Một số chuyên đề bồi dưỡng học sinh giỏi môn Sinh học lớp 12

Giới thiệu

MỘT SỐ CHUYÊN ĐỀ SINH HỌC LỚP 12
CHUYÊN ĐỀ: GEN VÀ SỰ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN

I. TỔNG QUAN VỀ SỰ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GEN

Gen là gì?

Định nghĩa gen phát biểu rằng “gen mã hóa cho một chuỗi polypeptit” là quá giản lược. Phần lớn các gen ở sinh vật nhân thực chứa các đoạn không mã hóa (intron) mà những đoạn không mã hóa vốn chiếm phần lớn gen như vậy lại không có trình tự tương ứng trên chuỗi polipeptit. Các trình tự khởi đầu (Promoter) và các trình tự điều hòa khác thuộc vào các vùng biên của gen. Tuy các trình tự này không được phiên mã nhưng chúng được xem là vùng chức năng thiết yếu của gen vì thiếu chúng phiên mã không thể xẩy ra. Như vậy định nghĩa gen về góc độ phân tử phải đủ khái quát và bao gồm cả các trình tự ADN mã hóa cho các rARN, tARN và các loại ARN khác (vốn không được dịch mã). Mặc dù những gen này không mã hóa cho protein nhưng có vai trò sống còn đối với hoạt động sống của tế bào. Vì vậy định nghĩa gen có thể phát biểu như sau: “gen là một vùng ADN có thể được biểu hiện để tạo ra một sản phẩm cuối cùng có chức năng (sản phẩm đó có thể là một chuỗi polipeptit hoặc một phân tử ARN).

Ở mỗi loài sinh vật vào một thời điểm nhất định không phải tất cả các gen đều biểu hiện. Sự điều hòa hoạt động của gen có xu hướng giúp tế bào chỉ tổng hợp các protein và enzym cần thiết cho sự sống của chúng vào từng thời điểm, mà không tổng hợp các sản phẩm không có nhu cầu. Điều này đảm bảo cho hệ thống sống sử dụng năng lượng một cách có hiệu quả.

Ở sinh vật bậc thấp đã có một khả năng thích ứng đặc biệt với các điều kiện của môi trường thường xuyên biến đổi. Sự thích ứng đó phụ thuộc vào khả năng “bật” và “tắt” và “sự điều chỉnh” sự biểu hiện của tập hợp các gen nhằm đáp ứng các thay đổi của môi trường.

Ở sinh vật bậc cao sự điều hòa hoạt động của gen không chỉ là sự đáp ứng với sự thay đổi của các điều kiện môi trường mà còn gắn với nhiều hoạt động sống quan trọng khác như sự biệt hóa tế bào, sự phát triển của cơ thể. Sự biểu hiện gen ở sinh vật nhân thực được điều khiển bởi nhiều mức độ khác nhau từ trước dịch mã, sau dịch mã và dịch mã. Nhưng nhìn chung kiểu điều hòa cơ bản nhất là ở sự khởi đầu phiên mã.

II. KHÁI NIỆM VỀ GEN CƠ ĐỊNH VÀ GEN CẢM ỨNG

Gen mã hóa cho các sản phẩm: ARN, enzym,… thường được biểu hiện thường xuyên và liên tục ở hầu hết các tế bào được gọi là gen cơ định. Việc hoạt động theo kiểu cơ định đối với các gen là rất lãng phí về năng lượng.

Quá trình bật sự biểu hiện của các gen để đáp ứng lại sự có mặt của tín hiệu nào đó trong môi trường gọi là sự cảm ứng. Các gen được điều hòa theo kiểu này được gọi là các gen cảm ứng. Sản phẩm do gen như vật mã hóa gọi là enzym cảm ứng hoặc protein cảm ứng.

Ví dụ khi môi trường chỉ có Lactose là nguồn hydrat cacbon duy nhất. Các tế bào E.coli sẽ tiến hành tổng hợp β galactosidase và protein permease cần thiết cho việc sử dụng Lactose làm nguồn năng lượng.

