Sinh vật nhân sơ và nhân thực có hoạt động điều hòa gen, một quá trình quan trọng trong sinh trưởng và phát triển của chúng. Hoạt động này giúp các tế bào sinh sản của sinh vật sao chép và chuyển giao thông tin di truyền, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì và phát triển các tính chất di truyền của loài.
Mục lục bài viết
1. Điều hòa hoạt động gen của sinh vật nhân sơ:
1.1. Đặc điểm:
Sinh vật nhân sơ có cấu trúc gen đơn giản, chứa ít gen, không có intron và màng nhân nên phiên mã dịch mã diễn ra tương đối bình thường. Tuy nhiên, điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ thường chỉ xuất hiện ở mức độ phiên mã. Để hiểu rõ hơn về điều hòa hoạt động gen, chúng ta có thể tham khảo mô hình cấu trúc operon Lac.
1.2. Mô hình cấu trúc operon Lac:
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 một cơ chế điều hòa chung nhất (tức là nhiều gen dùng chung một promoter). Operon chỉ được dùng cho ADN của những sinh vật nhân sơ.
Cơ chế hoạt động của mô hình Operon ở vi khuẩn giúp các gen liên quan đến nhau được bật tắt nhanh chóng và cùng thời điểm. Từ đó giúp vi khuẩn đáp ứng kịp thời với điều kiện thay đổi của môi trường.
Cấu trúc Operon Lac
Operon Lac là những gen cấu trúc quy định tổng hợp các enzim tham gia vào sự phân giải Lactôzơ, được phân bố thành cụm trên ADN và có chung một cơ chế điều hòa duy nhất.
Cấu trúc Operon Lac bao gồm:
– Các cấu trúc (A, Y, Z): các gen cấu trúc này nằm gần nhau, mỗi gen quy định một loại protein khác nhau nhưng có một chức năng liên quan đến nhau là tham gia vào các bước của quá trình vận chuyển và thủy phân đường Lactose để truyền năng lượng, duy trì hoạt động sống cho từng tế bào.
– Vùng vận hành (O): chính là đoạn trình tự Nucleotit đặc biệt được protein ức chế (được tổng hợp do gen điều hòa) để nhận biết, bám chắc và ngăn cản quá trình phiên mã của nhóm gen cấu trúc.
– Vùng khởi động (P): gen điều hòa ® có riêng một promoter và không thuộc cấu trúc Operon nhưng có chức năng quy định tổng hợp nên các protein ức chế. Protein ức chế này có vai trò nhận biết và liên kết với vùng vận hành (O) và ngăn cản sự diễn ra của quá trình phiên mã. Do đó gen điều hòa ® cũng đóng vai trò rất quan trọng trong sự biểu hiện của Operon.
1.3. Cơ chế hoạt động của sinh vật nhân sơ:
Sự biểu hiện của Operon Lac phụ thuộc chủ yếu vào sự có mặt hoặc không có mặt của đường đôi Lactozo. Nói theo cách khác, Operon Lac chỉ hoạt động mạnh khi môi trường có mặt đường Lactose và vi khuẩn sử dụng nó làm nguồn C chính.
Nếu môi trường không có đường Lactose, gen điều hòa ® luôn bật, phiên mã, dịch mã tổng hợp ra protein ức chế, và các gen cấu trúc Z, Y, A không được hoạt động và không tạo được sản phẩm. Trong trường hợp này, Operon ở trạng thái bất hoạt hay trạng thái đóng tức là bị ức chế hoạt động.
Trong khi đó, nếu môi trường có đường Lactose, chất cảm ứng liên kết với protein ức chế dẫn đến cấu hình không gian của protein gặp tình trạng biến đổi, không còn gắn được vào vùng vận hành (O) nữa. Nhờ đó mà ARN pol liên kết vào promoter tại vùng khởi động (P) có thể trượt dọc phân tử ADN. Từ đó thực hiện quá trình phiên mã các các gen cấu trúc Z, Y, A nhằm tạo ra mARN và đồng thời với quá trình phiên mã là dịch mã để tạo ra các protein.
Vì vậy, cơ chế hoạt động của Operon Lac không chỉ giúp vi khuẩn đáp ứng kịp thời với điều kiện thay đổi của môi trường mà còn giúp chúng tạo ra các sản phẩm cần thiết để duy trì hoạt động sống của tế bào.
