- Trình bày được cơ chế điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân sơ thông qua ví dụ về hoạt động của ôpêrôn Lac ở E.coli.. - Nêu được sự khác nhau cơ bản về cơ chế điều hòa hoạt động c
Trang 1Tuần: 02 Tiết: 03
Ngày sọan: 17.8.2008
Ngày dạy: 18.8.2008
Lớp: 12 LÝ
Bài 3 ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG CỦA GEN
I/ MỤC TIÊU:
1/ Kiến thức:
- Nêu được các thành phần tham gia vào điều hòa hoạt động của gen
- Trình bày được cơ chế điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân sơ thông qua ví dụ về hoạt động của ôpêrôn Lac ở E.coli
- Giải thích được vì sao trong tế bào lại chỉ tổng hợp prôtêin khi nó cần đến
- Nêu được sự khác nhau cơ bản về cơ chế điều hòa hoạt động của gen giữa sinh vật nhân sơ và nhân chuẩn
2/ Kỹ năng:
- Tăng cường khả năng quan sát hình và diễn tả hiện tượng diễn ra trên mô hình, hình vẽ
- Rèn luyện khả năng suy luận về sự tối ưu trong hoạt động của thế giới sinh vật
3/ Trọng tâm:
- Nêu cơ chế điều hòa hoạt động của gen điển hình của sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn
II/ PHƯƠNG PHÁP:
- Hoạt động nhóm
- Giáo viên gợi ý, đặt câu hỏi để học sinh thảo luận, sau đó giáo viên tóm tắt rồi cho học sinh ghi chép nội dung chính
III/ ĐỒ DÙNG DẠY HỌC:
- Tranh minh họa phóng to hình 3
- Bảng tóm tắt các ý chính của mục II sách giáo khoa
IV/ TIẾN TRÌNH TỔ CHỨC BÀI HỌC:
1/ Ổn định lớp:
2/ Kiểm tra bài cũ:
- Trình bày diễn biến của quá trình phiên mã và kết quả của nó
- Trình bày cơ chế dịch mã diễn ra tại ribôxôm? Poliribôxôm là gì?
3/ Bài mới:
Mở bài:
Tế bào cơ thể sinh vật bậc thấp chứa hàng nghìn gen, sinh vật bậc cao chứa hàng vạn gen Ở các giai đoạn phát triển khác nhau các gen này có hoạt động liên tục, đồng thời hay không? Cơ chế hoạt động thế nào? Chúng ta hãy tìm hiểu qua bài học hôm nay
a Khái niệm.
Tế bào của cơ thể sinh vật (vi sinh vật, động vật, thực vật …) chứa đầy đủ các
gen Không phải bất kỳ lúc nào, ở bất kỳ giai đoạn phát triển nào của cơ thể các gen đều
hoạt động đồng thời Sự hoạt động khác nhau của gen là do quá trình điều hòa Một số
gen hoạt động thường xuyên cung cấp sản phẩm lý tưởng Giáo viên đặt câu hỏi: Hãy
lấy ví dụ về gen hoạt động thường xuyên và cung cấp sản phẩm liên tục? (Gen tổng hợp
các prôtêin enzym chuyển hóa trong chu trình trao đổi chất, gen tổng hợp enzym tiêu
hóa …)
Bên cạnh đó có một số gen khác lại hoạt động ở những lúc, những giai đoạn
nhất định tùy theo nhu cầu của cơ thể
Giáo viên đặt vấn đề cho học sinh tìm ví dụ gen hoạt động tùy giai đoạn cần
thiết? (Gen tổng hợp hoocmôn sinh dục ở động vật có vú …) Như vậy, gen hoạt động phải
theo cơ chế điều hòa
- Học sinh lắng nghe
- Học sinh lắng nghe và trả lời các câu hỏi của giáo viên
NỘI DUNG KIẾN THỨC I/ KHÁI NIỆM:
Trong tế bào chứa đầy đủ hệ gen nhưng các gen hoạt động khác nhau theo giai đoạn phát triển của cá thể và theo nhu cầu hoạt động sống của tế bào Sự hoạt động khác nhau của gen là do quá trình điều hòa, quá trình điều hòa này thường liên quan đến các chất cảm ứng hay còn gọi là chất tín hiệu
Trang 2HOẠT ĐỘNG CỦA THẦY HOẠT ĐỘNG CỦA TRÒ
Cơ chế điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân sơ và nhân chuẩn có những
điểm khác nhau
b Điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân sơ.
