Operon lac là gì trong sinh học? Sự điều hòa với operon lac ở e coli được khái quát như thế nào mới nhất 2021

Operon lac là gì trong sinh học?

404px Operon.svg

Khái quát chung về operon lac

Operon lac là một loại operon ở vi khuẩn Escherichia coli và nhiều vi khuẩn đường ruột khác, tham gia vào quá trình dị hóa đường lactose (một loại cacbohidrat có rất nhiều trong sữa hoặc các thực phẩm chế biến từ sữa như pho-mát, sữa chua…)[1][2][3]. Cơ chế điều hòa hoạt động operon lac được hai nhà khoa học người Pháp là François Jacob và Jacques Monod phát hiện và làm sáng tỏ (sau đó được trao giải Nobel Sinh lý học và Y khoa năm 1965) cũng như là một ví dụ tiêu biểu cho sự điều hòa biểu hiện gen ở sinh vật nhân sơ. Xét về các cấp độ mức độ biểu hiện gen, quá trình điều hòa operon lac thuộc dạng điều hòa phiên mã trong khi xét về sự hoạt động thì operon lac thuộc dạng operon cảm ứng (tức chỉ hoạt động khi có sự cảm ứng từ yếu tố môi trường, trong tình huống này là allolactose – một dẫn xuất của lactose).

Sự điều hòa với operon lac ở e coli được khái quát như thế nào?

– Trong tế bào có rất nhiều gen, ở mỗi thời điểm chỉ có một số gen hoạt động, phần lớn các gen còn lại ở trạng thái ức chế, tức là tế bào chỉ tổng hợp prôtêin khi cần thiết.

Ví dụ: gen quy định việc tạo ra kháng thể chống một loại bệnh nào đó chỉ hoạt động khi trong cơ thể xuất hiện mầm bệnh đó, còn phần lớn thời gian còn lại gen tồn tại ở trạng thái bị ức chế – không hoạt động.

1. Mô hình cấu trúc của Opêron Lac theo Jacôp và Mônô

– Một hệ thống gồm nhiều gen cấu trúc có liên quan về chức năng cùng phối hợp hoạt động điều hòa tổng hợp prôtêin gọi là Opêron. Một Opêron gồm:

+ Z, Y, A: cụm các gen cấu trúc: kiểm soát các pôlipeptit có liên quan về chức năng.

+ O: gen chỉ huy chi phối hoạt động của cụm gen cấu trúc.

+ P: vùng khởi động (nơi ARN – pôlimeraza bám vào và khởi đầu phiên mã).

+ R: gen điều hòa kiểm soát tổng hợp prôtêin ức chế (R không phải là thành phần của Opêron).

2. Sự điều hòa hoạt động của Opêron Lac (ở E.coli)

Vi khuẩn E.coli mẫn cảm với đường lactôzơ, do đó, khi sống trong môi trường có đường lactôzơ, E.coli sẽ tiết ra enzim lactaza để phân giải đường lactôzơ.

a) Khi môi trường không có lactôzơ

– Bình thường, gen điều hòa (R) tổng hợp một loại prôtêin ức chế gắn vào gen chỉ huy (O), do đó gen cấu trúc ở trạng thái bị ức chế nên không hoạt động. Z, Y, A sẽ không thực hiện được phiên mã và dịch mã. Vì vậy, sản phẩm của cụm gen là lactaza không được tạo thành.

b) Khi môi trường có lactôzơ

– Lactôzơ đóng vai trò là chất cảm ứng. Chất cảm ứng sẽ liên kết với prôtêin ức chế làm prôtêin ức chế thay đổi cấu hình không gian và trở nên bất hoạt (không hoạt động). Prôtêin ức chế không thể bám vào gen chỉ huy O, gen chỉ huy hoạt động bình thường điều khiển Z, Y, A thực hiện phiên mã và dịch mã tổng hợp nên sản phẩm của cụm gen là lactaza.

Có thể bạn quan tâm  Bệnh viện Grall là gì? Chi tiết về Bệnh viện Grall mới nhất 2021

– Lactaza được tiết ra sẽ làm nhiệm vụ phân giải lactôzơ trong môi trường.

3. Các cấp độ điều hòa hoạt động gen

– Điều hòa trước phiên mã: là điều hòa số lượng gen quy định tính trạng nào đó trong tế bào.

– Điều hòa phiên mã: là điều hòa việc tạo ra số lượng mARN (ví dụ: điều hòa hoạt động của cụm gen Z, Y, A trong Opêron Lac).

– Điều hòa dịch mã: là điều hòa lượng prôtêin được tạo ra bằng cách điều khiển thời gian tồn tại của mARN, thời gian dịch mã hoặc số lượng ribôxôm tham gia dịch mã.

– Điều hòa sau dịch mã: là điều hòa chức năng của prôtêin sau khi đã dịch mã hoặc loại bỏ prôtêin chưa cần thiết (ví dụ: điều hòa hoạt động gen R trong mô hình điều hòa Opêron Lac).

