Cơ sở phân tử của di truyền

305 
16.1. ADN là vật chất di truyền 
16.2. Nhiều protein phối hợp với nhau trong quá trình 
sao chép và sửa chữa ADN 
16.3. Mỗi nhiễm sắc thể gồm một phân tử ADN đ−ợc 
đóng gói cùng với các protein 
ào năm 1953, James Watson và Francis Crick đã gây 
chấn động cộng đồng khoa học bằng việc công bố mô 
hình chuỗi xoắn kép về cấu trúc phân tử của axit 
deoxyribonucleic, đ−ợc gọi tắt là ADN. Hình 16.1 cho thấy 
Watson (trái) và Crick đang say s−a ngắm nhìn mô hình ADN 
đ−ợc dựng bằng vỏ hộp và dây thép của họ. Trải qua hơn 50 
năm, mô hình này xuất thân chỉ là một đề xuất mới đã dần trở 
thành biểu t−ợng của sinh học hiện đại. ADN, hợp chất di 
truyền, chính là phân tử đáng ng−ỡng mộ nhất trong thời đại 
của chúng ta. Trong thực tế, các yếu tố di truyền của Mendel 
cũng nh− các gen nằm trên nhiễm sắc thể của Morgan đều chứa 
ADN. Trên quan điểm hóa học, có thể nói tài sản di truyền mà 
mỗi ng−ời chúng ta để lại cho thế hệ sau chính là các phân tử 
ADN có trên 46 nhiễm sắc thể mà chúng ta đ−ợc thừa h−ởng từ 
các thân sinh (bố, mẹ) và ADN có trong các ti thể đ−ợc truyền 
lại theo dòng mẹ. 
Trong tất cả các phân tử có trong tự nhiên, các axit nucleic là 
“độc nhất, vô nhị” về khả năng tự sao chép (tái bản) từ các đơn 
phân thành phần. Trong thực tế, đặc điểm con cái giống bố, mẹ 
là kết quả của quá trình sao chép chính xác ADN và sự di 
truyền của nó qua các thế hệ. Thông tin di truyền đ−ợc mã hóa 
bằng ngôn ngữ hóa học của ADN và đ−ợc tái bản ở mọi tế bào 
trong cơ thể của mỗi ng−ời chúng ta. Chính ngôn ngữ lập trình 
của ADN đã điều khiển quá trình phát triển các tính trạng về 
hóa sinh, giải phẫu, sinh lý và ở một mức độ nhất định là tập 
tính ở mỗi cơ thể sinh vật. Ch−ơng này đề cập đến việc bằng 
cách nào các nhà khoa học chứng minh đ−ợc ADN là vật chất 
di truyền và bằng cách nào Watson và Crick phát hiện ra cấu 
trúc phân tử của nó. Đồng thời, chúng ta cũng sẽ thấy bằng 
cách nào ADN có thể sao chép (cơ sở phân tử của di truyền) và 
đ−ợc sửa chữa. Cuối cùng, chúng ta sẽ khảo sát xem ADN cùng 
với protein đã đóng gói nh− thế nào trong nhiễm sắc thể. 
Ngày nay, ngay cả học sinh tiểu học cũng đã đ−ợc nghe nói về 
ADN, trong khi các nhà khoa học th−ờng xuyên thao tác với 
ADN trong phòng thí nghiệm nhằm làm thay đổi tính trạng di 
truyền của các tế bào và cơ thể. Tuy vậy, đến đầu thế kỷ XX, 
phân tử nào làm nhiệm vụ di truyền vẫn còn ch−a rõ và lúc đó 
câu hỏi này là một trong những thách thức lớn nhất với các nhà 
sinh học. 
Tìm kiếm vật chất di truyền: 
Quá trình tìm hiểu khoa học 
Khi nhóm nghiên cứu của T. H. Morgan cho thấy các gen nằm 
dọc theo các nhiễm sắc thể (xem mô tả ở Ch−ơng 15), hai thành 
phần hóa học của nhiễm sắc thể - ADN và protein - đ−ợc coi là 
hai hợp chất ứng viên cho vai trò vật chất di truyền. Cho đến 
những năm 1940, các bằng chứng "ủng hộ" protein d−ờng nh− 
−u thế hơn; đặc biệt, một số nhà hóa sinh đã xếp protein vào 
nhóm các đại phân tử vừa có tính đặc hiệu chức năng cao vừa 
có tính đa dạng vốn là những yêu cầu thiết yếu của vật chất di 
truyền. Ngoài ra, lúc đó hiểu biết về các axit nucleic còn hạn 
chế; d−ờng nh− các thuộc tính vật lý và hóa học của chúng 
không t−ơng đồng với sự đa dạng phong phú của các tính trạng 
di truyền biểu hiện đặc thù ở mỗi cơ thể sinh vật khác nhau. 
Quan điểm này sau đó đã đ−ợc thay đổi dần từ kết quả của một 
số nghiên cứu ở vi sinh vật. Giống nh− các nghiên cứu của 
Mendel và Morgan, một trong những yếu tố quan trọng nhất để 
xác định đ−ợc tính nhất quán của vật chất di truyền chính là 
việc lựa chọn đ−ợc loài sinh vật thí nghiệm phù hợp. Vai trò di 
truyền của ADN đ−ợc phát hiện đầu tiên ở vi khuẩn và virut; 
chúng có đặc điểm đơn giản hơn so với đậu Hà lan, ruồi giấm 
và ng−ời. ở phần tiếp theo của ch−ơng này, chúng ta sẽ lần theo 
quá trình tìm hiểu khoa học để từ đó các nhà khoa học đã tìm ra 
và xác định đ−ợc vai trò là vật chất di truyền của ADN. 
