Lý thuyết trọng tâm

I. Khái niệm và các dạng đột biến gene

1. Khái niệm

• Đột biến gene là sự thay đổi trong cấu trúc của gene, liên quan đến một hay một số cặp nucleotide.
• Đột biến điểm là đột biến chỉ làm thay đổi một cặp nucleotide trong gene. (Bài này chỉ xét đột biến điểm.)
• Thể đột biến là sinh vật mang gene đột biến đã biểu hiện ra kiểu hình khác thường.

2. Các dạng đột biến điểm (theo cơ chế phát sinh)

• Thay thế một cặp nucleotide bằng một cặp nucleotide khác.
• Thêm một cặp nucleotide.
• Mất một cặp nucleotide.

Ngoài ra, đột biến gene còn được phân loại theo các tiêu chí khác như: đột biến trội/lặn, có lợi – có hại – trung tính, có làm thay đổi trình tự amino acid hay không…

II. Nguyên nhân và cơ chế phát sinh

1. Nguyên nhân

• Đột biến gene có thể xảy ra tự phát hoặc do tác nhân đột biến.
• Đột biến tự phát phần nhiều do sai sót trong quá trình tái bản DNA.
• Tác nhân đột biến gồm:
  • Hóa học: 5-bromouracil (5-BrU), HNO₂, ethyl methane sulfonate (EMS)…
  • Vật lí: tia tử ngoại (UV)…
  • Sinh học.

2. Cơ chế phát sinh

a) Đột biến thêm/mất cặp nucleotide

• Trong tái bản DNA, nếu một nucleotide được dùng làm khuôn hai lần thì mạch mới thêm một nucleotide; nếu một nucleotide không được dùng làm khuôn thì mạch mới mất một nucleotide. Sau lần tái bản kế tiếp sẽ dẫn đến thêm hoặc mất một cặp nucleotide.
• Tia UV có thể làm hai T trên cùng một mạch liên kết với nhau, khi tế bào sửa chữa sai sẽ gây thêm/mất cặp nucleotide. Acridine orange và dioxin chèn vào DNA cũng gây thêm/mất cặp nucleotide.

b) Đột biến thay thế cặp nucleotide

• Trong tái bản DNA, một số chất có cấu trúc giống base bình thường gắn vào mạch mới gây thay thế nucleotide. Ví dụ: 5-bromouracil bắt cặp với adenine dẫn đến đột biến thay thế cặp A – T bằng cặp G – C.

Liên hệ: Vì đột biến tự phát chủ yếu phát sinh do sai sót khi tái bản DNA, nên tế bào phân chia càng nhiều (ví dụ tế bào niêm mạc ruột) thì tái bản DNA càng nhiều lần → dễ phát sinh đột biến hơn so với tế bào ít phân chia (ví dụ tế bào thần kinh). Để phòng tránh các bệnh do đột biến, cần hạn chế tiếp xúc với tác nhân đột biến: che chắn tia UV, tránh hóa chất độc, bảo quản và chế biến thực phẩm đúng cách.

III. Vai trò của đột biến gene

1. Trong nghiên cứu di truyền

• Thể đột biến là đối tượng quan trọng giúp khám phá chức năng của gene và tìm ra các quy luật di truyền. Lai các dòng đột biến giúp xác định kiểu hình trội/lặn, hay các đột biến thuộc cùng một gene hay khác gene.
• Ví dụ: bố và mẹ đều bị điếc bẩm sinh do đột biến gene lặn nhưng sinh ra tất cả các con thính lực bình thường → chứng tỏ đột biến lặn ở bố và mẹ thuộc hai gene khác nhau (AAbb × aaBB).

2. Trong chọn giống

• Con người chọn lọc các thể đột biến tự nhiên để tạo giống mới. Ví dụ: đột biến tạo bộ ba kết thúc sớm khiến chồi cải phân nhánh mạnh được chọn lọc tạo nên súp lơ trắng, súp lơ xanh; đột biến ở gene điều hòa làm tăng cơ bắp tạo nên giống lợn siêu nạc.

3. Trong tiến hóa

• Đột biến cung cấp nguồn nguyên liệu cho tiến hóa: liên tục tạo ra các allele mới để chọn lọc tự nhiên tác động. Ví dụ: đột biến thay đổi 2 trong 715 amino acid của gene FOXP2 liên quan đến tiếng nói đặc trưng của loài người; đột biến làm đổi chiều xoắn vỏ ốc chi Bradybaena gây cách li sinh sản và hình thành loài mới.

Công thức cốt lõi

Với gene (DNA mạch kép) có $N$ nucleotide:

$$A = T,\ G = C \qquad ; \qquad N = 2A + 2G \qquad ; \qquad L = \dfrac{N}{2}\times 3{,}4 \ \text{(Å)}$$ $$\text{Số liên kết hydrogen: } H = 2A + 3G \qquad ; \qquad \text{Số liên kết hóa trị giữa các nucleotide } = N – 2$$

Khi gene nhân đôi $k$ lần, số nucleotide mỗi loại môi trường cung cấp $= (\text{số nucleotide loại đó})\times(2^k – 1)$.

