Điều hoà âm tính của các operon cảm ứng: lac operon

Đại diện cho tất cả các operon của các loại đường di- và polysaccharide (mà vi khuẩn sử dụng như một nguồn cung cấp các hợp chất carbon và năng lượng) là operon lactose ở E. coli. Operon lactose có chức năng sản sinh các enzyme tham gia vào quá trình hấp thụ và phân giải đường lactose (một disacharide) thành galactose và glucose.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều hoà âm tính của các operon cảm ứng: lac operon Điều hoà âm tính của cácoperon cảm ứng: lac operonĐại diện cho tất cả các operon của cácloại đường di- và polysaccharide (mà vikhuẩn sử dụng như một nguồn cung cấpcác hợp chất carbon và năng lượng) làoperon lactose ở E. coli.Operon lactose có chức năng sản sinh cácenzyme tham gia vào quá trình hấp thụvà phân giải đường lactose (mộtdisacharide) thành galactose và glucose.Nó chỉ hoạt động khi có mặt đườnglactose, vì vậy lactose được gọi là chấtcảm ứng và lac operon được gọi làoperon cảm ứng (inducible) hay operondị hoá (catabolite). Nói đúng ra, chấtcảm ứng là allolactose; lactose (liên kếtgalactosid dạng β-1,4) bị biến đổi thànhchất trung gian trong quá trình thuỷ phânlactose dưới tác dụng của β-galactosidase, gọi là allolactose (liên kếtβ-1,6).1. Cấu trúc của lac operonCác thành phần của lac operon ở E. colinhư sau :Cấu trúc chi tiết các vùng khác nhau củaoperon lactose.- Nhóm các gene cấu trúc bao gồm bagene: lacZ, lacY và lacA (nói gọn là Z, Yvà A); trong đó lacZ mã hoá cho bgalactosidase (thuỷ phân lactose), lacYmã hoá cho permease (vận chuyểnlactose qua màng) và lacA mã hoátransacetylase (chức năng không rõ ràng;theo ý nghĩa nó không phải là enzymeliên quan trực tiếp đến sự chuyển hoálactose).- Yếu tố chỉ huy (lac operator) là trình tựDNA dài ~34 cặp base cách gene Zchừng 10 cặp base về phía trước, là vị trítương tác với chất ức chế. Nó chứa trìnhtự 24 cặp base đối xứng xuôi ngược,giúp chất ức chế (lac repressor) có thểnhận biết và bám vào bằng cách khuếchtán dọc theo DNA từ cả hai phía.- Vùng khởi động (lac promotor) là đoạnDNA dài chừng 90 cặp base nằm trướcvà trùm lên lac operator 7 cặp base. Nóchứa hai vị trí tương tác với RNApolymerase và với protein hoạt hoá dịhoá (catabolite activator protein = CAP,hoặc CRP - xem mục V). Điểm khởiđầu phiên mã là vị trí gần cuối của lacpromoter.- Gene điều hoà (regulatory gene) nằmtrước vùng khởi động, mã hoá mộtprotein ức chế gồm bốn polypeptidegiống nhau, gọi là tứ phân (tetramer),đều chứa 360 amino acid.2. Cơ chế điều hoà âm tính của lacoperonKhi trong môi trường nuôi cấy E. colivắng mặt lactose (allolactose, chất cảmứng) thì lac operon không hoạt động,nghĩa là các enzyme tham gia hấp thụ vàphân giải lactose không được sinh ra.Nguyên nhân là do chất ức chế củaoperon (lac repressor) vốn tự thân cóhoạt tính, bám chặt vào yếu tố chỉ huy(lac operator) và gây kìm hãm sự phiênmã của các gene cấu trúc Z, Y và A. Dođó các sản phẩm enzyme của lac operonkhông được tạo ra; tức biểu hiện âmtính.(a) (b)(a) Chất ức chế bám chặt lac operatorgây ức chế phiên mã; (b) Mô hình lacoperator (rìa trái) bị bám chặt bởiprotein ức chế (rìa phải).Ngược lại, nếu bổ sung lactose vào môitrường thì một thời gian sau vi khuẩn sẽbắt đầu hấp thụ và phân giải nó, nghĩalà các enzyme liên quan đã được sinh ra.Sự kiện này được lý giải như sau: Chấtcảm ứng (inducer), ở đây là allolactose -dạng biến đổi của lactose - tương tácvới chất ức chế (repressor) làm biến đổicấu hình của chất này. Một phân tửallolactose bám vào một tiểu đơn vị củachất ức chế. Vì vậy chất ức chế mất áilực và không thể bám vào lac operator;nó tách ra khỏi DNA. Lúc này các genecấu trúc được phiên mã và các enzymetương ứng được tổng hợp, nhờ vậy vikhuẩn có thể hấp thụ và phân giảiđường lactose Lactose vì vậy là tác nhângây cảm ứng (hoạt hoá) lac operon.Ngoài ra, ITPG (isopropylthiogalactoside) cũng được dùng nhưmột chất cảm ứng nhưng không phải làtác nhân sinh lý.Chất cảm ứng kết hợp với chất ức chếvà làm biến đổi hình dáng của nó; chấtức chế vì vậy không bám được vào lacoperator. Kết quả là các gene cấu trúccủa lac operon được phiên mã tạo raphân tử mRNA polycistron và các enzymetương ứng được tổng hợp.Phương thức điều hoà như thế được gọilà điều hoà cảm ứng - âm tính, bởi vìchất ức chế lac operon một khi bám vàolac operator sẽ kìm hãm phiên mã, nghĩalà gây hiệu quả âm tính lên sự biểu hiệncủa các gene; và hoạt động chức năngcủa protein này lại phụ thuộc vào chấtcảm ứng. Nhờ cơ chế điều hoà kiểu liênhệ ngược này mà vi khuẩn có thể thíchứng để tồn tại và phát triển một cáchhợp lý.Chất ức chế một khi được bám đầy đủbởi allolactose thì tách khỏi operatorkhiến cho sự điều hoà âm tính (sự ứcchế) được làm dịu bớt, tuy nhiên RNApolymerase vẫn chưa thể tạo thành mộtphức hợp bền vững với promoter để cóthể khởi đầu phiên mã được.Về cơ bản, cơ chế mở của lac operonđược trình bày như trên; nhưng thực rasự hoạt động của chất cảm ứng mới chỉlàm dịu bớt (alleviation) sự điều hoà âmtính (sự ức chế) của lac operon. Trênhình cho thấy ngay cả khi chất ức chếđã tách khỏi operator, RNA polymerasevẫn không thể bám ổn định vào promotervà khởi đầu phiên mã - nó không có áilực đủ cao đối với promoter để bám vàođủ lâu để có thể khởi đầu tạo thành liênkết phosphodiester đầu tiê ...