Mô phỏng DNA: chuỗi xoắn kép

Đây là một phân tử DNA cả lớp cùng xoay, phóng to và tháo xoắn trên một màn hình. Chuỗi xoắn kép được dựng theo kích thước thật: hai mạch đường – phosphate xoắn quanh nhau, các base ở giữa bắt cặp với nhau, adenine với thymine, guanine với cytosine. Chạm vào một cặp để xem các liên kết hydrogen giữ hai mạch, bật Kích thước để thấy mỗi chu kì xoắn có 10 cặp nucleotide và dài 3,4 nm, kéo thanh trượt để tháo xoắn thành một cái thang. Sau đó học sinh tự lắp mạch bổ sung theo mạch khuôn và xem phân tử tự nhân đôi thành hai, mỗi phân tử có một mạch cũ và một mạch mới.

(DNA trước đây được viết là ADN, nucleotide là nuclêôtit; mô phỏng dùng cách viết của sách giáo khoa theo chương trình GDPT 2018.)

Cách dùng

• Khám phá: kéo để xoay, chụm hai ngón hoặc lăn chuột để phóng to. Để yên vài giây, chuỗi xoắn tự quay chậm. Chọn 10, 20 hoặc 30 cặp nucleotide, hoặc bấm Trình tự khác để đổi thứ tự các base.
• Chạm vào một cặp nucleotide: cặp đó sáng lên, phần còn lại mờ đi, bảng bên phải cho biết hai base và số liên kết hydrogen giữa chúng: A – T có 2, G – C có 3.
• Kích thước: hiện một chu kì xoắn (10 cặp nucleotide, 3,4 nm), khoảng cách giữa hai cặp (0,34 nm) và đường kính (2 nm). Chữ hiện tên các base và đầu 5′, 3′ của mỗi mạch.
• Thang ↔ Xoắn kép: kéo thanh trượt sang trái, chuỗi xoắn tháo ra thành cái thang; kéo lại, nó xoắn lại như cũ.
• Lắp mạch: mạch khuôn nằm sẵn ở trên. Chạm một nucleotide ở khay để điền vào ô đang sáng, hoặc kéo thả vào ô trống bất kỳ. Nucleotide lắp sai bật ra kèm lí do, bảng bên phải đếm từng loại base trên cả hai mạch và kiểm tra quy tắc Chargaff. Lắp đủ, hai mạch xoắn lại thành chuỗi xoắn kép. Mạch khác đổi sang một mạch khuôn mới.
• Tái bản: bấm Chạy để xem cả quá trình, hoặc Từng bước để đi từng cặp nucleotide trong lúc giảng. Mạch cũ màu tím nhạt, mạch mới màu hồng.
• Bàn phím và máy chiếu: phím 1, 2, 3 để đổi phần. Ở Khám phá, phím mũi tên để xoay và chọn cặp, phím [ và ] để tháo xoắn và xoắn lại. Ở Lắp mạch, gõ A, T, G hoặc C. Ở Tái bản, phím cách để chạy hoặc dừng, phím → để đi từng bước. Nút toàn màn hình ở góc trên bên phải làm mọi thứ to ra cho bàn cuối nhìn rõ.

DNA được cấu tạo từ gì

DNA là một chuỗi dài gồm nhiều đơn phân nucleotide. Mỗi nucleotide có ba thành phần: đường deoxyribose, nhóm phosphate và một trong bốn loại base nitrogen:

Đường và phosphate nối với nhau thành khung ở mặt ngoài mỗi mạch (ống màu tím nhạt với các hạt trắng trong mô hình). Các base quay vào trong và liên kết với base đối diện ở mạch kia.

Nguyên tắc bổ sung và quy tắc Chargaff

Theo nguyên tắc bổ sung, A luôn liên kết với T bằng 2 liên kết hydrogen, G luôn liên kết với C bằng 3 liên kết hydrogen. Mỗi cặp gồm một base lớn (purine) và một base nhỏ (pyrimidine), nên bậc thang nào cũng rộng bằng nhau. Hai purine thì quá rộng, hai pyrimidine thì quá hẹp, còn A với C hay G với T tuy vừa kích thước nhưng không tạo được liên kết hydrogen. Phần Lắp mạch giải thích đúng như vậy mỗi khi một nucleotide bị bật ra.

