Tính tổng số nuclêôtit trong ADN hay Gen

ADN là một đại phân tử sinh học được cấu trúc theo nguyên tắc đa phân các đơn phân là nucleotit. Trong tự nhiên thì phân tử ADN có nhiều dạng cấu trúc nhưng dạng phổ biến nhất là cấu trúc ADN theo dạng B; Trong chương trình sinh học phổ thông thi chúng ta cũng chủ yếu bàn đến cấu trúc dạng B của ADN mà thôi.

Nếu bạn chưa biết cấu trúc ADN dạng B như thế nào thì hãy xem trước bài viết cấu trúc dạng B của phân tử ADN; Còn ở đây chúng ta chủ yếu bàn đến cách vận dụng lý thuyết về ADN vào giải những bài tập cụ thể liên quan đến cấu trúc ADN dạng B. Trước hết chúng ta bắt đầu với dạng bài tập đơn gian nhất trong series bài vết giải bài tập ADN cơ bản, và đây là bài đầu tiên sẽ hướng dẫn cách tính số nuclêôtit trong phân tử ADN (hay gen) khi biết một trong các đại lượng như: chiều dài ADN, khối lượng ADN, số liên kết hóa trị, số vòng xoắn. Sau đây chúng ta sẽ xem ví dụ về tính số nuclêôtit của ADN (có thể là phân tử ADN hoàn chỉnh hay chỉ là một đoạn ADN) cho từng trường hợp cụ thể:

Khi biết khối lượng

Theo lý thuyết về cấu trúc ADN ta đã biết là phân tử ADN được cấu tạo từ các đơn phân là nuclêôtit (gọi tắc là nu), mà mỗi nuclêôtit có khối lượng trung bình là 300 đơn vị cacbon (đvC); Như vậy nếu gọi tổng số nuclêôtit trong phân tử ADN là N và tổng khối lượng của ADN là M thì ta có tương quan: M = N x 300 (đvC). Để rõ hơn các ban xem ví dụ sau:

Ví dụ 1: Một đoạn ADN tương ứng với một gen có khối lượng phân tử là 900.000 đvC. Phân tử trên có tổng số nuclôotit là bao nhiêu?

Như đã trình bày ở trên thì ta suy luận rằng: cứ 1 nu có khối lượng là 300 đvC, suy ra đoạn ADN (gen) trên có 900.000đvC thì số nu là: M = N x 300 ⇒ N = M/300 = 900.000/300 = 3000 nu

Ví dụ 2: Một gen có khối lượng 720.000 đvC. Tính số nu có trong gen?

Tư tự ta chỉ cần ráp vào công thức: N = M/300 = 720.000/300 = 2400 nu

Khi biết chiều dài

Trong cấu trúc dạng B của ADN thì mỗi nuclêôtit có chiều dài 3,4 ăngstrong (Å). Nhưng trong phân tử ADN thì gồm có 2 mạch pôli nuclêôtit xếp song song và ngược chiều; Có nghĩa là nếu N là tổng số nu của ADN thì số nu trong mỗi mạch sẽ là N/2. Vậy nếu ta xét trong 1 mạch pôli nuclêôtit thì sẽ có tương quan: L = N/2 x 3,4 ⇒ N = (2 x L)/3,4 (L là chiều dài của chuỗi pôli nuclêôtit)

Như đã nói trên, phân tử ADN gồm 2 chuỗi poli nucleotit xếp song song và ngược chiều, tức là chiều dài của 1 mạch poli nucleotit cũng chính là chiều dài của phân tử ADN. Vậy nếu biết chiều dai của phân tử ADN thì ta tìm số nucleotit bằng cách áp dụng công thức: N = (2 x L)/3,4

Ví dụ 3: Một gen có chiều dài 4080 ănstrong, xác định số nucleotit có trong gen trên?

Để giải bài này ta chỉ cần áp dụng công thức: N = (2 x L)/3,4 = 2 x 4080/3,4 = 2400 nu

Ví dụ 4: Một đoạn phân tử ADN có chiều dài 0,51 micrômet (µm). Tính số nucleotit có trong đoạn phân tử này?

Các bạn cần lưu ý rằng, trong trường hợp đề cho đơn vị chiều dài không phai là ăngstrong (Å) mà cho các đơn vị như  nanômet (nm), micrômet (µm),  milimet (mm), centimet (cm),... thì trước khi giải các em cần đổi về đơn vị ăngstrong như sau:

$1angstrong=10^{-1}nanomet=10^{-4}micromet=10^{-7}milimet$

Như vậy theo đề bài ở trên thì ta phải đổi từ đơn vị micomet về đơn chi chuẩn là ăngstrong: 0,51µm = 5100Å. Từ đây các bạn áp dụng công thức như đã nói ở trên sẽ tính ra được kết quả là 3000 nu.