Sự hiểu biết về cơ chế hoạt động gen là rất quan trọng trong nghiên cứu sinh học phân tử và di truyền học. Những nghiên cứu về cơ chế hoạt động gen cung cấp cho chúng ta cái nhìn sâu sắc hơn về cấu trúc và chức năng của gen, đồng thời cũng giúp chúng ta hiểu được sự phát triển và hoạt động của sinh vật. Các phát hiện mới trong lĩnh vực này sẽ tiếp tục mở ra những cánh cửa mới trong việc nghiên cứu và ứng dụng trong đời sống.
2. Điều hòa hoạt động gen của sinh vật nhân thực:
Sự điều hòa hoạt động gen của sinh vật nhân thực là một quá trình rất phức tạp và đa dạng. Nhiễm sắc thể của sinh vật nhân thực có cấu trúc phức tạp hơn so với sinh vật nhân sơ. Điều này là do sự liên kết giữa protein histone và ADN trong cấu trúc cuộn xoắn của nhiễm sắc thể, đã thúc đẩy quá trình điều hòa điều kiện của gen.
Sự điều hòa biểu hiện của gen ở sinh vật nhân thực diễn ra qua nhiều giai đoạn phức tạp và đa dạng hơn so với ở sinh vật nhân sơ. Các giai đoạn này bao gồm: sự cuộn xoắn của nhiễm sắc thể, dãn xoắn, phiên mã, biến đổi sau khi phiên mã, mARN đi từ nhân ra tế bào chất, dịch mã và các hoạt động biến đổi sau dịch mã.
Hầu hết các gen ở tế bào sinh vật nhân thực là gen cảm ứng, tức là chỉ hoạt động khi nhận được tín hiệu nhất định. Trong các trường hợp khác, gen ở trạng thái tắt và ADN liên kết chặt chẽ với protein histone để ngăn không cho yếu tố khởi đầu phiên mã tiếp cận với promoter của gen.
Tuy nhiên, khi cần thiết, gen cũng có thể được hoạt hóa nhanh chóng, tổng hợp ra lượng sản phẩm lớn để đáp ứng mọi yêu cầu của cơ thể.
Tất cả những đặc điểm trên cho thấy sự điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân thực phức tạp hơn rất nhiều so với điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ. Tuy nhiên, điều này cũng mang lại nhiều đặc điểm thú vị của hệ gen của sinh vật nhân thực:
– Hệ gen của sinh vật nhân thực lớn hơn và phức tạp hơn nhân sơ do sự có mặt của các trình tự intron trong hệ gen và cả màng nhân. Do đó, quá trình phiên mã và dịch mã không diễn ra đồng thời.
– Mục đích của sự điều hòa gen ở sinh vật nhân thực là hướng đến sự biệt hóa tế bào theo chức năng.
– Tín hiệu điều hòa gen ở sinh vật nhân thực bao gồm hormone. Hormone là các phân tử sinh học được sản xuất bởi các tế bào đặc biệt và được vận chuyển đến các tế bào khác để gây ra các tác dụng sinh học.
– Thời điểm điều hòa gen ở sinh vật nhân thực diễn ra từ trước quá trình phiên mã cho đến sau khi dịch mã. Việc điều hòa gen trước quá trình phiên mã sẽ giúp tế bào chuẩn bị cho quá trình phiên mã, trong khi việc điều hòa gen sau quá trình dịch mã sẽ ảnh hưởng đến các hoạt động của tế bào.
Sự hiểu biết về cơ chế hoạt động gen là rất quan trọng trong nghiên cứu sinh học phân tử và di truyền học. Những nghiên cứu về cơ chế hoạt động gen cung cấp cho chúng ta cái nhìn sâu sắc hơn về cấu trúc và chức năng của gen, đồng thời cũng giúp chúng ta hiểu được sự phát triển và hoạt động của sinh vật. Các phát hiện mới trong lĩnh vực này sẽ tiếp tục mở ra những cánh cửa mới trong việc nghiên cứu và ứng dụng trong đời sống.
3. Câu hỏi vận dụng liên quan:
Câu 1: Ở vi khuẩn E. coli, khi nói về hoạt động của các gen cấu trúc trong operon Lac, kết luận nào sau đây đúng?
A. Các gen này có số lần nhân đôi bằng nhau nhưng số lần phiên mã khác nhau.
B. Các gen này có số lần nhân đôi bằng nhau và số lần phiên mã bằng nhau.
C. Các gen này có số lần nhân đôi khác nhau nhưng số lần phiên mã bằng nhau.
D. Các gen này có số lần nhân đôi khác nhau và số lần phiên mã khác nhau.
Đáp án: B
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.
Đáp án: C
Câu 3: 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.
