ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG GEN
A. LÝ THUYẾT
I. KHÁI QUÁT CHUNG
1. Khái niệm
Điều hòa hoạt động gen ở đây được hiểu là gen có được phiên mã và dịch mã hay không
Sự hoạt động khác nhau của các gen trong hệ gen là do quá trình điều hòa
2. Lý do
- Trong mỗi tế bào, số lượng gen rất lớn nhưng thường chỉ có một số ít gen hoạt động còn phần lớn các gen ở trạng thái không hoạt động hoặc hoạt động rất yếu.
3. Vai trò
- Đảm bảo hoạt động sống của tế bào phù hợp điểu kiện môi trường và sự phát triển bình thường của cơ thể.
- Giúp nhận biết thời điểm gen hoạt động, lượng sản phẩm do gen tạo ra.
4. Đặc điểm
- Phức tạp, nhiều mức độ khác nhau
+ Điều hòa trước phiên mã: là điều hòa số lượng gen qui định tính trạng nào đó trong tế bào
+ Điều hòa phiên mã: là điều hòa việc tạo ra số lượng mARN (vd: điều hòa hoạt động của cụm gen Z,Y,A trong lactose Operon)
+ Điều hòa dịch mã: là điều hòa lượng prôtêin được tạo ra bằng cách điều khiển thời gian tồn tại của mARN, thời gian dịch mã hoặc số lượng ribôxôm tham gia dịch mã
+ Điều hòa sau dịch mã: là điều hòa chức năng của prôtêin sau khi đã dịch mã hoặc loại bỏ prôtêin chưa cần thiết (ví dụ: điều hòa hoạt động gen R trong mô hình điều hòa lactose Operon
- Sinh vật nhân sơ: chủ yếu diễn ra điều hòa phiên mã.
- Sinh vật nhân thực: điều hòa ở nhiều mức độ (Từ trước phiên mã đến sau dịch mã)
II. ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG GEN Ở SINH VẬT NHÂN SƠ
1. Cấu tạo Lactose Operon theo Jacob và Monode
- Trong tế bào có rất nhiều gen, ở mỗi thời điểm chỉ có 1 số gen hoạt động, phần lớn các gen còn lại ở trạng thái ức chế, tức là tế bào chỉ tổng hợp prôtêin khi cần thiết.
Ví dụ: gen qui định việc tạo ra kháng thể chống 1 loại bệnh nào đó chỉ hoạt động khi trong cơ thể xuất hiện mầm bệnh đó, còn phần lớn thời gian còn lại gen tồn tại ở trạng thái bị ức chế - không hoạt động
- Một hệ thống gồm nhiều gen cấu trúc có liên quan về chức năng cùng phối hợp hoạt động điều hoà tổng hợp prôtêin gọi là Operon. Một Operon gồm:
+ Z, Y, A: cụm các gen cấu trúc: kiểm soát các polipeptit có liên quan về chức năng.
+ O: gen chỉ huy chi phối hoạt động của cụm gen cấu trúc
+ P: vùng khởi động (nơi ARN – polimeraza bám vào và khởi đầu phiên mã)
+ R: gen điều hòa kiểm soát tổng hợp prôtêin ức chế (R không phải là thành phần của Opêron)
2. Các cấp độ điều hòa hoạt động gen
- Điều hòa trước phiên mã: là điều hòa số lượng gen qui định tính trạng nào đó trong tế bào
- Điều hòa phiên mã: là điều hòa việc tạo ra số lượng mARN (vd: điều hòa hoạt động của cụm gen Z, Y, A trong lactose Operon)
- Điều hòa dịch mã: là điều hòa lượng prôtêin được tạo ra bằng cách điều khiển thời gian tồn tại của mARN, thời gian dịch mã hoặc số lượng ribôxôm tham gia dịch mã
- Điều hòa sau dịch mã: là điều hòa chức năng của prôtêin sau khi đã dịch mã hoặc loại bỏ prôtêin chưa cần thiết (ví dụ: điều hòa hoạt động gen R trong mô hình điều hòa lactose Operon)
3.Cấu trúc của ôpêrôn Lac
* Khái niệm về ôpêron: Trên ADN của vi khuẩn, các gen có liên quan về chức năng thường được phân bố thành một cụm, có chung một cơ chế điều hòa được gọi là ôpêron.
* Ôpêrôn Lac gồm 3 thành phần:
- Vùng khởi động P (promoter): nơi mà ARN pôlimeraza bám vào và khởi đầu phiên mã.
- Vùng vận hành O (operator): có trình tự Nu đặc biệt để prôtêin ức chế có thể liên kết làm ngăn cản sự phiên mã.
- Nhóm gen cấu trúc Z, Y, A quy định tổng hợp các enzym tham gia phản ứng phân giải đường lactôzơ trong môi trường để cung cấp năng lượng cho tế bào.
* Trước mỗi opêron (nằm ngoài opêron) có gen điều hoà R. Khi gen điểu hòa R hoạt động sẽ tổng hợp nên prôtêin ức chế. Prôtêin này có khả năng liên kết với vùng vận hành (O) dẫn đến ngăn cản quá trình phiên mã. (R không phải là thành phần của Opêron
B. BÀI TẬP TỰ LUẬN
Câu 1: Thế nào là điều hoà hoạt động gen?