V
Các khái niệm chính 

 Hình 16.1 Cấu trúc ADN đ−ợc xác định nh− thế nào? 
Cơ sở phân tử 
của di truyền 
Tổng quan 
Bản chỉ dẫn vận hành sự sống 
Khái niệm 
ADN là vật chất di truyền 
16.1 
306 khối kiến thức 3 Di truyền học 
Bằng chứng là ADN có thể biến đổi vi khuẩn 
Chúng ta có thể theo dõi quá trình khám phá ra vai trò di truyền 
của ADN ng−ợc trở về năm 1928. Vào năm đó, một y sỹ quân y 
ng−ời Anh tên là Frederick Griffith, trong nỗ lực tìm kiếm 
văcxin phòng bệnh viêm phổi, đã tiến hành nghiên cứu ở vi 
khuẩn Streptococcus pneumoniae là tác nhân gây bệnh viêm 
phổi ở các loài động vật có vú. Griffith có hai chủng (giống) vi 
khuẩn; một chủng độc (gây bệnh) và một chủng không độc 
(không gây bệnh). Griffith đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra 
rằng khi các tế bào của chủng độc đã bị diệt bởi nhiệt (đun 
nóng) khi đ−ợc trộn với các tế bào sống của chủng không độc 
lại có thể sinh ra các tế bào con gây độc (Hình 16.2). Hơn nữa, 
tính trạng tập nhiễm này đ−ợc di truyền cho tất cả các tế bào vi 
khuẩn thế hệ con xuất phát từ tế bào biến đổi ban đầu. Rõ ràng, 
một chất hóa học nào đó (lúc đó ch−a rõ bản chất) của các tế 
bào gây độc đã chết đã gây nên sự biến đổi di truyền này. 
Griffith gọi hiện t−ợng này là biến nạp và đ−ợc chúng ta ngày 
nay định nghĩa là quá trình một tế bào tiếp nhận ADN từ môi 
tr−ờng bên ngoài, dẫn đến sự thay đổi kiểu gen và kiểu hình. 
Công bố của Griffith đã mở đ−ờng cho một nghiên cứu 
đ−ợc triển khai trong suốt 14 năm sau đó bởi một nhà virut học 
ng−ời Mỹ tên là Oswald Avery nhằm mục đích xác định bản 
chất của chất biến nạp. Avery tập trung vào ba nhóm hợp chất 
có nhiều khả năng hơn cả là ADN, ARN (một loại axit nucleic 
khác) và protein. Avery đã tiến hành phá vỡ tế bào của chủng vi 
khuẩn gây độc đã chết bởi đun nóng, rồi tiến hành chiết xuất 
các thành phần từ dịch chiết tế bào. ở mỗi ph−ơng thức thí 
nghiệm, Avery tiến hành xử lý làm bất hoạt từng nhóm chất. 
Sau đó, dịch chiết sau khi xử lý đ−ợc trộn và kiểm tra khả năng 
biến nạp vào chủng vi khuẩn không độc còn sống. Kết quả thí 
nghiệm cho thấy chỉ khi ADN đ−ợc duy trì (không bị bất hoạt) 
hiện t−ợng biến nạp mà Griffith mô tả mới diễn ra. Năm 1944, 
Avery và các đồng nghiệp của mình là Maclyn McCarty và 
Colin MacLeod đã công bố rằng: ADN chính là chất biến nạp. 
Phát hiện này của họ đã đ−ợc chào đón bởi nhiều ng−ời quan 
tâm, nh−ng cũng có không ít hoài nghi, một phần có thể bởi vì 
nhiều ng−ời đã quen với t− t−ởng xem protein là vật chất di 
truyền phù hợp hơn. Hơn nữa, nhiều nhà khoa học không thuyết 
phục với quan điểm cho rằng các gen của vi khuẩn có thành 
phần cấu tạo và chức năng giống với các gen ở các loài sinh vật 
bậc cao (có cấu tạo cơ thể phức tạp hơn). Nh−ng nguyên nhân 
chính của những hoài nghi này có lẽ là do những hiểu biết về 
ADN vào thời điểm đó còn rất hạn chế. 
Bằng chứng ADN virut lập trình tế bào 
Một bằng chứng khác củng cố cho việc xác định ADN là vật 
chất di truyền bắt nguồn từ các nghiên cứu ở các virut lây 
nhiễm vi khuẩn (Hình 16.3). Những virut này còn đ−ợc gọi là 
Tính trạng di truyền có thể truyền giữa các 
chủng vi khuẩn khác nhau hay không? 
Frederick Griffith đã nghiên cứu hai chủng vi 
khuẩn Streptococcus pneumoniae. Chủng vi khuẩn S 
(khuẩn lạc trơn) gây viêm phổi ở chuột; đây là chủng độc vì 
tế bào của chúng có lớp vỏ kháng đ−ợc hệ thống bảo vệ ở 
động vật. Chủng vi khuẩn R (khuẩn lạc nhăn) không có lớp 
vỏ và không độc (không gây bệnh). Để thử nghiệm quá trình 
phát sinh bệnh, Griffith đã tiêm hai chủng vi khuẩn vào 
chuột thí nghiệm nh− sơ đồ d−ới đây: 
Các tế bào S sống 
(đối chứng) 
Các tế bào R 
sống (đối 
chứng) 
Các tế bào 
S chết bởi nhiệt 
(đối chứng) 
Hỗn hợp 
tế bào S chết 
và R sống 
Chuột chết Chuột sống Chuột sống Chuột chết 
 Trong mẫu máu, có 
tế bào chủng S có 
thể sinh sản, tạo nên 
c cá tế bào chủng S 
thế hệ con 
Griffith kết luận rằng vi khuẩn R sống đã đ−ợc 
biển đổi thành vi khuẩn S gây bệnh bằng một chất di truyền 
không biết nào đó bắt nguồn từ các tế bào S đã chết; điều 
này dẫn đến hiện th−ợng tế bào R trở nên có lớp vỏ. 
