Sinh học 12 – Điều hòa hoạt động gen: Cơ sở lý thuyết và bài tập vận dụng

Điều hòa hoạt động gen là một chủ đề vô cùng thú vị liên quan đến mức độ biểu hiện của gen trong những điều kiện môi trường khác nhau. Ngoài ra đây cũng là phần kiến thức quan trọng có khả năng xuất hiện tại đề thi THPT quốc gia. Hãy cùng Học Thông Minh tìm hiểu rõ hơn về khái niệm cũng như cách mà sinh vật nhân sơ, sinh vật nhân thực điều hòa hoạt động gen qua nội dung bài viết dưới đây các bạn nhé!

1. Điều hòa hoạt động gen là gì?

1.1 Khái niệm điều hòa hoạt động gen

Điều hòa hoạt động gen chính là điều hòa lượng sản phẩm được gen tạo ra hay nói cách khác là điều hòa các quá trình nhân đôi ADN, quá trình phiên mã tạo ra ARN và quá trình tổng hợp protein (xem gen có phiên mã, dịch mã hay không).

Sự biểu hiện khác nhau của các gen trong hệ gen là kết quả của quá trình biểu hiện gen. Sự điều hòa hoạt động của gen có liên quan đến sự có mặt và tương tác của các chất cảm ứng hoặc chất ức chế.

Ví dụ: Ở chủng vi khuẩn E.Coli: operon Lac mang các gen quy định tổng hợp enzim phân giải đường đôi Lactozo chỉ hoạt động khi môi trường có Lactozo => đồng phân của đường Lactose là tín hiệu kích thích operon phiên mã.

1.2 Những mức độ điều hòa hoạt động gen ở sinh vật

Điều hòa hoạt động gen là điều hòa lượng sản phẩm của gen đó, được thể hiện qua nhiều mức độ khác nhau của phiên mã và dịch mã như:

• Điều hòa mức độ dịch mã: Điều hòa lượng protein được dịch mã
• Điều hòa mức độ phiên mã: Điều hòa lượng mARN được phiên mã trong từng tế bào
• Điều hòa sau dịch mã: làm biến đổi, gắn các gốc chức năng vào protein, hình thành cấu trúc không gian, hoàn thiện số lượng protein sau khi đã được tổng hợp để thực hiện một chức năng nào đó.

1.3 Ý nghĩa

Điều hòa hoạt động gen ở sinh vật không những giúp tế bào tổng hợp sản phẩm của gen đúng thời điểm mà còn tạo ra một lượng sản phẩm cần thiết, vừa đủ. Từ đó tránh tình trạng lãng phí nguồn nguyên liệu và năng lượng được sử dụng trong mỗi tế bào.

Đảm bảo hoạt động sống của tế bào phù hợp với điều kiện sống của môi trường, vòng đời và sự phát triển bình thường của sinh vật.

2. Điều hòa biểu hiện của gen ở sinh vật nhân sơ diễn ra như thế nào?

2.1 Đặc điểm

Do cấu trúc của gen đơn giản, chứa ít gen, không có intron và màng nhân nên phiên mã dịch mã ở sinh vật nhân sơ được diễn ra tương đối bình thường. Vì vậy điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ thường chỉ xuất hiện ở mức độ phiên mã.

2.2 Mô hình cấu trúc operon Lac

Khái niệm Operon

Operon là tập hợp các gen cấu trúc có liên quan về mặt chức năng, thường phân bố theo cụm gần nhau và có một cơ chế điều hòa chung nhất (tức là nhiều gen dùng chung một promoter).

Operon chỉ được dùng cho ADN của những sinh vật nhân sơ. Cơ chế hoạt động của mô hình Operon ở vi khuẩn giúp các gen liên quan đến nhau được bật tắt nhanh chóng và cùng thời điểm. Từ đó giúp vi khuẩn đáp ứng kịp thời với điều kiện thay đổi của môi trường.

Cấu trúc Operon Lac

Operon Lac là những gen cấu trúc quy định tổng hợp các enzim tham gia vào sự phân giải Lactôzơ, được phân bố thành cụm trên ADN và có chung một cơ chế điều hòa duy nhất.

