Mở đầu (trang 18) Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 3: Trong mỗi tế bào có hàng chục nghìn gene nhưng tại mỗi thời điểm chỉ một số gene hoạt động. Làm thế nào tế bào có thể đóng/mở các gene nhất định đúng thời điểm, tạo ra đúng lượng sản phẩm tế bào cần?
- Tế bào có thể đóng/mở các gene nhất định đúng thời điểm, tạo ra đúng lượng sản phẩm tế bào cần nhờ cơ chế điều hòa biểu hiện gene. Quá trình điều hòa biểu hiện gene chủ yếu xảy ra ở khâu điều hòa phiên mã (gene có được phiên mã hay không phiên mã). Một gene chỉ được phiên mã khi tế bào nhận được tín hiệu cho biết gene đó cần được phiên mã; ngược lại, khi lượng sản phẩm của gene tạo ra vượt quá nhu cầu của tế bào thì sẽ có tín hiệu để gene ngừng hoạt động phiên mã.
I. Thí nghiệm phát hiện ra Operon Lac ở vi khuẩn E. Coli
Câu hỏi 1 (trang 20) Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 3: Quan sát các hình 3.1 và 3.2, hãy giải thích cơ chế điều hòa biểu hiện gen của operon lac.
Trả lời:
- Khi môi trường không có lactose: Protein ức chế lacI liên kết với operator khiến enzyme RNA polymerase có thể liên kết với promoter nhưng không trượt qua được nên các gene cấu trúc không được phiên mã.
- 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, do vậy enzyme RNA polymerase có thể liên kết với promoter và tiến hành phiên mã các gene cấu trúc.
+ Vì vi khuẩn không có màng nhân và gene không phân mảnh nên các gene cấu trúc phiên mã đến đâu được dịch mã đến đó tạo ra các loại enzyme tham gia vào quá trình phân giải lactose trong môi trường.
Câu hỏi 2 (trang 20) Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 3: Tại sao môi trường có lactose thì protein ức chế lại không liên kết được với operator?
Trả lời:
- 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.
II. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn của điều hòa biểu hiện Gene
Câu hỏi 1 (trang 21) Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 3: Phân tích ý nghĩa của điều hòa biểu hiện gene trong tế bào và quá trình phát triển cá thể. Giải thích.
Ý nghĩa của điều hòa biểu hiện gene trong tế bào và quá trình phát triển cá thể:
- Đảm bảo cho tế bào không bị lãng phí năng lượng: Nhờ có sự điều hoà biểu hiện gene, tế bào chỉ tổng hợp sản phẩm của gene khi cần thiết, với lượng phù hợp với nhu cầu nên tiết kiệm được năng lượng.
- Có vai trò quan trọng trong quá trình phát triển của các sinh vật nhân thực đa bào:
+ Giúp mỗi tế bào đi vào con đường biệt hoá đặc trưng hình thành nên các mô, cơ quan và hệ cơ quan chuyên hoá, cuối cùng hình thành nên cơ thể hoàn chỉnh: Từ hợp tử tạo ra được cơ thể sinh vật hoàn chỉnh với các tế bào và các mô chuyên hoá khác nhau là nhờ có sự điều hoà biểu hiện gene một cách chính xác.
+ Các tế bào sinh ra từ một hợp tử mặc dù có cùng hệ gene, nhưng các tế bào con nhận được các tín hiệu điều hoà khác nhau từ tế bào chất của hợp tử và trong quá trình phát triển lại nhận tín hiệu điều hoà từ các tế bào xung quanh nên các tế bào khác nhau đóng, mở các nhóm gene khác nhau, tạo nên các tế bào chuyên hoá.
+ Giúp đảm bảo cho sự phát triển bình thường của cơ thể bằng cách điều khiển sự biểu hiện hoặc không biểu hiện của các gene nhất định trong mỗi giai đoạn phát triển: Nếu cơ chế điều hoà biểu hiện gene trong quá trình phát triển của sinh vật đa bào bị rối loạn trong giai đoạn phôi thai, các tế bào phôi sẽ không thể đi vào con đường biệt hóa một cách chính xác dẫn đến phôi thai có thể bị chết hoặc cá thể sinh ra sẽ bị dị dạng.