F. Griffith, The significance of pneumococcal types, 
Journal of Hygiene 27: 113 - 119 (1928). 
Trên cơ sở nào thí nghiệm trên đây loại trừ 
khả năng các tế bào chủng R có thể chỉ cần đơn giản dùng 
lớp vỏ của các tế bào S đã chết để có thể chuyển thành 
dạng vi khuẩn độc (gây bệnh)? 
 Hình 16.2 Nghiên cứu phát hiện 
Thí nghiệm 
Kết quả 
Kết luận 
Nguồn 
Điều gì Nếu ? 
sao ? 

 Hình 16.3 Virut lây nhiễm tế bào vi khuẩn. 
Phagơ T2 và các phagơ có quan hệ khác tấn công tế bào vi 
khuẩn chủ và bơm vật chất di truyền của chúng qua màng sinh
chất (plasma membrane); trong khi đó, phần đầu và đuôi của 
phagơ đ−ợc giữ lại ở bên ngoài bề mặt tế bào vi khuẩn (ảnh 
chụp qua kính hiển vi điện tử truyền qua tô mầu - HVĐTTQm) 
Đầu 
phagơ 
Đĩa nền 
phần đuôi 
Sợi đuôi 
ADN 
Tế bào 
vi khuẩn 
 Ch−ơng 16 Cơ sở di truyền học phân tử 307 
bacteriophagơ (nghĩa là “thể ăn khuẩn” hay “thực khuẩn thể”) 
hoặc đ−ợc gọi tắt là phagơ. So với các tế bào, các virut có cấu 
tạo đơn giản hơn nhiều. Một virut th−ờng chỉ bao gồm ADN 
(hoặc đôi khi là ARN) đ−ợc bao bọc bởi một lớp vỏ protein. Để 
có thể sinh sản, virut phải lây nhiễm vào trong một tế bào rồi 
giành lấy bộ máy trao đổi chất của tế bào. 
Các phagơ đã và đang đ−ợc sử dụng rộng rãi làm công cụ 
nghiên cứu di truyền học phân tử. Năm 1952, Alfred Hershey 
và Martha Chase đã tiến hành thí nghiệm cho thấy ADN là vật 
chất di truyền của phagơ có tên là T2. Đây là một trong nhiều 
loại virut lây nhiễm Escherichia coli (E. coli), một loài vi 
khuẩn th−ờng sống trong ruột động vật có vú. Thời kỳ đó, các 
nhà sinh học đã biết rõ là: phagơ T2, giống với nhiều phagơ 
khác, có thành phần cấu tạo hầu nh− chỉ gồm ADN và protein. 
Họ cũng đồng thời biết rằng phagơ T2 có thể nhanh chóng 
chuyển tế bào E. coli thành một “nhà máy” sản xuất T2 dẫn 
đến sự giải phóng nhiều bản sao phagơ cùng sự phân rã tế bào. 
Bằng một cách nào đó, T2 có thể tái lập trình tế bào chủ của nó 
để sản sinh các virut. Nh−ng, câu hỏi là: thành phần nào của 
virut - protein hay ADN - chịu trách nhiệm cho quá trình đó? 
Hershey và Chase đã trả lời câu hỏi này bằng việc thiết kế 
một thí nghiệm cho thấy chỉ một trong hai thành phần của 
phagơ T2 xâm nhập đ−ợc vào trong tế bào E. coli trong quá 
trình lây nhiễm (Hình 16.4). Trong thí nghiệm của mình, các 
Protein hay ADN là vật chất di truyền của phagơ T2? 
Alfred Hershey và Martha Chase đã sử dụng các đồng vị phóng xạ 35S và 32P nhằm t−ơng ứng xác định "số phận" 
biến đổi của các protein và ADN có nguồn gốc phagơ T2 sau khi chúng lây nhiễm vào tế bào vi khuẩn. Họ muốn xác định phân tử 
nào trong các phân tử này đi vào tế bào và tái lập trình hoạt động của vi khuẩn giúp chúng có thể sản sinh ra nhiều virut thế hệ con. 
Khi protein đ−ợc đánh dấu (lô thí nghiệm 1), hoạt tính phóng xạ đ−ợc giữ bên ngoài tế bào; nh−ng khi ADN đ−ợc đánh 
dấu phóng xạ (lô thí nghiệm 2), hoạt tính phóng xạ đ−ợc tìm thấy bên trong tế bào. Các tế bào vi khuẩn mang ADN của phagơ đánh 
dấu phóng xạ giải phóng ra các virut thế hệ con mang đồng vị phóng xạ 32P. 
ADN của phagơ đã đi vào tế bào vi khuẩn, nh−ng protein của phagơ thì không. Hershey và Chase kết luận rằng: ADN, 
chứ không phải protein, có chức năng là vật chất di truyền ở phagơ T2. 
A.D. Hershey and M. Chase, Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage, Journal of General 
Physiology 36: 39 - 56 (1952) 
Kết quả thí nghiệm sẽ khác biệt nh− thế nào nếu nh− protein là vật chất mang thông tin di truyền? 