F.Jacôp và J.Mônô (người Pháp) đã phát hiện cơ chế điều hòa hoạt động của gen
ở vi khuẩn E.Coli là ví dụ cho sinh vật nhân sơ Ví dụ điển hình cho cơ chế gen điều hòa
này là ôpêrôn lac (lactôzơ) của E.coli
Cấu tạo của ôpêrôn lac theo F.Jacôp và J.Mônô?
Cấu tạo của ôpêrôn lác gồm các thành phần nào? Ôpêrôn lac gồm các thành
phần nào? Ôpêrôn lac hoạt động như thế nào?
Giáo viên cần chỉ rõ các thành phần cơ bản của ôpêrôn lac là:
- Một nhóm gen cấu trúc liên quan về chức năng Trong ví dụ này, nhóm gen cấu
trúc gồm 3 gen A, B, C và tổng hợp các prôtêin ký hiệu là A, B, C
(Cần chú y rằng có nhiều trường hợp chỉ có một gen cấu trúc được điều hòa)
- Gen chỉ huy (Oâpêratơ - O) nằm trước gen cấu trúc là vị trí tương tác với prôtêin
ức chế Khi có prôtêin ức chế thì gen chỉ huy không hoạt động Khi không có prôtêin ức chế
thì gen chỉ huy hoạt động
- Vùng khởi động (Khởi điểm; điểm mở đầu; prômôtơ - P) nằm trước gen chỉ
huy, là vị trí tương tác của enzym ARN pôlimerazađể khởi đếu phiên mã
GV giảng thêm
Đây là 3 thành phần của mỗi opêrôn Sư hoạt động của ôpêrôn phụ thuộc vào sự
điều khiển của gen điều hòa (còn gọi là gen ức chế: Regulatơ - R) Gen điều hòa không
nằm trong thành phần của ôpêrôn mà nằm trước ôpêrôn Bình thường gen điều hòa tổng
hợp prôtêin chất ức chế kìm hãm không cho ôpêrôn hoạt động
Cơ chế hoạt động của ôpêrôn lac ở E.coli?
Sau khi giáo viên nêu phần cấu trúc của ôpêrôn lac và gen có liên quan Chuyển
sang phần cơ chế hoạt động của ôpêrôn lac, giáo viên yêu cầu học sinh quan sát kỹ hình 3
sách giáo khoa và giải thích khái quát trên hình 3 gồm có 2 trạng thái điều hòa hoạt động
của gen Phía trên hình tương ứng với trạng thái ức chế (I) và phía dưới hình là trạng thái
hoạt động (cảm ứng - II) khi có chất cảm ứng là đường lactôzơ Trạng thái hoạt động còn
gọi là trạng thái mở của hệ thống điều hòa hoạt động của ôpêrôn lac
Giáo viên chia học sinh thành nhóm Các nhóm thảo luận góp ý các vấn đề
đặt ra của bài; sau đó đại diện của nhóm trình bày những diễn biến xảy ra ở gen điều hòa
(R) và của ôpêrôn lac ở cả hai trạng thái ức chế và cảm ứng hoạt động
Sau đó các học sinh khác bổ sung và giáo viên đánh giá, tổng kết Nội dung cần
đạt ở phần này là:
- Biểu hiện ở gen R và ôpêrôn lac trong trạng thái ức chế
Trong điều kiện bình thường (môi trường không có chất cảm ứng: Đường
lactôzơ), gen điều hòa (R) phiên mã tạo ra mARN của nó, mARN này được sử dụng để tổng
hợp ra chất ức chế (prôtêin ức chế) Chất ức chế đến bám vào gen chỉ huy Gen chỉ huy bị
ức chế do đó các gen cấu trúc không phiên mã
- Biểu hiện ở gen R và ôpêrôn lac khi có chất cảm ứng lactôzơ
Khi môi trường nuôi E.coli có đường lactôzơ (đặc biệt là môi trường trước đó
không có lactôzơ và thiếu glucôzơ ) thì lactôzơ tác dụng với chất ức chế, chất ức chế bị bất
hoạt Do vậy, nó không còn có thể kết hợp với gen chỉ huy nữa Gen chỉ huy được tự do
điều khiển quá trình phiên mã của cả ôpêrôn, mARN của các gen A, B, C được tổng hợp và
sau đó được sử dụng để dịch mã tổng hợp các prôtêin enzym tương ứng Đó là trạng thái
cảm ứng (hoạt động) của ôpêrôn
- Giáo viên có thể bổ sung thêm là trạng thái của ôpêrôn lac khi lactôzơ bị phân
giải hết là: Khi lactôzơ bị phân giải hết, chất ức chế được giải phóng, chất ức chế chuyển từ
