Dựa vào chức năng của các gen tham gia vào quá trình tổng hợp protein có thể phân thành các loại gen như sau: + Gen Promoter (P): đứng trước gen operator, là vị trí liên kết RNA polymerase. Promoter điều khiển việc nhận biết vị trí khởi đầu phiên mã của RNA
polymerase. Ở vi khuẩn, hai trình tự consensus quan trọng trong promoter là TATAAT ( ở vị trí -10) và TTGACA ( ở vị trí -35).
Hình 1.9: Cấu trúc của Operon Lac [66]
+ Gen điều hòa(i): gen này mã hóa cho một protein đặc biệt gọi là chất kìm hãm (repressor). Chất kìm hãm 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 kìm hãm này.
Protein kìm hãm được tạo thành từ bốn chuỗi polypeptid (homotetramer).
Trên protein kìm hãm có hai vị trí liên kết: một gắn với một trình tự gồm 24 cặp base của operator trong operon Lac và một gắn với chất cảm ứng lactose. Protein kìm hãm gắn với DNA chủ yếu bằng liên kết tĩnh điện được tạo thành giữa các acid amin tích điện dương của protein (ví dụ; Lys, Arg, …) với khung sườn deoxyribose-phosphat tích điện âm của DNA.
+ Gen operator (O): Ở cạnh nhóm gen cấu trúc, đảm bảo cho quá trình sao mã các gen cấu trúc theo cơ chế ‘đóng mở” tựa công tắc của một dãy đèn. Quá trình sao chép chỉ có thể tiến hành khi gen
Promoter của gen điều hòa(Pi) Gen điều hòa(i) Promoter của gen cấu trúc(Plac ) Gen cấu trúc Operator Operon Lac
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 kìm hãm).
Các gen cấu trúc cùng với gen operator tạo thành một đơn vị sao chép sơ cấp gọi là operon. Sự
tổng hợp ARNm được bắt đầu ở một đầu của operon và chuyển qua gen cấu trúc đến đầu kia của operon.
+ Gen cấu trúc (S): Gen cấu trúc mã hóa enzym (hay protein) cần được tổng hợp. Các gen mã hóa các enzym được xắp xếp liền nhau thành một nhóm trên ADN. Chúng làm khuôn để tổng hợp phân tử
ARN thông tin ( mARN) để từđó tổng hợp nên phân tử protein tương ứng. Trong operon Lac có ba gen cấu trúc:
Gen Z: Mã hóa cho enzym β-galactosidase (β-gal). Enzym này thủy phân lactose thành glucose và galactose. Khi được cảm ứng bằng lactose, số lượng enzym β-galactosidase tăng từ hầu như bằng không lên đến khoảng 2% trọng lượng của tế bào.[67],[68]
Gen Y: Mã hóa cho gen permease. Enzym này làm tăng tính thấm của màng tế bào với các β- galactosid. Permease vận chuyển lactose từ môi trường nuôi cấy qua màng tế bào chất để vào bên trong của tế bào. [67],[68]
Gen A: Mã hóa cho enzym transacetylase. Chức năng của enzym này chưa được hiểu rõ. [67],[68]
+ CAP: là một trình tự gồm 16 cặp base nằm phía trước promoter, là vị trí mà protein CAP (catabolite activator protein) gắn với DNA. Protein CAP hay còn gọi là protein CRP(cAMP receptor protein) có khả năng hoạt hóa sự biểu hiện của operon Lac. Giống như chất kìm hãm, trên protein CAP có hai vị trí: một gắn với cAMP và một gắn với trình tự CAP trên ADN. Protein CAP chỉ có thể gắn với DNA khi ở trạng thái phức hợp với cAMP. Phức hợp này sẽ gắn vào một vùng nằm phía trước của vùng sẽ liên kết với RNA polymerase (promoter) và che phủ vị trí gắn của chất kìm hãm trên operator. Vì vậy, chất kìm hãm không gắn được vào trên operator, nên thúc đẩy sự phiên mã của RNA polymerase. Việc gắn phức hợp cAMP-CRP vào operon Lac kích thích hạt động của RNA polymerase lên gấp từ 20 đến 50 lần. [67],[68]