Tại sao gen các gen cấu trúc không phiên mã khi môi trường không có lactôzơ

1 . Kiến thức:
          - Học sinh  nêu được khái niệm và các cấp độ điều hòa hoạt động của gen.          - Sự điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân sơ.          - Ý nghĩa của sự điều hòa hoạt động của gen.          - Giải thích được tại sao trong tế bào lại chỉ tổng hợp prôtêịn khi cần thiết.
2. Kĩ năng :          - Rèn luyệnvà phát triển tư duy phân tích lô gic và khả năng khái quát hóa cho học sinh          - Khả năng làm việc độc lập với sách giáo khoa

3. Thái độ:

          - Hình thành thái độ yêu thích khoa học tìm tòi nghiên cứu  

I. Khái quát về điều hòa hoạt động của gen
1. Khái niệm
Điều hòa hoạt động của gen chính là điều hòa lượng sản phẩm của gen được tạo ra, ở đây được hiểu là gen có được phiên mã và dịch mã hay không
 Sự hoạt động khác nhau của các gen trong hệ gen là do quá trình điều hòa

2. Lý do
- Trong mỗi tế bào, số lượng gen  rất lớn nhưng thường chỉ có một số ít gen hoạt động còn phần lớn các gen ở trạng thái không hoạt động hoặc hoạt động rất yếu.

3. Vai trò
- Đảm bảo hoạt động sống của tế bào phù hợp điểu kiện môi trường và sự phát triển bình thường của cơ thể.
- Giúp nhận biết thời điểm gen hoạt động, lượng sản phẩm do gen tạo ra.

4. Đặc điểm
- Phức tạp, nhiều mức độ khác nhau
+ Điều hòa trước phiên mã: là điều hòa số lượng gen qui định tính trạng nào đó trong tế bào
 + Điều hòa phiên mã: là điều hòa việc tạo ra số lượng mARN [vd: điều hòa hoạt động của cụm gen Z,Y,A trong lactose Operon]
 + Điều hòa dịch mã: là điều hòa lượng prôtêin được tạo ra bằng cách điều khiển thời gian tồn tại của mARN, thời gian dịch mã hoặc số lượng ribôxôm tham gia dịch mã
 + Điều hòa sau dịch mã: là điều hòa chức năng của prôtêin sau khi đã dịch mã hoặc loại bỏ prôtêin chưa cần thiết [ví dụ: điều hòa hoạt động gen R trong mô hình điều hòa lactose Operon
- Sinh vật nhân sơ: chủ yếu diễn ra điều hòa phiên mã.
- Sinh vật nhân thực: điều hòa ở nhiều mức độ [Từ trước phiên mã đến sau dịch mã]

II. Cơ chế điểu hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ
1. Mô hình cấu trúc của opêron Lac [Vi khuẩn đường ruột E. Coli]
a. Khái niệm opêron 
- Trên phân tử ADN của vi khuẩn, các gen có liên quan về chức năng thường phân bố liền nhau thành từng cụm , có chung một cơ chế điều hòa gọi là opêron
b. Cấu trúc opêron Lac
- Vùng khởi động P [promoter]: nơi mà ARN pôlimeraza bám vào và khởi đầu phiên mã.
- Vùng vận hành O [operator]: có trình tự Nu đặc biệt để prôtêin ức chế có thể liên kết làm ngăn cản sự phiên mã.
- Nhóm gen cấu trúc Z, Y, A quy định tổng hợp các enzym tham gia phản ứng phân giải đường lactôzơ trong môi trường để cung cấp năng lượng cho tế bào.
* Trước mỗi opêron [nằm ngoài opêron] có gen điều hoà R. Khi gen điểu hòa R hoạt động sẽ tổng hợp nên prôtêin ức chế. Prôtêin này có khả năng liên kết với vùng vận hành [O] dẫn đến ngăn cản quá trình phiên mã. [R không phải là thành phần của Opêron

2. Cơ chế hoạt động của Lactose Operon ở E.coli
Vi khuẩn E.coli mẫn cảm với đường lactose do đó khi sống trong môi trường có đường lactose E.coli sẽ tiết ra enzyme lactaza để phân giải đường lactose

a. Khi môi trường không có lactose

          Bình thường, gen điều hòa [R] tổng hợp một loại prôtêin ức chế gắn vào gen chỉ huy [O], do đó gen cấu trúc ở trạng thái bị ức chế nên không hoạt động. Z,Y,A sẽ không thực hiện được phiên mã và dịch mã. Vì vậy, sản phẩm của cụm gen là lactaza không được tạo thành.

b. Khi môi trường có lactose

          Lactose đóng vai trò là chất cảm ứng. Chất cảm ứng sẽ liên kết với prôtêin ức chế làm prôtêin ức chế thay đổi cấu hình không gian và trở nên bất hoạt [không hoạt động]. Prôtêin ức chế không thể bám vào gen chỉ huy O, gen chỉ huy hoạt động bình thường điều khiển Z,Y,A thực hiện phiên mã và dịch mã tổng hợp nên sản phẩm của cụm gen là lactaza.

          Lactaza được tiết ra sẽ làm nhiệm vụ phân giải lactose trong môi trường.

III. Cơ chế điểu hòa hoạt động gen ở sinh vật nhân thực

-   Khác  với  nhân sơ,  nhiễm  sắc  thể  của  nhân thực  có  cấu  trúc  phức tạp. Ngay trên cấu trúc nhiễm sắc thể có sự tham gia của các protein, histone  có  vai  trò  điều  hòa  biểu  hiện  của  gen.  Sự  điều  hòa  biểu hiện  gen  ở  nhân thực phải qua nhiều mức điều hòa phức  tạp hơn so với nhân sơ và qua nhiều giai đoạn như: nhiễm sắc  thể  tháo xoắn, phiên mã, biến đổi hậu phiên mã, mRNA rời nhân ra tế bào chất, dịch mã và biến đổi sau dịch mã.

