Chuyên đề TÍCH HỢP DI TRUYỀN HOÁ SINH VI SINH VẬT 1 Lí do tiếp cận chuyên đề Vi sinh vật không phải là một khái niệm phân loại, các vi sinh vật có thể thuộc những nhóm phân loại rất xa nhau Chúng thườ.
Chun đề TÍCH HỢP DI TRUYỀN HỐ SINH VI SINH VẬT Lí tiếp cận chuyên đề Vi sinh vật khái niệm phân loại, vi sinh vật thuộc nhóm phân loại xa Chúng thường có số đặc điểm chung có kích thước hiển vi, thể đơn bào, sinh trưởng nhanh, phân bố rộng, thích ứng cao với mơi trường Thuộc nhóm Vi sinh vật có vi khuẩn (thuộc Giới Vi khuẩn), động vật nguyên sinh vi tảo (thuộc Giới Nguyên sinh) Vi nấm (thuộc Giới Nấm), vi sinh vật cổ (thuộc lãnh Giới Vi sinh cổ theo quan điểm phân chia lãnh Giới) Ngồi ra, người ta cịn xếp virut vào nhóm Vi sinh vật virut không xem thể sống chúng khơng có cấu tạo tế bào có đời sống kí sinh bắt buộc tế bào Virut không tồn sống mơi trường tự nhiên ngồi tế bào Vi sinh vật có vai trị quan trọng hệ sinh thái đời sống người Việc nghiên cứu di truyền học đối tượng vi sinh vật chưa tiến hành cho đến năm 40 Tuy đời chậm di truyền học vi sinh vật đóng vai trị “cách mạng hố” tạo bước tiến nhảy vọt cho di truyền học nói riêng sinh học nói chung phương diện lí thuyết ứng dụng thực tiễn Các nghiên cứu di truyền tiến hành mặt vi sinh vật nhân thực nấm men, nấm mốc, vi tảo có sinh sản hữu tính, mặt khác vi khuẩn virut Di truyền học virut vi khuẩn góp phần đáng kể cho đời kĩ thuật tái tổ hợp DNA dẫn đến kĩ thuật di truyền làm bùng nổ Công nghệ sinh học Hoá sinh học ngành khoa học nghiên cứu đến cấu trúc q trình hố học diễn thể sinh vật Đây nội dung có liên quan chặt chẽ với kiến thức hố học, sinh học, mà phần lớn sinh học tế bào, sinh học phân tử di truyền Kiến thức phần hố sinh học có ý nghĩa tiên tạo tảng sâu vào giải vấn đề đặc biệt quan trọng y dược công nghệ sinh học Hoá sinh học chia thành hai lĩnh vực chính: Hố sinh tĩnh hố sinh động Hố sinh tĩnh nghiên cứu vấn đề thuộc enzyme hợp chất hữu Tế bào đơn vị nhỏ sống - nơi diễn hoạt động hoá sinh to lớn gọi trao đổi chất Đây trình thay đổi hố học vật lí diễn liên tục sinh vật sống bao gồm q trình xây dựng mơ mới, thay mô cũ, chuyển đổi thức ăn thành lượng, xử lý chất thải, sinh sản, Để trình trao đổi chất diễn thuận lợi vai trị enzyme khơng thể thiếu Sự hoạt động hợp chất có hoạt tính sinh học cao giúp cho phản ứng diễn trình trao đổi chất diễn dễ dàng thuận lợi hơn, tạo thành hệ thống hoàn chỉnh Các phản ứng hố học diễn tế bào có tham gia hợp chất hữu cơ: protein, cacbonhidrat, lipid axit nucleic, Một khía cạnh khác hố sinh học nghiên cứu tính chất đặc tính sinh học đại phân tử Đó xác định thành phần tạo nên cấu trúc lơn phân tử, mô tả cách lắp ráp, quan sát không gian ba chiều mơ tả vai trị chúng sống sinh vật Hố sinh động nghiên cứu q trình trao đổi saccarit, lipit, tổng hợp DNA, RNA, protein Một dấu hiệu đặc trưng sinh vật sống trao đổi chất lượng Như nói trên, hố sinh động xem xét cách thức tế bào sản xuất lượng từ hợp chất hữu Thông qua nguyên tắc biến đổi lượng tế bào, đường dị hố phân tử glucose mơ tả có mặt vắng mặt oxi phân tử Cùng với đó, vai trị lipit cung cấp dự trữ lượng cho sinh vật làm sáng tỏ, thơng qua xây dựng mối quan hệ đường trao đổi chất lipit saccarit Trong tế bào, trình tổng hợp DNA, RNA, protein yếu tố cấu thành nên tồn hệ sinh vật Hố sinh động đề cập đến nét nhân đôi DNA, phiên mã, dịch mã Nhân loại sống thời kì Công nghệ sinh học Di truyền học sâu vào vấn đề tồn lưu truyền sống nên giữ vị trí đặc biệt quan trọng, có người ví "Di truyền học trái tim Sinh học", khơng nhiều, liên quan chi phối lĩnh vực sinh học, từ chế phân tử sống tiến hóa toàn giới sinh vật hành tinh Những phát minh lớn với số lượng tăng vọt di truyền học có tác dụng cách mạng hóa sinh học, biến sinh học từ mơ tả thành thực nghiệm xác Hội nghị Di truyền học giới Toronto (Canada) năm 1988 nêu phương châm "Di truyền học hóa" Sinh học Các đối tượng vi sinh vật góp phần chủ yếu vào phát minh tảng di truyền học phân tử, mà sinh học phân tử sinh học đại nói chung Đối với trường THPT Chuyên, việc lựa chọn, phát bồi dưỡng học sinh giỏi, học sinh