6. Ligase (synthetase)
5.2.Điều hòa sinh tổng hợp enzyme
Sự điều hòa số lượng enzyme trong tế bào có thể thực hiện theo các cơ chế điều hòa chính như sau:
5.1.1 Điều hòa theo kiểu đóng mở gen tác động (operator) – Hiện tượng trấn áp và cảm ứng sinh tổng hợp enzyme
Hiện tượng trấn áp (ức chế): (repression): là làm giảm quá trình sinh tổng hợp enzyme do sản phẩm cuối cùng của quá trình phản ứng tạo ra.
- Hiện tượng này thường gặp đối với các enzyme xúc tác cho quá trình sinh tổng hợp một chiều như quá trình sinh tổng hợp axit amin, nucleotit…
Ví dụ, Khi thêm một axit amin nào đó vào môi trường nuôi cấy vi khuẩn thì tế bào không cần phải tổng hợp axit amin này nữa do đó sẽ đình chỉ quá trình sinh tổng hợp các enzyme cần xúc tác cho các phản ứng dẫn đến sự tạo thành axit amin đó. Các enzyme này chỉ được tổng hợp trở lại khi có nhu cầu nghĩa là khi nồng độ của axit amin tương ứng bị giảm xuống.
- Đối hệ thống phân nhánh nghĩa là quá trình dẫn đến việc tạo thành các sản phẩm cuối cùng khác nhau từ một chất chung ban đầu thì cơ chế trấn áp có thể thực hiện theo các cách khác nhau.
Ví dụ, Phản ứng đầu tiên của quá trình sinh tổng hợp các axit amin: lizin, methionin, treonin đều do enzyme aspactokinase xúc tác. Enzyme này có ba dạng izoenzyme, ký hiệu al, am, at. Quá trình sinh tổng hợp izoenzyme al bị trấn áp bởi nồng độ của lizin, am sẽ bị trấn áp bởi nồng độ của methionin. Riêng đối với izoenzyme at thì treonin vừa là sản phẩm cuối cùng của quá trình tổng hợp axit amin, vừa là nguyên liệu
ban đầu để sinh tổng hợp izoloxin. Do đó, quá trình sinh tổng hợp at chỉ bị trấn áp khi cả hai sản phẩm treonin, izoloxin đều đạt nồng độ cao vượt quá nhu cầu của tế bào.
Hiện nay, các nhà khoa học cho rằng cơ chế trấn áp trong trường hợp này do aminoaxit – tRNA tạo ra.
Hiện tượng cảm ứng: là làm tăng lượng enzyme có trong tế bào.
Chất cảm ứng được xem như một chất nền (bộ khung C) để sinh tổng hợp enzyme, có thể là những sản phẩm trung gian của quá trình biến đổi các chất hoặc nhiều cơ chất của enzyme.
Trong số các enzyme do vi sinh vật tổng hợp, có một số enzyme bình thường chỉ được tổng hợp với một lượng rất ít, nhưng hàm lượng của chúng có thể tăng lên rất nhiều lần, khi thêm một số chất nhất định vào môi trường nuôi cấy. Hiện tượng này gọi là hiện tượng cảm ứng; enzyme này là enzyme cảm ứng; chất gây nên hiệu quả này gọi chất cảm ứng.
Các enzyme cảm ứng thường là những enzyme xúc tác cho quá trình phân giải như proteinase, amylase, pectinase, xenlulase…
Ví dụ, sinh tổng hợp β-galactosidase ở tế bào E.Coli, khi nuôi cấy E.Coli trong môi trường có glucose và glixerin, vi khuẩn chỉ tổng hợp được khoảng 10 phân tử β- galactosidase trên một tế bào. Nếu chuyển sang môi trường có chứa lactose thì nguồn cacbon duy nhất thì hàm lượng này tăng lên đến gần 1000 lần
Sự cảm ứng thường có tính chất dây chuyền. Trong hệ thống bao gồm nhiều phản ứng, cơ chất đầu tiên của hệ thống có thể cảm ứng quá trình tổng hợp tất cả các enzyme xúc tác cho quá trình chuyển hóa nó. Cơ chế này được thực hiện như sau: trước hết, chất cảm ứng sẽ làm tăng quá trình tổng hợp enzyme đầu tiên, sau đó sản phẩm của phản ứng này lại cảm ứng tổng hợp enzyme thứ hai để phân hủy nó, tiếp theo sản phẩm thứ hai lại cảm ứng tổng hợp enzyme thứ ba..
Ví dụ, histidin có tác dụng cảm ứng hàng loạt các enzyme xúc tác cho quá trình chuyển hóa nó thành axit glutamic.
Cơ chế điều hòa theo kiểu trấn áp và cảm ứng
a. Zacob và Monod đã đề ra mô hình giải thích cơ chế của hiện tượng trấn áp và cảm ứng dựa trên cơ sở di truyền.