Đáp án: A
Câu 4: Theo giai đoạn phát triển của cá thể và theo nhu cầu hoạt động sống của tế bào thì
A. tất cả các gen trong tế bào đều hoạt động
B. tất cả các gen trong tế bào có lúc đồng loạy hoạt động, có khi đồng loạt dừng
C. chỉ có một số gen trong tế bào hoạt động
D. phần lớn các gen trong tế bào hoạt động
Đáp án: C
Câu 5: Trình tự các thành phần cấu tạo của một operon là
A. gen điều hòa – vùng vận hành – vùng khởi động – nhóm gen cấu trúc.
B. vùng khởi động – vùng vận hành – nhóm gen cấu trúc.
C. nhóm gen cấu trúc – vùng vận hành – vùng khởi động.
D. nhóm gen cấu trúc – vùng khởi động – vùng vận hành.
Đáp án: B
Câu 6: Phát biểu nào dưới đây không đúng khi nói về đặc điểm của điều hòa hoạt động gen ở tế bào nhân thực?
A. Cơ chế điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân thực phức tạp hơn ở sinh vật nhân sơ.
B. Phần lớn các trình tự nucleotit trên ADN được mã hóa thành các thông tin di truyền.
C. Phần ADN không mã hóa thì đóng vai trò điều hòa hoặc không hoạt động.
D. Có nhiều mức điều hòa, qua nhiều giai đoạn: từ nhiễm sắc thể (NST) tháo xoắn đến biến đổi sau dịch mã.
Đáp án: B
Câu 7: Trong cơ chế điều hòa hoạt động của operon Lac, sự kiện nào sau đây diễn ra cả khi môi trường có lactozo và khi môi trường không có laztozo?
A. Một số phân tử lactozo liên kết với protein ức chế.
B. Gen điều hòa R tổng hợp protein ức chế.
C. Các gen cấu trúc Z, Y, A phiên mã hóa tạo ra các phân tử mARN tương ứng.
D. ARN polimeraza liên kết với vùng khởi động của operon Lac và tiến hành phiên mã.
Đáp án: B
Câu 8: Trong cơ chế điều hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ, vai trò của gen điều hòa là
A. mang thông tin cho việc tổng hợp một protein ức chế tác động lên các gen cấu trúc.
B. nơi gắn vào của protein ức chế để cản trở hoạt động của enzim phiên mã.
C. mang thông tin cho việc tổng hợp một protein ức chế tác động lên vùng vận hành.
D. mang thông tin cho việc tổng hợp một protein ức chế tác động lên vùng khởi động.
Đáp án: C
Câu 9: Trình tự nucleotit đặc biệt của một operon nơi enzim ARN polimeraza bám vào khởi động quá trình phiên mã các gen cấu trúc được gọi là:
A. tổng hợp protein ức chế bám vào vùng khởi động để khởi đầu phiên mã.
B. tổng hợp enzim ARN polimeraza bám vào vùng khởi động để khởi đầu phiên mã.
C. tổng hợp protein ức chế bám vào vùng vận hành để ngăn cản quá trình phiên mã.
D. tổng hợp các loại enzim tham gia vào phan ứng phân giải đường lactozo.
Đáp án: A
Câu 10: Xét một operon Lac ở E. coli, khi môi trường không có lactozo nhưng enzim chuyển hóa lactozo vẫn được tạo ra. Một học sinh đã đưa ra một số giải thích cho hiện tượng trên như sau:
(1) Do vùng khởi động (P) bị bất hoạt nên enzim ARN polimeraza có thể bám vào để khởi động quá trình phiên mã.
(2) Do gen điều hòa (R) bị đột biến nên không tạo được protein ức chế.
(3) Do vùng vận hành (O) bị đột biến nên không liên kết được với protein ức chế.
(4) Do gen cấu trúc (Z, Y, A) bị độ biến làm tăng khả năng biểu hiện của gen.
Những giải thích đúng là:
A. (2) và (4)
B. (1), (2) và (3)
C. (2) và (3)
D. (2), (3) và (4)
Đáp án: C
Câu 11: Vai trò của lactozo trong cơ chế điều hòa hoạt động của operon Lac ở E. coli là
A. liên kết đặc hiệu với protein điều hòa, khiến nó mất khả năng bám vào trình tự vận hành, tạo điều kiện cho ARN polimeraza hoạt động.
B. gắn vào trình tự vận hành operator để khởi đầu quá trình phiên mã ở gen điều hòa.
C. hoạt hóa trình tự khởi động promoter để thực hiện quá trình phiên mã ở gen điều hòa.
D. ức chế gen điều hòa và cản trở quá trình phiên mã của gen này để tạo ra protein điều hòa.
Đáp án: A
