BÀI 3 - ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG GEN
I. 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. CƠ CHẾ 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
BÀI TẬP TỰ LUẬN
Bài 1: Thế nào là điều hoà hoạt động gen?
Lời 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.
Bài 2: Opêron là gì? Trình bày cấu trúc opêron Lac ở E. coli.
Lời 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.
Bài 3: Giải thích cơ chế điều hoà hoạt động của opêron Lac.
Lời 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.
Bài 4: Trong cơ chế điều hoà hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ, vai trò của gen điều hoà là gì?
Lời 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.
Lời 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.
BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM
Câu 1 :1961 hai nhà khoa học người Pháp là F.Jacôp và J.Mônô đã phát hiện ra cơ chế điều hoà tổng hợp protein ở đối tượng nào sau đây?
A. Trùng cỏ Paramecium caudatum
B. Vi khuẩn đường ruột Eschericia coli
C. Vi khuẩn nốt sần
D. Vi khuẩn lam.
Câu 2. Nhiều gen cấu trúc phân bố theo cụm, cùng được chỉ huy bởi gen vận hành và gen điều hoà gọi là:
A. nhóm gen tương quan
B. nhóm gen liên kết
C. gen nhảy
D. Operon
Câu 3. Lactose có vai trò gì trong quá trình điều hoà tổng hợp protein ở sinh vật nhân sơ?
A. Làm cho protein ức chế bị bất hoạt, không gắn được gen vận hành, kích thích tổng hợp protein.
B. Kích thích gen điều hoà hoạt động.
C. Cung cấp năng lượng cho quá trình dịch mã.
D. Kích thích gen vận hành.
Câu 4.Hoạt động của gen chịu sự kiểm soát bởi
A. gen điều hoà.
B. cơ chế điều hoà ức chế.
C. cơ chế điều hoà cảm ứng.
D. cơ chế điều hoà.
Câu 5.Hoạt động điều hoà của gen ở E.coli chịu sự kiểm soát bởi
A. gen điều hoà.
B. cơ chế điều hoà ức chế.
C. cơ chế điều hoà cảm ứng.
D. cơ chế điều hoà theo ức chế và cảm ứng.
Câu 6.Hoạt động điều hoà của gen ở sinh vật nhân chuẩn chịu sự kiểm soát bởi
A. gen điều hoà, gen tăng cường và gen gây bất hoạt.
B. cơ chế điều hoà ức chế, gen gây bất hoạt.
C. cơ chế điều hoà cảm ứng, gen tăng cường.
D. cơ chế điều hoà cùng gen tăng cường và gen gây bất hoạt.
Câu 7.Điều không đúng về sự khác biệt trong hoạt động điều hoà của gen ở sinh vật nhân thực với sinh vật nhân sơ là
A. cơ chế điều hoà phức tạp đa dạng từ giai đoạn phiên mã đến sau phiên mã.
B. thành phần tham gia chỉ có gen điều hoà, gen ức chế, gen gây bất hoạt.
C. thành phần than gia có các gen cấu trúc, gen ức chế, gen gây bất hoạ, vùng khởi động, vùng kết thúc và nhiều yếu tố khác.
D. có nhiều mức điều hoà: NST tháo xoắn, điều hoà phiên mã, sau phiên mã, dịch mã sau dịch mã.
Câu 8. Sự điều hoà hoạt động của gen nhằm
A. tổng hợp ra prôtêin cần thiết.
B. ức chế sự tổng hợp prôtêin vào lúc cần thiết.
C. cân bằng giữa sự cần tổng hợp và không cần tổng hợp prôtêin.
D. đảm bảo cho hoạt động sống của tế bào trở nên hài hoà.
Câu 9.Sinh vật nhân sơ sự điều hoà ở các operôn chủ yếu diễn ra trong giai đoạn
A. trước phiên mã.
B. phiên mã.
C. dịch mã.
D. sau dịch mã.
Câu 10.Sinh vật nhân thực sự điều hoà hoạt động của gen diễn ra
A. ở giai đoạn trước phiên mã.
B. ở giai đoạn phiên mã.
C. ở giai đoạn dịch mã.
D. từ trước phiên mã đến sau dịch mã.
Câu 11: Sự điều hòa hoạt động của gen tổng hợp enzim phân giải lactozo của vi khuẩn E. coli diễn ra ở cấp độ nào?
A. Diễn ra hoàn toàn ở cấp độ sau dịch mã.
B. Diễn ra hoàn toàn ở cấp độ dịch mã.
C. Diễn ra chủ yếu ở cấp độ phiên mã.
D. Diễn ra hoàn toàn ở cấp độ sau phiên mã.
Câu1 2: Mối tương quan giữa protein ức chế với vùng vận hành O được thể hiện như thế nào?
A. Khi môi trường không có lactozo, protein ức chế gắn vào O, ngăn cản sự phiên mã của nhóm gen cấu trúc.
B. Khi môi trường không có lactozo, protein ức chế không gắn được vào O, không diễn ra sự phiên mã của nhóm gen cấu trúc.
