Hoạt động mở đầu (trang 19) Sinh 12 Cánh diều Bài 3: Các tế bào soma của một cơ thể người đều có số lượng gene giống nhau với khoảng 20000 gene mã hóa protein. Trong số đó, một số gene chủ biểu hiện ở giai đoạn phôi, các gene khác chỉ biểu hiện ở giai đoạn trưởng thành. Trong cùng một giai đoạn phát triển, có nhiều gene biểu hiện khác nhau ở các loại mô. Cơ chế phân tử nào dẫn đến hiện tượng này? Điều đó có ý nghĩa như thế nào đối với cơ thể?
Trả lời:
- Cơ chế dẫn đến hiện tượng này là do sự điều hòa biểu hiện của gene. Điều này có ý nghĩa giúp gene hoạt động khi cơ thể cần, điều hòa cơ thể trong quá trình sinh trưởng và phát triển.
I. Điều hòa biểu hiện gene của Operon Lac ở vi khuẩn E.coli
1. Thí nghiệm
Câu hỏi 1 (trang 19) Sinh 12 Cánh diều Bài 3: Tại sao khi tăng nồng độ lactose trong môi trường nuôi cấy vi khuẩn E. coli, nồng độ các protein và enzyme phân giải đường này cũng tăng và ngược lại?
Trả lời:
- Do một tín hiệu từ môi trường gây nên biểu hiện đồng thời một cụm nhiều gene mã hoá các enzyme tham gia chuyển hoá lactose. Các gene này được phiên mã thành một mRNA (mRNA polycistronic) và dịch mã mRNA này tạo ra nhiều chuỗi polypeptide.
2. Cơ chế điều hòa biểu hiện gen ở operon Lac
Câu hỏi 2 (trang 20) Sinh 12 Cánh diều Bài 3: Quan sát hình 3.1 và dự đoán gene điều hoà chi phối sự phiên mã các gene cấu trúc của operon lac bằng cách nào?
Trả lời:
- Gene điều hoà chi phối sự phiên mã các gene cấu trúc của operon lac bằng cách tổng hợp protein ức chế, protein ức chế hoạt động sẽ có tác dụng liên kết với vùng vận hành (O) của operon lac để ngăn cản quá trình phiên mã của các gene cấu trúc Z, Y, A.
Câu hỏi 3 (trang 20) Sinh 12 Cánh diều Bài 3: Quan sát hình 3.2 và cho biết:
a) Khi môi trường không có lactose, tại sao các gene cấu trúc của operon lac không được phiên mã?
b) Khi môi trường có lactose, tại sao các gene cấu trúc của operon lac được phiên mã?
Trả lời:
a) Khi môi trường không có lactose: Protein ức chế liên kết với operator khiến RNA polymerase không thể liên kết được với promoter nên các gene cấu trúc không được phiên mã.
b) Khi môi trường có lactose: một lượng nhỏ lactose chuyển thành đồng phân của lactose (allolactose) và liên kết với protein ức chế lacI khiến protein này thay đổi cấu hình dẫn đến không liên kết được với operator, enzyme RNA polymerase có thể liên kết với promoter và tiến hành phiên mã các gene cấu trúc.
Luyện tập (trang 20) Sinh 12 Cánh diều Bài 3: Hãy trình bày tóm tắt cơ chế điều hòa biểu hiện gene ở operon lac của E.coli.
Lời giải:
Cơ chế điều hòa biểu hiện của gene:
- Khi môi trường không có lactose: Protein ức chế liên kết với operator khiên enzyme RNA polymerase không thể liên kết được với promoter nên các gene cấu trúc không được phiên mã.
- Khi môi trường có lactose: Một lượng nhỏ lactose chuyển thành đồng phân của lactose và liên kết với protein ức chế khiến protein này thay đổi cấu hình dẫn đến không liên kết được với operator, do vậy enzyme RNA polymerase có thể liên kết với promoter và tiến hành phiên mã các gene cấu trúc.
III. Ứng dụng của sự điều hòa biểu hiện gene
Câu hỏi 4 (trang 21) Sinh 12 Cánh diều Bài 3: Hãy nêu các ứng dụng thực tế liên quan đến cơ chế điều hoà biểu hiện gene trong kiểm soát mật độ tế bào ở vi khuẩn hoặc tăng hiệu quả sản xuất protein tái tổ hợp.
Một số ứng dụng thực tế liên quan đến cơ chế điều hoà biểu hiện gene trong kiểm soát mật độ tế bào ở vi khuẩn hoặc tăng hiệu quả sản xuất protein tái tổ hợp:
- Phát hiện ra chất 3’-diindolylmethane (DIM) có khả năng ức chế hình thành màng sinh học ở vi khuẩn gây sâu răng S. mutans giúp phát triển thuốc điều trị bệnh do vi khuẩn này gây nên.
- Để cải tiến khả năng chịu hạn của lúa Oryza sativa, các nhà khoa học Việt Nam đã thiết kế vector chuyển gene mã hóa protein điều hòa và promoter vào giống lúa Chành Trụi giúp tăng cường biểu hiện các gene liên quan với đáp ứng hạn ở cây lúa chuyển gene.
- Tạo được chủng vi khuẩn S. gordonii chuyển gene và mang trình tự điều hòa giúp tăng cường biểu hiện kháng thể và kháng nguyên, cung cấp nguyên liệu sản xuất vaccine đường uống.
Vận dụng (trang 22) Sinh 12 Cánh diều Bài 3: Tại sao các thuốc có đích tác động là cơ chế cảm ứng mật độ có nhiều triển vọng ứng dụng trong điều trị bệnh do vi khuẩn kháng kháng sinh?
Lời giải:
- Do vi khuẩn kháng kháng sinh có tốc độ sinh trường và phát triển nhanh dẫn đến mật độ dày đặc nên các thuốc có đích tác động là cơ chế cảm ứng mật độ có nhiều triển vọng ứng dụng trong điều trị bệnh do vi khuẩn kháng kháng sinh.