Thayhienedu.com chia sẽ đến các bạn lý thuyết Sinh 12 Kết Nối Tri Thức_Bài 3 Điều hòa biểu hiện gene
I. THÍ NGHIỆM PHÁT HIỆN RA OPERON LAC Ở VI KHUẨN E. COLI
1. Thí nghiệm
- Nhà khoa học tiến hành: François Jacob và Jacques Monod (vào những
năm 1950) đã nghiên cứu trên đối tượng vi khuẩn E. coli.
- Cách tiến hành và kết quả:
|
Nuôi E. coli |
Môi trường (chứa các amino acid đánh dấu
phóng xạ) |
Ghi nhận hàm lượng 3 loại enzyme |
|
Lô đối chứng |
Không có lactose. |
Không được tổng hợp hoặc có lượng không đáng kể. |
|
Lô thí nghiệm |
Có lactose. |
Tăng lên gấp hàng nghìn lần. |
- Kết luận: Lactose đã kích hoạt tổng hợp đồng thời cả
ba enzyme β-galatosidase, permease và transacetylase.
2. Cấu trúc và cơ chế điều hòa biểu hiện gene của operon lac
a. Cấu trúc operon lac
- Khái niệm Operon: Là cụm các gene cấu trúc có liên quan về chức
năng, nằm liền kề nhau trên phân tử DNA và được kiểm soát bởi cùng một cơ chế
điều hoà (chung một promoter và operator).
- Cấu trúc một Operon lac gồm:
+ Vùng khởi động (P - promoter): Nơi enzyme RNA
polymerase bám vào để khởi động quá trình phiên mã.
+ Vùng vận hành (O - operator): Trình tự nucleotide
đặc biệt, là nơi liên kết với protein ức chế để ngăn cản quá trình phiên mã.
+ Nhóm gene cấu trúc (lacZ, lacY,
lacA): Nằm liền nhau, quy định tổng hợp các enzyme
phân giải đường lactose bao gồm: beta-galactosidase, permease và
transacetylase.
- Gene điều hoà (lacI):
+ Không thuộc cấu trúc của operon lac.
+ Có nhiệm vụ mã hóa protein ức chế (lacI), protein này có khả năng
liên kết với vùng vận hành (O) để ngăn cản phiên mã.
b. Cơ chế điều hoà biểu
hiện gene của operon lac
- Khi môi trường không có lactose (Trạng thái TẮT):
+ Gene điều hoà lacI biểu hiện liên tục tạo ra protein ức
chế.
+ Protein ức chế bám chặt vào vùng vận hành (O).
+ Cản trở vật lý khiến enzyme RNA polymerase không thể liên kết vào
vùng khởi động (P) → Quá trình phiên mã của các gene cấu trúc không thể diễn
ra.
Cơ chế điều hòa biểu hiện gene khi môi trường
không có lactose
- Khi môi trường có lactose (Trạng thái MỞ):
+ Một lượng nhỏ lactose đi vào tế bào và chuyển thành đồng phân allolactose
(chất cảm ứng).
+ Allolactose liên kết đặc hiệu với protein ức chế, làm thay đổi cấu
hình không gian của protein này, khiến nó mất khả năng bám vào vùng vận hành
(O).
+ Vùng O được tự do, enzyme RNA polymerase dễ dàng bám vào vùng khởi
động (P) và thực hiện phiên mã cụm gene cấu trúc tạo ra mRNA.
+ Nhờ vi khuẩn không có màng nhân, quá trình dịch mã diễn ra đồng thời
tạo ra các enzyme phân giải lactose. Khi lactose bị phân giải hết, protein ức
chế lấy lại cấu hình ban đầu, bám vào vùng O và đóng operon lại.
Cơ chế điều hòa biểu hiện gene khi môi trường
có lactose
II. Ý NGHĨA VÀ ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CỦA ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE
1. Ý nghĩa
Điều hòa hoạt động gene giúp tế bào tránh lãng phí
năng lượng. Ở sinh vật đa bào, điều hòa hoạt động gene giúp biệt hóa các tế
bào để chúng có thể thực hiện được các chức năng khác nhau.
- Là cơ chế giúp tế bào chỉ tổng hợp sản phẩm của
gene với lượng phù hợp khi cần thiết → Tiết kiệm năng lượng cho tế
bào.
- Giúp tế bào thích nghi được với sự thay đổi của
môi trường hay khi gặp điều kiện bất lợi.
Ví dụ: Các tế bào miễn dịch chỉ kích hoạt các gene tổng
hợp kháng thể khi tiếp xúc với các tác nhân gây bệnh.
- Ở sinh vật đa bào nhân thực: Điều hoà hoạt động
gene giúp chuyên hóa các loại tế bào thành các mô, cơ quan khác nhau từ tế
bào hợp tử.
Ví dụ: Ở người, các gene proto - oncogene tạo
ra sản phẩm vừa đủ. Nếu quá trình điều hòa hoạt động gene bị trục trặc
→ Gene hoạt động quá mức → Trở thành gene gây ung thư (oncogene).
2. Ứng dụng thực tiễn
Ứng dụng của điều hòa hoạt động gene: Sản xuất thuốc;
biệt hóa tế bào gốc; điều khiển sự sinh trưởng, phát triển của vật nuôi, cây trồng;...
- Sản xuất ra các thuốc ức chế sản phẩm của gene gây bệnh.
Ví dụ: Thuốc tamoxifen ức chế đặc hiệu thụ thể
estrogen alpha (ERα) để chữa ung thư vú do gene ERα biểu hiện quá mức.
- Biệt hoá thành các loại tế bào khác nhau từ tế bào gốc
để dùng cho mục đích chữa bệnh hoặc thử tác động của thuốc.
- Tạo sản phẩm của gene để chữa bệnh.
Ví dụ: Điều trị bệnh lùn bẩm sinh do gene
không tạo đủ hormone sinh trưởng.
- Chủ động đóng mở gene nhất định để phù hợp với
nhu cầu sản xuất.
Ví dụ: Sử dụng ánh sáng điều khiển các gene để cây ra hoa vào mùa thích hợp; sử dụng các hormone sinh dục để điều khiển tỉ lệ giới tính ở vật nuôi.