 Hình 16.4 Nghiên cứu phát hiện 
Thí nghiệm 
Kết quả 
Kết luận 
Nguồn 
điều gì Nếu ? 
Phagơ đánh dấu phóng xạ 
đ−ợc trộn với vi khuẩn. Phagơ 
lây nhiễm các tế bào vi khuẩn. 
Khuấy mạnh hỗn hợp bằng 
máy xay để làm tung phần 
phagơ bên ngoài tế bào ra 
khỏi tế bào. 
Ly tâm để các tế bào vi 
khuẩn dính kết với nhau 
thành cặn ly tâm ở đấy 
ống nghiệm; phần bên 
ngoài của phagơ và phagơ 
tự do nhẹ hơn nên ở dạng 
phân tán trong dịch ly tâm. 
Đo hoạt độ 
phóng xạ 
trong phần 
cặn ly tâm và 
dịch ly tâm. 
Hoạt độ phóng xạ 
(protein phagơ) có 
trong dịch ly tâm. 
Phagơ 
Tế bào vi khuẩn 
Protein đ−ợc 
đánh dấu 
phóng xạ 
Vỏ protein 
ADN phagơ 
ADN 
Ly tâm 
Cặn ly tâm (gồm tế bào vi khuẩn 
và các thành phần của nó) 
Hoạt độ phóng xạ 
(ADN phagơ) có 
trong cặn ly tâm. 
ADN đ−ợc 
đánh dấu 
phóng xạ 
Ly tâm 
Cặn ly tâm 
Lô thí nghiệm 1: Phagơ 
đ−ợc nuôi trong môi 
tr−ờng chứa đồng vị 
phóng xạ l−u huỳnh (35S) 
để đánh dấu protein của 
phagơ (mầu hồng). 
Lô thí nghiệm 2: Phagơ 
đ−ợc nuôi trong môi 
tr−ờng chứa đồng vị 
phóng xạ phospho (32P) 
để đánh dấu ADN của 
phagơ (mầu xanh d−ơng). 
308 khối kiến thức 3 Di truyền học 
nhà khoa học đã dùng đồng vị phóng xạ của l−u huỳnh (S) để 
đánh dấu protein trong một lô thí nghiệm, và sử dụng đồng vị 
phóng xạ của phospho (P) để đánh dấu ADN trong lô thí 
nghiệm thứ hai. Bởi vì protein chứa l−u huỳnh trong thành phần 
cấu tạo của nó, trong khi ADN thì không, nên các nguyên tử S 
phóng xạ chỉ kết hợp vào các phân tử protein của phagơ. T−ơng 
tự nh− vậy, các nguyên tử P phóng xạ chỉ đánh dấu ADN, mà 
không đánh dấu protein, bởi vì hầu hết các nguyên tử phospho 
của phagơ đều ở trong phân tử ADN của nó. Trong thí nghiệm 
này, các nhà khoa học đã cho các tế bào E. coli không đánh dấu 
phóng xạ lây nhiễm độc lập với phagơ T2 thu đ−ợc từ hai lô thí 
nghiệm đánh dấu phóng xạ protein và ADN. Các nhà khoa học 
sau đó đã kiểm tra xem loại phân tử nào - ADN hay protein - đã 
đi vào các tế bào vi khuẩn ngay sau quá trình lây nhiễm, qua đó 
nó có khả năng tái lập trình hoạt động của các tế bào. 
Hershey và Chase đã phát hiện ra rằng chính ADN của 
phagơ đã đi vào tế bào vi khuẩn, trong khi protein của phagơ thì 
không. Hơn nữa, khi các tế bào vi khuẩn này đ−ợc cấy chuyển 
trở lại môi tr−ờng nuôi cấy, sự lây nhiễm vẫn tiếp tục diễn ra, 
và các tế bào E. coli giải phóng ra các phagơ mang một phần 
các nguyên tử P phóng xạ. Điều này cho thấy thêm rằng ADN 
trong tế bào giữ một vai trò liên tục trong quá trình lây nhiễm. 
Hershey và Chase kết luận rằng ADN đ−ợc phagơ tiêm vào 
vi khuẩn phải là phân tử mang thông tin di truyền từ đó tế bào 
vi khuẩn mới có thể tạo nên các ADN và protein mới của virut. 
Nghiên cứu của Hershey và Chase có tính b−ớc ngoặt, bởi vì nó 
cung cấp một bằng chứng rất thuyết phục rằng các axit nucleic, 
chứ không phải protein, là vật chất di truyền, ít nhất là ở virut. 
Các bằng chứng khác chứng minh ADN 
là vật chất di truyền 
Các bằng chứng khác chứng minh ADN là vật chất di 
truyền đến từ phòng thí nghiệm của nhà hóa sinh học Erwin 
Chargaff. ADN đã đ−ợc biết là polyme của các nucleotide. 
Trong đó, mỗi nucleotide gồm có 3 thành phần: một bazơ chứa 
nitơ (gọi tắt là bazơ nitơ; đôi khi là bazơ nitric), một đ−ờng 
pentose đ−ợc gọi là deoxyribose, và một nhóm phosphate 
(Hình 16.5). Các bazơ có thể là adenine (A), thymine (T), 
guanine (G) hay cytosine (C). Chargaff đã phân tích thành phần 
bazơ của ADN từ nhiều sinh vật khác nhau. Năm 1950, ông đã 
công bố thành phần bazơ trong ADN biến động khi so sánh 
giữa các loài khác nhau. Chẳng hạn, ở ng−ời 30,3% các 
nucleotide ADN chứa bazơ A, trong khi tỉ lệ này ở E. coli chỉ là 
26%. Bằng chứng về tính đa dạng phân tử nh− vậy giữa các 
loài, vốn tr−ớc đó ch−a từng biết đối với ADN, đã củng cố thêm 
nhận định ADN là nhóm chất có tiềm năng hơn trong vai trò 
vật chất di truyền. 