Hướng dẫn giải
Trong tế bào chứa đầy đủ hệ gen nhưng các gen hoạt động khác nhau theo giai đoạn phát triển của cá thể và theo nhu cầu hoạt động sống của tế bào.
Sự hoạt động khác nhau của gen là do quá trình điều hoà, quá trình điều hoà này thường liên quan đến các chất cảm ứng hay còn gọi là chất tín hiệu.
Câu 2: Opêron là gì? Trình bày cấu trúc opêron Lac ở E. coli.
Hướng dẫn giải
- Trên ADN, các gen có liên quan về chức năng thường được phân bố thành một cụm, có chung một cơ chế điều hoà được gọi là opêron.
- Opêron Lac gồm các thành phần:
+ Nhóm gen cấu trúc liên quan nhau về chức năng nằm kề nhau.
+ Gen chỉ huy (O): nằm trước các gen cấu trúc, là vị trí tương tác với prôtêin ức chế.
+ Vùng khởi động (P): nằm trước gen chỉ huy đó là vị trí tương tác của ARN polimeraza để khởi đầu phiên mã.
Câu 3: Giải thích cơ chế điều hoà hoạt động của opêron Lac.
Hướng dẫn giải
- Sự hoạt động cùa opêron chịu sự điều khiển của một gen điều hoà (regulator: R) nằm ở trước opêron. Bình thường, gen R tổng hợp ra một loại prôtêin ức chế gắn vào gen chỉ huy do đó gen cấu trúc ở trạng thái bị ức chế nên không hoạt động. Khi có chất cảm ứng (ví dụ lactôzơ) thì opêron chuyển sang trạng thái hoạt động (cảm ứng).
- Biểu hiện ở gen R và opêron Lac trong trạng thái ức chế:
+ Trong điều kiện bình thường (môi trường không có chất cảm ứng: đường lactôzơ), gen điều hoà (R) phiên mã tạo ra mARN của nó, mARN này được sử dụng để tổng hợp ra chất ức chế (prôtêin ức chế).
+ Chất ức chế đến bám vào gen chỉ huy. Gen chỉ huy bị ức chế do đó các gen cấu trúc không phiên mã.
- Biểu hiện ở gen R và opêron Lac khi có chất cảm ứng lactôzơ:
+ Khi môi trường nuôi E. coli có đường lactôzơ (đặc biệt là môi trường trước đó không có lactôzơ và thiếu glucôzơ) thì lactôzơ tác dụng với chất ức chế, chất ức chế bị bất hoạt. Do vậy, nó không còn có thể kết hợp với gen chỉ huy nữa.
+ Gen chỉ huy được tự do điều khiển quá trình phiên mã của cả opêron, mARN cùa các gen A. B, C được tổng hợp và sau đó được sử dụng để dịch mã tổng hợp các prôtêin enzim tương ứng. Đó là trạng thái cảm ứng (hoạt động) của opêron.
- Khi lactôzơ bị phân giải hết, chất ức chế được giải phóng, chất ức chế chuyển từ trạng thái bất hoạt sang trạng thái hoạt động đến bám vào gen chỉ huy và opêron lại chuyển sang trạng thái bị ức chế.
Câu 4: Trong cơ chế điều hoà hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ, vai trò của gen điều hoà là gì?
Hướng dẫn giải
A. Nơi tiếp xúc với enzim ARN polimeraza.
B. Mang thông tin quy định prôtêin ức chế.
C. Mang thông tin quy định enzim ARN pôlimcraza.
D. Nơi liên kết với prôtêin điều hoà.
Đáp án đúng B. Mang thông tin quy định prôtêin ức chế
Câu 5: Ở vi khuẩn E. coli, khi nói về hoạt động của các gen cấu trúc trong operon Lac, kết luận nào sau đây đúng?
A. Các gen này có số lần nhân đôi bằng nhau nhưng số lần phiên mã khác nhau.
B. Các gen này có số lần nhân đôi bằng nhau và số lần phiên mã bằng nhau.
C. Các gen này có số lần nhân đôi khác nhau nhưng số lần phiên mã bằng nhau.
D. Các gen này có số lần nhân đôi khác nhau và số lần phiên mã khác nhau.
Hướng dẫn giải
Do các gen nằm trong cùng một operon thì cùng chung một cơ thể điều hòa nên khi nhân đôi được thực hiện với số lần như nhau, hay khi phiên mã thì phiên mã cả cụm gen đó nên số lần phiên mã cũng bằng nhau.
Trên đây là toàn bộ nội dung tài liệu Tổng ôn các kiến thức về quá trình Điều hòa hoạt động gen Sinh học 12. Để xem toàn bộ nội dung các em đăng nhập vào trang Chúng tôi để tải tài liệu về máy tính.
Hy vọng tài liệu này sẽ giúp các em học sinh ôn tập tốt và đạt thành tích cao trong học tập .
Các em quan tâm có thể tham khảo thêm các tài liệu cùng chuyên mục:
Chúc các em học tập tốt !