Cấu trúc Operon Lac bao gồm:

• Các cấu trúc (A, Y, Z): các gen cấu trúc này nằm gần nhau, mỗi gen quy định một loại protein khác nhau nhưng có một chức năng liên quan đến nhau là tham gia vào các bước của quá trình vận chuyển và thủy phân đường Lactose để truyền năng lượng, duy trì hoạt động sống cho từng tế bào.
• Vùng vận hành (O): chính là đoạn trình tự Nucleotit đặc biệt được protein ức chế (được tổng hợp do gen điều hòa) để nhận biết, bám chắc và ngăn cản quá trình phiên mã của nhóm gen cấu trúc.
• Vùng khởi động (P): gen điều hòa ® có riêng một promoter và không thuộc cấu trúc Operon nhưng có chức năng quy định tổng hợp nên các protein ức chế. Protein ức chế này có vai trò nhận biết và liên kết với vùng vận hành (O) và ngăn cản sự diễn ra của quá trình phiên mã. Do đó gen điều hòa ® cũng đóng vai trò rất quan trọng trong sự biểu hiện của Operon.

2.3 Cơ chế hoạt động của sinh vật nhân sơ

Sự biểu hiện của Operon Lac phụ thuộc chủ yếu vào sự có mặt hoặc không có mặt của đường đôi Lactozo. Nói theo cách khác Operon Lac chỉ hoạt động mạnh khi môi trường có mặt đường Lactose và vi khuẩn sử dụng nó làm nguồn C chính. Ngược lại, trường hợp đặt ra là môi trường không có đường Lactose, Operon Lac đóng thì điều gì sẽ diễn ra?

Khi môi trường không có sự xuất hiện của đường Lactose

Ở trường hợp này, gen điều hòa ® luôn bật, phiên mã, dịch mã tổng hợp ra protein ức chế. Với điều kiện môi trường không có Lactose, protein luôn gắn được vào vùng vận hành (O) và ngăn cản enzim ARN pol trượt dọc phân tử ADN và thành công ngăn cản quá trình diễn ra của phiên mã. Do đó các gen cấu trúc Z, Y, A không được hoạt động và không tạo được sản phẩm.

Đối với trường hợp này, Operon ở trạng thái bất hoạt hay trạng thái đóng tức là bị ức chế hoạt động.

Tại môi trường có đường Lactose

Đối với điều kiện môi trường có Lactozo thì Lactôzơ sẽ được chuyển hóa theo dạng đồng phân của nó là Allolactose, đóng vai trò như một chất cảm ứng kích hoạt sự biểu hiện của Operon.

Chất cảm ứng liên kết với protein ức chế dẫn đến cấu hình không gian của protein gặp tình trạng biến đổi, không còn gắn được vào vùng vận hành (O) nữa. Nhờ đó mà ARN pol liên kết vào promoter tại vùng khởi động (P) có thể trượt dọc phân tử ADN. Từ đó thực hiện quá trình phiên mã các các gen cấu trúc Z, Y, A nhằm tạo ra mARN và đồng thời với quá trình phiên mã là dịch mã để tạo ra các protein.

3. Quá trình điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân thực

Nhiễm sắc thể của sinh vật nhân thực có cấu trúc phức tạp hơn hẳn so với sinh vật nhân sơ. Ngay trong cấu trúc cuộn xoắn của nhiễm sắc thể chính là sự liên kết của protein histone và ADN đã thúc đẩy vào điều hòa điều kiện của gen.

Sự điều hòa biểu hiện của gen ở sinh vật nhân thực thể hiện ở nhiều mức độ điều hòa phức tạp hơn so với sinh vật nhân sơ qua nhiều giai đoạn như: sự cuộn xoắn của nhiễm sắc thể, dãn xoắn, phiên mã, biến đổi sau khi phiên mã, mARN đi từ nhân ra tế bào chất, dịch mã và những hoạt động biến đổi sau dịch mã.

Đa số các gen ở tế bào sinh vật nhân thực đều là gen cảm ứng, tức là chỉ hoạt động khi có tín hiệu nhất định. Trong trường hợp còn lại thì gen ở trạng thái tắt, ADN liên kết chặt chẽ với protein histone để ngăn không cho yếu tố khởi đầu phiên mã tiếp cận với promoter của gen.