Chargaff cũng đặc biệt nhấn mạnh một qui luật kỳ lạ về tỉ lệ 
giữa các bazơ nitơ ở mỗi loài. Trong thành phần ADN của tất cả 
các loài đ−ợc nghiên cứu, số l−ợng adenine luôn xấp xỉ 
thymine, còn số l−ợng guanine luôn xấp xỉ cytosine. Chẳng 
hạn, trong ADN của ng−ời tỉ lệ của bốn loại bazơ nitơ đ−ợc xác 
định là: A = T = 30,3%; G = 19,3% và C = 19,9%. Sự cân bằng 
về số l−ợng bazơ A với T cũng nh− giữa G với C còn đ−ợc gọi 
là luật Chargaff. Cơ sở phân tử của luật Chargaff trong thực tế 
tồn tại nh− một “bí ẩn” cho đến khi Watson và Crick phát hiện 
ra cấu trúc chuỗi xoắn kép vào năm 1953. 
Xây dựng mô hình cấu trúc ADN: 
Quá trình tìm hiểu khoa học 
Sau khi các nhà khoa học đã đ−ợc thuyết phục bởi các bằng 
chứng chứng minh ADN là vật chất di truyền, một thách thức 
đ−ợc đặt ra là cần xác định đ−ợc cấu trúc của ADN để từ đó có 
thể giải thích đ−ợc vai trò di truyền của nó. Vào đầu những năm 
1950, sự sắp xếp của các liên kết cộng hóa trị trên một phân tử 
polyme axit nucleic đã đ−ợc biết rõ (xem Hình 16.5); do vậy, 
các nhà nghiên cứu tập trung vào việc làm sáng tỏ cấu trúc 
không gian ba chiều của ADN. Trong các nhà khoa học nh− 
vậy có Linus Pauling từ Viện Công nghệ California và Maurice 
Wilkins cùng Rosalind Franklin từ Đại học King ở London. 
Tuy vậy, những ng−ời đầu tiên đ−a ra câu trả lời đúng lại là hai 
nhà khoa học ít đ−ợc biết đến vào thời kỳ đó - James Watson 
(ng−ời Mỹ) và Francis Crick (ng−ời Anh). 
 Khung Các 
 đ−ờng – phosphate bazơ nitơ 

 Hình 16.5 Cấu trúc một mạch ADN. Mỗi nucleotide 
đơn phân chứa một bazơ nitơ (T, A, C hoặc G), đ−ờng deoxyribose
(màu xanh d−ơng) và một nhóm phosphate (màu vàng). Nhóm 
phosphate của nucleotide này liên kết với đ−ờng của nucleotide 
tiếp theo tạo nên "cột sống" phân tử gồm các nhóm phosphate 
và đ−ờng luân phiên, từ đó các bazơ nhô ra. Mạch 
polynucleotide có tính định h−ớng từ đầu 5' (với nhóm 
phosphate) tới đầu 3' (với nhóm -OH). 5’ và 3’ là các số chỉ các 
nguyên tử carbon nằm trên cấu trúc vòng của phần đ−ờng. 
Đầu 5' 
Đầu 3' 
Phosphate 
Đ−ờng (deoxyribose) 
Nucleotide 
của ADN 
 Ch−ơng 16 Cơ sở di truyền học phân tử 309 
Sự hợp tác ngắn ngủi nh−ng rất nổi tiếng của họ đã giúp làm 
sáng tỏ cấu trúc bí ẩn của ADN ngay sau khi Watson có chuyến 
thăm Đại học Cambridge là nơi mà Crick đang nghiên cứu các 
cấu trúc protein bằng một kỹ thuật gọi là tinh thể học tia X 
(xem Hình 5.25). Khi thăm phòng thí nghiệm của Maurice 
Wilkins, Watson nhìn thấy hình ảnh nhiễu xạ tia X của ADN 
do một đồng nghiệp quá cố của Wilkins là Rosalin Franklin 
chụp đ−ợc (Hình 16.6a). Các bức ảnh đ−ợc tạo ra bằng kỹ thuật 
tinh thể học tia X cho thấy chúng không phải các hình ảnh của 
các phân tử thực sự. Các điểm chấm và vết nhòe nh− trên Hình 
16.6b đ−ợc tạo ra là do tia X bị nhiễu xạ (khúc xạ) khi chúng đi 
qua các sợi ADN tinh sạch xếp thẳng hàng. Các nhà khoa học 
về tinh thể học th−ờng dùng các công thức toán học để chuyển 
tải các thông tin từ các hình ảnh nh− vậy thành hình dạng ba 
chiều của các phân tử; riêng Watson thì đã quen thuộc với 
những hình ảnh đ−ợc tạo ra bởi các phân tử dạng chuỗi xoắn. 
