Chuyên đề: ĐỘT BIẾN GEN Phần I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong chương trình lớp 12 có 3 phần kiến thức trọng tâm đó là di truyền học, tiến hóa và sinh thái học . Trong đó di truyền phân tử là phần kiến thức rộng và khó dạy . Trong phần di truyền phần tử được chia thành các mảng kiến thức đó là cơ sở vật chất và cơ chế di truyền ( Cấp độ phân tử và cấp độ tế bào), biến dị ( đột biến gen và đột biến nhiễm sắc thể). Đề hiểu rõ cơ chế tác động, đặc điểm và hậu quả của đột biến gen, tôi đã viết chuyên đề “ Đột biến gen’’ . * Điểm mới của chuyên đề là: - Đã xây dựng hệ thống kiến thức cơ bản theo 1 trật tự lô gic và đã thống nhất được nhưng vấn đề còn băn khoăn giữa sách giáo khoa cơ bản và sách giáo khoa nâng cao (VD: Cơ chế phát sinh đột biến gen). - Phân loại câu hỏi và bài tập theo dạng và mức độ kiến thức nhằm giúp học sinh biết cách trả lời câu hỏi theo dạng. - Bước đầu xây dựng 1 số câu hỏi và bài tập vận dụng có lời giải để thấy rõ vai trò của nổi bật cơ chế phát sinh và hậu quả của đột biến gen. 1 Phần II. NỘI DUNG A. HỆ THỐNG KIẾN THỨC I.Khái niệm về đột biến gen 1. Định nghĩa - Đột biến gen là những biến đổi nhỏ xảy ra trong cấu trúc của gen. Những biến đổi này thường liên quan đến 1 cặp nuclêôtit (đột biến điểm) hoặc 1 số cặp nuclêôtit. 2. Đặc điểm - Trong tự nhiên, các gen đều có thể bị đột biến nhưng với tần số thấp (10-6 – 10-4). - Nhân tố môi trường gây ra đột biến gọi là tác nhân gây đột biến. - Các cá thể mang đột biến đã biểu hiện thành kiểu hình là thể đột biến. - Đột biến gen làm thay đổi cấu trúc của gen từ đó tạo ra alen mới so với dạng ban đầu. Ví dụ: Ở ruồi giấm gen A qui định mắt đỏ, sau khi bị đột biến tạo thành gen a qui định mắt trắng. II. Nguyên nhân và các dạng đột biến gen 2.1. Nguyên nhân - Do những sai sót ngẫu nhiên trong phân tử ADN xảy ra trong quá trình tự nhân đôi của ADN. - Tác động của các tác nhân vật lí, hóa học và sinh học của môi trường. - Đột biến có thể phát sinh trong điều kiện tự nhiên hay do con người tạo ra (đột biến nhân tạo) 2.2. Các dạng đột biến gen - Đột biến thay thế một cặp nucleotit + Đột biến đồng hoán : Base pyrimydine được thay bằng một base pyrimidine và một base purin được thay bằng một base purin. Đột biến đồng hoán có thể là : T => X hoặc X => T (pyrimydine => pyrimydine). A => G hoặc G => A (purine => purine). + Đột biến dị hoán : Thay thế base pyrimydine thành purine hoặc purine thành pyrimidine. Đột biến đảo hoán có thể là: T => A hoặc T => G hoặc X => A hoặc X => G hoặc A => T hoặc A => X hoặc G => T hoặc G => X. 2 Về mặt lý thuyết thì có 4 kiểu thay thế kiểu đồng hoán và 8 kiểu thay thế kiểu dị hoán. Nếu các đột biến xẩy ra ngẫu nhiên xác suất như nhau thì tỷ lệ đột biến là 1 đồng hoán : 2 dị hoán. Thực tế đột biến thay thế base có xu hướng nghiêng về đột biến đồng hoán cho nên trong các đột biến thay thế base tự phát thì tỷ lệ là 2 đồng hoán : 1 dị hoán. - Đột biến thêm hoặc bớt cặp nucleotit III. Cơ chế