PHẦN MỞ ĐẦU
Đối tượng áp dụng
CHUYÊN ĐỀ TÁC ĐỘNG CỦA GEN ĐỐI VỚI SỰ HÌNH THÀNH TÍNH TRẠNG
I Lí do chọn đề tài
Chương trình Sinh học cấp trung học phổ thông, đặc biệt là phần di truyền phân tử, là nội dung quan trọng và khó khăn, thường xuất hiện trong các đề thi chọn học sinh giỏi quốc gia và quốc tế Nhiều giáo viên và học sinh gặp khó khăn trong việc ôn luyện lý thuyết và bài tập cho đội tuyển học sinh giỏi Để hỗ trợ học sinh có tài liệu ôn tập hiệu quả cho các kỳ thi trung học phổ thông và học sinh giỏi, chúng tôi đã xây dựng chuyên đề “Tác động của gen đối với sự hình thành tính trạng”.
II Mục tiêu của chuyên đề
- Hệ thống hóa kiến thức về sự tác động của gen đối với sự hình thành các tính trạng trên cơ thể sinh vật
- Giới thiệu một số câu hỏi, bài tập vận dụng
III Đối tượng áp dụng
- Học sinh ôn thi trung học phổ thông
- Các đội tuyển ôn thi học sinh giỏi môn sinh học các cấp
- Các giáo viên giảng dạy Sinh học.
NỘI DUNG CHUYÊN ĐỀ
Lý thuyết
DNA là một phân tử chuỗi kép có cấu trúc xoắn phải với hai mạch bổ sung ngược chiều nhau Các nucleotide trên một mạch liên kết với nhau bằng liên kết photphodieste, trong khi giữa các nucleotide trên hai mạch được kết nối bằng liên kết hidro Nguyên tắc bổ sung quy định rằng nucleotide A chỉ liên kết với T, và G chỉ liên kết với C.
Nhờ đó, dù có dạng chuỗi kép, nhưng mỗi chuỗi đơn thực tế vẫn chứa tất cả các thông tin cần thiết
Cấu trúc DNA là nền tảng cho tính di truyền, với quá trình sao chép DNA diễn ra bằng cách tách hai chuỗi và sử dụng mỗi chuỗi làm khuôn để tổng hợp chuỗi mới Các gen được sắp xếp theo chiều dọc trên chuỗi dài DNA, nằm trong nhiễm sắc thể Ở vi khuẩn, mỗi tế bào có một nhiễm sắc thể là phân tử DNA kép vòng, trong khi ở sinh vật nhân chuẩn, có nhiều nhiễm sắc thể với DNA dạng tuyến tính Chuỗi DNA của nhân thực thường rất dài so với tế bào chứa nó, và hầu hết các gen phân bố ngẫu nhiên trên nhiễm sắc thể, mặc dù một số được tổ chức thành các cụm, bao gồm operon và họ gen.
Operon là các cụm gen trong vi khuẩn, bao gồm những gen được điều chỉnh hoạt động đồng thời và mã hóa cho các protein có chức năng liên quan với nhau.
Operon lac ở E coli bao gồm ba gen mã hóa enzym cần thiết để thủy phân lactose, và khi có lactose mà không có glucose, vi khuẩn cần các enzym này để sử dụng nguồn năng lượng hiệu quả Sự sử dụng chung một trình tự khởi đầu phiên mã cho phép các gen trong operon được điều khiển biểu hiện đồng thời Trong khi đó, ở các sinh vật bậc cao, các cụm gen được gọi là họ gen, với các gen trong họ thường rất giống nhau nhưng không được điều khiển đồng thời Sự cụm lại của các gen trong họ gen phản ánh nhu cầu có nhiều bản sao của những gen nhất định và xu hướng lặp đoạn trong tiến hóa Một số họ gen tồn tại thành nhiều cụm riêng biệt trên các nhiễm sắc thể khác nhau do sự tái cấu trúc DNA trong quá trình tiến hóa Các họ gen có thể có cấu trúc đơn giản với các bản sao giống hệt nhau, như họ gen mã hóa ARN ribosom 5S, hay cấu trúc phức tạp với các gen tương tự nhưng không giống hệt nhau, như họ gen globin ở người, mã hóa cho các chuỗi polypeptit khác nhau chỉ khác nhau vài axit amin.