Vì A nào cũng đối diện một T, G nào cũng đối diện một C, nên trong DNA mạch kép số A luôn bằng số T, số G luôn bằng số C: đó là quy tắc Chargaff. A + G = T + C = một nửa tổng số nucleotide. Nếu A chiếm 30% thì T cũng 30%, 40% còn lại chia đều: G = C = 20%.

Các công thức quen thuộc khi làm bài tập, với N là tổng số nucleotide của cả hai mạch:

• N = 2A + 2G, và %A + %G = 50%;
• Số liên kết hydrogen: H = 2A + 3G;
• Số chu kì xoắn: C = N ÷ 20;
• Chiều dài: L = (N ÷ 2) × 0,34 nm (tức × 3,4 Å).

Mạch khuôn ATGCGTACCA ở phần Lắp mạch có 5 cặp A – T và 5 cặp G – C, nên H = 2 × 5 + 3 × 5 = 25 liên kết hydrogen. DNA càng nhiều G và C thì hai mạch càng khó tách.

Chuỗi xoắn kép qua các con số

Mô phỏng dùng kích thước của dạng B, dạng DNA phổ biến trong tế bào:

• mỗi chu kì xoắn có khoảng 10 cặp nucleotide, cặp sau xoay 36° so với cặp trước;
• hai cặp kề nhau cách 0,34 nm (3,4 Å), nên một chu kì xoắn dài 3,4 nm (34 Å);
• đường kính 2 nm (20 Å).

Ở phần Khám phá, 20 cặp nucleotide tạo thành 2 chu kì xoắn, dài 6,8 nm. Nhiễm sắc thể số 1 của người có khoảng 248 triệu cặp nucleotide: 248 000 000 × 0,34 nm là khoảng 8,4 cm DNA, được xếp gọn trong một nhân tế bào chỉ rộng vài phần nghìn milimét.

Hai mạch song song và ngược chiều nhau: một mạch đi theo chiều 5′ → 3′ từ trái sang phải, mạch kia 5′ → 3′ từ phải sang trái. Vì vậy mạch bổ sung của 5′-ATGC-3′ được viết là 3′-TACG-5′.

Tái bản DNA: một phân tử thành hai

Trước khi tế bào phân chia, DNA được tái bản (nhân đôi). Phần Tái bản cho thấy từng bước:

1. Chuỗi xoắn kép tháo xoắn.
2. Enzyme helicase tách hai mạch bằng cách cắt đứt các liên kết hydrogen giữa các cặp base.
3. Các nucleotide tự do trong môi trường liên kết với từng base của mạch cũ theo nguyên tắc bổ sung (A với T, G với C): mỗi mạch cũ là một mạch khuôn.
4. Enzyme DNA polymerase nối các nucleotide mới thành mạch mới.
5. Hai phân tử mới xoắn lại. Mỗi phân tử có một mạch cũ và một mạch mới, và cả hai giống hệt phân tử ban đầu.

Mỗi phân tử con giữ lại một mạch của phân tử mẹ: đó là nguyên tắc bán bảo toàn. Năm 1958, Meselson và Stahl chứng minh điều này: nuôi vi khuẩn trong môi trường nitrogen nặng rồi chuyển sang nitrogen nhẹ, sau một lần nhân đôi mọi phân tử DNA đều có một nửa nặng, một nửa nhẹ.

Thử ngay

1. Chạm một cặp A – T, rồi một cặp G – C. Đếm số liên kết hydrogen. Cặp nào khó tách hơn?
2. Chọn 10 cặp nucleotide và bật Kích thước. Có mấy chu kì xoắn? Đổi sang 30: đoán số chu kì và chiều dài trước khi nhìn bảng.
3. Ở phần Lắp mạch, thử đặt G đối diện A của mạch khuôn, rồi C đối diện T. Đọc lí do mỗi lần nucleotide bị bật ra.
4. Lắp xong một mạch rồi xem bảng đếm. Riêng mạch khuôn có A = T không? Cả hai mạch thì sao?
5. Ở phần Tái bản, dừng giữa chừng. Mạch nào cũ, mạch nào mới? Sau lần tái bản thứ hai sẽ có bao nhiêu mạch cũ?

