Bài học

Ôn tập: Cơ sở phân tử của hiện tượng di truyền

Mục tiêu bài học

Sau bài ôn tập này, em vận dụng liền mạch bốn nội dung đã học — mã di truyền, nhân đôi DNA, phiên mã, dịch mã — để giải một bài toán tổng hợp xuyên suốt cả quá trình từ một gene tới một chuỗi polypeptide, và củng cố cách vận dụng mô hình operon Lac vào một tình huống mới.

Kiến thức nền cần nhớ

Cả năm bài trước đã cùng kể một câu chuyện liên tục: gene mang thông tin viết bằng mã bộ ba (same-grade bridge); gene tự nhân đôi để truyền nguyên vẹn thông tin đó cho tế bào con; gene được phiên mã thành mRNA; mRNA được dịch mã thành chuỗi polypeptide; và không phải gene nào cũng được phiên mã, dịch mã ở mọi lúc — điều hoà biểu hiện gene quyết định gene nào "lên tiếng". Bài ôn tập này không giới thiệu khái niệm mới, chỉ ráp các mảnh đó lại thành một bài toán xuyên suốt và một tình huống vận dụng.

Khởi động

Nếu biết chiều dài và thành phần nucleotide của MỘT gene duy nhất, em có thể tính ra: số nucleotide cần cho việc nhân đôi, số ribonucleotide của mRNA được phiên mã từ gene đó, và số amino acid của chuỗi polypeptide được dịch mã từ mRNA đó — tất cả chỉ từ một điểm xuất phát. Hãy thử.

Toàn cảnh bốn bước

Ba công thức định lượng của khoá học — số phân tử DNA con $2^k$ , số nucleotide môi trường cung cấp $N(2^k - 1)$ , và chuỗi phép trừ liên tiếp từ $N \div 6$ ra số amino acid, số liên kết peptide — không hề độc lập với nhau. Cả ba đều xuất phát từ cùng một con số N, chiều dài của MỘT gene. Sự khác biệt chỉ nằm ở việc N đó đang được dùng cho bước nào: nhân đôi tính trên cả phân tử DNA hai mạch; phiên mã và dịch mã tính trên một mạch duy nhất, mạch khuôn, rồi thu nhỏ dần qua từng bước — ribonucleotide, codon, amino acid, liên kết peptide.

Ba công thức định lượng của khoá học — số phân tử DNA con $2^k$, số nucleotide môi trường cung cấp $N(2^k - 1)$, và chuỗi phép trừ liên tiếp từ $N \div 6$ ra số amino acid, số liên kết peptide — không hề độc lập với nhau. Cả ba đều xuất phát từ cùng một con số N, chiều dài của MỘT gene. Sự khác biệt chỉ nằm ở việc N đó đang được dùng cho bước nào: nhân đôi tính trên cả phân tử DNA hai mạch; phiên mã và dịch mã tính trên một mạch duy nhất, mạch khuôn, rồi thu nhỏ dần qua từng bước — ribonucleotide, codon, amino acid, liên kết peptide.

Không có bước nào mới ở đây — sơ đồ này chỉ ráp lại năm bài đã học thành một chuỗi liên tục.

Bài toán tổng hợp dưới đây dùng lại đúng ba công thức đã học ở Chương 1 (Chương "Tái bản DNA"), Chương 3 ("Phiên mã") và Chương 4 ("Dịch mã") của khoá học này — không có công thức nào mới.

Ví dụ

Bài toán tổng hợp: từ một gene tới một chuỗi polypeptide

1
Một gene có N = 1200 nucleotide, trong đó A chiếm 30% tổng số nucleotide. Gene này nhân đôi liên tiếp k = 2 lần; đồng thời, gene cũng được phiên mã và dịch mã hoàn chỉnh một lần. Tính: (a) số nucleotide môi trường cung cấp cho việc nhân đôi, (b) số ribonucleotide của mRNA, (c) số amino acid của chuỗi polypeptide trưởng thành, đã cắt bỏ Met mở đầu.
2
Theo nguyên tắc bổ sung, A = T = 30% × 1200 = 360 nucleotide; %G = %C = 50% − 30% = 20%, nên G = C = 20% × 1200 = 240 nucleotide. Kiểm tra: 360 + 360 + 240 + 240 = 1200 (1), khớp với N.
3
Áp dụng công thức đã học ở chương Tái bản DNA: số nucleotide môi trường cung cấp sau k lần nhân đôi là $N(2^k - 1)$ . Với N = 1200, k = 2: $1200 \times (2^2 - 1) = 1200 \times 3 = 3600$ nucleotide.
Áp dụng công thức đã học ở chương Tái bản DNA: số nucleotide môi trường cung cấp sau k lần nhân đôi là $N(2^k - 1)$. Với N = 1200, k = 2: $1200 \times (2^2 - 1) = 1200 \times 3 = 3600$ nucleotide.
4
Áp dụng công thức đã học ở chương Phiên mã: mRNA có số ribonucleotide bằng một nửa số nucleotide gene, không phụ thuộc gene đã nhân đôi bao nhiêu lần, vì mRNA luôn phiên mã từ MỘT phân tử gene. $rN = N \div 2 = 1200 \div 2 = 600$ ribonucleotide.
Áp dụng công thức đã học ở chương Phiên mã: mRNA có số ribonucleotide bằng một nửa số nucleotide gene, không phụ thuộc gene đã nhân đôi bao nhiêu lần, vì mRNA luôn phiên mã từ MỘT phân tử gene. $rN = N \div 2 = 1200 \div 2 = 600$ ribonucleotide.
5
Áp dụng công thức đã học ở chương Dịch mã: tổng số codon là $600 \div 3 = 200$ ; số amino acid dùng khi dịch mã, trừ mã kết thúc, là $200 - 1 = 199$ ; số amino acid của chuỗi trưởng thành, trừ tiếp Met mở đầu, là $199 - 1 = 198$ .
Áp dụng công thức đã học ở chương Dịch mã: tổng số codon là $600 \div 3 = 200$; số amino acid dùng khi dịch mã, trừ mã kết thúc, là $200 - 1 = 199$; số amino acid của chuỗi trưởng thành, trừ tiếp Met mở đầu, là $199 - 1 = 198$.
6
Vậy: môi trường cung cấp 3600 nucleotide cho 2 lần nhân đôi; mRNA phiên mã từ gene có 600 ribonucleotide; chuỗi polypeptide trưởng thành có 198 amino acid — ba kết quả này tới từ đúng ba công thức đã học ở ba chương trước, áp dụng lần lượt cho cùng một gene ban đầu.