C. Khi môi trường không có lactozo, protein ức chế không gắn được vào O, enzim phiên mã có thể liên kết được với vùng khởi động để tiến hành phiên mã nhóm gen cấu trúc.
D. Khi môi trường có lactozo, protein ức chế gắn vào O, ngăn cản sự phiên mã của nhóm gen cấu trúc.
Câu 13: Theo giai đoạn phát triển của cá thể và theo nhu cầu hoạt động sống của tế bào thì
A. tất cả các gen trong tế bào đều hoạt động
B. tất cả các gen trong tế bào có lúc đồng loạy hoạt động, có khi đồng loạt dừng
C. chỉ có một số gen trong tế bào hoạt động
D. phần lớn các gen trong tế bào hoạt động
Câu 14: Trình tự các thành phần cấu tạo của một operon là
A. gen điều hòa – vùng vận hành – vùng khởi động – nhóm gen cấu trúc.
B. vùng khởi động – vùng vận hành – nhóm gen cấu trúc.
C. nhóm gen cấu trúc – vùng vận hành – vùng khởi động.
D. nhóm gen cấu trúc – vùng khởi động – vùng vận hành.
Câu 15: Phát biểu nào dưới đây không đúng khi nói về đặc điểm của điều hòa hoạt động gen ở tế bào nhân thực?
A. Cơ chế điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân thực phức tạp hơn ở sinh vật nhân sơ.
B. Phần lớn các trình tự nucleotit trên ADN được mã hóa thành các thông tin di truyền.
C. Phần ADN không mã hóa thì đóng vai trò điều hòa hoặc không hoạt động.
D. Có nhiều mức điều hòa, qua nhiều giai đoạn: từ nhiễm sắc thể (NST) tháo xoắn đến biến đổi sau dịch mã.
Câu 16: Trong cơ chế điều hòa hoạt động của operon Lac, sự kiện nào sau đây diễn ra cả khi môi trường có lactozo và khi môi trường không có laztozo?
A. Một số phân tử lactozo liên kết với protein ức chế.
B. Gen điều hòa R tổng hợp protein ức chế.
C. Các gen cấu trúc Z, Y, A phiên mã hóa tạo ra các phân tử mARN tương ứng.
D. ARN polimeraza liên kết với vùng khởi động của operon Lac và tiến hành phiên mã.
Câu 17: Trong cơ chế điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ, vai trò của gen điều hòa là
A. mang thông tin cho việc tổng hợp một protein ức chế tác động lên các gen cấu trúc.
B. nơi gắn vào của protein ức chế để cản trở hoạt động của enzim phiên mã.
C. mang thông tin cho việc tổng hợp một protein ức chế tác động lên vùng vận hành.
D. mang thông tin cho việc tổng hợp một protein ức chế tác động lên vùng khởi động.
Câu 18: Trình tự nucleotit đặc biệt của một operon nơi enzim ARN polimeraza bám vào khởi động quá trình phiên mã các gen cấu trúc được gọi là:
A. tổng hợp protein ức chế bám vào vùng khởi động để khởi đầu phiên mã.
B. tổng hợp enzim ARN polimeraza bám vào vùng khởi động để khởi đầu phiên mã.
C. tổng hợp protein ức chế bám vào vùng vận hành để ngăn cản quá trình phiên mã
D. tổng hợp các loại enzim tham gia vào phan ứng phân giải đường lactozo.
Câu 19: Xét một operon Lac ở E. coli, khi môi trường không có lactozo nhưng enzim chuyển hóa lactozo vẫn được tạo ra. Một học sinh đã đưa ra một số giải thích cho hiện tượng trên như sau:
(1) Do vùng khởi động (P) bị bất hoạt nên enzim ARN polimeraza có thể bám vào để khởi động quá trình phiên mã.
(2) Do gen điều hòa (R) bị đột biến nên không tạo được protein ức chế.
(3) Do vùng vận hành (O) bị đột biến nên không liên kết được với protein ức chế.
(4) Do gen cấu trúc (Z, Y, A) bị độ biến làm tăng khả năng biểu hiện của gen.
Những giải thích đúng là:
A. (2) và (4)
B. (1), (2) và (3)
C. (2) và (3)
D. (2), (3) và (4)
Câu 20: Vai trò của lactozo trong cơ chế điều hòa hoạt động của operon Lac ở E. coli là
A. liên kết đặc hiệu với protein điều hòa, khiến nó mất khả năng bám vào trình tự vận hành, tạo điều kiện cho ARN polimeraza hoạt động.
B. gắn vào trình tự vận hành operator để khởi đầu quá trình phiên mã ở gen điều hòa.
C. hoạt hóa trình tự khởi động promoter để thực hiện quá trình phiên mã ở gen điều hòa.
D. ức chế gen điều hòa và cản trở quá trình phiên mã của gen này để tạo ra protein điều hòa.
Đáp án - Hướng dẫn giải
1B 2D 3A 4D 5D 6D 7B 8D 9B 10D
11C 12A 13C 14B 15B 16B 17C 18A 19C 20A