+ Nếu cơ chế điều hoà biểu hiện gene trong quá trình phát triển của sinh vật đa bào bị rối loạn trong giai đoạn trưởng, sự tạo ra không đủ hay quá mức một lượng sản phẩm của một gene nào đó sẽ gây ra những rối loạn cho quá trình sinh lí, sinh hóa trong tế bào dẫn đến cơ thể không hoạt động bình thường. Ví dụ: Ở người, gene proto-oncogene hoạt động quá mức sẽ thành gene gây ung thư (oncogene). Sự dư thừa sản phẩm của gene ung thư kích hoạt một loại tế bào cơ thể phân chia không kiểm soát dẫn đến bệnh ung thư.
Câu hỏi 2 (trang 21) Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 3: Hãy tìm thêm một số ứng dụng của điều hòa biểu hiện gen trong nông nghiệp và trong y học.
Trả lời:
- Một số ứng dụng của điều hòa biểu hiện gen trong nông nghiệp và trong y học:
+ Trong y học: Việc điều chỉnh biểu hiện gen đóng vai trò quan trọng trong điều trị ung thư bằng cách nhắm vào các gen liên quan đến sự phát triển, tồn tại và lan truyền của khối u. Ví dụ: Các phân tử nhỏ ức chế, kháng thể đơn dòng hoặc công nghệ chỉnh sửa gen có thể được sử dụng để điều hòa biểu hiện của các gen kích thích hoặc ức chế khối u, dẫn đến ức chế sự phát triển của tế bào ung thư hoặc sự kích thích sự chết của tế bào theo chương trình.
+ Trong nông nghiệp: Các kỹ thuật điều hòa biểu hiện gen có thể được sử dụng để tăng cường các đặc điểm mong muốn trong cây trồng như năng suất, dinh dưỡng và khả năng chống lại sâu bệnh. Ví dụ: Bằng cách điều hòa biểu hiện gen liên quan đến khả năng chịu hạn hán hoặc kháng sâu bệnh bằng các kỹ thuật như CRISPR/Cas9, các nhà khoa học có thể phát triển các giống cây có khả năng chống lại môi trường khắc nghiệt và cho năng suất cao hơn.
Luyện tập và vận dụng
Luyện tập và vận dụng 1 (trang 22) Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 3: Nêu ý nghĩa điều hòa hoạt động đồng thời nhiều gene cùng lúc kiểu operon lac.
Lời giải:
- Ý nghĩa: Tạo ra sản phẩm các gen nhanh chóng, các sản phẩm gen này thường liên quan đến nhau về chức năng nên cùng lúc tế bào cần lượng tương đương.
+ Ví dụ: Operon Lac ở E.coli tạo ra các protein chuyển hóa lactozo, các gen rARN (ở cả nhân sơ và nhân thực) được tạo ra lượng lớn, đồng thời mới có thể đáp ứng được yêu cầu của TB.
Luyện tập và vận dụng 2 (trang 22) Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 3: Nếu môi trường nuôi cấy vi khuẩn E. coli không có lactose nhưng operon lac vẫn hoạt động thì có thể dự đoán vi khuẩn bị hỏng ở bộ phận nào của operon lac? Giải thích.
Lời giải:
- Nếu môi trường nuôi cấy vi khuẩn E.coli không có lactose nhưng operon lac vẫn hoạt động thì có thể dự đoán vi khuẩn bị hỏng ở vùng O của operon lac.
- Giải thích: Nếu vùng O của operon lac bị hỏng thì protein ức chế không thể bám vào vùng này để ngăn cản sự hoạt động của enzyme RNA polymerase. Do đó, dù môi trường không có lactose nhưng operon lac vẫn hoạt động.
Luyện tập và vận dụng 3 (trang 22) Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 3: Các nhà khoa học nhận thấy loài vi khuẩn Streptococcus pneumoniae khi gặp môi trường bất lợi (có thuốc kháng sinh) thì một trong số các gene được kích hoạt là gene CSP, sản sinh ra protein CSP. Protein này làm cho tế bào dễ dàng nhận được các gene từ môi trường bên ngoài. Các nhà khoa học cho rằng gene CSP hoạt động khi mỗi trường có thuốc kháng sinh làm cho vi khuẩn nhanh chóng trở nên kháng thuốc kháng sinh. Hãy giải thích.
Lời giải:
- Loài vi khuẩn Streptococcus pneumoniae khi gặp môi trường bất lợi (có thuốc kháng sinh) sẽ kích hoạt gene CSP, sản sinh ra protein CSP. Protein này làm cho tế bào dễ dàng nhận được các gene mới từ môi trường bên ngoài, trong số đó sẽ có gene kháng kháng sinh. Trong môi trường kháng sinh, những vi khuẩn có gene kháng kháng sinh sẽ nhanh chóng thích nghi và phát triển mạnh, tạo nên tình trạng kháng kháng sinh.