-   Ngoài ra, đa số nhân thực có cơ thể đa bào và mỗi tế bào có biểu hiện sống không phải tự do, mà chịu sự biệt hóa theo các chức năng chuyên biệt trong mối quan hệ hài hòa với cơ thể.

-   Các vi khuẩn  thường phản ứng  trực  tiếp với môi  trường và biểu hiện gen thuận nghịch, như có đường lactose thì mở operon để phân hủy, khi hết đường thì operon đóng lại. Trong khi đó, các tế bào nhân thực có những con đường biệt hóa khác nhau và sự chuyên hóa 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.

-   Tất  cả những điểm nêu  trên cho  thấy  sự điều hòa biểu hiện của gen nhân thực phức tạp hơn nhiều, mà hiện nay lại được biết ít hơn nhân sơ.

Điều hòa hoạt động gen chính là

Sự điều hoà hoạt động của gen nhằm

Theo Jacôp và Mônô, các thành phần cấu tạo của opêron Lac gồm:

Trên sơ đồ cấu tạo của opêron Lac ở E. coli, kí hiệu O [operator] là:

Khi nói về cấu trúc của operon, điều khẳng định nào sau đây là chính xác?

Tín hiệu điều hòa hoạt động gen của opêron Lac ở vi khuẩn E.coli là:

Theo mô hình operon Lac, vì sao prôtêin ức chế bị mất tác dụng?

Khi nào thì prôtêin ức chế làm ngưng hoạt động của opêron Lac?

Sản phẩm hình thành cuối cùng theo mô hình của opêron Lac ở E.coli là:

Khi nói về operon Lac ở vi khuẩn E. coli, phát biểu sau nào đây sai?

Giải thích cơ chế điều hòa hoạt động của opêron Lac.

Cơ chế điều hòa hoạt động của opêron Lac

- Khi môi trường không có lactôzơ:

Gen điều hòa quy định tổng hợp prôtêin ức chế. Prôtêin này liên kết với vùng vận hành ngăn cản quá trình phiên mã làm cho các gen cấu trúc không hoạt động.

- Khi môi trường có lactôzơ, một số phân tử lactôzơliên kết với prôtêin ức chế làm biến đổi cấu hình không gian ba chiều của nó làm cho prôtêin ức chế không thể liên kết được với vùng vận hành và do vậy ARN polimeraza có thể liên kết được với vùng khởi động để tiến hành phiên mã. Sau đó, các phân tử mARN của các gen cấu trúc Z, Y, A được dịch mã tạo ra các enzim phân giải đường lactôzơ. Khi đường lactôzơbị phân giải hết thì prôtêin ức chế lại liên kết với vùng chỉ huy [vùng vận hành] và quá trình phiên mã bị dừng lại.

Điều hòa hoạt động của genlà điều hòa lượng sản phẩm do gen tạo ra [ARN và protein] hay điều hòa các quá trình nhân đôi ADN, phiên mã tạo ARN và quá trình tổng hợp protein

Ý nghĩa:

+Tế bào chỉ tổng hợp protein cần thiết vào thời điểm thích hợp với một lượng cần thiết.

+Đảm bảo các hoạt động sống của tế bào thích ứng với điều kiện môi trường cũng như sự phát triển bình thường của cơ thể

Các mức độ điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật: Phiên mã, Dịch mã, Sau dịch mã.

Điều hòa hoạt động gen của tế bào nhân sơ xảy ra chủ yếu ở mức độ phiên mã.

II. ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG CỦA GEN Ở SINH VẬT NHÂN SƠ

1.Mô hình cấu trúc của operon Lac

Operon là các gen cấu trúc có liên quan về chức năng thường phân bố theo cụm có chung một cơ chế điều hòa.

Operon Lac là Operon quy định tổng hợp các enzim thủy phân Lactozo.

2. Cấu trúc opêron Lac ở E. coli:

+Nhóm gen cấu trúc [Z, Y, A]:nằm kề nhau, có liên quan với nhau về chức năng

+Vùng vận hành [O]:là đoạn mang trình tự nuclêôtit đặc biệt, là nơi bám của prôtêin ức chế ngăn cản sự phiên mã của nhóm gen cấu trúc.

+Vùng khởi động [P]:nơi bám của enzim ARN-polimeraza khởi đầu sao mã.

Gen điều hòa [R]:không thuộc thành phần của opêron nhưng đóng vai trò quan trọng trong điều hoà hoạt động các gen của opêron qua việc sản xuất prôtêin ức chế.

3.Sự điều hòa hoạt động của operon Lac

Khi môi trường không có Lactozo: Protêin ức chế do gen điều hòa tổng hợp sẽ liên kết vào vùng vận hành làm ngăn cản quá trình phiên mã của gen cấu trúc

Khi môi trường có Lactozo: Lactozo [đóng vai trò như chất cảm ứng] đã liên kết với protein ức chế làm biến đổi cấu hình không gian nên protein ức chế bất hoạt và không gắn với vùng vận hành Enzim ARN polimeraza có thể liên kết vào vùng khởi động để tiến hành quá trình phiên mã. Các phân tử mARN tiếp tục dịch mã tổng hợp các enzim thủy phân Lactozo.