Bảng tác động của đột biến điểm (rất quan trọng để nhận dạng đột biến):

Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng 1: Xác định dạng đột biến điểm dựa vào số nucleotide và số liên kết hydrogen

Cách làm: Tính số nucleotide từng loại và số liên kết hydrogen của gene ban đầu; so sánh với gene đột biến (qua số liên kết hydrogen mới, hoặc qua số nucleotide môi trường cung cấp khi nhân đôi) rồi đối chiếu bảng tác động ở trên để kết luận dạng đột biến.

Ví dụ 1. Gene B có 2400 nucleotide và 3120 liên kết hydrogen, bị đột biến điểm thành gene b. Gene b nhân đôi 2 lần, môi trường cung cấp 1437 nucleotide loại A và 2160 nucleotide loại G. Xác định dạng đột biến.

Gene B: $N = 2400 \Rightarrow A + G = 1200$; $H = 2A + 3G = 3120 \Rightarrow G = 720,\ A = 480$. Gene b nhân đôi 2 lần: $A_b\times(2^2-1) = 1437 \Rightarrow A_b = 479$; $G_b\times 3 = 2160 \Rightarrow G_b = 720$. So với gene B: $A_b = A_B – 1$, $G_b$ không đổi → đột biến mất 1 cặp A – T.

Ví dụ 2. Một gene có 2998 liên kết hóa trị giữa các nucleotide và A = 30% tổng số nucleotide. Sau đột biến điểm, số liên kết hydrogen của gene tăng thêm 1. Xác định dạng đột biến.

$N = 2998 + 2 = 3000$; $A = T = 30%\times 3000 = 900$; $G = C = \dfrac{3000}{2} – 900 = 600$. Tăng 1 liên kết hydrogen mà số nucleotide không cho biết thay đổi → đối chiếu bảng: thay 1 cặp A – T bằng 1 cặp G – C (số nucleotide không đổi, $H$ tăng 1).

Ví dụ 3. Gene A dài 408 nm, có T = 2G, bị đột biến điểm thành allele a có ít hơn gene A 1 liên kết hydrogen. Xác định dạng đột biến và số nucleotide mỗi loại của allele a.

$N = \dfrac{2\times 4080}{3{,}4} = 2400 \Rightarrow A + G = 1200$. Vì $T = 2G$ nên $A = T = 800,\ G = C = 400$. Giảm 1 liên kết hydrogen, số nucleotide không đổi → thay 1 cặp G – C bằng 1 cặp A – T. Allele a: $A = T = 801$; $G = C = 399$.

Dạng 2: Xác định hậu quả của đột biến điểm dựa vào trình tự nucleotide và mã di truyền

Cách làm: Từ mạch gốc viết ra mRNA (bổ sung, ngược chiều với mạch gốc), đọc codon theo chiều 5′ → 3′ rồi tra mã di truyền. Khi có đột biến:

• Thay thế 1 cặp: chỉ ảnh hưởng 1 bộ ba ở vị trí đột biến → có thể đồng nghĩa (không đổi amino acid, do tính thoái hóa), sai nghĩa (đổi 1 amino acid) hoặc vô nghĩa (tạo bộ ba kết thúc → chuỗi ngắn lại).
• Thêm/mất 1 cặp: gây dịch khung → thay đổi toàn bộ các bộ ba kể từ vị trí đột biến đến cuối chuỗi.

Ví dụ 1. Mạch gốc của một đoạn gene có trình tự $3′,GGG-CCC-ATG-CGA,5’$. Cho biết các codon: 5’CCC3′ – Pro; 5’GGG3′ – Gly; 5’UAC3′ – Tyr; 5’GCU3′ – Ala. Xác định trình tự amino acid.

mRNA (bổ sung ngược chiều mạch gốc, đọc 5’→3′): $5′,CCC-GGG-UAC-GCU,3’$. → Trình tự amino acid: Pro – Gly – Tyr – Ala.

Ví dụ 2. Cũng với đoạn gene ở Ví dụ 1, một đột biến điểm làm codon thứ 3 trên mRNA (UAC) trở thành UAA. Hậu quả với chuỗi polypeptide là gì?

UAA là bộ ba kết thúc → dịch mã dừng sớm tại đó. Chuỗi polypeptide chỉ còn 2 amino acid (Pro – Gly). Đây là đột biến vô nghĩa (thay thế nhưng tạo mã kết thúc).

Ví dụ 3. So sánh hậu quả: một gene bị đột biến thay thế 1 cặp nucleotide ở giữa và một gene khác bị mất 1 cặp nucleotide ở cùng vị trí. Trường hợp nào làm thay đổi nhiều amino acid hơn?

• Đột biến thay thế chỉ làm thay đổi 1 bộ ba tại vị trí đó → nhiều nhất đổi 1 amino acid.
• Đột biến mất 1 cặp gây dịch khung → thay đổi hàng loạt amino acid từ vị trí đột biến đến cuối chuỗi. → Đột biến mất (dịch khung) gây thay đổi nhiều hơn.

Sai lầm thường gặp

Cô Nguyễn Ngọc Châu

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Sinh Học THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Sinh học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ AT sinh học, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Trần Phú