Khi nghiên cứu kỹ ảnh nhiễu xạ tia X của ADN do Franklin 
chụp, Watson không chỉ tìm ra ADN có dạng chuỗi xoắn mà 
ông còn −ớc l−ợng đ−ợc chiều rộng của chuỗi xoắn và khoảng 
cách giữa hai bazơ nitơ liền kề dọc trục chuỗi xoắn. Chính 
chiều rộng của chuỗi xoắn đã chỉ ra nó đ−ợc tạo nên từ hai 
mạch, không giống với công bố ngay tr−ớc đó của Linus 
Pauling về một mô hình phân tử gồm 3 mạch. Sự phát hiện ra 
hai mạch giải thích cho việc thuật ngữ th−ờng đ−ợc dùng hiện 
nay để mô tả ADN là chuỗi xoắn kép (Hình 16.7). 
Watson và Crick bắt đầu xây dựng các mô hình của chuỗi 
xoắn kép sao cho phù hợp với các số liệu đo đ−ợc qua các hình 
ảnh nhiễu xạ tia X, từ đó tìm ra cấu trúc hóa học của ADN. 
Đồng thời sau khi đọc một bản báo cáo th−ờng niên ch−a đ−ợc 
công bố về nghiên cứu của Franklin, hai nhà khoa học biết rằng 
Franklin đã từng kết luận rằng khung đ−ờng - phosphate nằm 
bên ngoài chuỗi xoắn kép. Sự sắp xếp này rất thuyết phục vì nó 
(a) Rosalind Franklin (b) ảnh nhiễu xạ tia X của ADN
do Franklin chụp 

 Hình 16.6 Rosalind Franklin và ảnh nhiễu xạ tia X 
của ADN. Franklin, một nhà khoa học lỗi lạc về tinh thể học tia X, 
đã thực hiện một thí nghiệm quan trọng, từ đó chụp đ−ợc bức ảnh giúp 
Watson và Crick luận ra cấu trúc xoắn kép của ADN. Franklin qua đời 
năm 1958 do bệnh ung th− khi cô mới 38 tuổi. Đồng nghiệp của cô là 
Maurice Wilkins đ−ợc nhận đồng giải th−ởng Nobel năm 1962 cùng với 
Watson và Crick. 
(a) Cấu trúc cơ bản của ADN (b) Cấu trúc hóa học một đoạn ngắn của ADN (c) Mô hình lấp kín không gian 

 Hình 16.7 Chuỗi xoắn kép. (a) Dải "ruy băng" trong hình vẽ biểu diễn khung đ−ờng - phosphate của hai mạch đơn ADN. Chuỗi 
xoắn này theo "chiều phải", nghĩa là vặn về phía phải theo h−ớng đi lên. Hai mạch chuỗi xoắn đ−ợc giữ lại với nhau qua các liên kết 
hydro (đ−ờng nét chấm màu đỏ) hình thành giữa các bazơ nitơ kết thành từng cặp bên trong chuỗi xoắn. (b) Để thấy cấu trúc hóa học 
rõ hơn, hai mạch ADN đ−ợc vẽ thẳng hàng nh− một đoạn ngắn của chuỗi xoắn. Liên kết cộng hóa trị mạnh nối các tiểu đơn vị 
(nucleotide) trên một mạch với nhau, trong khi các liên kết hydro yếu hơn giữ hai mạch đơn với nhau. Điều đáng l−u ý là hai mạch đơn 
này là đối song song, nghĩa là chạy song song nh−ng theo 2 chiều ng−ợc nhau. (c) Sự xếp chồng lên nhau của các cặp bazơ nitơ một 
cách chặt chẽ đ−ợc thấy rõ trong mô hình đ−ợc vẽ bởi máy tính này. Lực hấp dẫn Van de Waals giữa từng cặp bazơ xếp chồng lên 
nhau chính là yếu tố chính giúp giữ toàn bộ phân tử với nhau (xem Ch−ơng 2). 
Đầu 5' 
Đầu 3' 
Đầu 3' 
Đầu 5' 
Liên kết hydro 
310 khối kiến thức 3 Di truyền học 
sẽ đẩy các bazơ nitơ có tính kị n−ớc t−ơng đối vào trong và rời 
xa khỏi các phân tử n−ớc trong phần dung dịch bao quanh. 
Watson đã xây dựng đ−ợc một mô hình với các bazơ nitơ h−ớng 
vào phía trong của chuỗi xoắn kép. Trong mô hình này, hai 
khung đ−ờng - phosphate chạy đối song song với nhau, nghĩa là 
các tiểu đơn vị của chúng chạy song song nh−ng ng−ợc chiều 
nhau (xem Hình 16.7). Chúng ta có thể t−ởng t−ợng sự sắp xếp 
tổng thể giống nh− một chiếc thang dây với các thanh thang 
vững chắc. Hai dây của thang ở hai bên t−ơng ứng với hai 
khung đ−ờng - phosphate, còn mỗi thanh thang t−ơng ứng với 
một cặp bazơ nitơ. Lúc này, chúng ta có thể t−ởng t−ợng một 
đầu của thang dây đ−ợc cố định, còn đầu kia đ−ợc vặn xoắn, 
tạo nên cấu trúc xoắn lò xo đều đặn. Các số liệu của Franklin 
chỉ ra rằng chiều dài mỗi vòng xoắn trọn vẹn dọc trục chuỗi 
xoắn dài 3,4 nm. Với khoảng cách giữa hai lớp cặp bazơ kế tiếp 
xếp chồng lên nhau là 0,34nm, sẽ có 10 lớp cặp bazơ nitơ 
(t−ơng ứng với 10 thanh thang) trong mỗi vòng của chuỗi xoắn. 
Các bazơ nitơ trong chuỗi xoắn kép kết cặp với nhau theo tổ 
hợp đặc hiệu: adenine (A) với thymine (T), còn guanine (G) với 
cytosine (C). Thí nghiệm theo mô hình "thử và sai", Watson và 
Crick đã phát hiện đ−ợc đặc điểm quan trọng này của ADN. 