Cấu trúc và chức năng của operon lac

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

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 điều kiện môi trường 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 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 không quan trọng đối với quá trình dị hóa lactose.

Do gen lacZ, lacYlacA có chung trình tự khởi động phiên mã, trình tự điều hòa, trình tự kết thúc quá trình phiên mã, nên mARN của operon lac có chứa cả ba khung 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 khi 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 nay, ít người sử dụng thuật ngữ này do có nhiều tranh cãi xung quanh nó. Tuy thế, chúng lại có 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.

Nằm phía trước các gen cấu trúc là các vùng điều hòa theo chiều từ 3′ đến 5′ là promoter (vùng khởi động) và operator (vùng vận hành). Promoter có chứa một số trình tự bảo thủ – bao gồm 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 điểm nhận biết để enzyme RNA polymerase II liên kết vào ADN và khởi động quá trình phiên mã operon lac. Trong vùng khởi động này còn có vị trí để protein CAP (một loại protein tham gia điều hòa hoạt động gen dạng dương tính) hay nói chính xác 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 điều kiện 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, lacYlacA. Do đó, operon bị khóa.

Ngoài ra, còn một gen không nằm trong vùng operon lac nhưng lại có 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 điều kiện không có lactose, protein lacI sẽ bám vào operator và từ đó ức chế hoạt động của operon lac.

Chức năng chính của operon giúp vi khuẩn phân giải và sử dụng được đường lactose trong tình huống môi trường chỉ có lactose là nguồn cacbon duy nhất. Nếu môi trường 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 bạn đọc có thể dễ hiểu về mối 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 hợp với sở thích bản thân, nếu bạn bật máy nghe nhạc lên nhưng bạn điều chỉnh âm lượng bằng 0 thì bạn không nghe được nhạc hoặc nếu bạn tắt máy thì dù bạn có vặn nút điều chỉnh âm lượng thì vẫn không có tiếng nhạc. Operon lac cũng vậy, nó được điều hòa bằng cách mở hay tắt (điều hòa âm tính) và khi operon đã mở thì lượng mARN được phiên mã có thể điều chỉnh thành nhiều hay ít (điều hòa dương tính).

Điều hòa âm tính

300px Beta D Lactose.svg
Lactose gồm hai đường đơn là galactose và glucose liên kết với nhau bằng liên kết beta-1,4-glycoside
300px Allolactose.svg
Allolactose gồm hai đường đơn là galactose và glucose liên kết vơi nhau bằng liên kết beta-1,6-glycoside

Trong điều kiện không có lactose, protein ức chế sẽ liên kết vào đầu 3′ của operator và một phần đầu 5′ của promoter. Khi ấy, ARN polymerase không thể trượt qua các gen cấu trúc lacZ, lacYlacA, 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 ra khỏi operator dù không có chất cảm ứng (allolactose) và tạo điều kiện cho ARN polymerase phiên mã được gen lacZ, lacYlacA, mARN này dịch mã tạo ra sản phẩm tương ứng đặc biệt là protein vận chuyển trên màng sinh chất để có thể vận chuyển lactose vào tế bào khi môi trường có đường này.

Khi môi trường có lactose (nhưng không có các đường đơn giản) thì lactose sẽ được 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 khi liên kết vào miền điều khiển của protein ức chế sẽ gây ra sự biến 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 có xu hướng tách khỏi protein ức chế (nguyên lý 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 bình thường và bám vào vùng vận hành, làm tắt operon.

Xem thêm

  • Operon
  • Operon trp
  • Operon arabinose

Chú thích

  1. ^ Phạm Thành Hổ: “Di truyền học” – Nhà xuất bản Giáo dục, 1998.
  2. ^ Đỗ Lê Thăng: “Di truyền học” – Nhà xuất bản Giáo dục, 2005.
  3. ^ “Sinh học 12” – Nhà xuất bản Giáo dục, 2019.

 

Lấy từ “https://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Operon_lac&oldid=63268047”

Từ khóa: Operon lac, Operon lac, Operon lac

operon lac
operon lac là gì
operon lac là
chức năng của operon lac
cấu trúc của operon lac
operon là gì
operator là gì trong sinh học
operonlac
thế nào là operon lac
z y a lac operon
thế nào là một operon
thế nào là 1 operon
sự điều hoà với operon lac ở e.coli được khái quát như thế nào
opêron lac
operon lac e coli
operan lac
opero lac
tại sao gọi là operon lac
cấu trúc operon lac
thế nào là operon
operon la gi
vai trò của lactose trong mô hình operon lac là
trong operon lac
sự điều hòa đối với operon lac ở e coli được khái quát như thế nào
mô hình operon lac là mô hình điều hòa ở cấp độ nào

LADIGI – Công ty dịch vụ SEO Google giá rẻ, SEO từ khóa, SEO tổng thể cam kết lên Top Google uy tín chuyên nghiệp, an toàn, hiệu quả.

Scores: 4.2 (91 votes)

100 lần tự tìm hiểu cũng không bằng 1 lần được tư vấn