Tuy nhiên khi cần thiết thì gen cũng được hoạt hóa rất nhanh, tổng hợp ra lượng sản phẩm lớn để đáp ứng nhanh chóng mọi yêu cầu của cơ thể.

Tất cả những đặc điểm trên đều cho ta thấy sự điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân thực phức tạp hơn rất nhiều so với điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ với những điểm khác biệt cơ bản:

Hệ gen của sinh vật nhân thực lớn hơn, phức tạp hơn nhân sơ do sự có mặt của các trình tự intron trong hệ gen và cả màng nhân do đó quá trình phiên mã và dịch mã không diễn ra đồng thời.

• Mục đích: Hướng đến sự biệt hóa tế bào theo chức năng
• Tín hiệu điều hòa: hoocmon
• Thời điểm: trước quá trình phiên mã cho đến sau khi dịch mã

4. Một số dạng bài tập trắc nghiệm luyện về điều hòa hoạt động gen

Câu 1: Thực chất điều hòa hoạt động gen là gì?

1. Điều hòa tổng số lượng sản phẩm mà gen tạo ra
2. Điều hòa lượng phân tử mARN
3. Điều hòa lượng phân tử tARN
4. Điều hòa lượng phân tử rARN

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

1. Trước quá trình phiên mã
2. Phiên mã
3. Sau quá trình phiên mã
4. Dịch mã

Câu 3: Sự điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân thực đa bào phức tạp hơn so với ở nhân sơ là do nguyên nhân nào?

1. Các tế bào nhân thực có kích thước lớn hơn
2. Sinh vật nhân sơ sống giới hạn ở môi trường nhất định
3. Các nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân thực có lượng Nucleotit ít hơn, do đó mỗi trình tự Nucleotit phải đảm nhận nhiều tính năng một lúc
4. Tại cơ thể sinh vật nhân thực đa bào, các tế bào khác nhau được biệt hóa chuyên biệt để cùng một lúc thực hiện nhiều chức năng khác nhau.

Câu 4: Theo Jacop và Mono, cấu trúc thành phần của Operon Lac bao gồm?

1. Gen điều hòa ®, vùng khởi động (P) và nhóm gen cấu trúc (Z, Y, A)
2. Vùng vận hành (O), nhóm gen cấu trúc (Z, Y, A) và vùng khởi động (P)
3. Gen điều hòa ®, vùng vận hành (O), nhóm gen cấu trúc (Z, Y, A)
4. Gen điều hòa ®, vùng khởi động (P), vùng vận hành (O) và nhóm gen cấu trúc (Z, Y, A)

Câu 5: Nhắc đến cấu trúc của một Operon thì khẳng định nào dưới đây là đúng?

1. Operon là một nhóm gen cấu trúc có liên quan về mặt chức năng với nhau, cùng dùng chung một trình tự promoter có nhiệm vụ điều hòa phiên mã toàn bộ nhóm gen cấu trúc trên cùng một thời điểm.
2. Operon là một nhóm gen cấu trúc dùng chung một Promoter và được phiên mã cùng lúc tạo các phân tử mARN khác nhau
3. Operon là một nhóm gen cấu trúc nằm gần nhau và mã hóa cho các phân tử protein thực hiện các chức năng liên quan hoặc không liên quan với nhau.
4. Operon là một nhóm gen cấu trúc nằm xa nhau trên phân tử ADN, được phiên mã tại cùng thời điểm để tạo thành phân tử mARN.

Luyện tập thêm các dạng bài tập có liên quan đến sự điều hòa hoạt động gen bằng cách ấn ngay vào nút làm bài nha!

Trên đây là toàn bộ những thông tin cần thiết có liên quan đến điều hòa hoạt động gen - một phần kiến thức chắc chắn sẽ xuất hiện tại bài THPT quốc gia. Ngoài ra các em có thể tham khảo thêm các dạng bài luyện thi trắc nghiệm online để củng cố thêm kiến thức có liên quan đến môn học.