phát sinh đột biến gen 3.1. Đột biến do lỗi sao chép ADN a. Hỗ biến hóa học Các nguyên tử Hidro có thể chuyển từ một vị trí này sang vị trí khác trong Purine hay Pirimidine, ví dụ từ một nhóm amino sang một nguyên tử Nitơ vòng. Những biến đổi hóa học như vậy được gọi là hỗ biến hóa học Mặc dù hỗ biến hóa học hiếm khi xẩy ra nhưng chúng có vai trò quan trọng trong duy trì cấu trúc chính xác của ADN bởi vì một số hỗ biến hóa học có thể làm thay đổi khả năng kết cặp giữa các Bazơ nitơ. Cấu trúc hóa học của ADN được mô tả là dạng phổ biến bền vững mà ở dạng này Adenin luôn kết cặp với Thymine cũng như Guanine luôn kết cặp với Cytosine và ngược lại. Các dạng bền vững của các bazơ nitơ là keto (đối với G và T) và amino (đối với A và C) rất hiếm khi bị hỗ biến hóa học thành dạng kém bền hơn là enol và imino. Thời gian tồn tại ơ dạng kém bền của các bazơ nitơ rất ngắn. Tuy vậy nếu đúng lúc các bazơ nitơ tồn tại ở dạng hỗ biến hóa học kém bền mà chúng được huy động tham gia vào quá trình sao chép ADN và lắp ráp vào mạch ADN đang tổng hợp thì đột biến (thay thế nucleotit) sẽ xẩy ra. Khi bazơ nitơ tồn tại ở dạng hỗ biến hóa học hiếm gặp (enol đối với G và T, imino đối với A và C) thì các cặp bazơ được hình thành là A = C và G = T. Hậu quả của hiện tượng này là sau hai lần sao chép sẽ xẩy ra đột biến thay thế cặp nucleotit A = T thành cặp G = C, hoặc thay G = C thành A = T. G* G* T A* X T 3 Các đột biến gây ra bởi hỗ biến hóa học dẫn đến sự thay thế cặp Purine – Pirimidine này bằng cặp Purine – Pirimidine khác và ngược lại (đột biến đồng hoán). Còn đột biến thay thế purine thành pirimidine và ngược lại thì gọi là đột biến dị hoán. Có 4 đồng hoán và 8 dị hoán khác nhau. b. Sao chép lệch mục tiêu Sự sao chép lệch mục tiêu là do sự hình thành các vòng ADN mạch đơn thường hình thành ở các đoạn các trình tự nucleotit ngắn lặp lại liên tục. Nếu vòng này xuất hiện từ mạch khuôn thì có khả năng mất nucleotit, còn nếu xuất phát từ mạch đang được tổng hợp thì có xu hướng thêm nucleotit. Đoạn trình tự ngắn lặp lại liên tục được gọi là đơn vị lặp lại. Nếu đơn vị lặp lại không phải là bội số của 3 thì đột biến do sao chép lệch mục tiêu có xu hướng dẫn đến đột biến dịch khung. 3.2. Đột biến do các tác nhân hóa học Các tác nhân đột biến hóa học có thể chia ra hai nhóm chính: + Nhóm các hợp chất tác động đến ADN đang sao chép hay không sao chép gồm các chất alkyl hóa và axit nitơ + Nhóm các hợp chất tác động đến ADN đang sao chép bao gồm các hợp chất có cấu trúc phân tử gần giống các purine và pyrimidine (gọi là các hợp chất thế bazơ nitơ) Ngoài ra còn có các thuốc nhuộm acridine có thể xen vào giữa phân tử ADN làm phát sinh sai sót trong sao chép ADN. 4 a. Các hợp chất thay thế bazơ nitơ: Chúng có cấu trúc phân tử giống với các bazơ nitơ nên có thể gắn vào chuỗi polynucleotit đang tổng hợp, nhưng đồng thời chúng cũng đủ khác các bazơ nitơ để gây nên sự kết cặp sai trong quá trình sao chép. Có hai hợp chất gây đột biến