Trong mô hình Operon Lac, cụm gen cấu trúc Z, Y, A khi phiên mã sẽ tạo ra bao nhiêu phân tử mARN?
A. 1
B. 2
C. 4
D. 3
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, lacY và lacA.
| 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, lacY và lacA có chung trình tự khởi động phiên mã, trình tự điều hòa, trình tự kết thúc quá trình phiên mã, nên mRNA 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 DNA 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, lacY và lacA. 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.
Cụm gen cấu trúc Z, Y, A trong operon Lac ở E. coli không hoạt động khi
Phương pháp giải
Điều hòa hoạt động của gen là điều hòa lượng sản phẩm do gen tạo ra hay điều hòa các quá trình nhân đôi ADN , phiên mã tạo ARN và quá trình tổng hợp protein
Ý nghĩa:
+ Tế bào chỉ tổng hợp protein cần thiết vào thời điểm thích hợp với một lượng nghiên cứu cần thiết.
+ Đảm bảo các hoạt động sống của tế bào thích ứng với điều kiện môi trường cũng như sự phát triển bình thường của cơ thể
Các mức độ điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật :
+ Phiên mã,
+ Dịch mã,
+ Sau dịch mã
Điều hòa hoạt động gen của tế bào nhân sơ xảy ra chủ yếu ở mức độ phiên mã
- 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.
- 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].
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.
- Lactaza được tiết ra sẽ làm nhiệm vụ phân giải lactôzơ trong môi trường.
- 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].