khiếu nhiệm vụ then chốt Với nguồn học liệu dồi mở nay, học sinh khối lớp Chuyên Sinh tiếp cận nguồn tri thức nhanh chóng hiệu quả, nhiên việc lựa chọn nội dung kiến thức trọng tâm, có tính chất hệ thống làm sở tảng phát huy khả tự học, tự đọc học sinh vấn đề cần quan tâm đầu tư Qua trình tự nghiên cứu, tơi tự nhận thấy mức độ tích hợp nội dung kiến thức Sinh học câu hỏi đề thi học sinh giỏi cấp, đặc biệt kì thi học sinh giỏi Quốc gia ngày tăng lên số lượng độ “khó” Vì vậy, với mục đích bổ sung thêm nguồn học liệu có tính chất hệ thống, định hướng cho học sinh cách thức tiếp cận tư logic kiến thức phần Hoá sinh, vi sinh di truyền, lựa chọn tiếp cận chuyên đề “Tích hợp di truyền hố sinh vi sinh vật” Mục đích chun đề - Hệ thống hố nội dung kiến thức phần hoá sinh, vi sinh di truyền phương diện tiếp cận “sự tích hợp” - Biên soạn chuyên đề để nâng cao hiệu tự học cá nhân, cung cấp thêm nguồn tài liệu cho học sinh đội tuyển - Rèn luyện khả tự học, tự đọc tài liệu khai thác kiến thức - Hướng dẫn học sinh cách thức phân tích nội hàm câu hỏi, tránh trả lời không trọng tâm Khái quát nội dung chuyên đề Chuyên đề biên soạn thành phần: Phần A: Cơ sở lý thuyết phần B: Câu hỏi, tập vận dụng Phần Cơ sở lí thuyết chuyên đề nghiên cứu nội dung phần hoá sinh tế bào vi sinh vật tượng di truyền vi sinh vật Phần Câu hỏi, tập vận dụng sưu tầm chủ yếu đề thi học sinh giỏi Quốc gia năm, hướng dẫn phân tích kiến thức lí thuyết trả lời NỘI DUNG PHẦN A: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I THÀNH PHẦN HOÁ SINH TẾ BÀO VI SINH VẬT Enzyme 1.1 Cấu trúc enzyme Enzyme có chất protein (một số RNA - ribozim), có tác dụng xúc tác, làm tăng tốc độ phản ứng cách đặc hiệu Enzyme có mặt tất hoạt động sống tế bào, có đầy đủ đặc tính lý hố chất xúc tác - Tính đặc hiệu cao: enzyme thường đặc trưng cho phản ứng định Ví dụ enzyme ureaza xúc tác phản ứng phân giải ure Một số enzyme khác có tính đặc hiệu tương đối, chẳng hạn enzyme lipase có khả phân huỷ nhiều loại este khác - Hiệu suất xúc tác lớn: tốc độ phản ứng tăng lên 10 - 107 lần so với chất xúc tác Ví dụ enzyme catalase xúc tác phản ứng phân huỷ H 2O2 -> H2O + O2 giây với chất xúc tác Fe cần đến 300 năm - Tác dụng xúc tác điều kiện bình thường: pH mơi trường gần trung tính, áp suất nhiệt độ bình thường Enzyme chia thành lớp dựa vào kiểu xúc tác (theo thống Hội hoá sinh học quốc tế năm 1961) A - Oxidoreductase: xúc tác cho phản ứng oxi hoá khử (vận chuyển điện tử, ion hydride nguyên tử hidro) B - Transferase: xúc tác cho phản ứng chuyển vị nhóm từ phân tử đến phân tử khác C- Hydrolase: Xúc tác phản ứng thuỷ phân (cũng phản ứng vận chuyển nhóm chức năng) D - Lyase: xúc tác cho phản ứng thêm nhóm vào nối đơi, tạo thành nối đơi cách loại nhóm E - Isomerase: xúc tác cho phản ứng đồng phân hố, chuyển vị nhóm nội phân tử thành dạng đồng phân F - Ligase: xúc tác cho phản ứng tạo thành liên kết C-C, C-O, C-S C-N phản ứng ngưng tụ, kèm theo phản ứng cắt đứt liên kết giàu lượng nucleoside triphotphate, thường dấu hiệu nhận biết kiểu enzyme với lyase có xuất ATP Cấu trúc enzyme: Enzyme đại phân tử có khối lượng phân tử từ 12000 đến hàng triệu đơn vị Dalton (Da) Cũng protein, thành phần cấu tạo, enzyme chia thành loại: enzyme thành phần enzyme hai thành phần Enzyme thành phần: có thành phần protein enzyme pepsin dày Enzyme hai thành phần (haloenzyme) gồm thành phần: phần protein gọi apoenzyme, phần protein cofactor (hoặc coenzyme) Hầu hết phần ngoại protein có chức xúc tác apoenzyme Coenzyme dẫn xuất vitamin hoà tan nước (ví dụ NAD+) thiếu vitamin đó, gây nên bệnh đặc trưng (chẳng hạn bệnh pellagra, Scorbut, ) Cofactor ion kim loại với hàm lượng nhỏ (các nguyên tố vi lượng Cu 2+ có cytocrom oxidase, carbonic anhydrase, alcohol dehydrogenaza chứa Zn 2+, hexokinase, glucose - - phosphatease, pyruvate kinase chứa Mg2+, ) Trung tâm hoạt động vùng đặc biệt enzyme có tác dụng gắn với chất để xúc tác cho phản ứng biến đổi chất thành sản phẩm Mỗi enzyme có hai hay nhiều trung tâm hoạt động Tại chứa nhóm hố học liên kết tiếp xúc trực tiếp với chất khơng tiếp xúc trực tiếp có chức trực tiếp trình xúc tác Về thành phần cấu tạo: Trung tâm hoạt động enzyme thường bao gồm axit amin có nhóm hố học có hoạt tính cao serine (có nhóm -OH), cystein (có nhóm SH), glutamate có nhóm y-COO), lysine (có nhóm S-NH 3+) histidine có nhóm imidazol+, tryptophan có nhóm indol +, nhóm phân cực ion hố, có khả tạo liên kết hidro ion với chất Để mô tả liên kết enzyme chất, có nhiều giả thuyết đưa ra: Thuyết “mơ hình cảm ứng khơng gian” Koshland D đưa năm 1958 giải thích tính đặc hiệu tương đối enzyme Theo thuyết này, trung tâm hoạt động enzyme có tính mềm dẻo linh hoạt, biến đổi cấu hình khơng gian trình hoạt động tương tác với chất cho phù hợp với cấu hình khơng gian chất, để hình thành phức hợp enzyme chất (ES) Enzyme dị lập thể (Enzyme allosteric) Đây loại enzyme ngồi trung tâm hoạt động cịn có vài vị trí dị lập thể, trung tâm hoạt động tiếp nhận chất để xúc tác cho phản ứng enzyme vị trí dị lập thể tiếp nhận yếu tố dị lập thể để điều chỉnh hoạt động xúc tác enzyme Phân tử enzyme dị lập thể có thể có vị trí dị lập thể dương, vị trí lập thể âm chứa hai Khi vị trí dị lập thể dương tiếp nhận yếu tố dị lập thể dương A (chất hoạt hóa) cấu hình enzyme thay đổi theo hướng có lợi hơn, enzyme hoạt hóa, lực enzyme với chất tăng lên, tăng tốc độ phản ứng Khi vị trí dị lập thể âm tiếp nhận yếu tố dị lập thể âm (chất ức chế) cấu hình enzyme thay đổi theo hướng có hại, enzyme bị ức chế, lực enzyme với chất giảm nên tốc độ phản ứng giảm Thơng thường, chất hoạt hóa dị lập thể chất đứng trước chất chuỗi phản ứng, chất ức chế dị lập thể chất đứng sau chuỗi phản ứng sản phẩm cuối chuỗi phản ứng Chẳng hạn, đường đường phân, enzyme phospho fructokinase enzyme dị lập thể hoạt hóa yếu tố dị lập thể dương ADP AMP, bị ức chế yếu tố dị lập thể âm ATP citrate 1.2 Cơ chế tác động Enzyme thực chức xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng cách giảm lượng hoạt hóa gồm giai đoạn chính: - Tạo thành phức ES - Phân ly phức ES giải phóng E trạng thái ban đầu, giải phóng sản phẩm Hình 1: Cơ chế tác động enzyme Khi có mặt chất, chất cảm ứng định hướng không gian nhóm chức trung tâm hoạt động E, tạo nên định hướng tương ứng thích hợp nhóm chức TTHĐ E nhóm chức chất, dọn đường cho S kết hợp vào TTHĐ E, tạo thành phức ES, đồng thời loại phân tử nước Tương tác gốc amino acid E với chất, thay đổi đám mây electron, giảm lượng hoạt hóa cần thiết để đưa đến trạng thái chuyển tiếp Hình 2: Enzyme làm giảm lượng hoạt hố Phức ES sau tạo thành bền, tồn thời gian ngắn nhanh chóng chuyển hóa thành sản phẩm giải phóng E tự do, E lại quay vòng xúc tác ban đầu Năng lượng hoạt hóa sai khác mức lượng tự trạng thái (ground state) trạng thái chuyển tiếp (transition state), hình thành tiếp xúc, chạm phân tử làm tăng tốc độ phản ứng 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc enzyme 1.3.1 Nhiệt độ Mỗi enzyme hoạt động khoảng nhiệt độ định, đa số enzyme tối ưu nhiệt độ 40 - 45°C Khi cao nhiệt độ tối ưu, tốc độ phản ứng giảm nhanh nhiệt độ cao làm enzyme biến tính, trung tâm hoạt động cấu hình chuẩn khơng cịn phù hợp với chất, vai trò xúc tác bị ảnh hưởng Cá biệt có enzyme chịu nhiệt độ cao amylase công nghiệp dệt chịu nhiệt độ 100°C Lồi cá băng Nam cực có enzyme hoạt động hiệu -2°C 1.3.2 Độ pH Mỗi loại enzyme có độ pH tối ưu, pH hay ngưỡng tối ưu làm cho hoạt tính enzyme bị giảm hoạt tính pH ảnh hưởng đến trạng thái ion hóa gốc R gốc amino acid phân tử E, ion hóa nhóm chức trung tâm hoạt động, ion hóa chất, ảnh hưởng đến hai tham số động học Km V Hình 3: Ảnh hưởng độ pH đến hoạt tính enzyme 1.3.3 Nồng độ chất Cơ chất chất mà enzyme xúc tác Sự thay đổi nồng độ chất khác ảnh hưởng lớn đến hoạt độ enzyme Khi nồng độ chất thấp, nhiều phân tử enzyme có trung tâm hoạt động tự cung cấp hạn chế có chất xác định tốc độ phản ứng Ngược lại nồng độ chất cao, hầu hết trung tâm hoạt động bị chiếm lĩnh lúc số lượng phân tử enzyme lại yếu tố định phản ứng Trong hoạt động trao đổi chất tế bào mối tương quan có tầm quan trọng phương thức kiểm soát tốc độ phản ứng khác Hình 4: Mối liên hệ tốc độ phản ứng nồng độ chất 1.3.4 Ảnh hưởng chất kìm hãm Chất kiềm hãm (Inhibitor = I) chất làm giảm tốc độ phản ứng enzyme xúc tác Các chất ion kim loại, chất hữu hay vơ Các chất kìm hãm chia theo nhiều cách khác nhau: kìm hãm thuận nghịch hay kìm hãm khơng thuận nghịch a Kìm hãm thuận nghịch Kìm hãm thuận nghịch kìm hãm enzyme cách kết hợp với enzyme tác động đến kết hợp E với S * Kìm hãm cạnh tranh Kìm hãm cạnh tranh: Chất ức chế liên kết vào trung tâm hoạt động enzyme (cạnh tranh với chất) Nhận biết: Km tăng (ái lực giảm) Vmax khơng đổi * Kìm hãm khơng cạnh tranh - Kìm hãm khơng cạnh tranh: Chất ức chế liên kết phức hợp enzyme có chất (khơng phải enzyme tự do) vị trí khác trung tâm hoạt động ảnh hưởng đến đến trung tâm hoạt động dẫn đến giảm hoạt tính xúc tác enzyme Nhận biết Km khơng thay đổi Vmax giảm * Kìm hãm hỗn hợp - Kìm hãm kiểu hỗn hợp: Chất ức chế đồng thời liên kết vào tâm hoạt động vị trí khác (enzyme tự phức hợp enzyme - chất) Nhận biết: đồng thời Km tăng (hoặc lực giảm) Vmax giảm b Các chất kìm hãm khơng thuận nghịch Các khơng thuận nghịch kết hợp với E tạo thành phức EI không hoạt động, khơng phân ly, khó phân ly, phân ly với vận tốc không đáng kể Người ta ứng dụng chất kìm hãm khơng thuận nghịch để nghiên cứu chế phản ứng enzyme 1.4 Điều hoà hoạt độ enzyme Hoạt độ enzyme, hoạt độ protein có hoạt tính sinh học khác tế bào Chúng phải điều hòa nghiêm ngặt, tiến hành chỗ, lúc với mức vừa đủ theo yêu cầu thể Hoạt độ E điều hòa số lượng hoạt độ phân tử Gọi điều hòa hoạt độ phân tử có nghĩa số lượng phân tử protein E tổng hợp không thay đổi Hoạt độ enzyme bị thay đổi cách kết hợp với chất điều hòa (điều hòa allosteric); cải biến cộng hóa trị thuận nghịch; thay đổi tỷ lệ dạng phân tử enzyme có mức độ hoạt động khác nhau, 1.4.1 Điều hòa Allosteric Kiểu điều hòa hoạt động dựa nhu cầu tế bào Khi lượng sản phẩm cuối chu trình đáp ứng đủ cho tế bào, quay ngược trở lại kìm hãm hoạt độ enzyme Hình 5: Mơ hình điều hịa allosteric tác dụng sản phẩm cuối nồng độ chất đáp ứng nhu cầu 1.4 Điều hòa tỷ lệ dạng khác enzyme có hoạt độ khác Isozyme (hay gọi isoenzyme) enzyme khác chuỗi amino acid xúc tác cho phản ứng hóa học tương tự Các enzyme thường hiển thị thông số động học khác (ví dụ giá trị K V khác nhau) đặc tính điều chỉnh khác Sự tồn isozyme cho phép tinh chỉnh trao đổi chất để đáp ứng nhu cầu cụ thể mơ giai đoạn phát triển Hình 6: Enzyme hexokinase xúc tác phản ứng Enzyme hexokinase xúc tác cho phản ứng gồm isoenzyme (kí hiệu I, II, III IV) Khi nồng độ glucose mức bình thường, isoenzyme III hoạt động với tốc độ cực đại, IV làm việc 25% 1.4 Cải biến cộng hóa trị Chủ yếu hoạt động cải biến hóa trị kết hợp thuận nghịch với nhóm phosphate Với đặc điểm phổ biến: - Phản ứng chuyển nhóm phosphoryl từ ATP đến enzyme protein kinase xúc tác phản ứng tách phosphate khỏi enzyme protein phosphatase xúc tác - Các gốc amino acid enzyme kết hợp với nhóm phosphoryl là: Tyr, Ser, Thr, His - Việc kết hợp với nhóm phosphate chuyển enzyme từ dạng có hoạt động thấp thành dạng có dạng hoạt động cao hay ngược lại Ví dụ: Cơ chế điều hịa glycogen phosphorylase Protein kinase (PKA) có vai trị điều hịa hoạt độ enzyme cách phosphoryl hóa Với cách điều hịa này, tín hiệu điều hịa khuếch đại nhiều lần protein kinase tác dụng lên nhiều phân tử mục tiêu khác Các hợp chất hữu 2.1 Saccharide Saccharide chất hữu chứa nguyên tử carbon (C), oxy (O) hydro (H) Các đơn vị saccaride gọi monosaccharide, ví dụ glucose, galactose, fructose Công thức thu gọn tổng quát monosaccaride (CH2O)n với n lớn 3; nhiên, tất saccharide tuân theo công thức (như acid uronic), tất chất hóa học có cơng thức xếp vào nhóm saccharide Monosaccharide liên kết với để tạo thành polysaccharide (hay oligosaccharide) theo nhiều cách khác Saccharide giữ nhiều vai trò quan trọng thể sống như: - Chúng tồn dạng dự trữ lượng, nhiên liệu chất trao đổi trung gian (glucose, glycogen, ) - Một số loại đường ribose deoxyribose tạo thành phần cấu trúc RNA DNA (vật chất di truyền hầu hết sinh vật Trái Đất) - Tham gia cấu tạo thành phần cấu trúc thành tế bào vi khuẩn thực vật (cellulose) - Saccharide liên kết với số protein lipid, chất có ý nghĩa việc tương tác gián tiếp tế bào tương tác tế bào với thành phần khác môi trường tế bào (proteoglycan, glycoprotein, glycolipid, ) a Đường đơn (Monosaccharide): dẫn xuất aldehyde, ketone hai hay nhiều nhóm hydroxyl (-OH) Mỗi phân tử có từ đến cacbon chia thành hai nhóm đường aldose ketose Dựa vào liệu trên, cho biết câu sau hay sai A CDS dài 2.6 kb có vị trí nhận biết EcoRI điểm cách đầu tận khoảng 0,5 kb B SpeI sử dụng để xác định hướng CDS C CDS chèn vào chiều với lacZ D Nếu plasmid pVN2016 bị cắt hai enzyme SpeI EcoRI đệm Tango (EcoRI SpeI cắt mức tương ứng 100% 20%), đoạn với kích thước 0,5; 0,8; 1,3; 2,1 3,0 kb xác định điện di gel, giả sử khôngquan sát đoạn nhỏ 50 bp Đáp án - Phát biểu đúng: A, D - Phát biểu sai: B, C Câu 24 Michael Smith (1932-2000) phát minh kĩ thuật gây đột biến hướng đích Gần nhà khoa học phát minh công nghệ CRISPR-Cas9 để tiến hành gây đột biến dễ dàng Protein Cas9 từ Streptococcus pyogenes dẫn guideARN (ARN dẫn, gARN) dài 20 bp liên kết với ADN đích Enzyme Cas9 cắt sợi kép ADN vị trí cách ba nucleotide nằm ngược dịng trình tự 5'NGG-3' (1) Các phân đoạn ADN sợi kép bị cắt enzyme này, sau nối trở lại Gen X cần làm chức nhờ enzyme Cas9 mô tả (2) Một cách khác để knockout gen sử dụng cặp gồm Cas9 cải biến có khả tạo vết cắt sợi đơn ARN dẫn (guideRNA) hướng đích tới vị trí liền kề 552 Chọn trình tự guideARN dẫn Cas9 tới vị trí I = 5'-ATTTTTCGACGTTTAGGCCA-3' = 5'-AUUUUUCGACGUUUAGGCCA-3' = 5'-AUAAAACGUGCAAAUCCGGU-3' = 5'-UUUGCACGUUUAGGCCAAGG-3' = 5'-UUUUUGGGGGCCCAGGAUCU-3' Mỗi phát biểu hay sai? A Sử dụng cặp đôi Cas9 guideARN bị biến đổi làm tăng tổn thương sai đích gen khác B Hệ gen Streptococcus pyogenes ngẫu nhiên có nhiều vị trí NGG mong đợi C Nếu gen khơng có trình tự GG, protein Cas9 từ loài khác cần nghiên cứu Đáp án: - Trình tự đúng: = – AUUUUC ………………… - Phát biểu đúng: C - Phát biểu sai: A B Câu 25 553 a Khi E.Coli nuôi môi trường chứa hỗn hợp glucozơ lactozơ, tăng trưởng vi khuẩn ghi lại theo đồ thị bên Căn vào đồ thị, cho biết: - Nồng độ glucôzơ môi trường nuôi cấy cao thấp thời điểm nào? Giải thích - Vào thời điểm q trình ni cấy vi khuẩn tiết enzym Galactosidaza Giải thích b Cho vi khuẩn phản nitrat hóa vào bình ni cấy đựng dung dịch KNO , glucôzơ nhân tố cần thiết cho sinh trưởng, sau đậy kín bình lại Sau thời gian nhận xét biến đổi hàm lượng ơxi, N2 CO2 Giải thích Đáp án: a - Nồng độ glucose cao thời điểm bắt đầu ni cấy (0phút) : vi khuẩn chưa sử dụng glucose - Nồng độ glucose thấp khoảng thời gian 100 phút : vi khuẩn sử dụng hết glucose - Theo đồ thị khoảng sau phút thứ 100, nguồn dinh dưỡng glucozo cạn kiệt vi khuẩn sử dụng lactozo, lúc enzym Glactosidaza tiết b - Nhận xét: Hàm lượng O2 giảm, hàm lượng N2 CO2 tăng - Ban đầu vi khuẩn hơ hấp hiếu khí nên sử dụng hết ơxi có bình - Vi khuẩn chuyển sang hơ hấp khị khí, sử dụng NO 3- làm chất nhận điện tử giải phóng N2 - Hơ hấp hiếu khí kị khí thải CO2 Câu 26 a Người ta cho 80 ml nước chiết thịt (thịt bị hay thịt lợn nạc) vơ trùng vào hai bình tam giác cỡ 100 ml (kí hiệu bình A B), sau cho vào bình 0,50 gam đất vườn lấy vị trí thời điểm Cả hai bình bịt kín nút cao su, đun sôi (100oC) phút đưa vào phịng ni cấy có nhiệt độ từ 3035oC Sau ngày người ta lấy bình thí nghiệm B đun sôi (100 oC) phút, sau lại đưa vào phịng ni cấy Sau ngày hai bình thí nghiệm mở thấy bình thí nghiệm A có mùi thối, cịn bình thí nghiệm B gần khơng có mùi thối Giải thích b Trong sản xuất chế phẩm vi sinh vật, người ta dùng phương pháp ni cấy liên tục khơng liên tục Giả sử có chủng xạ khuẩn, chủng có khả sinh enzim A, chủng khác có khả sinh kháng sinh B Hãy chọn phương 554 pháp nuôi cấy cho chủng xạ khuẩn để thu lượng enzim A, kháng sinh B cao giải thích lí chọn? Đáp án: a - Ở phương pháp nuôi cấy liên tục, người ta thường xuyên bổ sung chất dinh dưỡng lấy lượng dịch nuôi tương đương, tạo môi trường ổn định, VSV sinh trưởng ổn định pha lũy thừa Enzim sản phẩm bậc I hình thành pha tiềm phát pha lũy thừa, chọn phương pháp ni cấy liên tục thích hợp nhất, thu lượng enzim A cao - Ở phương pháp nuôi cấy không liên tục (từng mẻ), sinh trưởng VSV diễn theo đường cong gồm pha: tiềm phát, lũy thừa, cân suy vong Chất kháng sinh sản phẩm bậc II hình thành pha cân bằng, pha cho lượng kháng sinh nhiều (nuôi cấy liên tục khơng có pha cân bằng), chọn phương pháp ni cấy khơng liên tục thích hợp nhất, thu lượng kháng sinh B cao b Trong 0,5 g đất chứa nhiều mầm vi sinh vật, nhiệt độ sôi 100 oC tế bào dinh dưỡng chết, lại nội bào tử (endospore) vi khuẩn - Trong bình thí nghiệm A, nội bào tử vi khuẩn nảy mầm phân giải protein nước thịt điều kiện kị khí Nước thịt môi trường dư thừa hợp chất nitơ thiếu hợp chất cacbon, nên vi khuẩn kị khí khử amin giải phóng NH 3, H2S để sử dụng cacbohydrat làm nguồn lượng lên men - Vì vậy, mở nắp ống nghiệm loại khí NH 3, H2S bay lên gây thối khó chịu, cịn gọi q trình amơn hố kị khí lên men thối - Trong bình thí nghiệm B, nội bào tử mầm hình thành tế bào dinh dưỡng chúng bị tiêu diệt sau ngày bị đun sơi lần thứ hai, protein khơng bị phân giải, kết khơng có mùi Câu 27 Nghiên cứu điều hòa biểu gen Operon lac chủng E coli đột biến, người ta phát thấy có bất thường Để xác định nguyên nhân bất thường xảy vị trí Operon Lac, người ta đánh giá mức độ biểu gen LacZ chủng E coli đột biến điều kiện môi trường nuôi cấy khác Bảng Mức độ biểu gen LacZ điều kiện nuôi cấy Điều kiện môi trường nuôi cấy Lactose Glucose Mức độ biểu gen Có Khơng 100 Khơng Khơng 100 Có Có Khơng Có 555 a Từ thơng tin bảng 2, cho biết nguyên nhân bất thường xảy vị trí operon Lac chủng E coli đột biến này? Giải thích b Tại từ phân tử mARN phiên mã từ Operon Lac gen khác lại dịch mã với tốc độ khác Đáp án: a Bất thường xảy vùng vận hành Operator Vì: Mơi trường khơng có lactose glucose gen LacZ biểu => protein ức chế không gắn vào vùng vận hành Operator Khi mơi trường có glucose hàm lượng AMPv giảm, CAP không tạo phức hợp với AMPv, RNA polymerase không hoạt động, gen LacZ không biểu b Giải thích: - Tốc độ dịch mã xác định có mặt loại tRNA khác nhau, tương ứng với codon đặc hiệu mRNA - Hàm lượng tương đối tRNA khác tế bào khác - Do đó, gen khác có thành phần codon khác nhau, đoạn mRNA có chứa nhiều codon "hiếm" dịch mã diễn chậm mRNA có chứa nhiều codon thơng dụng Câu 28 Để tổng hợp loại protein đơn giản người nhờ vi khuẩn qua kỹ thuật DNA tái tổ hợp, người ta có cách: 1) cách thứ nhất: tách gen mã hóa protein trực tiếp từ hệ gen nhân tế bào, cài đoạn gen vào plasmid vi khuẩn nhờ enzyme ligase; 2) Cách thứ hai: tách RNAm trưởng thành gen mã hóa protein đó, sau dùng enzyme phiên mã ngược tổng hợp lại gen (cDNA), cài đoạn cDNA vào plasmid nhờ enzyme ligase Trong thực tế, người ta thường chọn cách nào? Tại sao? Đáp án: Trong thực tế, người ta chọn cách thứ Vì: - DNA tách trực tiếp từ hệ gen người thường mang intron, cDNA tổng hợp từ RNAm không mang intron - Các tế bào vi khuẩn khơng có khả cắt bỏ intron gen Eukaryote, nên đoạn DNA cài tách trực tiếp từ nhân khơng tạo protein bình thường - Đoạn DNA phiên mã ngược tương ứng RNAm dùng để dịch mã protein, có kích thước ngắn nên dễ tách dòng biểu gen điều kiện in vitro 556 Câu 29 Hình mơ tả chế điều hịa tổng hợp enzyme tổng hợp trytophan vi khuẩn E coli a Khi môi trường có tượng dư thừa tryptophan so với nhu cầu tế bào chế điều hịa hoạt động nào? b Người ta sử dụng loại thuốc gây đột biến để làm sai hỏng chế điều hòa tổng hợp enzyme để tạo nên chủng E coli đột biến có khả tổng hợp liên tục trytophan Hãy cho biết, thuốc gây đột biến tác động đến vị trí chế điều hịa tổng hợp enzyme trên? Giải thích Đáp án: a Khi môi trường dư thừa tryptophan: - Tryptophan gắn vào protein ức chế, làm thay đổi cấu hình protein ức chế - Lúc protein ức chế có khả gắn với Operator làm ngừng phiên mã - Các enzyme tổng hợp tryptophan không tổng hợp, tế bào sử dụng tryptophan làm cho hàm lượng tryptophan giảm dần - Khi hàm lượng tryptophan xuống mức thấp, khơng gắn với protein ức chế, protein không gắn với Operator, enzyme tổng hợp hàm lượng tryptophan tăng dần b - Thuốc gây đột biến tác động đến vùng gen điều hịa (Regulator) sai hỏng việc tổng hợp protein ức chế làm cho protein không tổng hợp tổng hợp không gắn với tryptophan để ức chế Operon Do đó, tryptophan tổng hợp liên tục - Thuốc gây đột biến tác động đến vùng gen vận hành Operator làm khả gắn kết với protein ức chế Do đó, tryptophan tổng hợp liên tục Câu 30 Cho sơ đồ chuyển gen nhờ plasmid vào vi khuẩn đường ruột E coli hình 557 a Điền cấu trúc thích hợp tương ứng với vị trí đánh số sơ đồ hình b Để phục vụ cho q trình phân tích, xử lí chế phẩm DNA, người ta sử dụng nhóm enzyme phục vụ hai hướng enzyme phân cắt enzyme nối Enzyme phân cắt DNA gọi nuclease, gồm nhóm endonuclease exonuclease Enzyme nối DNA thường dùng E coli DNA ligase T4 DNA ligase Dựa vào chức năng, em cho biết enzyme khác nào? Đáp án: a Đoạn gen (DNA) cần chuyển; tổ hợp; Plasmid làm thể truyền; DNA tái DNA tái tổ hợp tế bào vi khuẩn; DNA vi khuẩn; DNA tái tổ hợp hệ b - Endonuclease: cắt DNA phân tử - Exonuclease: cắt DNA từ đầu mút phân tử DNA - E coli DNA ligase: nối hai trình tự DNA có đầu so le - T4 DNA ligase: nối hai trình tự DNA có đầu so le đầu Câu 31 Trong hoạt động operon Lac vi khuẩn E coli, đột biến xảy gen điều hòa R (còn gọi lac I) dẫn đến hậu liên quan đến biểu gen cấu trúc? Đáp án: 558 Nếu đột biến xảy gen R dẫn đến hậu sau: - Xảy đột biến câm, Operon Lac hoạt động bình thường, biểu gen cấu trúc bình thường Gồm trường hợp sau: + Đột biến nucleotit gen khơng làm thay đổi trình tự axit amin protein ức chế + Đột biến thay đổi axit amin chuỗi polypeptit protein ức chế không làm thay đổi khả liên kết protein ức chế với trình tự huy (O) - Xảy đột biến làm giảm khả liên kết protein ức chế vào trình tự huy → biểu gen cấu trúc tăng lên - Đột biến làm hoàn toàn khả liên kết protein ức chế protein ức chế không tạo → gen cấu trúc biểu liên tục - Xảy đột biến làm tăng khả liên kết protein ức chế vào trình tự huy → biểu gen cấu trúc giảm Câu 32 a Các locut gen tham gia vào Operon Lac: z = gen cấu trúc mã hoá enzim β galactosidase i = gen ức chế o = operator Hãy xét xem chủng vi khuẩn có kiểu gen tổng hợp enzim β galactosidase khơng, điều kiện nào? Kiểu gen β galactosidase (+ = có, - = chủng khơng) Khơng có Có lactose lactose i-o+z+ i-o+z3 i+o+z-/io+z+ i o z /i o z + + + + - - b Trong Operon đây, r = gen ức chế, p = promoter a, b, c gen cấu trúc Các locus gen bị đột biến bất hoạt kí hiệu dấu trừ đầu chữ Hãy xác định xem Operon Operon hoạt động liên tục, không hoạt động hoạt động điều hồ? Giải thích Chủng r-p+o+a+b+c+ 559 Chủng r+p-o+a+b+c+/ r-p+o+a+b+c+ c Gen a, b, c cần để tổng hợp loại prôtêin Những chủng có khả tổng hợp prơtêin điều kiện nào? Chủng p+o+a+B-c+ Chủng p+o+a-b+c+/ p+o+a+B-c+ Chủng p-o+a+b+c+/ p+o+a+b+cĐáp án: a Kiểu gen chủng β galactosidase (+ = có, - = khơng) Khơng lactose có Có lactose i-o+z+ + + i-o+z- - - i+o+z-/i-o+z+ - + i+o+z+/i+o-z- - + b Chủng 1: Operon hoạt động liên tục, gen điều hịa bị bất hoạt, gen khác bình thường Chủng 2: Operon hoạt động bình thường protein ức chế tổng hợp dòng cung cấp cho Operon dòng c Chủng tổng hợp protein điều kiện có chất cảm ứng gen a, b, c hoạt động bình thường Chủng không tổng hợp enzyme b, chủng không tổng hợp enzyme c nên chủng không tổng hợp protein Câu 33 Cho biết Operon chịu cảm ứng có thành phần nằm vùng kề theo trật tự PQRS Operon sinh hai loại enzym Đột biến vùng sinh enzym sau (+ = sinh có chất cảm ứng, = khơng có enzym, C = enzym tạo cách định) 560 Đ E E a P, Q, R, S kí kiệu ột biến nzym nzym vùng gen nào? b Dựa vào câu a tiên đoán có mặt enzym (+, C) thể lưỡng bội phần Trường hợp 1: P+Q-R+S+/ P-Q+R+S+ Trường hợp P-Q+R+S+/ P+Q-R+S- P + Q + R 0 S C C - - - - Đáp án: a - Vùng R bị đột biến, enzyme khơng hình thành => R vùng gen khởi động - Vùng S bị đột biến, enzyme tổng hợp định => S vùng gen huy - Đột biến P, enzyme không tổng hợp => P vùng gen cấu trúc quy định enzyme - Đột biến Q, enzyme 1không tổng hợp => Q vùng gen cấu trúc quy định enzyme b - Trường hợp 1: P+Q-R+S+/ P-Q+R+S+ : + Khi có chất cảm ứng, enzyme tổng hợp + Khi khơng có chất cảm ứng, enzyme không tổng hợp - Trường hợp P-Q+R+S+/ P+Q-R+S- : + Khi có chất cảm ứng, enzyme tổng hợp + Khi khơng có chất cảm ứng, enzyme khơng tổng hợp, enzyme tổng hợp định vùng gen huy S khơng gắn với protein ức chế 561 Câu 34 Phân tích ADN theo phương pháp Sanger cho kết điện di agarose mẫu kiểu dại (wild type) mẫu đột biến (mutant) hình vẽ bên a Hãy cho biết trình tự 5’ – 3’ mẫu kiểu dại b Hãy cho biết trình tự 5’ – 3’ mẫu đột biến Loại đột biến xảy ra? Đáp án: a 5’TGGCGTAAAGTCTGGCATCC3’ b 5’TGGCGTAAGTCTGGCATCC3’ Đột biến điểm dạng cặp nucleotit A-T xảy làm khung đọc thay đổi từ ba thứ trở Câu 35 Để xác định xác điểm bắt đầu phiên mã (TSS) promoter gen phát vi khuẩn, mồi đánh dấu phóng xạ có trình tự bổ sung với đầu 3' gen dùng để giải trình tự theo phương pháp Sanger Kéo dài mồi mARN Sự kéo dài mồi mARN (tương tự tổng hợp cADN) lặp đi, lặp lại mARN phiên mã bổ sung thêm yếu tố phiên mã α Các phân đoạn thu sau phân tách điện di gel; hình ảnh phóng xạ tự chụp sau: 562 Phát biểu hay sai? A Các loại polymerase khác dùng giải trình tự Sanger để kéo dài mồi B mARN gen có CUCAGUAC bazơ sau TSS tìm thấy tế bào C Nhiều TSS tồn gen D Phiên mã điều hịa yếu tố α Đáp án: Trong giải trình tự Sanger, người ta sử dụng enzyme DNA A polymerase Ngược lại, để kéo dài đoạn mồi, người ta sử dụng enzyme Đúng phiên mã ngược Làn PE kết điện di cho biết chiều dài mRNA Bazơ đầu B tiên (đầu 5') mRNA tương ứng với đoạn trình tự xếp có Đúng độ dài (tại G) Bazơ thứ hai mRNAc tương ứng với trình tự xếp thấp dải điện di (tại A) C Đúng D Sai Đối với gen này, có TSS TSS phụ tồn Phiên mã vắng mặt có mặt yếu tố α tổng hợp tỉ lệ mRNA TSS phụ 563 PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Như vậy, qua chuyên đề giải vấn đề sau đây: - Giúp giáo viên học sinh có nhìn khái qt lý thuyết tích hợp hóa sinh – vi sinh – di truyền Hệ thống hóa tồn kiến thức với nhiều hình ảnh minh họa, giúp giáo viên học sinh thuận lợi nghiên cứu, giảng dạy, ơn tập - Có nhiều câu hỏi, tập vận dụng dùng trình hướng dẫn học sinh nghiên cứu chuyên đề để giúp học sinh vận dụng, giải vấn đề thực tiễn ôn tập, củng cố lại kiến thức - Bên cạnh nhờ nghiên cứu chuyên đề rút kinh nghiệm cho việc giảng dạy kiến thức tích hợp hóa sinh – vi sinh – di truyền nói riêng chuyên đề khác sinh học nói chung Kiến nghị Việc tìm hiểu, nghiên cứu kiến thức tích hợp hóa sinh – vi sinh – di truyền cần thiết để tạo nghiên cứu đột phá người, thuốc thú y, nông nghiệp, công nghiệp, lượng mơi trường Từ đó, có tác động tích cực đến phát triển ngành khoa học khác mặt sống người Vì vậy, cần tạo điều kiện để học sinh học tập nghiên cứu bậc trung học Với thời gian hạn chế, kiến thức thân có hạn nên đề tài khơng tránh khỏi sai sót, tơi mong nhận góp ý quý đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện Chân thành cảm ơn quý đồng nghiệp! 564 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Campbell & Reece, Biology, NXB Giáo dục Việt Nam dịch xuất năm 2011 [2] Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty, Vi sinh vật học, NXB Giáo dục, 2007 [3] Nguyễn Thành Đạt, Cơ sở sinh học vi sinh vật, tập 1+2, NXB Giáo dục, 2000 [4] Nguyễn Thành Đạt (tổng chủ biên), Sách giáo khoa Sinh học 10, NXB Giáo dục, 2008 [5] Nguyễn Thành Đạt (tổng chủ biên), Sách giáo khoa Sinh học 12, NXB Giáo dục, 2008 [6] Madigan & Martinko, Brock biology of microorganisms, 14th edition, 2015 [7] Hồng Trọng Phán (chủ biên), Giáo trình di truyền học vi sinh vật ứng dụng, NXB Đại học Huế, 2008 [8] Đề thi IBO đề thi học sinh giỏi cấp quốc gia môn Sinh học 565 MỤC LỤC 566 ... cho học sinh cách thức tiếp cận tư logic kiến thức phần Hố sinh, vi sinh di truyền, tơi lựa chọn tiếp cận chun đề ? ?Tích hợp di truyền hố sinh vi sinh vật? ?? Mục đích chuyên đề - Hệ thống hoá nội... retrovirus mã hóa DNA tích hợp vào gen tế bào động vật Vật chất di truyền vi sinh vật Vật chất di truyền vi khuẩn plasmid DNA Vi rút vi khuẩn (thực khuẩn thể thể thực khuẩn) có DNA RNA làm vật. .. thường chọn làm đặc điểm di truyền để phân tích nghiên cứu di truyền vi khuẩn IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ĐẶC THÙ CỦA DI TRUYỀN HỌC VI SINH VẬT Đối với vi sinh vật, phân tích di truyền phương pháp để