Mở đầu SGK Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 3 (trang 18): 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?
Trả lời:
- Nhờ cơ chế điều hòa biểu hiện gene, tế bào có thể tạo ra đúng lượng sản phẩm cần thiết và đóng/mở các gene nhất định đúng thời điểm. Quá trình này tập trung chủ yếu ở giai đoạn điều hòa phiên mã (quyết định việc gene có được phiên mã hay không). Khi tín hiệu về nhu cầu sản phẩm vượt quá khả năng đáp ứng của tế bào, gene sẽ ngừng hoạt động phiên mã. Ngược lại, hoạt động này chỉ bắt đầu lại khi tế bào nhận được tín hiệu cần thiết.
I. Thí nghiệm phát hiện ra Operon Lac ở vi khuẩn E. Coli
Câu hỏi 1 SGK Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 3 (trang 20): Quan sát các hình 3.1 và 3.2, hãy giải thích cơ chế điều hòa biểu hiện gen của operon lac.
Trả lời:
- Khi môi trường không có lactose: Enzyme RNA polymerase dù liên kết được với promoter nhưng không thể trượt qua để phiên mã các gene cấu trúc do protein ức chế lacI đã liên kết chặt chẽ với operator.
- Khi môi trường có lactose: Các gene cấu trúc được tiến hành phiên mã bởi enzyme RNA polymerase do protein ức chế lacI không còn khả năng liên kết với operator. Điều này xảy ra vì protein ức chế đã bị thay đổi cấu hình sau khi liên kết với allolactose (đồng phân của lactose).
+ Các loại enzyme phân giải lactose được tổng hợp song song với quá trình phiên mã (phiên mã đến đâu dịch mã đến đó) do vi khuẩn không có màng nhân và gene không phân mảnh.
Câu hỏi 2 SGK Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 3 (trang 20): Tại sao môi trường có
lactose thì protein ức chế lại không liên kết được với operator?
Trả lời:
- Môi trường có lactose thì protein ức chế lại không liên kết được với operator: Nguyên nhân là do sự thay đổi cấu hình dẫn đến mất khả năng liên kết với operator của protein ức chế bởi tác động của một lượng nhỏ lactose trong môi trường đã chuyển hóa thành đồng phân và liên kết với nó.
II. Ý nghĩa và ứng dụng thực tiễn của điều hòa biểu hiện Gene
Câu hỏi 1 SGK Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 3 (trang 21): Phân tích ý nghĩa của
điều hòa biểu hiện gene trong tế bào và quá trình phát triển cá thể. Giải
thích.
Trả lời:
Ý nghĩa của điều hòa
biểu hiện gene trong tế bào và quá trình phát triển cá thể:
- Đảm bảo cho tế bào không bị lãng phí năng lượng: Tế bào chỉ tổng hợp sản phẩm gene với lượng phù hợp khi thực sự cần thiết.
- Có vai trò quan trọng trong quá trình phát triển của các sinh vật nhân thực đa bào:
+ Sự hình thành cơ thể hoàn chỉnh với các mô và cơ quan chuyên hóa từ một hợp tử là kết quả của quá trình điều hòa biểu hiện gene chính xác: Dù có cùng hệ gene, các tế bào con vẫn trở nên chuyên hóa khác nhau vì các nhóm gene khác nhau được đóng hoặc mở dưới tác động của tín hiệu từ tế bào chất hợp tử và môi trường xung quanh.
Câu hỏi 2 SGK Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 3 (trang 21): Hãy tìm thêm một số ứng
dụng của điều hòa biểu hiện gen trong nông nghiệp và trong y học.
Trả lời:
+ Trong y học: Việc nhắm mục tiêu vào các gene liên quan đến sự tồn tại và lan truyền của khối u là ứng dụng then chốt để điều trị ung thư. Các nhà khoa học sử dụng kỹ thuật điều chỉnh biểu hiện gen hoặc kháng thể đơn dòng để điều hòa các gene ức chế khối u, dẫn đến ức chế sự phát triển của tế bào ung thư hoặc sự kích thích sự chết của tế bào theo chương trình.
+ Trong nông nghiệp: Khả năng chống lại sâu bệnh, dinh dưỡng và năng suất cây trồng được tăng cường nhờ các kỹ thuật như CRISPR/Cas9. Bằng cách này, các giống cây có thể chịu được môi trường khắc nghiệt. Đó là kết quả của việc điều hòa biểu hiện gen liên quan đến khả năng chịu hạn.
Luyện tập và vận dụng
Luyện tập và vận dụng 1 SGK Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 3 (trang 22): Nêu ý nghĩa điều hòa hoạt động đồng thời nhiều gene cùng lúc kiểu operon lac.
Lời giải:
- Ý nghĩa: Tạo ra sản phẩm các gen nhanh chóng, các sản phẩm gen này thường liên quan đến nhau về chức năng nên cùng lúc tế bào cần lượng tương đương.
+ Ví dụ:
Luyện tập và vận dụng
2 SGK Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 3 (trang 22): 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:
- Dự đoán: Vùng O của operon lac đã bị hỏng.
- Giải thích: Protein ức chế không thể bám vào để ngăn cản enzyme RNA polymerase nếu vùng O bị hỏng. Do đó, dù môi trường không có lactose nhưng operon lac vẫn hoạt động.
Luyện tập và vận dụng
3 SGK Sinh 12 Kết nối tri thức Bài 3 (trang 22): 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 mỗi trường có thuốc
kháng sinh làm cho vi khuẩn nhanh chóng trở nên kháng thuốc kháng sinh. Hãy
giải thích.
Lời giải:
- Sự kháng kháng sinh hình thành do vi khuẩn kích hoạt gene CSP khi gặp môi trường bất lợi, tạo ra protein CSP giúp tế bào thu nhận các gene kháng thuốc từ môi trường bên ngoài. Trong môi trường kháng sinh, những vi khuẩn có gene kháng kháng sinh sẽ nhanh chóng thích nghi và phát triển vượt trội.