Điều Hòa Hoạt Động Gen: Lý Thuyết Và Bài Tập

1. Khái quát về điều hòa hoạt động của gen

1.1. Khái niệm

Điều hòa hoạt động của gen chính là điều hòa lượng sản phẩm được gen tạo ra hay nói cách khác là điều hòa các quá trình tự nhân đôi tạo ra ADN, quá trình phiên mã tạo ra ARN và quá trình tổng hợp protein (gen có được 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 hay 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 lactozo là tín hiệu kích thích operon phiên mã (chất cảm ứng).

1.2. Các mức độ điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật

Điều hòa hoạt động của gen thể hiện ở nhiều mức độ khác nhau:

+ Điều hòa mức độ phiên mã: Điều hòa lượng mARN được phiên mã trong tế bào.

+ Điều hòa mức độ dịch mã: Điều hòa lượng protein được dịch mã.

+ Điều hòa sau dịch mã: Làm biến đổi , gắn các gốc chức năng vào protein, hình thành cấu trúc không gian, hoàn thiện protein sau khi đã được tổng hợp để thực hiện một chức năng nhất định.

1.3. Ý nghĩa

Giúp tế bào chỉ tổng hợp sản phẩm của gen đúng thời điểm và tạo ra một lượng sản phẩm cần thiết, vừa đủ. Từ đó có thể giúp tối ưu hóa nguyên liệu và năng lượng được sử dụng trong tế bào, không bị lãng phí.

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 cơ thể.

Đăng ký ngay để được thầy cô tổng hợp kiến thức và xây dựng lộ trình ôn thi phù hợp đạt hiệu quả cao

2. Điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ

2.1. Đặc điểm điều hòa

Do cấu trúc hệ gen đơn giản, chứa ít gen, không có intron và màng nhân nên phiên mã dịch mã ở sinh vật nhân sơ diễn ra đồng thời. Vì vậy, điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ chỉ xảy ra chủ yếu ở mức độ phiên mã.

2.2. Mô hình cấu trúc operon Lac

a, 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 chung một cơ chế điều hòa (nhiều gen cùng dùng chung 1 promoter). 

Khái niệm operon chỉ được dùng cho ADN của sinh vật nhân sơ.

Mô hình Operon ở vi khuẩn giúp các gen liên quan đến nhau được bật tắt nhanh chóng và cùng lúc, từ đó giúp vi khuẩn đáp ứng nhanh với điều kiện thay đổi của môi trường.

b, Cấu trúc Operon Lac

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

Cấu trúc Operon Lac:

• Các gen cấu trúc (Z, Y, A): nằm gần nhau, mỗi gen quy định một loại protein khác nhau nhưng có chức năng liên quan đến nhau là tham gia vào các bước của quá trình vận chuyển và thủy phân đường Lactozo, cung cấp năng lượng cho hoạt động của tế bào.

• Vùng vận hành (O): là đoạn trình tự Nucleotit đặc biệt được protein ức chế (do gen điều hòa tổng hợp) nhận biết, bám vào và ngăn cản quá trình phiên mã của nhóm gen cấu trúc.

• Vùng khởi động (P): nằm trước vị trí của vùng vận hành (O), là đoạn trình tự Nucleotit đặc biệt được enzim ARN polimeraza bám vào và khởi đầu quá trình phiên mã.

• Gen điều hòa (R): thực chất, gen điều hòa (R) có promoter riêng và không nằm trong cấu trúc Operon nhưng nó có chức năng quy định tổng hợp nên protein ức chế. Protein ức chế này có vai trò nhận biết và liên kết với vùng vận hành (O) và ngăn cản quá trình phiên mã xảy ra. Do đó, gen điểu hòa (R) cũng đóng vai trò vô cùng 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 vào sự có mặt hay không có mặt của đường đôi Lactozo. Nói một cách rõ hơn, chỉ khi trong môi trường có mặt đường Lactozo và vi khuẩn sử dụng nó làm nguồn C chính thì sự Operon Lac mới được hoạt động mạnh. Ngược lại, trong môi trường không có đường Lactozo, Operon Lac đóng (không được biểu hiện).

a, Khi môi trường không có đường Lactozo

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

Trong trường hợp này, Operon ở trạng thái bất hoạt hay trạng thái đóng nghĩa là bị ức chế hoạt động.

b, Khi môi trường có đường Lactozo

Trong điều kiện môi trường có đường Lactozo, Lactozo được chuyển hóa thành dạng đồng phân của nó là Allolactozo, 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 ức chế bị biến đổi, không còn gắn được vào vùng vận hành (O) nữa. Nhờ vậy, ARN pol liên kết vào promoter ở vùng khởi động (P) có thể trượt dọc phân tử ADN, từ đó thực hiện quá trình phiên mã các gen cấu trúc Z, Y, A  tạo ra mARN và đồng thời với quá trình phiên mã là dịch mã tổng hợp ra các protein.

Các protein, enzim được hình thành sẽ tham gia vào con đường thủy phân Lactozo.

Trong trường hợp này, Operon ở trạng thái cảm ứng hay trạng thái mở nghĩa là hoạt động để tạo ra ARN, protein.

Khi môi trường hết Lactozo, protein ức chế được liên kết trở lại vào vùng vận hành, quá trình phiên mã bị dừng lại.

3. Điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân thực

Khác với sinh vật nhân sơ, nhiễm sắc thể của sinh vật nhân thực  có cấu trúc phức tạp hơn hẳn. Ngay trong cấu trúc cuộn xoắn của nhiễm sắc thể là sự liên kết giữa ADN và protein histone  đã góp phần vào  điều  hòa  biểu  hiện  của  gen. Sự điều hòa biểu hiện  gen  ở  sinh vật nhân thực thể hiện ở nhiều mức độ điều hòa phức tạp hơn so với sinh vật nhân sơ ở qua nhiều giai đoạn như: sự cuộn xoắn của nhiễm sắc thể, dãn xoắn, phiên mã, biến đổi sau phiên mã, mRNA đi từ nhân ra tế bào chất, dịch mã và các hoạt động biến đổi sau dịch mã.

Mặt khác, đa số sinh vật nhân thực có cấu tạo cơ thể đa bào và các tế bào được biệt hóa chuyên biệt cho một chức năng nhất định và chúng có mối liên hệ với nhau để cùng đảm bảo sự hoạt động hài hòa của cơ thể. Các vi khuẩn thường phản ứng trực tiếp với môi trường và biểu hiện các gen cảm ứng, như khi có đường lactozo thì mở Operon Lac để phân hủy, khi hết Lactozo thì Operon lại đóng lại. Trong khi đó, các tế bào nhân thực có nhiều con đường biệt hóa tế bào khác nhau và sự chuyên hóa gần như là ổn định thường xuyên trong đời sống cá thể. Ngoài sự biệt hóa tế bào, các cơ thể nhân thực đa bào còn trải  qua  quá trình phát triển cá  thể với nhiều giai đoạn phức tạp nối tiếp nhau, trong đó có những gen chỉ biểu hiện ở phôi và sau đó thì dừng hẳn.

Đa số các gen ở tế bào sinh vật nhân thực đều là gen cảm ứng, nghĩa là chỉ hoạt động khi có tín hiệu nhất định. Trong trường hợp còn lại, gen ở trạng thái tắt, ADN xoắn chặt với protein histone ngăn không cho các yếu tố khởi đầu phiên mã tiếp cận với promoter của gen. Tuy nhiên khi cần, gen cũng được hoạt hóa rất nhanh, tổng hợp ra lượng lớn sản phẩm để nhanh chóng đáp ứng nhu cầu cơ thể.

Tất cả những điểm nêu trên cho thấy sự điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thực phức tạp hơn nhiều so với điều hòa biểu hiện  gen ở sinh vật nhân sơ. Do đó các cơ chế điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thực đến nay vẫn chưa được sáng tỏ hoàn toàn và được biết ít hơn so với điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ.

Một số điểm khác biệt trong điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân thực so với nhân sơ:

• Hệ gen của sinh vật nhân thực lớn hơn, phức tạp. Do sự có mặt của các trình tự intron trong hệ gen và cả màng nhân nên quá trình phiên mã và dịch mã không diễn ra đồng thời → Điều hòa hoạt động gen nhân thực phức tạp.

• Mục đích: Hướng tới sự biệt hóa tế bào theo chức năng.

• Tín hiệu điều hòa: Hoocmon.

• Thời điểm: Từ trước phiên mã cho đến sau dịch mã.