trạng thái bất hoạt sang trạng thái hoạt động đến bám vào gen chỉ huy và ôpêrôn còn lại
chuyển sang trạng thái bị ức chế
- Học sinh chú ý quan sát hình kỹ để có thể trả lời câu hỏi giáo viên nêu một cách chính xác
- Học sinh trả lời
- Tập trung lắng nghe để tổng hợp và tiếp nhận tri thức
- Học sinh chú ý quan sát hình kỹ để có thể trả lời câu hỏi giáo viên nêu một cách chính xác
-Học sinh tập trung thảo luận để nắm được kiến thức của bài
- Học sinh suy luận để phát huy tính tích cực trong học tập
- Lắng nghe để tổng hợp và ghi nhớ những ý chính củng cố kiến thức
- Lắng nghe để tổng hợp và ghi nhớ những ý chính củng cố kiến thức
NỘI DUNG KIẾN THỨC II/ ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG CỦA GEN Ở SINH VẬT NHÂN SƠ:
Cơ chế điều hòa hoạt động của các gen đã được Jacốp và Mônô là hai nhà khoa học người Pháp phát hiện ở vi khuẩn E.coli vào năm 1961 (hình 3)
Trên ADN, các gen có liên quan về chức năng thường được phân bố thành một cụm, có chung một cơ chế điều hòa được gọi là ôpêrôn Ví dụ: Oâpêrôn lac ở E.coli điều hòa tổng hợp các enzym giúp chúng sử dụng đường lactôzơ
Trang 31/ Cấu tạo của ôpêrôn lac theo Jacốp và Mônô:
Oâpêrôn lac gồm các thành phần:
- Nhóm gen cấu trúc liên quan nhau về chức năng nằm kề nhau
- Gen chỉ huy (O): Nằm trước các gen cấu trúc, là vị trí tương tác với prôtêin ức chế
Hình 3: Sơ đồ cơ chế điều hòa hoạt động của ôpêrôn lac ở E.coli
- Vùng khởi động (P): Nằm trước gen chỉ huy đó là vị trí tương tác của ARN pôlimeraza để khởi đầu phiên mã
2/ Cơ chế hoạt động của ôpêrôn lac ở E.coli:
Sự hoạt động của ôpêrôn chịu sự điều khiển của một gen điều hòa regulator (R): Nằm ở trước ôpêrôn Bình thường, gen R tổng hợp ra một loại prôtêin ức chế gắn vào gen chỉ huy; do đó gen cấu trúc ở trạng thái bị ức chế nên không hoạt động Khi có chất cảm ứng (ví dụ lactozơ) thì ôpêrôn chuyển sang trạng thái hoạt động (cảm ứng)
Sơ đồ cơ chế điều hòa hoạt động của ôpêrôn lac ở trạng thái ức chế (1) và trạng thái hoạt động (2) được mô tả trên hình 3 (Tất cả các hình xem ở phần phụ lục)
Điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân chuẩn
Đối với nội dung về cơ chế điều hòa hoạt động của gen, giáo viên có thể nêu sự
phức tạp của cơ chế điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân chuẩn
GV đặt câu hỏi cho học sinh: Tại sao sự điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật
nhân chuẩn phức tạp hơn so với nhân sơ? (Do cấu trúc phức tạp của ADN trong nhiễm sắc
thể, khối lượng ADN lớn, nhiễm sắc thể chứa nhiều gen, số gen hoạt động ít còn thì đại đa
số gen ở trạng thái không hoạt động)
Giáo viên đặt tiếp câu hỏi: Khi nào gen hoạt động tổng hợp prôtêin? Mức độ
tổng hợp có giống nhau không? (Khi có nhu cầu của tế bào, tùy từng giai đoạn phát triển
mà mức độ tổng hợp khác nhau)
Giáo viên nêu câu hỏi như ở sinh vật nhân chuẩn có các mức điều hòa nào? (Có
nhiều mức điều hòa qua nhiều giai đoạn: Nhiễm sắc thể tháo xoắn, điều hòa phiên mã và
sau phiên mã, điều hòa dịch mã và sau dịch mã)
Bên cạnh đó, ở sinh vật nhân chuẩn người ta còn tìm thấy các gen gây tăng
cường Gen gây tăng cường là gen đứng trước hoặc sau vùng khởi động (prômôtơ) và có thể
đứng cách xa gen được điều hòa hoạt động Gen gây tăng cường tác động lên nuclêôxôm
