Giáo án Sinh học 12 chân trời Bài 3: Điều hoà biểu hiện gene

HOẠT ĐỘNG CỦA GV - HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV cho một số ví dụ:

(1) Gene mã hóa cho hormone insulin được biểu hiện ở tế bào β của tuyến tụy nhưng lại không biểu hiện ở các loại tế bào khác;

(2) Gene mã hóa cho hormone prolactin chỉ biểu hiện mạnh ở phụ nữ trong thời kì mang thai và cho con bú.

- GV yêu cầu HS giải thích hiện tượng trong các ví dụ trên, từ đó rút ra khái niệm về Điều hòa biểu hiện gene.

- GV dẫn dắt giới thiệu: Cơ chế điều hòa biểu hiện gene của operon Lac ở vi khuẩn E.coli được hai nhà khoa học người Pháp là François Jacob và Jacques Monod phát hiện vào năm 1961. Sự điều hòa biểu hiện gene ở vi khuẩn E.coli diễn ra chủ yếu ở giai đoạn phiên mã.

François Jacob (trái) và Jacques Monod (phải)

- GV yêu cầu HS thảo luận nhóm (3 - 4 HS) và mô tả thí nghiệm trên operon Lac của E.coli.

- Trên cơ sở câu trả lời của HS, GV yêu cầu HS quan sát Hình 3.1 và Bảng 3.1 rút ra kết luận về cấu trúc operon Lac ở vi khuẩn E.coli và chức năng các thành phần cấu trúc đó.

- Để củng cố kiến thức, GV yêu cầu HS trả lời câu hỏi SGK tr.17: Tại sao hai nhà khoa học Jacob và Monod có thể kết luận ba gene lacZ, lacY và lacA cùng nằm trên một phân tử DNA?

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- Nhóm HS tìm hiểu nội dung mục I SGK tr.17 - 18, thảo luận thực hiện nhiệm vụ.

- GV quan sát, định hướng HS (nếu cần thiết).

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- HS xung phong phân tích ví dụ và nêu khái niệm điều hòa biểu hiện gene: Để tránh những sai sót xảy ra trong các quá trình chuyển hóa, tế bào cần có hệ thống kiểm soát quá trình tạo sản phẩm của gene, mức độ biểu hiện gene, thời điểm biểu hiện gene,...

- GV mời đại diện nhóm trình bày kết quả thảo luận.

- GV mời một số HS trả lời câu hỏi củng cố: Dựa trên sự gia tăng đồng thời của các loại enzyme, hai nhà khoa học nhận thấy các gene lacZ, lacY và lacA hoạt động đồng thời trong quá trình tổng hợp ba loại enzyme tham gia chuyển hóa và sử dụng đường lactose. Để các gene này có thể biểu hiện cùng lúc thì chúng phải phân bố nằm liền nhau thành cụm trên phân tử DNA, được điều khiển bởi một vùng promoter và một vùng operator.

- HS khác nhận xét, đánh giá và bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- GV nhận xét sản phẩm của các nhóm, đánh giá thái độ làm việc của HS trong nhóm.

-   GV chuẩn hóa kiến thức, yêu cầu HS ghi chép đầy đủ vào vở.

- GV kết luận: Dựa vào kết quả thí nghiệm trên các chủng vi khuẩn đột biến khác nhau, Jacob và Monod đã xác định được trình tự các thành phần cấu trúc trên operon Lac và cơ chế hoạt động của hệ thống lactose ở vi khuẩn E.coli.

+ Hệ thống lactose ở vi khuẩn E.coli gồm: gene điều hòa (tạo ra protein ức chế hoạt động của operon) và operon Lac (gồm vùng promoter, vùng operator và các gene mã hóa enzyme chuyển hóa và sử dụng đường lactose, các gene này có chung cơ chế điều hòa).

- GV chuyển sang hoạt động tiếp theo.

- Điều hòa biểu hiện gene là kiểm soát quá trình tạo ra sản phẩm của gene.

I. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƠ CHẾ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE CỦA OPERON LAC

1. Thí nghiệm trên operon Lac của E.coli

* Kết luận: Gene lacZ, lacY, lacA phân bố nằm liền nhau thành cụm trên phân tử DNA (cùng một đơn vị phiên mã), được điều khiển bởi một vùng promoter và một vùng operator.