Permease là protein vận chuyển giúp tế bào bơm Lactose vào bên trong, β galactosidase là enzym phân cắt Lactose thành Glucose và Galactose. Hai protein này hầu như không có vai trò gì khi E.coli được nuôi trong môi trường không có Lactose. Việc tổng hợp hai protein này cần tiêu tốn năng lượng. Vì vậy cơ chế điều hòa cho phép tế bào chỉ tổng hợp mạnh các sản phẩm cần thiết cho sự chuyển hóa lactose khi môi trường có Lactose đồng thời hạn chế sự biểu hiện của chúng khi môi trường không có Lactose.

III. ĐIỀU HÒA DƯƠNG TÍNH VÀ ĐIỀU HÒA ÂM TÍNH

Sự điều hòa hoạt động của gen dù là cảm ứng hay ức chế thì đều thực hiện theo hai cơ chế điều hòa dương tính và điều hòa âm tính. Cả hai cơ chế này đều có sự tham gia của protein điều hòa. Các gen này mã hóa cho các sản phẩm trực tiếp điều hòa sự biểu hiện của các gen khác.

Điều hòa dương tính: Sản phẩm của gen điều hòa có vai trò làm tăng sự biểu hiệnu của một hay một nhóm gen cấu trúc.

Điều hòa âm tính: Sản phẩm của gen điều hòa ức chế hoặc làm tắt sự biểu hiện của gen cấu trúc.

Sản phẩm của gen điều hòa gọi là các protein điều hòa xuất hiện dưới một trong hai dạng. Protein hoạt hóa trong các hệ thống điều hòa dương tính và protein ức chế trong các hệ thống điều hòa âm tính.

Việc protein điều hòa liên kết được vào vị trí liên kết protein điều hòa (RPBS) hay không phụ thuộc vào sự xuất hiện các phân tử có kích thước nhỏ, những phân tử này gọi là phân tử tín hiệu. Phân tử tín hiệu làm tăng cường sự biểu hiện của các gen gọi là phân tử kích ứng còn nếu hạn chế hoặc kìm hãm sự biểu hiện của các gen gọi là phân tử đồng ức chế. Các phân tử tín hiệu liên kết vào protein điều hòa và làm thay đổi cấu hình của chúng dẫn đến thay đổi chức năng hoặc hoạt tính của các protein gọi là biến đổi dị hình.

IV. SỰ ĐIỀU HÒA KHỞI ĐẦU PHIÊN MÃ Ở VI KHUẨN

Operon Lac được điều khiển đồng thời bởi các protein hoạt hóa và ức chế. Operon Lac là một cụm gen trong hệ gen của E.coli gồm 3 gen cấu trúc (lac Z, lac Y và lac A) nằm liền kề nhau. Gọi là Operon vì sự phiên mã của 3 gen cấu trúc này diễn ra đồng thời do dùng chung một Promoter. Promoter của Operon Lac (promoter Lac) nằm ở đầu 5’ của lac Z điều khiển sự phiên mã tổng hợp một phân tử mARN duy nhất. Nhưng phân tử mARN này chứa thông tin mã hóa nhiều hơn một gen nên được gọi là mARN đa cistron. Phân tử mARN này sau này dịch mã cho ra 3 loại protein là

lac Z => β – galactosidase thủy phân Lactose thành Glucose và Galactose. Ngoài ra β – galactosidase còn xúc tác phản ứng chuyển hóa Lactose thành Allolactose.

lac Y => protein Permease là protein vận chuyển bơm Lactose vào bên trong tế bào

lac A => enzym thiogalactoside transacetylase có vai trò giải độc tế bào đối với các hợp chất thiogalactoside cũng được vận chuyển vào trong tế bào khi Permease hoạt động.

Có hai loại protein điều hòa tham gia điều khiển hoạt động của Operon Lac là protein hoạt hóa CAP và protien ức chế Lac I. Lac I được mã hóa bởi gen lac I nằm gần Operon Lac về phía đầu 5’ và là một gen cơ định. CAP do gen mã hóa nằm xa Operon Lac. Cả hai protein CAP và Lac I đều là các protein liên kết ADN với vị trí liên kết tương ứng nằm ở đầu 5’ (CAP) và đầu 3’ (Lac I) vị trí này được gọi là trình tự điều hành hay Operator của Opreon Lac.