tăng tốc độ phiên mã
Gen gây bất hoạt có tác động ngược với gen gây tăng cường Gen gây bất hoạt làm ngừng
quá trình phiên mã
- Học sinh chú ý lắng nghe
- Học sinh trả lời
- Học sinh trả lời
- Học sinh trả lời
- Học sinh chú ý lắng nghe
NỘI DUNG KIẾN THỨC III/ ĐIỀU HÒA HOẠT ĐỘNG CỦA GEN Ở SINH VẬT NHÂN CHUẨN:
Cơ chế điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân chuẩn phức tạp hơn vì do cấu trúc phức tạp của ADN trong nhiễm sắc thể ADN trong các tế bào của sinh vật nhân chuẩn có khối lượng rất lớn chứa tới hàng chục triệu, thậm chí hàng tỷ cặp nuclêôtit Chỉ có một phần nhỏ ADN mã hóa các thông tin di truyền còn đại bộ phận đóng vai trò điều hòa hoặc không hoạt động
Tế bào tổng hợp prôtêin nhiều hay ít là do nhu cầu tùy từng giai đoạn phát triển của tế bào
ADN nằm trong nhiễm sắc thể có cấu trúc bện xoắn phức tạp cho nên trước phiên mã, nhiễm sắc thể phải tháo xoắn Sự điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân chuẩn qua nhiều giai đoạn như nhiễm sắc thể tháo xoắn, phiên mã, biến đổi sau phiên mã, dịch mã và biến đổi sau dịch mã
Trong cùng một loại tế bào, các loại mARN có tuổi thọ khác nhau Các prôtêin đã được tổng hợp xong vẫn tiếp tục chịu một cơ chế kiểm soát của các enzym Khi các prôtêin nào không còn cần thiết sẽ bị enzym phân giải
Ở các sinh vật nhân chuẩn, bên cạnh vùng khởi động và kết thúc phiên mã người ta còn thấy có các yếu tố điều hòa khác như các gen gây tăng cường, gen gây bất hoạt Các gen tăng cường tác động lên gen điều hòa gây nên sự biến đổi cấu trúc của nuclêôxôm; còn gen bất hoạt làm ngừng quá trình phiên mã
Hiện nay chưa có sơ đồ hoàn chỉnh về điều hòa hoạt động của gen sinh vật nhân chuẩn được thiết lập
Hoạt động của gen chịu sự kiểm soát bởi cơ chế điều hòa
Theo quan điểm về ôpêrôn, các gen điều hòa giữ vai trò quan trọng trong việc ức chế (đóng) và cảm ứng (mở) các gen cấu trúc để tổng hợp prôtêin đúng lúc, đúng nơi theo nhu cầu cụ thể của tế bào
Cơ chế điều hòa động của gen ở E.coli theo hai trạng thái ức chế và hoạt động (cảm ứng) Ở sinh vật nhân chuẩn còn có gen gây tăng cường và gen gây bất hoạt tham gia cơ chế điều hòa
4 Củng cố.
Câu 1: - Trình bày sơ đồ cơ chế điều hòa hoạt động của gen ở vi khuẩn E.coli theo Jacốp và Mônô.
Trang 4Giáo viên cho các nhóm trả lời các câu hỏi theo ý chính được tóm tắt ngắn gọn (Sách giáo khoa).
Câu 2: - Điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân chuẩn có những điểm gì khác điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân
sơ?
GV hướng dẫn học sinh nêu một số đặc điểm điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân chuẩn như sau:
- Cơ chế điều hòa phức tạp đa dạng thể hiện ở mọi giai đoạn từ giai đoạn trước phiên mã đến sau dịch mã
- Thành phần tham gia đa dạng gồm: Gen chỉ huy, gen gây tăng cường, gen gây bất hoạt, các gen cấu trúc, vùng khởi động, vùng kết thúc và nhiều yếu tố khác
- Có nhiều mức điều hòa như: Nhiễm sắc thể tháo xoắn, điều hòa phiên mã và biến đổi sau phiên mã, điều hòa dịch mã và sau dịch mã
Câu 3. Vai trò của gen tăng cường và gen bất hoạt trong việc điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân chuẩn
5 Dặn dị.
- Học bài cũ
- Chuẩn bị bài mới: Nhiễm sắc thể