Đầu tiên, Watson t−ởng t−ợng các bazơ kết cặp theo từng loại, 
nghĩa là A với A, C với C. Nh−ng mô hình này không phù hợp 
với các số liệu tia X vốn cho biết đ−ờng kính dọc chuỗi xoắn là 
đồng nhất. Vì sao sự sắp xếp này không phù hợp với kiểu kết 
cặp theo từng loại? Adenine và guanine là các purine; các bazơ 
của chúng có cấu trúc hai vòng hữu cơ. Ng−ợc lại, cytosine và 
thymine thuộc một họ các bazơ khác gọi là pyrimidine vốn chỉ 
có cấu trúc một vòng. Do vậy, các purine (A và G) sẽ có chiều 
rộng gấp khoảng 2 lần so với các pyrimidine (C và T). Một cặp 
purine - purine sẽ là quá rộng, trong khi một cặp pyrimidine - 
pyrimidine sẽ là quá hẹp, so với đ−ờng kính khoảng 2 nm của 
chuỗi xoắn kép. Nh−ng, nếu sự kết cặp luôn là một purine với 
một pyrimidine thì đ−ờng kính chuỗi xoắn sẽ đồng nhất. 
Watson và Crick từ đó suy luận rằng: hẳn phải có một kiểu 
kết cặp đặc hiệu bổ sung nào đó đ−ợc tạo ra bởi cấu trúc của 
các bazơ nitơ. Mỗi bazơ nitơ đều có các gốc hóa học ở mặt bên 
có thể tạo liên kết hydro với các "đối tác" của chúng: Adenine 
có thể tạo hai liên kết hydro với thymine và chỉ với thymine; 
trong khi guanine có thể tạo ba liên kết hydro với cytosine và 
chỉ với cytosine. Nói cách khác, A kết cặp với T, còn G kết cặp 
với C (Hình 16.8). 
Mô hình của Watson và Crick đồng thời giải thích đ−ợc cho 
nguyên tắc Chargaff. Bất cứ khi nào một mạch của phân tử 
ADN sợi kép có A, thì mạch đối diện sẽ là T; và G có mặt trên 
một mạch sẽ luôn luôn kết cặp với C trên mạch bổ sung t−ơng 
ứng. Do vậy, trên ADN của tất cả các sinh vật (chỉ trừ các virut 
có vật chất di truyền không phải ADN sợi kép), số l−ợng 
adenine luôn bằng thymine, còn số l−ợng guanine luôn bằng 
cytosine. Mặc dù nguyên tắc kết cặp của các bazơ nitơ là cơ sở 
tạo nên các “thanh thang” của chuỗi xoắn kép, nh−ng nó không 
hạn chế trình tự của các nucleotide dọc theo chuỗi xoắn. Trật tự 
của bốn loại bazơ nitơ dọc theo chuỗi xoắn có thể biến đổi bất 
kỳ, nh−ng mỗi gen chỉ có một trật tự duy nhất của các chúng; 
trật tự này đ−ợc gọi là trình tự các bazơ nitơ. 
Tháng T− năm 1953, Watson và Crick làm sửng sốt cộng 
đồng khoa học bằng việc công bố một bài báo ngắn chỉ dài 1 
trang trên tạp chí Nature*. Bài báo mô tả mô hình ADN mà họ 
tìm ra: chuỗi xoắn kép, để rồi từ đó nó dần trở thành biểu t−ợng 
của sinh học phân tử. Vẻ đẹp của mô hình này chính là ở chỗ: 
cấu trúc ADN chỉ cho chúng ta thấy cơ chế sao chép của nó. 
*
 J.D. Watson and F.H.C.Crick, Molecular structure of nucleic acids: a 
structure for deoxyribose nucleic acids, Nature 171: 737-738 (1953). 
Purine + Purine: quá rộng 
Pyrimidine + Pyrimidine: quá hẹp 
Purine + Pyrimidine: chiều 
rộng phù hợp với số liệu tia X 

 Hình 16.8 Sự kết cặp các bazơ nitơ trong ADN. 
Các cặp bazơ nitơ trong một chuỗi xoắn kép ADN đ−ợc giữ lại 
với nhau bởi các liên kết hydro (trên hình ở đây đ−ợc vẽ bằng 
đ−ờng nét chấm màu đỏ). 
Đ−ờng 
Đ−ờng 
Đ−ờng 
Đ−ờng 
16.1 
1. Một loài ruồi có tỉ lệ các nucleotide trong ADN nh− 
sau: 27,3% A, 27,6% T, 22,5% G và 22,5% C. 
Nguyên tắc Chargaff đ−ợc chứng minh bởi các số 
liệu trên nh− thế nào? 
2. Mô hình của Watson và Crick giúp giải thích 
nguyên tắc Chargaff nh− thế nào? 
3. Nếu biến nạp không xảy ra trong 
thí nghiệm của Griffith, thì kết quả thí nghiệm sẽ có 
thể khác biệt nh− thế nào? Giải thích. 
Xem gợi ý trả lời ở Phụ lục A. 
Kiểm tra khái niệm 
điều gì Nếu ? 
