Giải chi tiết Sinh học 12 Cánh diều bài 3 Điều hoà biểu hiện gene

Mở đầu: 

Các tế bào soma của một cơ thể người đều có số lượng gene giống nhau với khoảng gần 20 000 gene mã hoá protein. Trong số đó, một số gene chỉ biểu hiện ở giai đoạn phôi, các gene khác chỉ biểu hiện ở giai đoạn trưởng thành. Trong cùng một giai đoạn phát triển, có nhiều gene biểu hiện khác nhau ở các loại mô. Cơ chế phân tử nào dẫn đến hiện tượng này? Điều đó có ý nghĩa như thế nào đối với cơ thể?

Bài làm chi tiết:

• Cơ chế điều hòa biểu hiện gên đã dẫn đến hiện tượng này.

• Ý nghĩa đối với cơ thể: điều hòa sự hoạt động của gene tùy thuộc vào trạng thái của cơ thể, từ đó giúp cơ thể sinh trưởng và phát triển ổn định.

I. ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE CỦA VI KHUẨN OPERON LAC Ở VI KHUẨN E. coli

Câu 1: Tại sao khi tăng nồng độ lactose trong môi trường nuôi cấy vi khuẩn E. coli, nồng độ các protein và enzyme phân giải đường này cũng tăng và ngược lại?

Bài làm chi tiết:

Khi tăng nồng độ lactose trong môi trường nuôi cấy vi khuẩn E. coli, nồng độ các protein và enzyme phân giải đường này cũng tăng và ngược lại do một tín hiệu từ môi trường gây nên biểu hiện đồng thời một cụm nhiều gene mã hoá các enzyme tham gia chuyển hoá lactose. Các gene này được phiên mã thành một mRNA (mRNA polycistronic) và dịch mã mRNA này tạo ra nhiều chuỗi polypeptide.

Câu 2: Quan sát hình 3.1 và dự đoán gene điều hoà chi phối sự phiên mã các gene cấu trúc của operon lạc bằng cách nào?

Bài làm chi tiết:

Gene điều hòa sẽ quy định tổng hợp nên protein ức chế liên kết với vùng vận hành (O) và ngăn cản quá trình phiên mã xảy ra.

Câu 3: Quan sát hình 3.2 và cho biết:

a) Khi môi trường không có lactose, tại sao các gene cấu trúc của operon lac không được phiên mã?

b) Khi môi trường có lactose, tại sao các gene cấu trúc của operon lac được phiên mã?

Bài làm chi tiết:

a) Khi môi trường không có lactose: Protein ức chế liên kết với operator khiến RNA polymerase không thể liên kết được với promoter nên các gene cấu trúc không được phiên mã. 

b) Khi môi trường có lactose: một lượng nhỏ lactose chuyển thành đồng phân của lactose (allolactose) và liên kết với protein ức chế lacI khiến protein này thay đổi cấu hình dẫn đến không liên kết được với operator, enzyme RNA polymerase có thể liên kết với promoter và tiến hành phiên mã các gene cấu trúc.

Luyện tập: Hãy trình bày tóm tắt cơ chế điều hoà biểu hiện gene ở operon lac của E. coli.

Bài làm chi tiết:

• Khi môi trường không có lactose: Protein ức chế lacI liên kết với operator khiến enzyme RNA polymerase có thể liên kết với promoter nhưng không trượt qua được nên các gene cấu trúc không được phiên mã.

• Khi môi trường có lactose: Một lượng nhỏ lactose chuyển thành đồng phân của lactose (allolactose) và liên kết với protein ức chế lacI khiến protein này thay đổi cấu hình dẫn đến không liên kết được với operator, do vậy enzyme RNA polymerase có thể liên kết với promoter và tiến hành phiên mã các gene cấu trúc. Vì vi khuẩn không có màng nhân và gene không phân mảnh nên các gene cấu trúc phiên mã đến đâu được dịch mã đến đó tạo ra các loại enzyme tham gia vào quá trình phân giải lactose trong môi trường.

III. ỨNG DỤNG CỦA ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE

Câu 1: Hãy nêu các ứng dụng thực tế liên quan đến cơ chế điều hoà biểu hiện gene trong kiểm soát mật độ tế bào ở vi khuẩn hoặc tăng hiệu quả sản xuất protein tái tổ hợp.

Bài làm chi tiết:

Ứng dụng: Vi khuẩn Streptococcus mutans gây bệnh sâu răng ở người có khả năng tạo mảng bám răng. Vi khuẩn này có khả năng tạo màng sinh học nhờ cơ chế điều hoà biểu hiện gene cảm ứng mật độ tế bào. Vì vậy, nghiên cứu xác định các chất là phân tử tín hiệu ảnh hưởng tới sự điều hoà cảm ứng mật độ ở vi khuẩn giúp phát triển thuốc điều trị bệnh do vi khuẩn này gây nên. Ví dụ: 3,3'-diindolylmethane (DIM) được xác định là có khả năng ức chế hình thành màng sinh học ở vi khuẩn S. mutans.

Vận dụng: 

Tại sao các thuốc có đích tác động là cơ chế cảm ứng mật độ có nhiều triển vọng ứng dụng trong điều trị bệnh do vi khuẩn kháng kháng sinh?

Bài làm chi tiết:

Các thuốc có đích tác động là cơ chế cảm ứng mật độ có nhiều triển vọng ứng dụng trong điều trị bệnh do vi khuẩn kháng kháng sinh có tốc độ sinh trường và phát triển nhanh dẫn đến mật độ dày đặc.