Gợi ý dạy trên lớp

Mô phỏng phù hợp với chủ đề Di truyền ở KHTN 9 (cấu trúc DNA, nguyên tắc bổ sung, tái bản DNA) và phần nucleic acid ở Sinh học 10, đồng thời dùng tốt khi ôn cơ chế di truyền ở Sinh học 12 và khi luyện các bài tập tính N, H, L, C.

1. Khởi động (3 phút): cho chuỗi xoắn tự quay, tắt Chữ. Hỏi: "Điều gì giữ hai mạch dính với nhau?"
2. Nguyên tắc bổ sung (7 phút): gọi học sinh lên bảng chạm từng cặp. Hỏi: "Vì sao A không bao giờ đi với G?" Dùng gợi ý ở phần Lắp mạch để nói về kích thước base và liên kết hydrogen.
3. Các con số (5 phút): bật Kích thước, cả lớp tính số chu kì xoắn và chiều dài với 10, 20, 30 cặp nucleotide, rồi với cả một nhiễm sắc thể.
4. Lắp mạch theo nhóm (10 phút): mỗi nhóm lên bảng lắp một mạch bổ sung, các nhóm còn lại kiểm tra bằng bảng đếm và quy tắc Chargaff.
5. Tái bản (8 phút): đi Từng bước ở phần Tái bản. Cho cả lớp đoán nucleotide tiếp theo trước khi bấm.
6. Ôn tập: tạo một game ôn tập: cả lớp chơi trên cùng một màn hình theo đội, điện thoại của thầy cô là bộ điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao A chỉ liên kết với T, G chỉ liên kết với C?

Mỗi cặp gồm một base lớn hai vòng (A hoặc G) và một base nhỏ một vòng (T hoặc C), nên bậc thang nào cũng rộng như nhau và chuỗi xoắn đều đặn. Trong các cặp vừa kích thước đó, chỉ A và T khớp để tạo 2 liên kết hydrogen, chỉ G và C khớp để tạo 3. A với C vừa chiều rộng nhưng các nguyên tử không nằm đúng chỗ để liên kết.

Một chu kì xoắn có đúng 10 cặp nucleotide không?

Gần đúng. Sách giáo khoa dùng các số tròn từ những ảnh nhiễu xạ tia X đầu tiên: 10 cặp nucleotide, dài 3,4 nm. Đo trong nước, DNA dạng B có khoảng 10,5 cặp mỗi chu kì. Mô phỏng dùng 10, đúng con số học sinh gặp trong bài kiểm tra.

5′ và 3′ nghĩa là gì?

Đó là tên hai đầu của một mạch, đặt theo nguyên tử carbon số 5 và số 3 của phân tử đường. Mỗi mạch có chiều như một mũi tên, và hai mạch của chuỗi xoắn kép ngược chiều nhau. Mạch mới luôn được kéo dài theo chiều 5′ → 3′.

Trong tế bào, tái bản có diễn ra đúng như vậy không?

Các bước chính giống nhau, nhưng mô hình đã lược bớt chi tiết. Trong tế bào, mỗi mạch mới bắt đầu từ một đoạn mồi RNA ngắn; vì mạch mới chỉ kéo dài được theo chiều 5′ → 3′, một mạch được tổng hợp liên tục còn mạch kia được tổng hợp gián đoạn thành các đoạn Okazaki rồi nối lại. Tái bản cũng bắt đầu ở nhiều điểm trên một nhiễm sắc thể cùng lúc. Mô phỏng vẽ cả hai mạch mới cùng kéo dài đều để ý chính hiện rõ: hai phân tử con, mỗi phân tử giữ một mạch cũ.

Mô hình có đúng tỉ lệ không?

Ở phần Khám phá thì có: chuỗi xoắn dùng đúng đường kính, khoảng cách giữa các cặp và chiều dài một chu kì. Ở phần Lắp mạch và Tái bản, cái thang được kéo giãn để base nào cũng đủ to để chạm và đọc trên bảng, nên chuỗi xoắn sau khi xoắn lại cũng hơi dài hơn thật.

Học sinh dùng trên bảng tương tác được không?

Được. Ở phần Lắp mạch, mỗi ngón tay kéo một nucleotide riêng, nên hai học sinh có thể làm cùng lúc, và các nucleotide ở khay đủ to để chạm. Trên điện thoại, chuỗi xoắn đứng dọc và bảng số liệu nằm bên dưới. Không cần cài đặt, không cần đăng ký: chạy ngay trên trình duyệt và miễn phí.