần nhân đôi liên tiếp từ một phân tử ban đầu, tổng số phân tử con là $2^x$. Vì nhân đôi theo nguyên tắc bán bảo toàn, MỖI phân tử con đều giữ lại đúng một mạch gốc từ phân tử mẹ ban đầu — nghĩa là dù trải qua bao nhiêu lần nhân đôi, luôn có đúng HAI mạch đơn còn là mạch gốc (không đổi theo số lần nhân đôi), số mạch còn lại đều là mạch mới tổng hợp.

A = T = 480, G = C = 720 — đúng nguyên tắc bổ sung; tổng bốn cột bằng 2400.

Ví dụ

Tính số nucleotide mỗi loại từ tỉ lệ phần trăm

1
Một gene có tổng số 3000 nucleotide, trong đó A chiếm 20% tổng số nucleotide. Tính số nucleotide mỗi loại A, T, G, C.
2
Theo nguyên tắc bổ sung, A = T. Số nucleotide loại A: $20\% \times 3000 = 600$ nucleotide. Vậy T cũng bằng 600 nucleotide. (1)
Theo nguyên tắc bổ sung, A = T. Số nucleotide loại A: $20\% \times 3000 = 600$ nucleotide. Vậy T cũng bằng 600 nucleotide. (1)
3
Vì $A\% + G\% = 50\%$ , ta có $G\% = 50\% - 20\% = 30\%$ . Số nucleotide loại G: $30\% \times 3000 = 900$ nucleotide, và C = G = 900 nucleotide. (2)
Vì $A\% + G\% = 50\%$, ta có $G\% = 50\% - 20\% = 30\%$. Số nucleotide loại G: $30\% \times 3000 = 900$ nucleotide, và C = G = 900 nucleotide. (2)
4
Từ (1) và (2), tổng bốn loại: $600 + 600 + 900 + 900 = 3000$ nucleotide — khớp đúng tổng số nucleotide đề cho.
Từ (1) và (2), tổng bốn loại: $600 + 600 + 900 + 900 = 3000$ nucleotide — khớp đúng tổng số nucleotide đề cho.
5
Vậy gene này có A = T = 600 nucleotide, G = C = 900 nucleotide.

Ví dụ

Bài tổng hợp: từ thành phần nucleotide đến số amino acid và số phân tử sau nhân đôi (dạng đề thi)

1
Một gene có tổng 2400 nucleotide, trong đó A = 480 nucleotide. a) Tính số nucleotide mỗi loại còn lại. b) Tính số amino acid trong chuỗi polypeptide hoàn chỉnh do gene này quy định (bộ ba kết thúc không mã hoá amino acid). c) Nếu gene nhân đôi liên tiếp 3 lần, tính tổng số phân tử DNA con và số mạch đơn hoàn toàn mới được tổng hợp.
2
A = T = 480 nucleotide. Vì $A + G = 50\% \times 2400 = 1200$ , ta có $G = 1200 - 480 = 720$ nucleotide, và C = G = 720 nucleotide. Kiểm tra: $480+480+720+720=2400$ , khớp đề bài. (1)
A = T = 480 nucleotide. Vì $A + G = 50\% \times 2400 = 1200$, ta có $G = 1200 - 480 = 720$ nucleotide, và C = G = 720 nucleotide. Kiểm tra: $480+480+720+720=2400$, khớp đề bài. (1)
3
Số bộ ba mã hoá: $N/6 = 2400/6 = 400$ bộ ba. Trừ đi bộ ba kết thúc không mã hoá amino acid: số amino acid trong chuỗi polypeptide là $400 - 1 = 399$ amino acid. (2)
Số bộ ba mã hoá: $N/6 = 2400/6 = 400$ bộ ba. Trừ đi bộ ba kết thúc không mã hoá amino acid: số amino acid trong chuỗi polypeptide là $400 - 1 = 399$ amino acid. (2)
4
Sau $x=3$ lần nhân đôi liên tiếp từ 1 phân tử ban đầu, tổng số phân tử DNA con là $2^3 = 8$ phân tử. (3)
Sau $x=3$ lần nhân đôi liên tiếp từ 1 phân tử ban đầu, tổng số phân tử DNA con là $2^3 = 8$ phân tử. (3)
5
Từ (3), 8 phân tử DNA có tổng $8 \times 2 = 16$ mạch đơn. Theo nguyên tắc bán bảo toàn, đúng 2 trong số đó vẫn là mạch gốc ban đầu, không đổi dù nhân đôi bao nhiêu lần. Số mạch hoàn toàn mới: $16 - 2 = 14$ mạch.
Từ (3), 8 phân tử DNA có tổng $8 \times 2 = 16$ mạch đơn. Theo nguyên tắc bán bảo toàn, đúng 2 trong số đó vẫn là mạch gốc ban đầu, không đổi dù nhân đôi bao nhiêu lần. Số mạch hoàn toàn mới: $16 - 2 = 14$ mạch.
6
Vậy gene có T = 480, G = C = 720 nucleotide; chuỗi polypeptide có 399 amino acid; sau 3 lần nhân đôi có 8 phân tử DNA con, trong đó 14 mạch đơn là mạch mới hoàn toàn.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến nhất là áp dụng A=T, G=C cho MỘT mạch đơn — nguyên tắc bổ sung theo cách này chỉ đúng khi tính trên TOÀN bộ phân tử hai mạch, không đúng cho riêng một mạch (trên một mạch đơn, số A ở đó có thể khác số T ở đó). Sai lầm khác là quên trừ 1 cho bộ ba kết thúc khi tính số amino acid, hoặc nghĩ số mạch gốc tăng theo số lần nhân đôi — thực ra số mạch gốc luôn cố định là 2.

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Chỉ cần N và một tỉ lệ phần trăm là đủ suy ra cả bốn loại nucleotide. Từ N còn suy ra số bộ ba ( $N/6$ ), số amino acid ( $N/6-1$ ), và số phân tử con sau x lần nhân đôi ( $2^x$ , với đúng 2 mạch gốc luôn được giữ lại). Bốn công thức này thường xuất hiện chung trong một câu hỏi tổng hợp.

Chỉ cần N và một tỉ lệ phần trăm là đủ suy ra cả bốn loại nucleotide. Từ N còn suy ra số bộ ba ($N/6$), số amino acid ($N/6-1$), và số phân tử con sau x lần nhân đôi ($2^x$, với đúng 2 mạch gốc luôn được giữ lại). Bốn công thức này thường xuất hiện chung trong một câu hỏi tổng hợp.

Bài tiếp theo dùng lại chính những con số này để hỏi điều xảy ra khi phép nhân đôi hay quá trình đọc mã bị SAI lệch — đó là đột biến, và hậu quả của nó lên protein, lên tính trạng.