Bài 3. Điều hòa hoạt động gen

Bài 3. Điều hòa hoạt động gen

I. KHÁI NIỆM

Điều hòa hoạt động của gen là điều hòa lượng sản phẩm do gen tạo ra hay điều hòa các quá trình nhân đôi ADN , phiên mã tạo ARN và quá trình tổng hợp protein

Ý nghĩa:

Tế bào chỉ tổng hợp protein cần thiết vào thời điểm thích hợp với một lượng nghiên cứu cần thiết.
Đảm bảo các hoạt động sống của tế bào thích ứng với điều kiện môi trường cũng như sự phát triển bình thường của cơ thể

Các mức độ điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật :

Phiên mã,
Dịch mã,
Sau dịch mã

Điều hòa hoạt động gen của tế bào nhân sơ xảy ra chủ yếu ở mức độ phiên mã

II. CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG GEN Ở SINH VẬT NHÂN SƠ

1. Cấu tạo Lactose Operon theo Jacob và Monode

a. 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

b. 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. Cơ chế hoạt động của Lactose Operon ở E.coli

Vi khuẩn E.coli mẫn cảm với đường lactose do đó khi sống trong môi trường có đường lactose E.coli sẽ tiết ra enzyme lactaza để phân giải đường lactose

1. Khi môi trường không có lactose

Hình 1 : Cơ chế điều hòa hoạt động của operon Lac khi môi trường không có Lactozo

- Bình thường, gen điều hòa (R) tổng hợp một loại prôtêin ức chế gắn vào gen chỉ huy (O), do đó gen cấu trúc ở trạng thái bị ức chế nên không hoạt động. Z,Y,A sẽ không thực hiện được phiên mã và dịch mã. Vì vậy, sản phẩm của cụm gen là lactaza không được tạo thành.

1. Khi môi trường có lactose

Hình 2 : Cơ chế điều hòa hoạt động của operon Lac khi môi trường có Lactozo

- Lactose đóng vai trò là chất cảm ứng. Chất cảm ứng sẽ liên kết với prôtêin ức chế làm prôtêin ức chế thay đổi cấu hình không gian và trở nên bất hoạt (không hoạt động). Prôtêin ức chế không thể bám vào gen chỉ huy O, gen chỉ huy hoạt động bình thường điều khiển Z,Y,A thực hiện phiên mã và dịch mã tổng hợp nên sản phẩm của cụm gen là lactaza.

- Lactaza được tiết ra sẽ làm nhiệm vụ phân giải lactose trong môi trường.

3. 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)

BÀI TẬP TỰ LUẬN

Câu 1 :Bình thường người ta thấy loài vi sinh vật nọ không sản xuất ra enzim D, nhưng khi đưa thêm vào môi trường nuôi cấy của chúng một chất dinh dưỡng E thì sau 15 phút người ta thấy enzim D xuất hiện. Hãy giải thích hiện tượng trên về mặt cơ chế di truyền.

Lời giải

* Dữ kiện đề bài cho ta nhận định sự điều hoà tổng hợp enzim D ở VSV nọ có thể xảy ra theo cơ chế điều hoà hoạt động gen ở vi khuẩn của F.Jacôp và J.mônô.

- Trong tế bào của VSV, các gen cấu trúc có liên quan về chức năng được phân bố liền nhau thành từng cụm có chung một cơ chế điều hoà được gọi là một opêron.

- 1 Opêrôn gồm các thành phần cơ bản sau:

+1 nhóm gen cấu trúc có liên quan về chức năng.

+ Vùng vận hành (O): là nơi prôtêin ức chế có thể liên kết làm ngăn cản sự phiên mã, khi không có prôtêin ức chế thì vùng vận hành hoạt động.

+ Vùng khởi động: Nơi ARN polimeraza bám vào và khởi đầu phiên mã.

Sự hoạt động của Opêrôn phụ thuộc vào sự điều khiển của gen điều hoà Opêrôn (R), gen điều hoà không nằm trong thành phần của Opêrôn mà nằm trước Opêrôn.

Bình thường gen điều hoà tổng hợp prôtêin ức chế liên kết với vùng vận hành (O) ngăn cản quá trình phiên mã (không cho Opêrôn hoạt động).

* Trong đề bài thấy bình thường gen điều hoà phiên mã tạo mARN, tổng hợp prôtêin ức chế, chất ức chế bám vào vùng vận hành, do đó các gen cấu trúc không được phiên mã nên enzim D không được tổng hợp.

- Khi đưa thêm chất dinh dưỡng E vào môi trường nuôi cấy VSV nọ thì chính chất này với vai trò là chất cảm ứng gắn với prôtêin ức chế nên nó không gắn vào vùng vận hành được nữa, vùng vận hành được tự do điều khiển quá trình phiên mã của Opêrôn, mARN của các gen cấu trúc được tổng hợp và quá trình dịch mã xảy ra enzim D được tổng hợp.

Bài 2: 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 3: 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 4: 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 5: Trong cơ chế điều hoà hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ, vai trò của gen điều hoà là gì

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.

BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM

Câu 1 Điều hòa hoạt động gen chính là

A.Điều hòa lượng sản phẩm do gen tạo ra

B. Điều hòa lượng mARN

C. Điều hòa lượng tARN

D. Điều hòa lượng rARN

Câu 2 Sự biểu hiện điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân sơ diễn ra chủ yếu ở cấp độ:

A. Phiên mã

B. Sau phiên mã

C. Trước phiên mã

D. Dịch mã

Câu 3: Sự kiểm soát gen ở sinh vật nhân thực đa bào phức tạp hơn so với nhân sơ là do:

A. Các tế bào nhân thực lớn hơn.

B. Sinh vật nhân sơ sống giới hạn trong môi trường ổn định.

C. Các nhiễm sắc thể nhân thực có ít nuclêôtit hơn, do vậy mỗi trình tự nuclêôtit phải đảm nhiệm nhiều chức năng.

D. Trong cơ thể sinh vật nhân thực đa bào, các tế bào khác nhau được biệt hóa về các chức năng khác nhau.

Câu 4 :Theo Jacôp và Mônô, các thành phần cấu tạo của opêron Lac gồm:

A. gen điều hoà, nhóm gen cấu trúc, vùng khởi động (P).

B. vùng vận hành (O), nhóm gen cấu trúc, vùng khởi động (P).

C. gen điều hoà, nhóm gen cấu trúc, vùng vận hành (O).

D. gen điều hoà, nhóm gen cấu trúc, vùng vận hành (O), vùng khởi động (P).

Câu5: Khi nói về cấu trúc của operon, điều khẳng định nào sau đây là chính xác?

A. Operon là một nhóm gen cấu trúc có chung một trình tự promoter và kết hợp với một gen điều hòa có nhiệm vụ điều hòa phiên mã của cả nhóm gen cấu trúc nói trên cùng lúc

B. Operon là một nhóm gen cấu trúc nằm gần nhau và mã hóa cho các phân tử protein có chức năng gần giống hoặc liên quan đến nhau

C. Operon là một nhóm gen cấu trúc có cùng một promoter và được phiên mã cùng lúc thành các phân tử mARN khác nhau

D. Operon là một nhóm gen cấu trúc nằm gần nhau trên phân tử ADN, được phiên mã trong cùng một thời điểm để tạo thành một phân tử mARN

Câu 6 : Gen điều hòa có vai trò:

A. Tổng hợp prôtêin ức chế có khả năng liên kết với vùng vận hành ngăn cản quá trình phiên mã.

B. Tổng hợp prôtêin ức chế làm tín hiệu điều hòa hoạt động gen.

C. Điều hòa hoạt động phiên mã và dịch mã của gen.

D. Tổng hợp prôtêin ức chế có khả năng liên kết với

Câu 7 : Trong cơ chế điều hoà hoạt động của opêron Lac, sự kiện nào sau đây diễn ra cả khi môi trường có lactôzơ và khi môi trường không có lactôzơ?

A. Các gen cấu trúc Z, Y, A phiên mã tạo ra các phân tử mARN tương ứng.

B. Gen điều hoà R tổng hợp prôtêin ức chế.

C. ARN pôlimeraza liên kết với vùng khởi động của opêron Lac và tiến hành phiên mã.

D. Một số phân tử lactôzơ liên kết với prôtêin ức chế.

Câu 8 : Trong cơ chế điều hòa hoạt động của Operon Lac thì enzyme ARN polimeraza thường xuyên phiên mã ở loại gen nào sau đây

A.Gen điều hòa

B.Gen A

C. Gen Y

D. Gen Z

Câu 9: Tín hiệu điều hòa hoạt động gen của opêron Lac ở vi khuẩn E.coli là:

A. Prôtêin ức chế.

B. Đường lactozơ.

C. Enzim ADN-polimeraza.

D. Đường mantôzơ.

Câu10 :Trong cấu trúc của operon lac . nếu đột biến làm mất một đọan phân tử AND thì trường hợp nào sau đây sẽ làm cho tất cả các gen cấu trúc không tổng hợp được

A. Mất vùng khởi động B. mất vùng vận hành C. mất gen điều hòa D. mất một gen cấu trúc

Câu11 : Trong cơ chế điều hòa sinh tổng hợp prôtêin ở vi khuẩn E.coli, khi môi trường có lactôzơ (có chất cảm ứng) thì diễn ra các sự kiện nào?

1.Gen điều hòa chỉ huy tổng hợp một loại prôtêin ức chế

2. Chất cảm ứng kết hợp với prôtêin ức chế, làm vô hiệu hóa chất ức chế.

3. Quá trình phiên mã của các gen cấu trúc bị ức chế, không tổng hợp được mARN.

4. Vùng vận hành được khởi động, các gen cấu trúc hoạt động tổng hợp mARN, từ đó tổng hợp các chuỗi pôlipeptit.

Phương án đúng là:

A. 1, 2.

B.1, 3.

C.1, 4.

D.1, 2, 4.

Câu 12: 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.

Câu 13: 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 14: 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 15: 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 16: 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 17: 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 18: 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 19: 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 20: 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 21: 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.

Câu 22: 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.

Đáp án - Hướng dẫn giải

1A- 2 A- 3D - 4 B- 5 A- 6 A - 7 B - 8B - 9 B - 10A - 11D- 12C -13A – 14C-15B-16B-17B-18C-19A-20C-21A-22B

Câu 12:

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