điển hình hoạt động theo cơ chế thế bazơ nitơ là 5-BU (5 – Bromouracine) và 2-AP (2 – Aminopurine) 5-BU có cấu trúc phân tử giống với Thymine (ở vị trí C5 của 5-BU có nhóm Bromine giống với nhóm Methyl ở vị trí này của Thymine). Nhưng do nhóm bromine hay thay đổi sự phân bố điện tích nên dễ xẩy ra hổ biến hóa học. Ở dạng bền Keto 5-BU liên kết với Adenine nhưng khi bị hổ biến về dạng enol 5-BU lại liên kết với Guanine. Hậu quả của đột biến do 5-BU gây ra giống với dạng đột biến do hổ biến hóa học của các bazơ nitơ trong đột biến tự phát (phần a). Hay đột biến do 5-BU gây ra thường là đồng hoán (A = T thành G = C). Tuy nhiên dạng hổ biến enol của 5-BU lại xuất hiện đúng vào lúc mạch ADN đang tổng hợp thì 5-BU có thể kết cặp với Guanine và dẫn đến đột biến ngược (G = C thành A = T). Do dạng enol là dạng hiếm khó gặp nên tần số đột biến ngược nhỏ hơn tần số đột biến thuận. - Axit nitơ (HNO2): Là chất gây đột biến mạnh tác động lên ADN bất kể phân tử này đang sao chép hay không sao chép. Do có tính oxy hóa mạnh làm loại nhóm amin (NH2) ra khỏi bazơ nitơ A, G và C. Phản ứng này làm thay đổi dạng amino thành dạng keto và làm thay đổi khả năng tạo liên kết hidro của các bazơ này. Adenine sau khi loại bỏ nhóm amin thì có xu hướng liên kết hidro với Cytozine, Cytozine thì chuyển thành Uracil lại có xu hướng liên kết với A, Guanine khi bị loại nhóm amin chuyển thành Xanthine; nhưng xanthine vẫn liên kết với Cytosine. Nên loại nhóm amin đối với G không gây đột biến. 5 b. Các thuốc nhuộm acridine là các chất gây đột biến mạnh theo kiểu dịch khung. Các phân tử thuốc nhuộm acridine có tính kiềm luôn có xu hướng tạo liên kết và xen vào giữa các cặp bazơ nitơ xếp chồng lên nhau trên chuỗi ADN. Khi ADN đang sao chép liên kết với acridine nó thường dẫn đến đột biến mất một hoặc một số bazơ nitơ dẫn đến đột biến dịch khung. c. Các chất alkyl hóa các chất này có thể chuyển nhóm alkyl của chúng cho các hợp chất khác. Chúng bao gồm khí mù tạt và các hợp chất methyl và ethyl methane sulfate (MMS và EMS). Các hợp chất này có thể gây ra nhiều dạng đột biến khác nhau. 3.3. Đột biến do các tác nhân vật lý a. Bước xạ ion hóa: Gồm tia X, tia Gamma,… có năng lượng cao và có khả năng xuyên sâu qua các mô. Trong quá trình truyền qua các mô, tế bào, các tia phóng xạ va chạm vào hạt nhân và làm giải phóng điển tự tạo nên các gốc tự do tích điện dương hoặc các ion. Đến lượt mình các ion va chạm vào các phân tử khác và làm giải phóng các điển tử khác tiếp theo. Kết quả là một hình nón của các ion hình thành dọc theo đường đi của tia xạ khi nó xuyên qua các mô. b. Tia UV: Không đủ mức năng lượng để gây ra hiệu ứng ion hóa. Nhưng nó lại được hấp thụ nhiểu bởi các phân tử hữu cơ trong đó có Purine và Pyrimidine của ADN, và nguyên tử của các phân tử này sau đó chuyển sang trạng thái kích thích. Do khả năng xuyên sâu kém nên tia UV chỉ tác động lên các tế bào bề mặt của sinh vật đa bào. Các Pyrimidine sau khi hấp thụ tia UV ở bước sóng 254nm chúng trở nên có khả năng phản ứng mạnh. Hiệu ứng nổi bật của tia UV đối với Pyrimidine (T và C) là sự hình thành các Pyrimidine hydrate (găn thêm gốc –OH) và sự hình thành phức kép pyrimidine. Các phức kép Thymine (T::T) có thể gây đột biến theo hai cách: + Làm biến dạng cấu trúc ADN dẫn đến sao chép sai + Kích hoạt hệ thống sữa chữa ADN theo cơ chế SOS dễ phát sinh đột biến (như chúng ta đã biết một số sai hỏng của ADN trong quá trình sao chép có thể ngăn cản việc tiếp tục chuyển động của bộ máy sao chép trên ADN khuôn. Nếu không được khắc phục, tế bào sẽ chết. Trong trường hợp này, có một phương tiện sửa chữa “cứu cánh” được gọi là sự tổng hợp ADN bỏ qua sai hỏng, cho phép sao chép bỏ qua sai hỏng và tiếp tục. 6 Hệ thống SOS cho phép tế bào sống sót thay cho bị chết, mặc dù nó thường tạo ra những đột biến mới nên cơ chế này còn gọi là cơ chế sửa chữa dễ gây đột biến. IV. SỰ DI TRUYỀN VÀ BIỂU HIỆN CỦA ĐỘT BIẾN GEN - Đột biến giao tử: Phát sinh trong giảm phân tạo giao tử, qua thụ tinh sẽ đi vào hợp tử + Đột biến gen trội: Sẽ được biểu hiện thành kiểu hình ngay ở cơ thể đột biến + Đột biến gen lặn: Biểu hiện thành kiểu hình ở trạng thái đồng hợp tử lặn (aa) Ví dụ: bệnh bạch tạng - Đột biến tiền phôi: Đột biến xảy ra ở những lần phân bào đầu tiên của hợp tử tồn tại trong cơ thể và truyền lại cho thế hệ sau qua sinh sản hữu tính - Đột biến xoma: Xảy ra trong nguyên phân ở tế bào sinh dưỡng, sẽ được nhân lên và biểu hiện ở một mô hoặc cơ quan nào đó (Ví dụ: Cành bị đột biến nằm trên cây bình thường do đột biến xoma ở đỉnh sinh trưởng). Đột biến xoma không thể di truyền qua sinh sản hữu tính. V. MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘT BIẾN GEN VỚI MÃ DI TRUYỀN VÀ PROTEIN - Đột biến thay đổi một codon mã hóa acid amin thành codon mới mã hóa cho cùng acid amin đó. Đột biến đồng nghĩa còn gọi là đột biến im lặng (Đột biến đồng nghĩa). - Codon mã hóa cho một acid amin này bị thay đổi thành codon mới mã hóa cho một acid amin khác được gọi là Đột biến nhầm nghĩa - Codon mã hóa cho một acid amin bị thay đổi thành codon kết thúc dịch mã được goi là đột biến vô nghĩa. - Các đột biến điểm thêm nucleotit và mất nucleotit có thể làm thay đổi khung đọc của một thông điệp di truyền, do các bộ ba mã hóa bị sắp xếp lại trong quá trình dịch mã. Trừ trường hợp khung đọc bị thay đổi xuất hiện ở gần đầu cuối gen còn trong phần lớn trường hợp đột biến protein được tạo ra mất chức năng được gọi là đột biến dịch khung. VI. HẬU QUẢ VÀ VAI TRÒ CỦA ĐỘT BIẾN GEN 6.1. Hậu quả - Xảy ra một cách ngẫu nhiên, vô hướng và không xác định. 7 - Làm biến đổi chuỗi của gen cấu trúc-> Làm biến đổi trình tự trong chuõi nucleotit trong mARN -> Làm rối loạn quá trình sinh tổng hợp prôtêin, nên nhiều đột biến gen là có hại, một số ít có lợi, một số không lợi cũng không hại cho cơ thể. 6. 2. Vai trò - Cung cấp nguyên liệu cho quá trình tiến hóa và chọn giống vì tạo ra nhiều alen mới (qui định kiểu hình mới) B. PHÂN DẠNG CÂU HỎI TỰ LUẬN Dạng 1: Dạng câu hỏi trình bày ( Tái hiện kiến thức) Câu 1. Đột biến gen là gì? Nguyên nhân gây đột biến gen ở sinh vật? Sự phát sinh của đột biến gen và hậu quả của đột biến gen phụ thuộc vào những yếu tố nào? * Trả lời: - Định nghĩa: Đột biến gen là những biến đổi đột ngột trong cấu trúc của gen. Những biến đổi này thường liên quan đến 1 cặp nuclêôtit (đột biến điểm) hoặc 1 số cặp nuclêôtit. - Nguyên nhân: + Do những sai sót ngẫu nhiên trong phân tử ADN xảy ra trong quá trình tự nhân đôi của ADN. + Tác động của các tác nhân vật lí, hóa học và sinh học của môi trường. + Đột biến có thể phát sinh trong điều kiện tự nhiên hay do con người tạo ra (đột biến nhân tạo). - Sự phát sinh phụ thuộc: + Tác nhân đột biến + Cấu trúc của gen + Vị trí gen của gen + Thời điểm xảy ra đột biến - Hậu quả phụ thuộc: + Mức độ quan trọng của gen, vị trí của gen + Loại đột biến + Loại tế bào bị đột biến 8 + Thời điểm phát sinh đột biến Câu 2. Nêu một số cơ chế phát sinh của đột biến gen Câu 3. Hậu quả của đột biến gen phụ thuộc vào những yếu tố nào? Câu 4. Nêu vai trò và ý nghĩa của đột biến gen? Dạng 2: Dạng câu hỏi phân biệt, so sánh ( Nhận biết kiến thức) Câu 1: Cách nhận biết đột biến gen qua cấu trúc phân tử protein ? * Trả lời: - Đột biến im lặng: Trình tự axit amin không thay đổi - Đột biến sai nghĩa: + Đột biến nguyên khung: Thường chỉ thay thế 1 aa + Đột biến dịch khung: Thay đổi số lượng, thành phần, trình tự aa - Đột biến vô nghĩa: Số lượng aa giảm Câu 2: Cách nhận biết đột biến xảy ra ở vùng điều hòa của gen ? Vung cấu trúc của gen ? Vùng vận hành của gen ? Câu 3. Phân biệt một số khái niệm: Đột biến, đột biến gen, thể đột biến… Câu 4. Trong 2 dạng: đột biến thay thế và đột biến thêm, mất một cặp nuclêôtit, dạng nào gây hậu quả lớn hơn? Vì sao? Dạng 3: Dạng câu hỏi giải thích( Vận dụng kiến thức) Câu 1: Tại sao có 2 gen khác nhau trong cùng 1tế bào nhưng có tần số đột biến khác nhau? * Trả lời: Tần số đột biến phụ thuộc vào: - Chiều dài của gen - Cấu trúc của gen - Vị trí của gen - Mức độ hoạt động của gen Câu 2: Tại sao đột biến thay thế thường ít gây hậu quả nhất ? Câu 3. Tại sao nói đột biến gen làm xuất hiện alen mới? 9 Câu 4. Tại sao nhiều đột biến điểm như đột biến thay thế cặp nuclêôtit lại hầu như vô hại đối với thể đột biến? Câu 5: Giả sử đột biến xảy ra ở 1 gen lặn nào đó trên cơ thể thực vật có cùng gía trị thích nghi ở cả quần thể tự thụ phấn và giao phấn thì khả năng biểu hiện của 2 thể đột biến trong 2 quần thể đó như thế nào ? Giải thích ? Dạng 4: Dạng bài tập vận dụng( Mở rộng kiến thức) Bài 1. Cho biết các bộ ba trên mARN mã hóa cho các axit amin tương ứng như sau: AUG = mêtiônin, GUU = valin, GXX = analin, UUU = phêninalanin, UUG = lơxin, AAA = lizin, UAG = kết thúc. a. Hãy xác định trình tự các cặp nuclêôtit trên gen đã tổng hợp đoạn pôlipeptit có trật tự sau: Mêtiônin – alanin – lizin – valin – lơxin – kết thúc b. Nếu xảy ra đột biến gen, mất 3 cặp nuclêôtit số 7,8,9 trong gen thì sẽ ảnh hưởng như thế nào đến mARN và đoạn pôlipeptit tương ứng? c. Nếu cặp nuclêôtit thứ 10 (X – G) chuyển thành cặp (A – T) thì hậu quả sẽ ra sao? Bài 2. Cho biết các bộ ba trên mARN mã hóa các axit amin tương ứng như sau: UGG = triptôphan, AUA = izôlơnxin, UXU = xêrin, UAU = tirôzin, AAG = lizin, XXX = prôlin. Một đoạn gen bình thường mã hóa tổng hợp một đoạn của chuỗi pôlipéptit có trật tự axit amin là: Xêrin – tirôzin – izôlơxin – triptôphan – lizin… Giả thiết ribôxôm trượt trên phân tử mARN theo chiều từ trái sang phải và một bộ ba chỉ mã hóa cho một axit amin. a. Hãy viết trật tự các ribônuclêôtit của phân tử mARN và trật tự các nuclêôtit ở hai mạch đơn của đoạn gen tương ứng. b. Nếu bị đột biến mất các cặp nuclêôtit thứ 4,11 và 12 thì các axit amin trong đoạn polipeptit tương ứng sẽ bị ảnh hưởng như thế nào? 10 Phần III. KẾT LUẬN - Chuyên đề này đã được áp dụng khi dạy chuyên đề cho học sinh ôn thi đại học của trường, học sinh học lớp chuyên và bồi dưỡng HSG, bước đầu đã thu được kết quả khả thi: Học sinh dễ hiểu, biết vận dụng kiến thức để trả lời tốt các câu hỏi tự luận, câu hỏi trắc nghiệm và làm bài tập. - Trong quá trình triển khai xây dựng chuyên đề đã gặp 1 số khó khăn như tài liệu tham khảo chuyên sâu về đột biến gen còn ít, kênh hình cho minh họa cho chuyên đề còn hạn chế. - Tôi rất mong ngày càng có nhiều tác giả quan tâm đóng góp và phát triển các chuyên đề liên quan đến đột biến gen nói chung và các chuyên đề tìm hiểu về cơ chế tác động cũng như hậu quả của đột biến gen nói riêng. Người viết chuyên đề Tạ Thị Thi Hiền 11 [...]... liệu tham khảo chuyên sâu về đột biến gen còn ít, kênh hình cho minh họa cho chuyên đề còn hạn chế - Tôi rất mong ngày càng có nhiều tác giả quan tâm đóng góp và phát triển các chuyên đề liên quan đến đột biến gen nói chung và các chuyên đề tìm hiểu về cơ chế tác động cũng như hậu quả của đột biến gen nói riêng Người viết chuyên đề Tạ Thị Thi Hiền 11 ... - Chuyên đề này đã được áp dụng khi dạy chuyên đề cho học sinh ôn thi đại học của trường, học sinh học lớp chuyên và bồi dưỡng HSG, bước đầu đã thu được kết quả khả thi: Học sinh dễ hiểu, biết vận dụng kiến thức để trả lời tốt các câu hỏi tự luận, câu hỏi trắc nghiệm và làm bài tập - Trong quá trình triển khai xây dựng chuyên đề đã gặp 1 số khó khăn như tài liệu tham khảo chuyên sâu về đột biến gen ... Đột biến gen gì? Nguyên nhân gây đột biến gen sinh vật? Sự phát sinh đột biến gen hậu đột biến gen phụ thuộc vào yếu tố nào? * Trả lời: - Định nghĩa: Đột biến gen biến đổi đột ngột cấu trúc gen. .. đột biến gen Định nghĩa - Đột biến gen biến đổi nhỏ xảy cấu trúc gen Những biến đổi thường liên quan đến cặp nuclêôtit (đột biến điểm) số cặp nuclêôtit Đặc điểm - Trong tự nhiên, gen bị đột biến. .. thuộc: + Mức độ quan trọng gen, vị trí gen + Loại đột biến + Loại tế bào bị đột biến + Thời điểm phát sinh đột biến Câu Nêu số chế phát sinh đột biến gen Câu Hậu đột biến gen phụ thuộc vào yếu tố