Operon là các gen cấu trúc có liên quan về chức năng thường phân bố theo cụm có chung một cơ chế điều hòa.

Operon Lac là Operon quy định tổng hợp các enzim thủy phân Lactôzơ.

Cấu trúc opêron Lac ở E. coli: 

- Nhóm gen cấu trúc (Z, Y, A): nằm kề nhau, có liên quan với nhau về chức năng

- Vùng vận hành (O): là đoạn mang trình tự nu đặc biệt, là nơi bám của prôtêin ức chế ngăn cản sự phiên mã của nhóm gen cấu trúc.

- Vùng khởi động (P): nơi bám của enzim ARN-polimeraza khởi đầu sao mã.

Gen điều hòa (R): không thuộc thành phần của opêron nhưng đóng vai trò quan trọng trong điều hoà hoạt động các gen của opêron qua việc sản xuất prôtêin ức chế.

- Sự hoạt động của opêron chịu sự điều khiển của một gen điều hoà (regulator: R) nằm ở trước opêron.

- Bình thường, gen R tổng hợp ra một loại prôtêin ức chế gắn vào gen chỉ huy do đó gen cấu trúc ở trạng thái bị ức chế nên không hoạt động. Khi có chất cảm ứng (ví dụ lactôzơ) thì opêron chuyển sang trạng thái hoạt động (cảm ứng).

Khi môi trường không có Lactozo: Protêin ức chế do gen điều hòa tổng hợp sẽ liên kết vào vùng vận hành làm ngăn cản quá trình phiên mã của gen cấu trúc

Hình 1: Cơ chế điều hòa hoạt động của operon Lac khi môi trường không có Lactozo

Khi môi trường có Lactozo: Lactozo (đóng vai trò như chất cảm ứng) đã liên kết với protein ức chế làm biến đổi cấu hình không gian nên protein ức chế bất hoạt và không gắn với vùng vận hành Enzim ARN polimeraza có thể liên kết vào vùng khởi động để tiến hành quá trình phiên mã. Các phân tử mARN tiếp tục dịch mã tổng hợp các enzim thủy phân Lactozo.

Hình 2 : Cơ chế điều hòa hoạt động của operon Lac khi môi trường có Lactozo

- Khi lactôzơ bị phân giải hết, chất ức chế được giải phóng, chất ức chế chuyển từ trạng thái bất hoạt sang trạng thái hoạt động đến bám vào gen chỉ huy và opêron lại chuyển sang trạng thái bị ức chế.

Trong cơ chế điều hoà hoạt động gen ở sinh vật nhân sơ, vai trò của gen điều hoà là gì?

A. Nơi tiếp xúc với enzim ARN polimeraza.

B. Mang thông tin quy định prôtêin ức chế.

C. Mang thông tin quy định enzim ARN pôlimcraza.

D. Nơi liên kết với prôtêin điều hoà.

Phương pháp giải:

Trả lời:

I. Khái quát về điều hoà hoạt động của gen

- Điều hòa hoạt động của gen là điều hòa lượng sản phẩm của gen được tạo ra.

- Điều hòa hoạt động của gen xảy ra ở nhiều mức độ:

+ Điều hòa phiên mã: Điều hòa số lượng mARN được tổng hợp trong tế bào.

+ Điều hòa dịch mã: Điều hòa lượng prôtêin được tạo ra.

+ Điều hòa sau dịch mã: Làm biến đổi prôtêin sau khi được tổng hợp để thực hiện chức năng nhất định.

II. Điều hòa hoạt động của gen ở sinh vật nhân sơ

1. Cấu trúc của ôpêrôn Lac

* Khái niệm về ôpêron: Trên ADN của vi khuẩn, các gen có liên quan về chức năng thường được phân bố thành một cụm, có chung một cơ chế điều hòa được gọi là ôpêron.

* Ôpêrôn Lac gồm 3 thành phần:

- Nhóm gen cấu trúc (Z, Y, A): Quy định tổng hợp enzim tham gia vào các phản ứng phân giải đường lactôzơ.

- Vùng vận hành (O): là vị trí tương tác với chất prôtêin ức chế ngăn cản phiên mã.

- Vùng khởi động (P): Là nơi mà ARN polimeraza bám vào và khởi đầu phiên mã.

2. Cơ chế hoạt động của Ôpêrôn lac ở E.Coli.

Khi môi trường không có Lactôzơ:

+ Gen điều hòa (R) tổng hợp prôtêin ức chế.

+ Prôtêin ức chế đến bám vào vùng vận hành.

+ Các gen cấu trúc không hoạt động phiên mã.

- Khi môi trường có Lactôzơ:

+ Phân tử Lactôzơ liên kết với prôtêin ức chế,làm biến đổi cấu hình prôtêin.

+ Prôtêin ức chế bị không liên kết được với vùng vận hành (bất hoạt), mARN của các gen Z, Y, A được tổng hợp và sau đó được dịch mã tổng hợp các enzim phân giải đường Lactôzơ.

+ Khi đường lactôzơ bị phân giải hết, prôtêin ức chế liên kết với vùng vận hành -> kết thúc phiên mã.

Sơ đồ tư duy điều hòa hoạt động của gen: