Giáo án và PPT Sinh học 12 cánh diều bài 3: Điều hoà biểu hiện gene

BÀI 3. ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE

HOẠT ĐỘNG KHỞI ĐỘNG

GV yêu cầu HS thảo luận và trả lời:

Hiện nay, việc sử dụng tế bào gốc trong y học là một trong những thành tựu có vai trò quan trọng trong điều trị các bệnh di truyền ở người. Tế bào gốc được sử dụng để thay thế cho các tế bào, mô bị tổn thương trong cơ thể bệnh nhân. Bằng cách nào mà tế bào gốc có thể trở thành các loại tế bào khác nhau trong cơ thể?

HOẠT ĐỘNG HÌNH THÀNH KIẾN THỨC

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

Hoạt động 1. Thí nghiệm

HS thảo luận trả lời câu hỏi: Em hãy nêu các thí nghiệm điều hòa biểu hiện Gene của Operon lac ở vi khuẩn?

Sản phẩm dự kiến:

- Jacques Monod và François Jacob đã nghiên cứu sự biểu hiện của các gene liên quan đến chuyển hóa lactose ở vi khuẩn E.coli:

(1) Thí nghiệm 1: Nồng độ permease và β-galactosidase trong tế bào rất thấp.

(2) Thí nghiệm 2: Nồng độ tăng lên 1000 lần.

- Giả thuyết: tồn tại một tín hiệu từ môi trường gây nên biểu hiện đồng thời một cụm nhiều gene mã hóa các enzyme tham gia chuyển hóa lactose. 

+ Các gene này được phiên mã thành một mRNA (mRNA polycistronic).

+ Dịch mã mRNA này tạo ra nhiều chuỗi polypeptide.

Hoạt động 2. Cơ chế điều hòa biểu hiện gene ở operon lac

HS thảo luận trả lời câu hỏi: Em hãy trình bày cấu trúc và cơ chế điều hòa biểu hiện gene của operon lac?

Sản phẩm dự kiến:

a) Cấu trúc operon lac

- Operon là cụm các gene cấu trúc có chung trình tự điều hòa phiên mã và được phiên mã tạo thành một mRNA.

- Operon chỉ có ở hệ gene của sinh vật nhân sơ.

- Cấu trúc một operon lac gồm 3 thành phần:

+ Vùng P_lac : nơi enzyme RNA polymerase liên kết để khởi động quá trình phiên mã các gene cấu trúc.

+ Vùng O: nơi protein ức chế liên kết để ngăn cản quá trình phiên mã.

+ Các gene cấu trúc: gene lacZ tạo ra enzyme β-galactosidase (phân giải lactose), lacY tạo ra enzyme permease (vận chuyển lactose vào tế bào) và enzyme lacA tạo ra enzyme transacetylase (khử các chất độc).

- Operon lac được kiểm soát bởi gene điều hòa I, mã hóa protein ức chế.

b) Cơ chế điều hòa biểu hiện gene của operon lac

- Khi môi trường không có lactose: Protein ức chế liên kết với vùng O, enzyme RNA polymerase không liên kết được với vùng P_lac nên các gene cấu trúc không được phiên mã.

- Khi môi trường có lactose: Một lượng nhỏ lactose chuyển thành allolactose liên kết với protein ức chế, làm cho protein bị thay đổi cấu trúc nên không liên kết với vùng O. Enzyme RNA polymerase liên kết với vùng P_lac để tiến hành phiên mã các gene cấu trúc.

II. Ý NGHĨA CỦA SỰ ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE

HS thảo luận trả lời câu hỏi: Dựa vào cơ chế điều hoà biểu hiện gene của operon Lac, em hãy cho biết ý nghĩa của điều hoà biểu hiện gene?

Sản phẩm dự kiến:

- Cơ chế góp phần làm cho sản phẩm của các gene được tạo thành đúng thời điểm, có lượng phù hợp với tế bào và cơ thể.

→ Sinh vật có thể tối ưu các hoạt động sống và thích ứng với môi trường thay đổi thường xuyên của môi trường.

- Giúp tế bào tránh lãng phí năng lượng, không bị gây độc, tăng khả năng sống sót và cạnh tranh của sinh vật khi nguồn sống bị hạn chế.

- Quyết định tính đặc thù của mô, cơ quan và các giai đoạn phát triển của cơ thể (ở sinh vật đa bào).

II. ỨNG DỤNG CỦA ĐIỀU HÒA BIỂU HIỆN GENE

Hoạt động 1. Ứng dụng điều hòa biểu hiện gene ở sinh vật nhân sơ

HS thảo luận trả lời câu hỏi: Em hãy cho biết ứng dụng điều hòa biểu hiện gene ở sinh vật nhân sơ?