Phân tử DNA trong nhiễm sắc thể được chia ra nhiều loại gen khác nhau. Trong đó có những gen quan trọng như sau:
- Gen cấu trúc (ký hiệu S1, S2,S3): Gen này đảm nhận tổng hợp protein enzyme. Các gen cấu trúc được sắp xếp liền nhau trên DNA và có khả năng điều khiển sự tổng hợp một loại protein hay enzyme nhất định.
- Gen tác động (operator, ký hiệu O): nằm cạnh gen cấu trúc, đảm bảo cho quá trình sao chép mã ở gen cấu trúc theo cơ chế “đóng mở”. Quá trình sao chép mã chỉ có thể tiến hành khi gen operator ở trạng thái “mở” (không kết hợp với một chất nào cả) và ngừng lại khi nó bị “đóng” (kết hợp với một chất đặc biệt gọi là chất trấn áp)
- Gen khởi động (promotor, ký hiệu P): đứng trước gen operator, là đoạn DNA mà RNA-polymerase sẽ kết hợp và bắt đầu sao chép các gen cấu trúc
- Gen điều hòa (regulator, ký hiệu R): gen này mã hóa cho một protein đặc biệt gọi là chất trấn áp (repressor). Chất trấn áp có vai trò “đóng mở” gen operator. Do đó gen điều hòa có thể kiểm tra quá trình sao chép gen cấu trúc thông qua chất trấn áp này.
b. Trong trường hợp điều hòa sinh tổng hợp enzyme theo cơ chế trấn áp:
- Do gen điều hòa còn ở dạng không hoạt động (aporepressor) chưa có khả năng kết hợp với gen operator nên quá trình sao chép các gen cấu trúc tiến hành bình thường
- Các enzyme được tổng hợp xúc tác các phản ứng tạo thành sản phẩm cuối cùng. - Sản phẩm cuối cùng này có khả năng kết hợp và hoạt hóa aporepressor
- Aporepressor hoạt hóa sẽ kết hợp với operator ngăn cản quá trình sao chép các gen cấu trúc làm ngừng việc tổng hợp RNAtt tương ứng do đó đình chỉ quá trình sinh tổng hợp các enzyme tương ứng. Trong trường hợp này sản phẩm cuối cùng được coi như một chất trấn áp (corepressor) (Hình 8.5)
- Khi nồng độ sản phẩm giảm xuống thấp, aporepressor trở nên mất hoạt tính và tách ra khỏi gen operator, làm cho sự truyền đạt những thông tin cấu trúc trở lại hoạt động bình thường, và như vậy sự tổng hợp enzyme được phụ hồi.
Không có corepressor (sản phẩm cuối cùng)
Có corepressor:
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình5.2. Cơ chế trấn áp sinh tổng hợp enzyme bởi sản phẩm cuối cùng
c. Đối với trường hợp cảm ứng
- Khi không có mặt chất cảm ứng, chất trấn áp repressor được tổng hợp đã ở trạng thái hoạt động. Nó kết hợp với operator, quá trình sao chép mã của gen cấu trúc bị bao vây nên các enzyme tương ứng không được tổng
- Khi có mặt chất cảm ứng, chất trấn áp bị mất hoạt động tách khỏi gen operator và quá trình sao chép mã bắt đầu. Kết quả làm tăng lượng enzyme được tổng hợp
Không có chất cảm ứng
Có chất cảm ứng
Hình 5.3. Cơ chế điều hòa cảm ứng sinh tổng hợp enzyme
Trong đó:
+ A, B, C, D cơ chất và các sản phẩm của chuỗi phản ứng do enzyme E1, E2, E3 xúc tác
+ AP: RNA - polymerase.
5.1.2 Điều hòa tương tác giữa RNA – polymerase với gen promotor
Quá trình tổng hợp một số enzyme cảm ứng xúc tác cho quá trình phân giải không chỉ chịu tác động bởi cơ chế cảm ứng mà còn chịu tác động bởi nhiều cơ chế
khác, trong đó có tác động của AMP vòng gọi là “trấn áp phân giải”. AMPv có tác dụng kích thích quá trình sao chép mã của các operon phân giải
Tác dụng kích thích của AMPv đối với quá trình sao chép được thực hiện nhờ một protein đặc biệt làm trung gian gọi là protein nhân AMP hay còn gọi là protein hoạt hóa gen phân giải., viết tắt CAP
Khi AMPv kết hợp với CAP tạo thành phức có tác dụng hoạt hóa gen promotor làm cho RNA-polymerase dễ dàng kết hợp với chúng để bắt đầu sao chép mã. Như vậy, AMTv có tác dụng làm tăng quá trình sao chép.
Glucose và một số đường khác khi cho thêm vào môi trường nuôi cấy vi khuẩn sẽ làm giảm quá trình sinh tổng nhiều enzyme cảm ứng, ngay cả khi có chất cảm ứng trong môi trường. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng glucose
Chương 6