Mỗi protein điều hòa ‘tiếp nhận’ một tín hiệu khác nhau từ môi trường và truyền tín hiệu tới Operon Lac. CAP truyền tín hiệu về việc môi trường không có Glucose. Lac I truyền tín hiệu về việc môi trường có Lactose. Lac I chỉ liên kết mạnh với Operator và ức chế Operon Lac khi môi trường không có Lactose. Khi môi trường có Lactose thì Lac I bị bất hoạt và Operon Lac được giải nén. CAP khi liên kết vào Operon Lac lại có vai trò thúc đẩy Operon này hoạt động. Tuy vậy CAP chỉ liên kết mạnh khi môi trường không có Glucose. Vì vậy sự phối hợp của hai loại protein điều hòa CAP và Lac I sẽ đảm bảo cho Operon Lac chỉ biểu hiện mạnh khi môi trường có Lactose mà không có Glucose.

Khi Lactose được Permease vận chuyển vào trong tế bào nó được β – galactosidase chuyển hóa thành Allolactose. Chính Allolactose điều hòa hoạt động của Lac I. Vậy β – galactosidase ở đâu mà có khi dường như Operon Lac chưa được hoạt hóa.
Câu trả lời là : Sự điều hòa ức chế Operon Lac có kẽ hở. Ngay cả khi Operon Lac ở trạng thái bị ức chế thì vận luôn có một ít phân tử mARN của các gen cấu trúc được phiên mã. Sở dĩ như vậy là do sự liên kết của ARN pol cũng như của các protein điều hòa khác là các liên kết yếu, nghĩa là chúng được hình thành và phá vỡ ở mức cân bằng. Do đó, luôn có một lượng nhỏ ARN pol có thể liên kết vào Promoter và tiến hành phiên mã gen cấu trúc. Kẽ hở này giúp tế bào luôn có một lượng β – galactosidase và permease ngay cả khi môi trường không có Lactose, lactose có thể vận chuyển ngay vào bên trong tế bào và chuyển hóa thành Allolactose để kích ứng hoạt động của Operon Lac.

Allolactose liên kết vào Lac I thay đổi cấu hình protein ức chế này (nguyên tắc dị hình) dẫn đến liên kết lỏng lẻo giữa Lac I với Operator và Lac I rời khỏi Promoter. Các phân tử Lac I tự do khi đã liên kết với Allolactose thì hầu như không có ái lực gì với ADN. Lúc này các gen cấu trúc được giải nén.

CHUYÊN ĐỀ: ĐỘT BIẾN

I. ĐỘT BIẾN LÀ NGUỒN NGUYÊN LIỆU CỦA QUÁ TRÌNH TIẾN HÓA

Khái niệm đột biến thường gồm hai ý : một là quá trình thay đổi trong vật chất di truyền, hai là quá trình phát sinh thay đổi đó. Một cơ thể biểu hiện kiểu hình mới do kết quả của đột biến được gọi là thể đột biến.

Cần phân biệt đột biến và biến dị tổ hợp. Biến dị tổ hợp là sự thay đổi kiểu hình do kết quả tái tổ hợp vật chất di truyền mang các đột biến vốn đã xuất hiện từ trước. Cả hai loại biến dị đôi khi làm xuất hiện các kiểu hình mới. Nhưng đột biến là sự thay đổi trực tiếp liên quan đến số lượng và cấu trúc của nhiễm sắc thể đặc biệt là cấu trúc của các gen riêng biệt.
Những đột biến chỉ liên quan đến một vị trí nhất định trên gen gọi là đột biến điểm, gồm thay thế một cặp base hoặc mất hoặc thêm một cặp base tại một vị trí nhất định trên gen. Trong di truyền hiện nay thuật ngữ đột biến được dùng với nghĩa hẹp chỉ các đột biến điểm.