Sản phẩm dự kiến:

- Kiểm soát mật độ tế bào vi khuẩn, phát triển thuốc điều trị các bệnh nhiễm khuẩn, xử lí vi khuẩn gây ô nhiễm môi trường,...

Hoạt động 2. Ứng dụng điều hòa biểu hiện gene ở sinh vật nhân thực

HS thảo luận trả lời câu hỏi: Em hãy cho biết ứng dụng điều hòa biểu hiện gene ở sinh vật nhân thực?

Sản phẩm dự kiến:

- Ứng dụng trong sản xuất thuốc ức chế sản phẩm của gene.

- Ứng dụng trong công nghệ chuyển gene: Điều hòa biểu hiện gene được ứng dụng trong sản xuất protein tái tổ hợp. 

- Ứng dụng trong nuôi cấy mô thực vật và tế bào gốc động vật.

- Chủ động đóng mở một số gene nhất định phù hợp với nhu cầu sản xuất.

HOẠT ĐỘNG LUYỆN TẬP

Câu 1: Trong cơ chế điều hòa gen ở sinh vật nhân sơ, vai trò của gen điều hòa là gì? 

A. Mang thông tin quy định protein điều hòa

B. Nơi liên kết với protein điều hòa

C. Nơi tiếp xúc với enzim polimeraza

D. Mang thông tin quy định enzim polimeraza

Câu 2: Sự điều hòa hoạt động của gen tổng hợp enzim phân giải lactozo của vi khuẩn E. coli diễn ra ở cấp độ nào?

A. Diễn ra hoàn toàn ở cấp độ sau dịch mã.

B. Diễn ra hoàn toàn ở cấp độ dịch mã.

C. Diễn ra chủ yếu ở cấp độ phiên mã

D. Diễn ra hoàn toàn ở cấp độ sau phiên mã.

Câu 3: Khi nói về điều hòa hoạt động của operon lac ở E. coli, câu nói nào sau đây có nội dung không đúng? 

A. Khi môi trường chỉ có lactozo (chất cảm ứng) sẽ gắn vào protein ức chế làm thay đổi hình ảnh không gian, do đó nó không được gắn vào vùng O. Nhờ đó mARN polimeraza mới thực hiện được quá trình phiên mã ở nhóm gen cấu trúc

B. KHi môi trường không có lactozo. protein ức chế gắn vào vùng O, ngăn cản sự phiên mã của nhóm gen cấu trúc, vì enzim phiên mã mARN polimeraza không hoạt động được

C. Khi môi trường có lactozo, protein ức chế bị bất hoạt, ngăn cản sự phiên mã của nhóm cấu trúc, vì enzim phiên mã mARN polimeraza không hoạt động được

D. Sự phiên mã bị kìm hãm khi chất ức chế gắn vào vùng O và lại diễn ra bình thường khi chất cảm ứng làm bất hoạt chất ức chế

Câu 4: Mối tương quan giữa protein ức chế với vùng vận hành O được thể hiện như thế nào?

A. Khi môi trường không có lactozo, protein ức chế gắn vào O, ngăn cản sự phiên mã của nhóm gen cấu trúc

B. Khi môi trường không có lactozo, protein ức chế không gắn được vào O, không diễn ra sự phiên mã của nhóm gen cấu trúc.

C. Khi môi trường không có lactozo, protein ức chế không gắn được vào O, enzim phiên mã có thể liên kết được với vùng khởi động để tiến hành phiên mã nhóm gen cấu trúc.

D. Khi môi trường có lactozo, protein ức chế gắn vào O, ngăn cản sự phiên mã của nhóm gen cấu trúc.

Câu 5: Ở sinh vật nhân sơ, điều hòa hoạt động của gen diễn ra chủ yếu ở giai đoạn nào? 

A. Trước phiên mã

B. Sau dịch mã

C. Dịch mã

D. Phiên mã

HOẠT ĐỘNG VẬN DỤNG

Vận dụng kiến thức, GV yêu cầu HS trả lời câu hỏi:

Câu 1: Ở người, gene BRCA mã hoá cho các protein có vai trò ngăn cản sự phân chia bất thường của các tế bào tuyến vú và buồng trứng. Nếu sự biểu hiện của gene này bị rối loạn sẽ gây nên hậu quả gì? Giải thích.

Câu 2: Trong cơ chế điều hòa biểu hiện gene của operon Lac, tại sao lactose được xem là chất giúp cho gene được biểu hiện?

Câu 3: Nếu cơ chế điều hoà biểu hiện gene bị rối loạn sẽ ảnh hưởng như thế nào đến sự phát triển ở sinh vật đa bào?