Câu hỏi mở đầu trang 18

Đề bài: 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?

Lời giải:

Tế bào có thể đóng/mở các gene đúng thời điểm và tạo ra đúng lượng sản phẩm nhờ cơ chế điều hoà biểu hiện gene, chủ yếu diễn ra ở khâu điều hoà phiên mã:

• Khi tế bào nhận được tín hiệu cần sản phẩm của gene → gene được phiên mã (bật gene).
• Khi lượng sản phẩm của gene vượt quá nhu cầu → có tín hiệu để gene ngừng phiên mã (tắt gene).

→ Nhờ đó, tế bào tổng hợp đúng loại sản phẩm, đúng thời điểm và đúng lượng cần thiết.

I. Thí nghiệm phát hiện ra operon lac ở vi khuẩn E. coli

Câu 1 trang 20

Đề bài: Quan sát các Hình 3.1 và 3.2, hãy giải thích cơ chế điều hoà biểu hiện gene của operon lac.

Lời giải:

Cơ chế điều hoà biểu hiện gene của operon lac diễn ra theo hai trường hợp:

Trường hợp 1: Khi môi trường không có lactose (Hình 3.1)

• Gene điều hoà lacI phiên mã và dịch mã tạo ra protein ức chế (lacI).
• Protein ức chế liên kết với vùng operator (O) → ngăn cản enzyme RNA polymerase phiên mã các gene cấu trúc lacZ, lacY, lacA.

→ Các gene cấu trúc không được phiên mã → không tạo enzyme phân giải lactose.

Trường hợp 2: Khi môi trường có lactose (Hình 3.2)

• Một lượng nhỏ lactose chuyển thành allolactose (đồng phân của lactose).
• Allolactose liên kết với protein ức chế → protein ức chế thay đổi cấu hình → không liên kết được với operator.
• Enzyme RNA polymerase liên kết với promoter (P) và phiên mã các gene cấu trúc lacZ, lacY, lacA → tạo mRNA.
• mRNA được dịch mã tạo ra 3 enzyme: β-galactosidase, permease và transacetylase → phân giải lactose.

Câu 2 trang 20

Đề bài: Tại sao môi trường có lactose thì protein ức chế lại không liên kết với operator?

Lời giải:

Khi môi trường có lactose:

• Một lượng nhỏ lactose được chuyển thành allolactose (đồng phân của lactose).
• Allolactose liên kết với protein ức chế lacI.
• Sự liên kết này khiến protein ức chế thay đổi cấu hình không gian.
• Khi cấu hình thay đổi → protein ức chế mất khả năng liên kết với vùng operator.

→ Nhờ vậy, RNA polymerase có thể liên kết với promoter và tiến hành phiên mã các gene cấu trúc.

II. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn của điều hoà biểu hiện gene

Câu 1 trang 21

Đề bài: Phân tích ý nghĩa của điều hoà biểu hiện gene trong tế bào và quá trình phát triển cá thể. Giải thích.

Lời giải:

Ý nghĩa trong tế bào:

• Tiết kiệm năng lượng: Tế bào chỉ tổng hợp sản phẩm của gene khi cần, với lượng phù hợp → không lãng phí năng lượng (ví dụ: E. coli dùng tới 90% ATP để tổng hợp protein).
• Giúp tế bào thích nghi với sự thay đổi của môi trường (ví dụ: kích hoạt các gene tạo protein chống sốc nhiệt khi gặp nhiệt độ cao; kích hoạt gene tổng hợp kháng thể khi có tác nhân gây bệnh).

Ý nghĩa trong quá trình phát triển cá thể (sinh vật đa bào nhân thực):

• Từ một hợp tử có thể tạo ra cơ thể hoàn chỉnh với các tế bào, các mô chuyên hoá khác nhau.
• Các tế bào con có cùng hệ gene nhưng do nhận tín hiệu điều hoà khác nhau → đóng/mở các nhóm gene khác nhau → hình thành các tế bào chuyên hoá khác nhau.
• Nếu quá trình điều hoà bị trục trặc → phôi thai có thể chết hoặc cá thể bị dị dạng.