Bảy polypeptit globin tương tác để hình thành một phức hệ, kết hợp với các phân tử hem, tạo thành hemoglobin, protein chịu trách nhiệm vận chuyển oxy trong máu.
Trong quá trình nhân đôi DNA, nhiều enzim tham gia, trong đó ADN polimeraza (ADN pol III) đóng vai trò quan trọng ở nhân sơ Enzim này chỉ có thể bổ sung mạch mới từ đầu 3'-OH có sẵn, dẫn đến hai đặc điểm chính: ADN pol không thể tự tổng hợp mạch mới.
Trong quá trình tổng hợp ADN, đoạn mồi khoảng 10 Nu (thường là RNA) được tạo ra bởi enzim primase, cung cấp đầu 3'-OH cho ADN polymeraza tổng hợp mạch mới Đoạn mồi này thường được thay thế bằng ADN tương ứng do enzim ADN polymeraza I ADN polymeraza III chỉ tổng hợp mạch mới theo chiều 5'-3', dẫn đến việc mạch khuôn 3'-5' được tổng hợp liên tục, trong khi mạch 5'-3' được tổng hợp gián đoạn thành các đoạn DNA ngắn khoảng 1000 Nu, gọi là đoạn Okazaki Đoạn mồi đầu tiên cần một enzim riêng để tổng hợp đoạn DNA tương ứng, enzim này chỉ có ở tế bào gốc chưa biệt hóa Ở tế bào đã biệt hóa, gen tổng hợp enzim này bị khóa, dẫn đến việc DNA ngắn đi sau mỗi lần nhân đôi, hạn chế số lần phân chia tế bào và góp phần vào cơ chế tự chết của tế bào Một số tế bào đột biến có thể mở gen này, không bị hạn chế phân bào, dẫn đến sự phát triển của ung thư Enzim ligaza có vai trò nối các đoạn ADN rời lại với nhau, bao gồm các đoạn Okazaki và đoạn DNA thay thế đoạn mồi.
Thông tin di truyền cần thiết cho sự sinh trưởng, phát triển và sinh sản của sinh vật được lưu trữ trong phân tử DNA Những thông tin này được mã hóa trong trình tự nucleotit của DNA và tổ chức thành các gen, mỗi gen thường chứa thông tin để tổng hợp một chuỗi polypeptit hoặc một phân tử RNA với chức năng cụ thể Về cấu trúc, mỗi gen là một đoạn DNA riêng biệt, mang trình tự bazơ mã hóa cho axit amin của chuỗi polypeptit Kích thước các gen rất đa dạng, từ dưới 100 cặp đến hàng triệu cặp bazơ Ở sinh vật bậc cao, các gen kết hợp thành các phân tử DNA dài trong các cấu trúc gọi là nhiễm sắc thể.
Con người có khoảng 30.000 - 40.000 gen phân bố trên 23 cặp nhiễm sắc thể, bao gồm 22 cặp nhiễm sắc thể thường và 1 cặp nhiễm sắc thể giới tính (X và Y), tạo thành 24 loại nhiễm sắc thể khác nhau Các gen nằm rải rác trên nhiễm sắc thể, được ngăn cách bởi các đoạn DNA liên gen không mã hóa, chiếm dưới 30% tổng thể hệ gen Trong mỗi gen, chỉ một mạch của chuỗi xoắn kép mang thông tin, gọi là mạch khuôn, để tạo ra RNA bổ trợ cho quá trình tổng hợp polypeptit, trong khi mạch còn lại không tham gia vào việc này DNA có khả năng lưu giữ thông tin di truyền rất lớn, với mỗi phân tử DNA chứa n bazơ có thể tạo ra 4^n tổ hợp trình tự khác nhau, nhưng chỉ một số ít các trình tự này mang thông tin hữu ích cho việc mã hóa RNA hoặc protein có chức năng sinh học.
* Biến tính (denaturation) và hồi tính (renaturation)
Hai mạch đơn của phân tử ADN được kết nối với nhau thông qua các liên kết hydro Khi nhiệt độ tăng dần vượt quá mức sinh lý, các liên kết hydro giữa hai mạch ADN sẽ bị phá vỡ, dẫn đến sự tách rời của chúng Quá trình này bắt đầu bằng việc các liên kết A-T bị đứt khi nhiệt độ vượt quá mức nhất định.
Khi nhiệt độ đạt 90 °C, các liên kết G-C trong DNA bị đứt, đây là hiện tượng biến tính của DNA Điểm chảy (melting point) của DNA là nhiệt độ tại đó hai mạch DNA tách rời nhau, và nó đặc trưng cho từng loại DNA, phụ thuộc vào số lượng các liên kết hydro DNA có tỷ lệ G-C cao sẽ có điểm chảy cao; ví dụ, DNA với 60% G-C có điểm chảy khoảng 95 °C.
Khi DNA bị biến tính và được hạ nhiệt độ từ từ ở 60-70°C, các nucleotide sẽ gắn lại với nhau để tạo thành DNA mạch kép, hiện tượng này gọi là hồi tính Sự biến tính của DNA có thể được xác định thông qua sự gia tăng hấp thụ tia cực tím, trong khi sự hồi tính sẽ dẫn đến giảm hấp thu tia cực tím Giá trị mật độ quang tăng lên khi phân tử mạch đôi chuyển thành mạch đơn, hiện tượng này xảy ra do "hiệu ứng siêu sắc" (hyperchromic effect) hoặc thông qua sự thay đổi độ lắng tụ trong ống nghiệm khi ly tâm.
Sử dụng đặc tính biến tính rồi hồi tính có thể tiến hành lai DNA với DNA, DNA với RNA, RNA với RNA
Nguyên tắc của quá trình lai DNA là biến tính DNA A thành mạch đơn và trộn với DNA B cũng được biến tính Sau đó, dung dịch được hạ nhiệt độ từ từ để kích thích quá trình hồi tính Trong quá trình này, các sợi DNA A kết hợp với nhau, các sợi DNA B cũng tương tự, và đồng thời, sợi A sẽ kết hợp với sợi B để tạo thành phân tử lai Để quá trình lai diễn ra, cần có những đoạn DNA giữa hai loại phải có trình tự bổ sung Việc phát hiện đoạn lai có thể được thực hiện bằng cách sử dụng đồng vị phóng xạ Hiện nay, phương pháp lai trên pha rắn được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và ứng dụng.
+ Phương pháp Southern blot, dùng cho DNA
+ Phương pháp Northern blot dùng cho RNA
+ Phương pháp dot (điểm) và slot (khe) blot dùng cho RNA và DNA
Lai tại chỗ (in situ hybridization) là phương pháp lai phân tử cho phép xác định trình tự acid nucleic cần tìm ngay trong tế bào hoặc mô mà không cần tách chiết Phương pháp này hỗ trợ nghiên cứu cấu trúc NST, khuẩn lạc và mô tế bào một cách hiệu quả.
* Có thể tồn tại ở dạng đơn hay kép, thẳng hay vòng
DNA của sinh vật nhân chuẩn tồn tại dưới dạng kép thẳng trong nhân và dạng kép vòng trong một số bào quan Trong khi đó, DNA của sinh vật nhân sơ có cấu trúc kép vòng và nằm trong vùng nhân.
Bài tập vận dụng
Bài 1: Tay-xách là một bệnh di truyền đơn gen ở người do alen lặn gây nên; người có kiểu gen đồng hợp tử về alen gây bệnh thường chết trước tuổi trưởng thành Một người phụ nữ có cậu (em trai của mẹ) mắc bệnh, đồng thời có chị gái của chồng cũng mắc bệnh này Biết rằng chồng của người phụ nữ này không mắc bệnh và bố đẻ của cô ta đến từ một quần thể không có alen gây bệnh; không có đột biến mới phát sinh trong những gia đình này Từ các thông tin nêu trên, hãy tính xác suất mỗi người con do cặp vợ, chồng người phụ nữ nêu trên sinh ra mắc bệnh Tay-xách là bao nhiêu? Giải thích hoặc viết cách tính
Cá thể II-2, mẹ của người phụ nữ, có thể mang alen gây bệnh với xác suất 2/3, do cả hai cá thể I-1 và I-2 đều mang kiểu gen Tt Nếu II-2 không mắc bệnh, khả năng của cô ấy có kiểu gen dị hợp tử Tt là 1/2 và kiểu gen đồng hợp tử kiểu dại TT là 1/4.
Nếu cá thể II-2 là dị hợp tử (Tt), thì có 50% khả năng cá thể III-1 (người phụ nữ trong bài) sẽ di truyền alen lặn từ mẹ Vì cả hai điều kiện này đều cần thiết để di truyền alen lặn, nên xác suất cá thể III-1 là dị hợp tử sẽ được tính bằng tích của các xác suất thành phần, cụ thể là 2/3 x 1/2 x 1/3.
Chồng của cô ta (III-2) có một chị gái mắc bệnh, điều này cho thấy bố mẹ của anh ta (II-4 và II-5) phải mang kiểu gen Tt Do đó, xác suất để anh ta mang alen gây bệnh là 2/3, tương tự như lý luận trong trường hợp II-2.
Xác suất để cả hai vợ chồng (III-1 và III-2) đều mang kiểu gen dị hợp tử Tt là 2/3 x 1/2 x 2/3 Với xác suất chỉ 1/4 số trẻ em của cặp vợ chồng dị hợp tử mắc bệnh, xác suất chung để mỗi đứa con của họ mắc bệnh Tay-xách là 2/3 x 1/2 x 2/3 x 1/4, tương đương với 4/72 hay 1/18.
Bài 2 Thiếu máu do hồng cầu hình liềm là một bệnh di truyền gây nên bởi một gen đột biến lặn trên nhiễm sắc thể thường Hãy nêu khái niệm chung về bệnh di truyền Bệnh di truyền khác với các bệnh truyền nhiễm gây ra bởi các vi khuẩn và virut như thế nào ?
Bệnh di truyền xảy ra do sự biến đổi trong trình tự nucleotit của gen (ADN) Những biến đổi này có thể làm thay đổi mức độ biểu hiện của gen hoặc dạng sản phẩm mà gen mã hoá, thường là prôtêin Kết quả là chức năng hoặc hoạt tính của các prôtêin trong tế bào bị thay đổi, dẫn đến các tình trạng bệnh lý.
Bệnh hồng cầu hình liềm xảy ra do đột biến gen gây thay thế axit amin trong chuỗi β-globin, dẫn đến sự cuộn gập bất thường của chuỗi này Hậu quả là hồng cầu có hình dạng liềm, làm giảm khả năng vận chuyển ôxy trong máu và gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng.
- Sự khác biệt giữa bệnh di truyền với các bệnh gây ra do vi sinh vật là
Bệnh di truyền là những bệnh liên quan đến gen và được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác, trong khi đó, bệnh do vi sinh vật không có khả năng di truyền qua các thế hệ.
+ Bệnh di truyền không gây đáp ứng miễn dịch, còn bệnh truyền nhiễm (do vi sinh vật) gây đáp ứng miễn dịch
+ Bệnh di truyền liên quan đến sự sai hỏng của một hoặc một số sản phẩm của gen, còn bệnh truyền nhiễm thì không
Chữa trị bệnh truyền nhiễm thường sử dụng thuốc kháng sinh hoặc tăng cường hệ miễn dịch, trong khi bệnh di truyền hiện đang được điều trị bằng liệu pháp gen, một lĩnh vực vẫn đang trong quá trình phát triển.