 Ch−ơng 16 Cơ sở di truyền học phân tử 311 
Mối quan hệ giữa cấu trúc và chức năng bộc lộ rõ nét ở 
chuỗi xoắn kép. Chính suy nghĩ cho rằng có sự kết cặp đặc hiệu 
giữa các bazơ nitơ trong phân tử ADN đã làm lóe lên ý t−ởng 
đ−a Watson và Crick đến với mô hình cấu trúc chính xác của 
chuỗi xoắn kép. Cùng lúc đó, họ tìm thấy ý nghĩa về mặt chức 
năng của nguyên tắc kết cặp các bazơ. Họ đã kết thúc bài báo 
của mình bằng một câu phát biểu hài h−ớc nh− sau: “Điều ám 
ảnh chúng tôi là nguyên tắc kết cặp đặc hiệu mà chúng tôi coi 
nh− định đề đã ngay lập tức chỉ ra một cơ chế sao chép vật chất 
di truyền có thể tồn tại”. Trong phần này, chúng ta sẽ đề cập 
đến nguyên lý cơ bản của sự sao chép (tái bản) ADN cũng nh− 
một số đặc điểm chi tiết quan trọng của quá trình đó. 
Nguyên lý cơ bản: kết cặp bazơ với mạch 
làm khuôn 
Trong một bài báo thứ hai, Watson và Crick phát biểu giả 
thiết của họ về cơ chế sao chép ADN nh− sau: 
Lúc này, trong thực tế mô hình về axit deoxyribonucleic của chúng tôi 
chính là một cặp các mạch làm khuôn, mà mỗi mạch bổ sung với 
mạch còn lại. Chúng tôi t−ởng t−ợng ra rằng: tr−ớc khi sự sao chép 
diễn ra, các liên kết hydro bị đứt g>y, sau đó hai mạch gi>n xoắn và 
tách khỏi nhau. Mỗi mạch sau đó đ−ợc dùng làm khuôn để hình thành 
nên một mạch mới đi kèm với nó; nhờ vậy, cuối cùng chúng ta sẽ nhận 
đ−ợc hai cặp chuỗi xuất ph tá từ một cặp chuỗi ban đầu. Ngoài ra, 
trình tự của các cặp chuỗi bazơ đ−ợc sao chép một cách chính xác.* 
Hình 16.9 mô tả ý t−ởng cơ bản của Watson và Crick. Để dễ 
t−ởng t−ợng, trên hình chỉ minh họa một đoạn chuỗi xoắn kép 
ngắn ở dạng duỗi thẳng. Điều đáng l−u ý là nếu chúng ta chỉ 
biết trình tự của một trong hai mạch ADN đ−ợc vẽ trên Hình 
16.9a, thì chúng ta có thể xác định đ−ợc trình tự bazơ nitơ của 
mạch còn lại trên cơ sở áp dụng nguyên tắc kết cặp bổ sung của 
các bazơ. Nói cách khác, hai mạch ADN bổ sung cho nhau; 
mỗi mạch mang thông tin cần thiết để tái thiết mạch còn lại. 
Khi một tế bào sao chép một phân tử ADN, mỗi mạch của phân 
tử ADN đó đ−ợc dùng làm khuôn để sắp xếp các nucleotide vào 
mạch mới bổ sung với nó. Các nucleotide xếp hàng dọc theo 
mạch làm khuôn tuân thủ nguyên tắc kết cặp của các bazơ đồng 
thời liên kết với nhau để hình thành nên một mạch mới. Nếu đã 
có một phân tử ADN sợi kép vào đầu quá trình sao chép, thì sẽ 
nhanh chóng thu đ−ợc một bản sao chính xác của phân tử “mẹ”. 
Cơ chế sao chép giống nh− việc dùng phim âm bản để tạo nên 
ảnh d−ơng bản; sau đó ảnh d−ơng bản lại đ−ợc dùng để tạo nên 
một phim âm bản mới rồi quá trình đ−ợc lặp đi lặp lại. 
Mô hình sao chép ADN nh− vậy đã không đ−ợc kiểm chứng 
trong nhiều năm kể từ khi cấu trúc của ADN đ−ợc công bố. Thí 
nghiệm nhằm chứng minh cho mô hình này về nguyên tắc thì 
dễ t−ởng t−ợng, nh−ng về thực nghiệm thí khó thực hiện. Mô 
hình của Watson và Crick dự đoán rằng khi chuỗi xoắn kép sao 
chép, mỗi phân tử con sẽ mang một mạch cũ có nguồn gốc từ 
phân tử mẹ còn một mạch đ−ợc tổng hợp mới. Mô hình bán 
bảo toàn này nh− vậy không giống với mô hình bảo toàn vốn 
cho rằng sau quá trình sao chép bằng một cách nào đó các 
mạch của chuỗi xoắn kép kết cặp trở lại với nhau (tức là phân 
tử ADN mẹ đ−ợc bảo toàn nguyên vẹn). Mô hình này đồng thời 
cũng khác với mô hình phân tán là mô hình cho rằng cả bốn 
mạch ADN sau quá trình sao chép là sự tổ hợp lại của các phân 
đoạn ADN cũ xen lẫn các phân đoạn ADN mới tổng hợp (Hình 
16.10 ở trang sau). Mặc dù cơ chế để ADN có thể sao chép theo 
kiểu bảo toàn hoặc phân tán là khó giải thích, nh−ng trong thực 
tế không thể loại bỏ những mô hình này nếu thiếu bằng chứng 
16.2 Khái niệm 
Nhiều protein phối hợp trong 
sao chép và sửa chữa ADN 
(a) Phân tử ADN mẹ có hai mạch ADN 
bổ sung với nhau. Mỗi loại bazơ kết 
cặp đặc hiệu với một loại bazơ 
t−ơng ứng của nó qua các liên kết 
hydro; trong đó A liên k