Bốn con số này đến từ cùng một gene N = 1200, chỉ khác công thức áp dụng — nhân đôi (Chương 1), phiên mã và dịch mã (Chương 3–4).

Ví dụ

Vận dụng operon Lac vào một tình huống mới (dạng đề kiểm tra)

1
Một chủng vi khuẩn E. coli đột biến khiến protein ức chế của operon Lac mất hoàn toàn khả năng gắn vào vùng vận hành, dù cấu trúc vùng vận hành và các gene cấu trúc vẫn bình thường. Dự đoán hoạt động của operon Lac ở chủng đột biến này khi môi trường KHÔNG có lactose, và giải thích.
2
Ở chủng bình thường, khi không có lactose, protein ức chế gắn vào vùng vận hành, ngăn RNA polymerase phiên mã các gene cấu trúc — đây là cơ chế khiến operon tắt khi không cần thiết.
3
Ở chủng đột biến, protein ức chế mất khả năng gắn vào vùng vận hành. Dù gene điều hoà vẫn tổng hợp protein ức chế bình thường, protein đó không còn thực hiện được chức năng chặn vùng vận hành nữa.
4
Vì không có protein ức chế nào chặn vùng vận hành, RNA polymerase trượt qua được ngay cả khi không có lactose, phiên mã các gene cấu trúc lacZ, lacY, lacA liên tục.
5
Vậy ở chủng đột biến này, operon Lac luôn ở trạng thái mở, kể cả khi môi trường không có lactose — vi khuẩn tổng hợp enzyme phân giải lactose một cách lãng phí, dù không có lactose để phân giải. Đây là ví dụ cho thấy operon chỉ hoạt động đúng cơ chế khi protein ức chế còn nguyên chức năng.

Sai lầm thường gặp

Ôn tập không dạy kiến thức mới, nhưng hay lộ ra một lỗi cũ: khi làm bài tổng hợp, học sinh dễ áp nhầm công thức của bước này cho bước khác — ví dụ dùng $N(2^k-1)$ , công thức nhân đôi, để tính số ribonucleotide mRNA, dù phiên mã không hề liên quan tới số lần nhân đôi k. Luôn hỏi lại: đại lượng cần tính thuộc về bước nào trong bốn bước — mã di truyền, nhân đôi, phiên mã, hay dịch mã — trước khi chọn công thức.

Ôn tập không dạy kiến thức mới, nhưng hay lộ ra một lỗi cũ: khi làm bài tổng hợp, học sinh dễ áp nhầm công thức của bước này cho bước khác — ví dụ dùng $N(2^k-1)$, công thức nhân đôi, để tính số ribonucleotide mRNA, dù phiên mã không hề liên quan tới số lần nhân đôi k. Luôn hỏi lại: đại lượng cần tính thuộc về bước nào trong bốn bước — mã di truyền, nhân đôi, phiên mã, hay dịch mã — trước khi chọn công thức.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Bốn bước một gene trải qua: mang thông tin bằng mã bộ ba → nhân đôi bán bảo tồn ở pha S → phiên mã tạo mRNA từ mạch khuôn → dịch mã tạo chuỗi polypeptide trên ribosome — với điều hoà biểu hiện gene, như operon Lac, quyết định bước phiên mã có xảy ra hay không. Ba công thức định lượng cốt lõi: số phân tử con $2^k$ , số nucleotide môi trường cung cấp $N(2^k-1)$ , và chuỗi các phép trừ liên tiếp từ $N \div 6$ ra số amino acid và số liên kết peptide.

Bốn bước một gene trải qua: mang thông tin bằng mã bộ ba → nhân đôi bán bảo tồn ở pha S → phiên mã tạo mRNA từ mạch khuôn → dịch mã tạo chuỗi polypeptide trên ribosome — với điều hoà biểu hiện gene, như operon Lac, quyết định bước phiên mã có xảy ra hay không. Ba công thức định lượng cốt lõi: số phân tử con $2^k$, số nucleotide môi trường cung cấp $N(2^k-1)$, và chuỗi các phép trừ liên tiếp từ $N \div 6$ ra số amino acid và số liên kết peptide.

Khoá học tiếp theo trong chương trình Sinh học 12 rời khỏi cơ chế bình thường của gene để học điều gì xảy ra khi thông tin di truyền đó bị biến đổi — đột biến gene và đột biến nhiễm sắc thể.