Cấu trúc và chức năng của operon lac

Cũng như các operon khác, operon lac là một cụm gen có chức năng chung là mã hóa các protein tham gia vào con phố chuyển hóa lactose có chung cơ chế điều hòa phiên mã. Các gen cấu trúc của operon này là lacZ, lacY và lacA.

Bạn Đang Xem: Operon lac là gì trong sinh học? Sự điều hòa với operon lac ở e coli được khái quát như thế nào mới nhất 2023 | LADIGI

Các gen cấu trúc thuộc operon lac

Gene Sản phẩm Chức năng Ghi chú lacZ β-galactosidase Enzyme tham gia phân giải đường lactose (đường đôi) thành glucose và galactose (đường đơn) Trong tham gia môi trường tự nhiên có chất 5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactopyranoside (viết tắt X-gal), một dẫn xuất của lactose thì enzyme này sẽ phân giải thành chất X (gây ra màu xanh) và lactose. lacY β-galactoside permease Protein kênh tham gia vận chuyển lactose từ môi trường tự nhiên vào tế bào lacA β-galactoside acetyltransferase Enzyme tham gia vận chuyển nhóm acetyl từ acetyl coenzyme A (Acetyl CoA) sang phân tử beta-galactoside Vai trò của gene này sẽ không quan trọng so với quá trình dị hóa lactose.

Xem Thêm : FUD là gì? Bí quyết tránh hiệu ứng FUD trong giao dịch

Do gen lacZ, lacY và lacA có chung trình tự phát động phiên mã, trình tự điều hòa, trình tự kết thúc quá trình phiên mã, nên mARN của operon lac có chứa cả ba sườn đọc mở của ba gen đấy. Một số tài liệu cũ gọi là mRNA đa cistron (tức một phân tử mRNA nhưng mang thông tin dịch mã cho nhiều gen khác nhau) trong những lúc mRNA ở sinh vật nhân thực là đơn cistron (tức một phân tử mRNA chỉ mang thông tin dịch mã cho một gen duy nhất) dù ngày này, ít người sử dụng thuật ngữ này do có nhiều tranh cãi xung quanh nó. Tuy vậy, chúng lại sở hữu trình tự điều hòa quá trình dịch mã riêng biệt (vùng 5’UTR) và không phụ thuộc nhau. Vì vậy, lượng protein của mỗi gen là khác nhau tùy theo nhu cầu của môi trường tự nhiên.

Nằm phía trước các gen cấu trúc là các vùng điều hòa theo chiều từ 3′ đến 5′ là promoter (vùng phát động) và operator (vùng vận hành). Promoter có chứa một số trình tự cổ hủ – gồm có hộp Pribnow – Schaller (TATAAT) ở vị trí -10 hay trình tự đồng nhất TTGACA ở vị trí -35. Những vùng ấy có chức năng là điều nhận diện để enzyme RNA polymerase II liên kết vào ADN và phát động quá trình phiên mã operon lac. Trong vùng phát động này còn tồn tại vị trí để protein CAP (một loại protein tham gia điều hòa hoạt động gen dạng dương tính) hay nói đúng là phức hệ CAP-cAMP (AMP vòng) bám vào và làm tăng ái lực của RNA polymerase với promoter.

Operator là một trình tự tham gia điều hòa biểu hiện gen. Trong tham gia không có lactose, protein ức chế sẽ liên kết vào vùng đầu 3′ của operator và một phần vùng 5′ của promoter, ngăn cản RNA polymerase trượt qua các gen cấu trúc lacZ, lacY và lacA. Do đó, operon bị khóa.

Ngoài ra, còn một gen không nằm trong vùng operon lac nhưng lại sở hữu vai trò rất quan trọng trong việc điều hòa hoạt động operon lac, đó là gen mã hóa protein ức chế lacI. lacI mã hóa protein ức chế (là một chất dị lập thể), trong tham gia không có lactose, protein lacI sẽ bám vào operator và từ đó ức chế hoạt động của operon lac.