4. Một số bài tập trắc nghiệm về điều hòa hoạt động gen (có đáp án)

Câu 1: Bản chất điều hòa hoạt động gen chính là:

A. Điều hòa lượng sản phẩm được gen tạo ra.

B. Điều hòa lượng phân tử mARN.

C. Điều hòa lượng phân tử tARN.

D. Điều hòa lượng phân tử rARN. 

→ Đáp án đúng là A.

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

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

A. Trước phiên mã.

B. Phiên mã.

C. Sau phiên mã.

D. Dịch mã.

→ Đáp án đúng là B.

Giải thích: Do cấu trúc hệ gen đơn giản, chứa ít gen, không có intron và màng nhân nên phiên mã dịch mã ở sinh vật nhân sơ diễn ra đồng thời. Vì vậy, điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ chỉ xảy ra chủ yếu ở mức độ phiên mã.

Câu 3: Sự điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân thực đa bào phức tạp hơn so với ở nhân sơ là do:

A. Các tế bào nhân thực có kích thước lớn hơn.                         

B. Sinh vật nhân sơ sống giới hạn trong môi trường sống ổn định.

C. Các nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân thực có ít Nuclêôtit hơn, do đó mỗi trình tự Nuclêôtit phải đảm nhiệm một lúc nhiều chức năng.

D. Trong cơ thể sinh vật nhân thực đa bào, các tế bào khác nhau được biệt hóa chuyên biệt để thực hiện các chức năng khác nhau.

→ Đáp án đúng là D.

Giải thích: đa số sinh vật nhân thực có cấu tạo cơ thể đa bào và các tế bào được biệt hóa chuyên biệt cho một chức năng nhất định và chúng có mối liên hệ với nhau để cùng đảm bảo sự hoạt động hài hòa của cơ thể.

Câu 4 :Theo Jacôp và Mônô, thành phần cấu trúc của Operon Lac gồm:

A. Gen điều hoà (R), vùng khởi động (P), nhóm gen cấu trúc (Z, Y, A).

B. Vùng vận hành (O), nhóm gen cấu trúc (Z, Y, A), vùng khởi động (P).

C. Gen điều hoà (R), vùng vận hành (O), nhóm gen cấu trúc (Z, Y, A).

D. Gen điều hoà (R), vùng khởi động (P), vùng vận hành (O), nhóm gen cấu trúc (Z, Y, A).

→ Đáp án đúng là B.

Giải thích: Gen điều hòa (R): đóng vai trò vô cùng quan trọng trong sự biểu hiện của Operon nhưng thực chất, gen này không không nằm trong cấu trúc Operon Lac.

Câu 5: Khi nói về cấu trúc của một Operon, điều khẳng định nào sau đây là đúng?

A. Operon là một nhóm gen cấu trúc 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 nói trên cùng lúc.

B. Operon là một nhóm gen cấu trúc nằm liền nhau và mã hóa cho các phân tử protein thực hiện các chức năng liên quan hoặc không liên quan đến nhau.

C. Operon là một nhóm gen cấu trúc dùng chung một promoter và được phiên mã cùng lúc tạo các phân tử mARN khác nhau.

D. Operon là một nhóm gen cấu trúc nằm xa nhau trên phân tử ADN, được phiên mã tại cùng một thời điểm để tạo ra một phân tử mARN.

→ Đáp án đúng là A. 

Giải thích: Operon là tập hợp các gen cấu trúc có liên quan về mặt chức năng, thường phân bố theo cụm gần nhau và có chung một cơ chế điều hòa, cùng dùng chung 1 promoter.

Trên đây là toàn bộ những thông tin cần thiết liên quan đến điều hòa hoạt động gen. Đây là một phần rất quan trọng trong chương trình ôn thi và đòi hỏi các em phải nắm thật chắc, chúc các em ôn tập tốt. Ngoài ra, em có thể truy cập ngay Vuihoc.vn để xem thêm các bài giảng sinh 12 hoặc liên hệ trung tâm hỗ trợ để nhận thêm bài giảng và chuẩn bị được kiến thức tốt nhất cho kỳ thi THPT quốc gia sắp tới nhé!

>> Xem thêm: 

• Lý thuyết, bài tập phiên mã và dịch mã
• Quá trình nhân đôi ADN diễn ra như thế nào?
• Lý thuyết dịch mã, thành phần tham gia và diễn biến
• Lý thuyết, bài tập liên kết gen và hoán vị gen