- Cấu trúc của operon Lac ở vi khuẩn E.coli:

Bảng 3.1. Chức năng các thành phần trên operon Lac ở vi khuẩn E.coli

Thông tin bổ sung

MỘT SỐ THÍ NGHIỆM TRÊN OPERON LAC Ở VI KHUẨN E.COLI

(1) Thí nghiệm tìm ra sự biểu hiện cùng nhau của các gene cấu trúc

Vi khuẩn E. coli sử dụng ba loại enzyme để thu nhận và chuyển hoá đường lactose: enzyme β-galactosidase được mã hoá bởi gene lacZ, xúc tác phản ứng thuỷ phân lactose thành glucose và galactose (enzyme này còn có tác dụng chuyển hóa lactose thành allolactose, một đồng phân của lactose); enzyme permease nằm xuyên qua màng tế bào được mã hóa bởi gene lacY, có chức năng vận chuyển lactose vào tế bào và enzyme transacetylase được mã hoá bởi gene lacA, có chức năng khử độc tế bào đối với các phân tử thiogalactoside khi các chất này đi vào tế bào qua permease. Jacob và Monod đã nuôi cấy vi khuẩn E.coli trong hai môi trường khác nhau và theo dõi số lượng enzyme trong tế bào: (1) Khi môi trường không có lactose, trong mỗi tế bào E.coli chỉ có một vài phân tử enzyme; (2) Khi lactose được bổ sung vào môi trường nuôi cấy (không chứa glucose), tốc độ tổng hợp của cả ba loại enzyme tăng lên khoảng 1000 lần chỉ trong vòng 2 – 3 phút. Dựa trên sự gia tăng đồng thời của ba loại enzyme, hai nhà khoa học nhận thấy các gene lacZ, lacY và lacZ thuộc cùng một đơn vị phiên mã (nằm trên cùng một phân tử DNA), được điều khiển bởi một vùng promoter và một vùng operator.

(2) Thí nghiệm tìm ra cấu trúc và hoạt động của operon Lac

Bằng cách sử dụng các chủng vi khuẩn chứa operon Lac (trên DNA và plasmid) bị đột biến ở các vùng khác nhau, Jacob và Monod đã xác định được các thành phần cấu trúc và hoạt động của operon Lac ở vi khuẩn E.coli.

- Biến nạp plasmid chứa operon Lac mang gene lacZ bị đột biến (lacZ^-) không có khả năng tổng hợp enzyme và gene lacY bình thường (lacY⁺) vào tế bào vi khuẩn chứa operon mang gene lacZ⁺ và lacY^-. Kết quả cho thấy tế bào này có thể tổng hợp cả hai loại enzyme β-galactosidase và permease.

- Biến nạp plasmid chứa operon Lac có gene điều hòa (lacI) và vùng vận hành (O) không bị đột biến nhưng gene lacZ bị đột biến (lacI⁺ O⁺lacZ^-) vào một tế bào bị đột biến (lacI^- O⁺ lacZ⁺) có khả năng tổng hợp enzyme β-galactosidase một cách liên tục ngay cả khi môi trường không có lactose. Kết quả là operon Lac ở tế bào này bị ức chế khi môi trường không có lactose.

Thí nghiệm chứng minh khả năng hoạt động của operon Lac ở vi khuẩn E.coli. Tế bào vi khuẩn đột biến (a) và tế bào sau khi được biến nạp plasmid có thể tổng hợp cả hai loại enzyme (b)

Thí nghiệm chứng minh khả năng hoạt động của operon Lac ở vi khuẩn E.coli. Tế bào vi khuẩn đột biến (a) và tế bào sau khi được biến nạp plasmid có operon không hoạt động khi môi trường không có lactose (b)

Từ kết quả thí nghiệm, Jacob và Monod đã kết luận được các gene thuộc cùng một operon có thể hoạt động ngay cả khi chúng nằm trên các phân tử DNA khác nhau. Bên cạnh đó, khi tiến hành thêm nhiều thí nghiệm với các chủng đột biến ở các vùng khác nhau trên operon Lac (gene lacZ, vùng promoter, vùng operator), hai nhà khoa học cũng đã xác định được trình tự các thành phần cấu trúc trên operon Lac và đưa ra mô hình hoạt động của hệ thống lactose ở vi khuẩn E.coli.