Câu 2 trang 21

Đề bài: Hãy tìm thêm một số ứng dụng của điều hoà biểu hiện gene trong nông nghiệp và trong y học.

Lời giải:

Trong y học:

• Sản xuất thuốc ức chế sản phẩm của gene gây bệnh. Ví dụ: thuốc tamoxifen ức chế đặc hiệu thụ thể ERα để chữa ung thư vú do gene ERα biểu hiện quá mức.
• Nuôi cấy tế bào gốc và xử lí để biệt hoá thành các loại tế bào khác nhau, dùng cho mục đích chữa bệnh hoặc thử thuốc.

Trong nông nghiệp:

• Trồng trọt: Nuôi cấy tế bào thực vật trong môi trường chứa chất hoạt hoá gene để tế bào phân chia và tái sinh thành cây con hoàn chỉnh; sử dụng các chế độ chiếu sáng khác nhau để điều khiển gene cho cây ra hoa vào mùa thích hợp.
• Chăn nuôi: Sử dụng hormone sinh dục để điều khiển tỉ lệ giới tính ở động vật. Ví dụ: xử lí trứng cá rô đã thụ tinh bằng testosterone → tạo 100% cá đực (cho nhiều thịt và lớn nhanh hơn cá cái).

Luyện tập và vận dụng

Câu 1 trang 22

Đề bài: Nêu ý nghĩa của điều hoà biểu hiện đồng thời nhiều gene cùng lúc kiểu operon lac.

Lời giải:

Ý nghĩa của điều hoà đồng thời nhiều gene cùng lúc kiểu operon lac:

• Các gene có chức năng liên quan (cùng tham gia phân giải một chất) được cùng bật/tắt một lúc → sản phẩm (các enzyme) được tạo ra đồng thời, giúp tế bào phản ứng nhanh chóng với sự thay đổi của môi trường.
• Tiết kiệm năng lượng và vật chất di truyền: chỉ cần một vùng điều hoà chung cho nhiều gene, không phải điều hoà từng gene riêng lẻ.
• Giúp tế bào sử dụng hiệu quả các chất dinh dưỡng có sẵn trong môi trường (ví dụ: khi có lactose thì mới tạo ra các enzyme phân giải lactose).

Câu 2 trang 22

Đề bài: 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:

Bình thường, khi môi trường không có lactose, protein ức chế lacI sẽ liên kết với operator → ngăn cản phiên mã. Nếu operon lac vẫn hoạt động thì có thể vi khuẩn bị hỏng ở một trong hai bộ phận sau:

Khả năng 1: Hỏng gene điều hoà lacI

• Gene lacI bị đột biến → không tạo được protein ức chế, hoặc tạo ra protein ức chế bất thường không liên kết được với operator.
• → Không có gì ngăn cản RNA polymerase → operon lac vẫn phiên mã dù không có lactose.

Khả năng 2: Hỏng vùng operator (O)

• Vùng operator bị đột biến → protein ức chế không nhận biết và liên kết được với operator.
• → RNA polymerase vẫn liên kết được với promoter và phiên mã các gene cấu trúc.

Câu 3 trang 22

Đề bài: 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 môi trường có thuốc kháng sinh làm cho vi khuẩn nhanh chóng trở nên kháng thuốc kháng sinh. Hãy giải thích.

Lời giải:

• Khi môi trường có thuốc kháng sinh (bất lợi), gene CSP được kích hoạt → tạo ra protein CSP.
• Protein CSP làm cho tế bào vi khuẩn dễ dàng nhận các gene từ môi trường bên ngoài (kể cả các gene kháng kháng sinh có sẵn trong môi trường – từ các vi khuẩn khác đã chết).
• Nhờ vậy, vi khuẩn Streptococcus pneumoniae nhanh chóng thu nhận được các gene kháng thuốc → trở nên kháng thuốc kháng sinh.

→ Đây là một ví dụ về điều hoà biểu hiện gene giúp vi khuẩn thích nghi nhanh với điều kiện môi trường bất lợi, chỉ bật gene CSP khi cần thiết.

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