Đột biến là nguồn gốc tận cùng của mọi biến dị di truyền do vậy nó được coi là nguồn nguyên liệu sơ cấp của quá trình tiến hóa. Các cơ chế tái tổ hợp di truyền thực chất là sự tổ hợp lại các biến dị di truyền, còn chọn lọc có vai trò định hướng nhằm duy trì những tổ hợp gen thích nghi với các điều kiện môi trường sống. Nếu không có đột biến mọi gen đều chỉ tồn tại ở một trạng thái duy nhất sẽ không có khái niệm về alen và không có sự phân ly về tính trạng. Quan trọng hơn là các quần thể không thể tiến hóa để thích nghi với các điều kiện sống luôn biến đổi. Nhưng nếu đột biến xẩy ra thường xuyên với tần số quá cao thì sự truyền tải thông tin di truyền giữa các thế hệ không còn nguyên vẹn, hơn nữa phần lớn các đột biến khi mới xuất hiện đều có hại cho các thể đột biến.

II. MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA SỰ PHÁT SINH ĐỘT BIẾN

1. Đột biến tế bào mầm sinh dục và đột biến soma

Các tế bào trong cơ thể được chia làm hai loại cơ bản là : Các tế bào mầm sinh dục sản sinh ra các tế bào sinh tinh và tế bào sinh trứng từ đó hình thành nên các tế bào sinh dục trưởng thành là tinh trùng và trứng. Những tế bào này gọi chung là tế bào sinh dục. Còn các tế bào còn lại là các tế bào soma.

Các đột biến xẩy ra ở tế bào sinh dục được gọi là đột biến giao tử, còn đột biến xẩy ra ở tế bào soma gọi là đột biến soma.

Đột biến soma chỉ duy trì qua nguyên phân của các tế bào đột biến mà không được truyền qua giao tử cho các thế hệ sau. Còn đối với đột biến giao tử, nếu đột biến giao tử là trội thì có thể xuất hiện kiểu hình đột biến ngay ở thế hệ con. Nếu đột biến giao tử là lặn thì kiểu hình đột biến không được biểu hiện ở kiểu gen dị hợp. Các đột biến giao tử có thể xuất hiện ở mọi giai đoạn của quá trình sinh sản. Nếu nó chỉ có ở một giao tử duy nhất thì chỉ có thể một cá thể con duy nhất mang gen đột biến. Nhưng nếu đột biến xẩy ra trong tế bào tiền sinh dục thì sẽ có nhiều giao tử mang gen đột biến và khả năng đột biến được duy trì sang thế hệ sau là rất cao. Vì vậy tính trội - lặn của gen đột biến, thời điểm xuất hiện đột biến trong chu kỳ sinh sản ở sinh vật là những yếu tố quyết định khả năng một gen đột biến có được biểu hiện và phát tán trong quần thể hay không.

2. Đột biến tự phát và đột biến gây tạo

Đột biến tự phát là các đột biến mà tác nhân gây đột biến thường không cụ thể. Đột biến gây tạo là đột biến xuất hiện khi tế bào hoặc cơ thể sinh vật được xử lý bởi các tác nhân vật lý hoặc hóa học khác nhau làm thay đổi cấu trúc và trình tự nucleotit trong phân tử ADN. Những tác nhân này được gọi là tác nhân đột biến.

Để phân biệt đột biến tự phát và đột biến gây tạo phải làm thí nghiệm so sánh đối chứng. Nếu xử lý một tác nhân nào đó mà đột biến nhất định tăng thêm 100 lần thì có thể coi 99% là do tác nhân đột biến còn 1% là tự phát.