Bài 3 Người ta sử dụng phương pháp gây đột biến ở một loài thực vật bằng chiếu xạ Khi cho các cây thân cao được chiếu xạ tự thụ phấn thu được một số cây thân thấp Lai giữa các dạng đột biến cây thân thấp khác nhau thu được:
Trường hợp 1: 100% cây thân thấp
Trường hợp 2: 100% cây thân cao a Xác định kiểu gen của các dạng đột biến thu được Viết sơ đồ lai
32 b Các dạng đột biến đem lai ở trường hợp 1 và 2 khác nhau như thế nào ?
Hướng dẫn a- Tính trạng chiều cao thân ở đây là do tương tác gen
- Kiểu gen của các dạng đột biến là: AAbb, aaBB
TH1: AAbb x AAbb / aaBB x aaBB → 100% thân thấp
TH2: AAbb x aaBB → 100% thân cao b.Trường hợp 1: đột biến gen alen (thuộc cùng một locut)
Trường hợp 2: đột biến gen không alen (thuộc các locut khác nhau)
Bài 4 Ở một loài thực vật, có ba kiểu hình cánh hoa khác nhau: Cánh hoa trắng chấm đỏ (TĐ), cánh hoa đỏ sẫm (ĐS) và cánh hoa đỏ nhạt (ĐN) Có hai dòng thuần
TĐ khác nhau (kí hiệu là TĐ1 và TĐ2) khi tiến hành đem lai với hai dòng thuần ĐS và ĐN thu được kết quả như sau:
Số thứ tự phép lai
Cặp bố mẹ đem lai (P)
Quy luật di truyền ảnh hưởng đến kiểu hình cánh hoa ở loài thực vật này liên quan đến các yếu tố di truyền từ cây bố và mẹ Để hiểu rõ hơn, cần xác định kiểu gen của bốn cây bố, mẹ (P) được sử dụng trong các phép lai.
Kết quả phép lai 1 và 5 cho thấy ở thế hệ F2 có tỉ lệ phân li kiểu hình 12: 3: 1, chứng tỏ tính trạng này được quy định bởi hai gen thông qua kiểu tương tác át chế trội Trong đó, alen A là alen át chế (B, b) tạo ra kiểu hình màu trắng chấm đỏ, alen a không có khả năng át chế, alen B quy định màu đỏ sẫm, và alen b quy định màu đỏ nhạt.
Vì cả bốn dòng đều là dòng thuần nên sơ đồ của mỗi phép lai được tóm tắt như sau:
(P) là AABB (TĐ1) × aabb(ĐN)→ F1:AaBb(TĐ) → F2: 9A-B-(TĐ):3A-bb (TĐ): 3 aaB- (ĐS):1 aabb (ĐN)
(P) là AABB(TĐ1) × aaBB(ĐS)→F1: AaBB (TĐ)→ F2: 3A-BB(TĐ):1aaBB (ĐS)
- Phép lai 3: (P) là aaBB(ĐS) × aabb(ĐN) → F1: aaBb(ĐS) → F2: 3 aaB- (ĐS):1aabb(ĐN)
- Phép lai 4: (P) là AAbb(TĐ2) × aabb (ĐN) → F1: Aabb (TĐ) → F2: 3 A-bb (TĐ):1aabb (ĐN)
- Phép lai 5: (P) là AAbb(TĐ2) × aaBB(ĐS) → F1:AaBb (TĐ) → F2: 9 A-B- (TĐ):3 A-bb (TĐ):3 aaB-(ĐS):1 aabb (ĐN)
Bài 5 Ở một loài, alen A quy định lông mượt, còn alen a quy định lông xù Khi lai con cái thuần chủng lông mượt với con đực lông xù, được F1 có tỷ lệ 1 con lông mượt: