SINH HỌC 12 · Hệ thống đột biến gene: từ một cặp nucleotide đến thể đột biến
Đặc huấn hệ thống khái niệm Sinh học 12: đột biến gene từ định nghĩa, ba dạng đột biến điểm, bậc thang hậu quả lên protein, 5-bromouracil và các tác nhân…
THPT AI LUKATO · SINH HỌC 12 · ĐẶC HUẤN HỆ THỐNG KHÁI NIỆM
Hệ thống đột biến gene: từ một cặp nucleotide đến thể đột biến
Một chuỗi nhân quả liền mạch: tác nhân và sai sót khi tái bản, ba dạng đột biến điểm, bậc thang hậu quả lên mRNA và protein, vì sao 5-bromouracil cần ba lần tái bản, tần số đột biến, và khi nào một cá thể mang đột biến mới được gọi là thể đột biến. Bài này dạy hệ thống khái niệm chứ không dạy theo từng kiểu tình huống: hiểu chuỗi nhân quả thì giải thích được mọi hiện tượng của chủ đề.
14 SƠ ĐỒ TỰ DỰNG 6 PHÒNG THÍ NGHIỆM TƯƠNG TÁC 4 HOẠT HÌNH BẢNG MÃ THẬT 64 CODON 8 CÂU TỰ KIỂM TRA TỰ BIÊN MỌI CON SỐ ĐÃ KIỂM BẰNG MÁY
01 · TOÀN CẢNH
Bản đồ tư duy
Mọi hiện tượng về đột biến gene đều đi trên cùng một chuỗi: một tác nhân hoặc một sai sót làm DNA bị tổn thương, tái bản cố định tổn thương ấy thành sự thay đổi của một hay vài cặp nucleotide, sự thay đổi này đi qua mã di truyền thành thay đổi (hoặc không thay đổi) ở protein, protein quyết định kiểu hình, và kiểu hình có được truyền lại hay không tùy đột biến xảy ra ở tế bào nào . Sáu phần tiếp theo chỉ là sáu cách nhìn vào chuỗi đó.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Sáu mắt xích của một chuỗi nhân quả: mỗi phần của bài là một mắt xích, mỗi phòng thí nghiệm là một cách thử mắt xích đó.
Vì sao nên học đột biến gene như một hệ thống
- Khái niệm "đột biến", "thể đột biến", "mang đột biến" rất dễ lẫn. Chỉ cần phân biệt đúng một lần, hàng loạt nhận định về đột biến tự sáng tỏ. Công cụ: Phép Thử Hai Bước .
- Hậu quả lên protein là một bậc thang chứ không phải một hộp đen. Biết codon nào bị đổi và đổi thành gì thì gọi tên được đồng nghĩa, sai nghĩa, vô nghĩa hay dịch khung. Công cụ: Thang Bốn Bậc và bảng mã thật ở Phòng thí nghiệm 1.
- Số liệu của gene luôn quy về ba con số. Số nucleotide, số liên kết hydrogen, chiều dài: mỗi dạng đột biến để lại một "dấu vân tay" riêng trên ba con số ấy. Công cụ: Bảng Dấu Vân Tay .
- Tác nhân chỉ là điểm khởi đầu; tái bản mới là nơi lỗi thành đột biến. 5-bromouracil và base dạng hiếm đều phải đi qua tái bản. Công cụ: Chuỗi Cố Định .
- Đột biến đi tiếp hay dừng lại là do vị trí xảy ra. Trội hay lặn, tế bào sinh dưỡng hay giao tử quyết định biểu hiện và di truyền. Công cụ: Bộ Ba Câu Hỏi LUKATO .
Học xong, em làm được
- Định nghĩa chặt đột biến gene, đột biến điểm, thể đột biến và phân biệt "mang đột biến" với "thể đột biến".
- Phân loại ba dạng đột biến điểm và đọc ra được thay đổi về chiều dài, số liên kết hydrogen, số nucleotide từng loại.
- Dùng bảng mã để phân loại hậu quả: đồng nghĩa, sai nghĩa, vô nghĩa, dịch khung; giải thích vì sao thay thế một cặp thường nhẹ nhất.
- Xác định codon nào có thể thành codon kết thúc chỉ sau một thay thế.
- Trình bày cơ chế base dạng hiếm, 5-bromouracil (ba lần tái bản), tia UV, tia X, virus.
- Giải thích đột biến phát sinh chủ yếu qua tái bản, tần số thấp, khác nhau giữa các gene và phụ thuộc loại tác nhân, liều lượng, cường độ, cấu trúc gene.
- Xác định đột biến trội hay lặn biểu hiện khi nào, đếm thể đột biến với hai cặp gene, phân biệt đột biến tế bào sinh dưỡng với giao tử, đánh giá lợi, hại, trung tính.
02 · ĐỊNH NGHĨA CHẶT
Đột biến gene, đột biến điểm và thể đột biến
Phần này chốt ba định nghĩa. Sai ở đây thì mọi phần sau đều lung lay, vì phần lớn các nhận định về đột biến gene chỉ là cách thử xem em có phân biệt đúng các khái niệm sát nhau này hay không.
K1. Gene, allele, đột biến gene, đột biến điểm
Định nghĩa Gene là một đoạn DNA mang thông tin mã hóa một chuỗi polypeptide hoặc một phân tử RNA. Các dạng khác nhau của cùng một gene (khác nhau ở trình tự nucleotide) gọi là các allele .
Đột biến gene là những biến đổi trong cấu trúc của gene, liên quan tới một hoặc một số cặp nucleotide. Đột biến điểm là đột biến gene chỉ liên quan tới một cặp nucleotide.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Thước đo đầu tiên: biến đổi này nằm TRONG một gene (đột biến gene) hay trải qua nhiều gene (đột biến NST)?
Hệ quả Đột biến làm allele này đổi thành allele khác, nên đột biến chính là nguồn tạo allele mới. Allele trước khi đột biến thường gọi là allele ban đầu (bình thường); allele sau khi biến đổi là allele đột biến.
Hai câu hỏi nhận diện Biến đổi này (1) nằm trong một gene hay trải qua nhiều gene, và (2) chỉ liên quan một hoặc vài cặp nucleotide hay cả đoạn lớn? Chỉ khi cả hai câu trả lời là "trong một gene, một hoặc vài cặp" thì đó mới là đột biến gene; đột biến điểm là trường hợp riêng chỉ một cặp. Đột biến gene khác với đột biến NST ở chỗ nó không làm đổi hình thái hay số lượng nhiễm sắc thể.
Hiểu nhầm. "Đột biến gene là bất kì biến đổi nào của DNA." Sai: mất hay lặp cả một đoạn chứa nhiều gene thuộc đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể, một mảng kiến thức khác.
K2. Thể đột biến: phải ĐÃ BIỂU HIỆN ra kiểu hình
Định nghĩa Thể đột biến là cá thể mang đột biến đã biểu hiện ra kiểu hình . Vế "đã biểu hiện" là then chốt: một cá thể có thể mang allele đột biến mà kiểu hình vẫn bình thường, và khi đó nó mang đột biến nhưng chưa phải thể đột biến.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Thể đột biến = cá thể mang đột biến ĐÃ BIỂU HIỆN ra kiểu hình. Ô vàng là cá thể mang đột biến nhưng chưa là thể đột biến.
PHÉP THỬ HAI BƯỚC Bước 1. Cá thể có mang allele đột biến không? Nếu không: bình thường. Bước 2. Kiểu hình đã khác kiểu hình bình thường chưa? Nếu chưa: mang đột biến, chưa là thể đột biến. Nếu rồi: thể đột biến. Chỉ qua cả hai bước mới kết luận "thể đột biến".
Quy tắc Đột biến trội biểu hiện ngay ở thể dị hợp, nên cá thể dị hợp mang allele đột biến trội đã là thể đột biến. Đột biến lặn chỉ biểu hiện khi ở trạng thái đồng hợp; ở thể dị hợp, allele lặn bị allele trội át nên chưa biểu hiện. Với gene chỉ có một allele trong tế bào (sinh vật đơn bội như vi khuẩn, hoặc gene trên vùng không tương đồng của nhiễm sắc thể X ở giới có một NST X), đột biến lặn cũng biểu hiện ngay vì không có allele trội nào che.
Hiểu nhầm. "Cá thể có kiểu gene mang đột biến thì là thể đột biến." Sai: phải xét kiểu hình. Phòng thí nghiệm 4 (mục 07) cho em tự đếm các thể đột biến trên một bảng kiểu gene đầy đủ.
03 · DẠNG ĐỘT BIẾN VÀ CÁC CON SỐ CỦA GENE
Ba dạng đột biến điểm và dấu vân tay của chúng
K3. Thay thế, mất và thêm một cặp nucleotide
Định nghĩa Đột biến điểm có ba dạng: thay thế một cặp nucleotide bằng một cặp khác; mất một cặp nucleotide; thêm một cặp nucleotide. Mất và thêm làm tổng số nucleotide của gene thay đổi, còn thay thế thì không.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Đoạn gene 9 cặp (mạch trên 5' → 3'). Cặp bị biến đổi viền đỏ; H là số liên kết hydrogen của đoạn.
Thay thế còn chia hai kiểu theo số liên kết hydrogen: thay thế cùng loại (A-T thành T-A, hoặc G-C thành C-G: số liên kết hydrogen không đổi) và thay thế khác loại (A-T hoặc T-A thành G-C hoặc C-G, và ngược lại: số liên kết hydrogen đổi đúng 1).
Điều cần nhớ Trên hình, chỉ hàng "mất" và "thêm" làm số cặp thay đổi. Một thay thế vẫn giữ 9 cặp. Vì thế, chiều dài gene không đổi là dấu hiệu đầu tiên của thay thế (khi biết chỉ có một đột biến điểm).
K4. Bảng Dấu Vân Tay: N, L và H sau đột biến
Cơ sở Cặp A-T có 2 liên kết hydrogen, cặp G-C có 3. Mỗi cặp nucleotide dài 3,4 angstrom. Một gene có N nucleotide, trong đó A bằng T và G bằng C thì N = 2A + 2G, số liên kết hydrogen H = 2A + 3G = N + G, chiều dài L = (N : 2) x 3,4 angstrom.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Mọi phép đếm về gene đột biến đều bắt đầu từ ba con số: N, H và L của allele ban đầu.
Đột biến điểm · N · L · H · Thay đổi từng loại nucleotide
Thay A-T bằng T-A (hoặc G-C bằng C-G) · 0 · 0 · 0 · không đổi (A, T, G, C giữ nguyên)
Thay A-T bằng G-C · 0 · 0 · +1 · A giảm 1, T giảm 1, G tăng 1, C tăng 1
Thay G-C bằng A-T · 0 · 0 · -1 · A tăng 1, T tăng 1, G giảm 1, C giảm 1
Mất một cặp A-T · -2 · -3,4 · -2 · A giảm 1, T giảm 1
Mất một cặp G-C · -2 · -3,4 · -3 · G giảm 1, C giảm 1
Thêm một cặp A-T · +2 · +3,4 · +2 · A tăng 1, T tăng 1
Thêm một cặp G-C · +2 · +3,4 · +3 · G tăng 1, C tăng 1
(L tính bằng angstrom.) Bảng này đọc được theo hai chiều, và chiều ngược là điều làm nên sức mạnh của nó: biết sự thay đổi N, L, H của hai allele (với giả thiết đúng một đột biến điểm) thì suy ra dạng đột biến.
Quy tắc đọc ngược (giả thiết đúng một đột biến điểm)
- L và N không đổi : thay thế. Khi đó H đổi +1 nghĩa là A-T thành G-C; H đổi -1 là G-C thành A-T; H không đổi là thay cùng loại.
- L và N giảm (N giảm 2): mất một cặp. Khi đó H giảm 2 nghĩa là mất cặp A-T; H giảm 3 là mất cặp G-C.
- L và N tăng (N tăng 2): thêm một cặp. H tăng 2 là thêm cặp A-T; H tăng 3 là thêm cặp G-C.
Hiểu nhầm. "Thay thế một cặp nên số liên kết hydrogen không đổi." Sai: chỉ đúng với thay cùng loại. Thay khác loại làm H đổi đúng 1. Cũng không nên nói ngược "H đổi nên chiều dài đổi": thay A-T bằng G-C làm H đổi nhưng chiều dài không đổi.
K5. Allele đột biến khi tái bản và phiên mã: đếm theo allele nào?
Quy tắc Khi một gene (N nucleotide) tái bản k lần, số nucleotide tự do môi trường cung cấp là (2 k - 1) x N, và mỗi loại cũng nhân với (2 k - 1). Phải dùng thành phần của allele đang tái bản : nếu đột biến xảy ra trước các lần tái bản đang xét thì dùng allele đột biến; những lần tái bản đã diễn ra trước đột biến thì tính theo allele ban đầu.
Khi phiên mã một lần, mRNA có N : 2 ribonucleotide. Mỗi ribonucleotide bắt cặp với nucleotide tương ứng của mạch gốc : rA đối diện T, rU đối diện A, rG đối diện C, rC đối diện G. Vì vậy một đột biến có làm đổi thành phần mRNA hay không còn tùy cặp bị đột biến nằm ở mạch gốc như thế nào.
Phòng thí nghiệm 5 cho em chọn gene, đột biến và mạch gốc rồi tự đếm. Hãy chú ý: cùng là đột biến thay A-T bằng G-C, nhưng nếu mạch gốc mang A (thành G) thì mRNA giảm rU và tăng rC; còn nếu mạch gốc mang T (thành C) thì mRNA giảm rA và tăng rG.
PHÒNG THÍ NGHIỆM 5
Số nucleotide của allele sau đột biến và lượng nguyên liệu khi tái bản, phiên mã
Mô hình minh họa khái niệm: chọn kích thước gene, tỉ lệ G, thành phần của mạch gốc, rồi chọn một đột biến điểm. Phòng thí nghiệm tính lại số nucleotide từng loại, chiều dài, liên kết hydrogen, rồi lượng nucleotide môi trường cung cấp khi allele đột biến tái bản k lần hoặc phiên mã t lần. Số liệu là giả định để học khái niệm, không phải số đo của một gene thật.
Tổng số nucleotide của allele ban đầu
Tỉ lệ G trên tổng số nucleotide: 30%
Số A trên mạch gốc:
Số G trên mạch gốc:
Đột biến điểm
Cặp bị tác động nằm ở mạch gốc như thế nào
Số lần tái bản k: 3
Số lần phiên mã t: 2
Điều lab chứng minh Lượng nguyên liệu môi trường cung cấp chỉ là phép nhân của thành phần allele, nên mọi chênh lệch giữa allele đột biến và allele ban đầu đều được "nhân lên" (2 k - 1) lần khi tái bản k lần. Đừng nhầm "sau k lần" với "ở lần thứ k": số nucleotide dùng riêng cho lần thứ k là 2 (k-1) x N.
04 · HẬU QUẢ LÊN PROTEIN
Thang Bốn Bậc: từ codon đến chuỗi polypeptide
K6. Mã di truyền và bốn kiểu hậu quả
Nền tảng Trình tự nucleotide của gene được phiên mã thành mRNA, rồi cứ ba nucleotide liên tiếp (một codon) trên mRNA mã hóa một amino acid. Bảng mã chuẩn có 64 codon: 61 codon mã hóa amino acid , 3 codon kết thúc (UAA, UAG, UGA) và AUG vừa là codon mở đầu vừa mã hóa methionine. Mã di truyền được đọc liên tục từ một điểm xác định, theo từng nhóm ba, các codon không gối lên nhau. Mã có tính thoái hóa : nhiều codon khác nhau cùng mã hóa một amino acid (chẳng hạn Leu có sáu codon); nhưng mỗi codon chỉ mã hóa một amino acid (tính đặc hiệu).
Hai tính chất ấy là nền của cả mục này: tính thoái hóa cho phép một số thay thế không đổi amino acid; nguyên tắc đọc theo từng nhóm ba làm cho việc mất hay thêm cặp nucleotide có thể xô lệch toàn bộ phần sau.
Vuốt ngang để xem hết sơ đồ
Đọc từ trên xuống: mức tác động lên protein tăng dần. Dịch khung nghiêm trọng vì nó đổi cả đoạn phía sau, không chỉ một amino acid.
Bậc · Điều kiện xảy ra · Thay đổi ở chuỗi polypeptide · Mức tác động thường gặp
Đồng nghĩa (im lặng) · Thay thế một cặp; codon mới vẫn mã hóa cùng amino acid · Không đổi: chuỗi và protein như cũ · Thường trung tính
Sai nghĩa · Thay thế một cặp; codon mới mã hóa amino acid khác · Một amino acid bị đổi; độ dài chuỗi không đổi · Từ không đáng kể đến nặng, tùy amino acid và vị trí
Vô nghĩa · Thay thế một cặp; codon mới là codon kết thúc (UAA, UAG, UGA) · Chuỗi dừng sớm, bị cụt từ chỗ đó · Thường nặng, nhất là khi gần đầu chuỗi
Dịch khung · Mất hoặc thêm một số cặp không chia hết cho 3 trong vùng mã hóa · Mọi codon từ chỗ đột biến trở về sau bị đọc theo nhóm ba mới, nên đổi cả đoạn phía sau · Thường rất nặng