Ví dụ 5: Một gen có chiều dài 408nm. Hãy tính số nucleotit có trong gen đó?

Câu này các bạn cũng cần đổi từ đơn vị nanomet về đơn vị chuẩn ăngstrong trước khi áp dụng công thức. Đáp án của bài này là 2400, tuy nhiên bạn cần giải xem có khới vớ kết quả không nhé:

Khi biết số vòng xoắn

Phân tử ADN có cấu trúc như đã nói là gồm 2 chuỗi poli nucleotit xoắn song song và ngược chiều, xoắn quanh trục có tính chu kỳ và mỗi chu kỳ xoắn có chiều dài 34 ăngstrong (tương đường với 10 cặp hay 20 nu). Như vậy nếu gọi C là số chu kỳ xoắn thì ta sẽ có tương quan: C = N/20 hay N = C x 20. Ta xét ví dụ cụ thể như sau:

Ví dụ 6: Một gen có 120 chu kỳ xoắn. Số nucleotit của gen là bao nhiêu?

Đối với bai này chỉ cần áp dụng công thức: N = C x 20 = 120 x 20 = 240 nu

Ví dụ 7: Một đoạn ADN ở tế bào nhân thực có 720 vòng xoắn. Hỏi đoạn ADN này có bao nhiêu nucleotit?

Tương tự áp dụng công thức, ta tính được số nu của đoạn phân tử ADN trên là: 720x20 =14400nu

Khi biết số liên kết cộng hóa trị

Trong cấu trúc dạng B của phân tử ADN, liên kết cộng hóa trị gồm có: liên kết cộng hóa trị trong mỗi đơn phân (nucleotit) và liên kết hóa trị nối giữa các đơn phân với nhau. Hay nói cách khác là liên kết giữa cacbon ở vị trí số 5 của đường với gốc photphat (C5' -P) và số liên kết giữa cacbon ở vị trí số 3 của đường với gốc photphat (C3'-P). Như vậy tùy theo đề bài có thể cho số liên kết cộng hóa trị nối giữa các nucleotit hoặc tổng số liên kết cộng hóa trị trong phân tử ADN mà ta tính cho phù hợp. Ví dụ sau sẽ giúp các bạn phân biệt được các thuật ngữ mà đề bài thường đề cập đến:

Khi biết số tổng số liên kết cộng hóa trị

Ví dụ 8: Một gen có 5398 liên kết cộng hóa trị. Số nucleotit của gen là bao nhiêu?

Đề bài hỏi liên kết cộng hóa trị thì ta hiểu đây là tổng số liên kết cộng hóa trị có trong ADN (tổng số liên kết giữa đường với gốc photphat (Đ-P)).

Trong mỗi nucleotit sẽ có 1 liên kết hóa trị (C5' -P), như vậy phân tử ADN có tổng số nucleotit là N thì cũng có N liên kết (C5' -P).

Cứ 2 nuclêôtit trong mỗi mạch poli nucleotit liên kết với nhau bằng 1 liên kết (C3'-P), Cứ 3 nuclêôtit trong mỗi mạch poli nucleotit liên kết với nhau bằng 2 liên kết (C3'-P), Cứ 4 nuclêôtit trong mỗi mạch poli nucleotit liên kết với nhau bằng 3 liên kết (C3'-P),..., Cứ N/2  nuclêôtit trong mỗi mạch poli nucleotit liên kết với nhau bằng N/2 - 1 liên kết (C3'-P). Trong cấu trúc của ADN có 2 mạch poli nucleotit ⇒ có tổng số liên kết hóa trị nối giữa các nucleotit (còn gọi là liên kết photphodieste) trong phân tử ADN là: 2 x (N/2 - 1) = N - 2

Vậy tổng số liên kết hóa trị có trong ADN = số liên kết hóa trị có trong mỗi nucleotit + số liên kết hóa trị nối giữa các nucleotit = N + (N - 2) = 2N - 2 = 2(N-1).

Theo như phân tích ở trên, ở bài tập trong ví dụ 8 ta áp dụng công thức: 2N - 2 = 5398 ⇒ N = (5398 + 2)/2 = 2700 nu.

Khi biết số liên kết hóa trị nối giữa các nuclêôtit

Ví dụ 9: Một gen của sinh vật nhân thực có 2998 liên kết photphodieste. Hãy cho biết gen trên có bao nhiêu nuclêôtit?

Đề bài cho gen có 2998 liên kết photphodieste, tức là chỉ cho số liên kết cộng hóa trị nối giưa các nucleotit trong gen (C3'-P). Xác định được rồi thì chỉ thế vào công thức: N - 2 = 2998 ⇒ N = 2998 + 2 = 3000 nu

Các bài tập về tương quan giữa các đại lượng trong ADN tự giải cần tham khảo thêm