Xem Thêm : Giao Hàng Đợt 1 Tiếng Anh Là Gì, Mẫu Hợp Đồng Mua Bán Bằng Tiếng Anh

Chức năng chính của operon giúp vi trùng phân giải và sử dụng được đường lactose trong tình huống môi trường tự nhiên chỉ có lactose là nguồn cacbon duy nhất. Nếu môi trường tự nhiên có cả lactose và đường dễ phân giải hơn như glucose thì operon lac sẽ bị tắt do cơ chế điều hòa dương tính.

Cơ chế điều hòa hoạt động operon lac

Operon lac có hai cơ chế điều hòa là điều hòa dương tính và điều hòa âm tính. Lấy một ví dụ minh họa để độc giả có thể dễ hiểu về quan hệ giữa điều hòa dương tính và điều hòa âm tính: giả sử bạn có một máy nghe nhạc, bạn bật/tắt máy nghe nhạc lên (điều hòa âm tính) sau đó bạn vặn âm lượng (volume) để âm thanh to hay nhỏ (điều hòa dương tính) để phù phù hợp với thị hiếu bản thân, nếu khách hàng bật máy nghe nhạc lên nhưng bạn kiểm soát và điều chỉnh âm lượng bằng 0 thì bạn không nghe được nhạc hoặc nếu khách hàng tắt máy thì dù bạn có vặn nút kiểm soát và điều chỉnh âm lượng thì vẫn không có tiếng nhạc. Operon lac cũng vậy, nó được điều hòa bằng phương pháp mở hay tắt (điều hòa âm tính) và khi operon đã mở thì lượng mARN được phiên mã có thể kiểm soát và điều chỉnh thành nhiều hay ít (điều hòa dương tính).

Điều hòa âm tính

Trong tham gia không có lactose, protein ức chế sẽ liên kết vào đầu 3′ của operator và một phần đầu 5′ của promoter. Lúc đó, ARN polymerase không thể trượt qua các gen cấu trúc lacZ, lacY và lacA, do đó mARN không được tạo ra (tức operon không hoạt động). Tuy nhiên, ái lực giữa protein ức chế với operator là khá yếu nên thỉnh thoảng protein ức chế sẽ tách thoát ra khỏi operator dù không có chất cảm ứng (allolactose) và tạo tham gia cho ARN polymerase phiên mã được gen lacZ, lacY và lacA, mARN này dịch mã tạo ra sản phẩm tương ứng nhất là protein vận chuyển trên màng sinh chất để sở hữu thể vận chuyển lactose vào tế bào khi môi trường tự nhiên có đường này.

Khi môi trường tự nhiên có lactose (nhưng không có những đường đơn giản) thì lactose sẽ tiến hành chuyển hóa thành đồng phân của nó là allolactose. Chất allolactose này liên kết đặc hiệu với domain tương ứng của protein ức chế. Allolactose là một chất điều hòa dị lập thể nên lúc liên kết vào miền tinh chỉnh của protein ức chế sẽ gây nên ra sự chuyển đổi cấu hình không gian vùng liên kết với operator. Do đó, phức hệ allolactose-protein không thể liên kết vào operator. Lúc này, ARN polymerase sẽ trượt qua vùng gen cấu trúc và mã hóa ra các protein tham gia phân giải đường lactose. Như vậy, allolactose là chất cảm ứng (inducer) operon lac.

Khi lactose bị tiêu thụ gần hết, thì allolactose sẽ sở hữu xu hướng tách khỏi protein ức chế (nguyên tắc Le Chatelier) vì liên kết allolactose và protein ức chế là liên kết yếu và có tính thuận nghịch. Protein ức chế quay trở về cấu hình thường nhật và bám vào vùng vận hành, làm tắt operon.

Xem thêm

• Operon
• Operon trp
• Operon arabinose

Chú thích