3. Đột biến có phải là ngẫu nhiên vô hướng

Một số ví dụ: nhiều quần thể chuột trở nên kháng với thuốc diệt chuột truyền thống. Nhiều quần thể côn trùng trở nên kháng với thuốc trừ sâu. Ngày càng nhiều chủng vi khuẩn gây bệnh trở nên kháng các chất kháng sinh. Việc con người sử dụng các loại thuốc trừ sâu và kháng sinh mới tạo nên môi trường sống mới ở các sinh vật này và chính đột biến đã tạo cho chúng khả năng kháng với các thuốc trừ sâu và kháng sinh nói trên. Các cá thể không mang các đột biến mẫn cảm với các thuốc thì bị chết.

Còn các thể đột biến thì sinh sản nhanh và thành những quần thể kháng thuốc mới.

Những ví dụ trên đặt ra một số vấn đề cơ bản là: liệu sự xuất hiện các đột biến có đúng là sự kiện ngẫu nhiên hoàn toàn còn yếu tố môi trường chỉ duy trì các đột biến có sẵn ? Hay sự xuất hiện các đột biến được điều khiển bởi các yếu tố môi trường?

Ví dụ: Một quần thể E.coli được cấy vào môi trường không có Streptomycin thì phần lớn vi khuẩn chết. Nhưng có một số tế bào kháng được kháng sinh streptomycin có thể sinh trưởng và phát triển mạnh. Một câu hỏi đặt ra là: Đột biến kháng kháng sinh streptomycin tồn tại sẵn trong quần thể hay khi có chất kháng sinh nó mới xuất hiện ?

Để giải quyết vấn đề này năm 1952 Joshua và Lederberg đã phát triển một kỹ thuật quan trọng gọi là phương pháp đóng dấu.

Lederberg đã hòa loãng dung dịch nuôi vi khuẩn và trải chúng lên bề mặt môi trường Agar và nuôi trong buồng nuôi đến khi mỗi tế bào vi khuẩn phát triển thành từng khuẩn lạc riêng biệt. Dùng một viên gỗ tròn bọc vải nhung (gọi là con dấu) ấn lên bề mặt môi trường. Tế bào vi khuẩn tương ứng với vị trí khuẩn lạc được in vết lên bề mặt vải nhung của con dấu.

Bước tiếp theo con dấu được dùng để in vi khuẩn lên bề mặt nuôi cấy chứa kháng sinh streptomycin. Họ lặp lại quy trình này với nhiều địa petri mỗi đĩa gồm khoảng 200 khuẩn lạc. Sau khi nuôi qua đêm họ nhận được một số khuẩn lạc có khả năng kháng streptomycin.

Lederberg sau đó đã kiểm tra các khuẩn lạc trong môi trường không có streptomycin kết quả những khuẩn lạc trong môi trường không có streptomycin tương ứng với các khuẩn lạc mọc trong môi trường có streptomycin hầu như luôn có các tế bào kháng được kháng sinh. Chứng tỏ các đột biến kháng kháng sinh streptomycin đã xuất hiện trước trong quần thể khi chưa có streptomycin.

4. Đột biến có thể đảo ngược

Đột biến từ alen kiểu dại thành alen đột biến gọi là đột biến thuận. Alen đột biến cũng có thể đột biến ngược lại để trở về dạng kiểu dại. Đột biến này được gọi là đột biến ngược hay đột biến phục hồi.

Khi đột biến thứ hai làm phục hồi kiểu hình ban đầu vốn mất đi do đột biến thứ nhất, quá trình đó được gọi là phục hồi đột biến. Sự phục hồi đột biến có thể theo hai cách.

Đột biến trở lại : Đó là khi đột biến thứ hai xẩy ra ở cùng vị trí trên gen, khôi phục lại trình tự nucleotit ban đầu của gen

Đột biến ức chế : Khi đột biến thứ hai xẩy ra ở vị trí khác trong hệ gen, ngăn cản sự biểu hiện của đột biến thứ nhất.

Như vậy đột biến trở lại thì phục hồi trình tự nucleotit kiểu dại. Còn đột biến ức chế thì không. Đột biến trở lại xẩy ra cùng vị trí với đột biến kiểu dại, còn đột biến ức chế xẩy ra ở vị trí khác trong gen, ở gen khác thậm chí ở nhiễm sắc thể khác.

Download tài liệu để xem chi tiết.