Sự cảm ứng bởi cơ chất ở operon Lac là một quá trình điều hòa phiên mã (điều hòa ở mức độ gen). [61]
Năm 1961, Jacob và Monob đã đưa ra mô hình cảm ứng ở operon Lac gồm 5 bước như sau:
Bước 1: Gen điều hòa (gen i) mã hóa tạo ra protein kìm hãm có khả năng gắn vào operator và
ức chế sự phiên mã của các gen cấu trúc.
Bước 2: Một chất cảm ứng có phân tử lượng nhỏ tạo ra phức hợp với chất kìm hãm và làm biến
Bước 3: Phức hợp chất cảm ứng-chất kìm hãm không gắn được vào operator. Bước 4: Sự lỏng lẻo này tạo điều kiện thuận lợi cho sự phiên mã các gen cấu trúc. Bước 5: Trình tự RNA thông tin được dịch mã thành protein
Khi môi trường nuôi cấy không có chất cảm ứng
Trong môi trường nuôi cấy không có chất cảm ứng (lactose), gen điều hòa (gen i) tạo ra protein kìm hãm. Protein này được tổng hợp không có một sựđiều chỉnh nào nhưng tồn tại một lượng không đáng kể (khoảng 10-20 phân tử trong tế bào). Protein kìm hãm có ái lực lớn với operator và gắn vào vùng operator của operon Lac, ngăn cản RNA polymerase phiên mã operon Lac. Vì vậy thông tin di truyền trên DNA không được sử dụng. [11]
Hình 1.10: Hoạt động của Operon Lac trong môi trường nuôi cấy không có chất cảm ứng[66]
Khi môi trường nuôi cấy có chất cảm ứng
Khi có chất cảm ứng trong môi trường nuôi cấy, chất cảm ứng gắn vào protein kìm hãm và làm thay đổi hình dạng của protein này; vì vậy, nó không có khả năng gắn vào operator của operon. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho enzym RNA polymerase trượt trên operon và tiến hành quá trình phiên mã. RNA thông tin được tạo ra trong quá trình phiên mã sẽ tạo ra các enzym β- galactosidase, permaese và transacetylase. [11]
Hình 1.11: Hoạt động của Operon Lac trong môi trường nuôi cấy có chất cảm ứng[66]
Thực tế trong quá trình nuôi cấy vi sinh vật, khi môi trường có chứa glucose, chất ức chế operon Lac sẽ gắn vào vùng operator của operon Lac và ngăn cản sự phiên mã. Tuy nhiên, khi có chất cảm ứng của operon Lac (lactose, allolactose,…), chất cảm ứng này sẽ gắn với protein ức chế, vì vậy, nó không có
Protein kìm hãm Không có chất
cảm ứng
Lactose
Phiên mã
khả năng tương tác với vùng operator của operon. RNA polymerase có thể gắn vào vùng promoter và tiến hành phiên mã operon đó. Khi môi trường có glucose, operon Lac vẫn bị kìm hãm mặc dù vẫn có chất cảm ứng lactose trong môi trường. Sự kìm hãm này duy trì cho đến khi nguồn glucose cạn kiệt. Sự kìm hãm operon Lac như trên gọi là sự kiềm hãm dị hóa. Sự kiềm hãm dị hóa là do mức độ cAMP thấp trong môi trường có nguồn glucose dồi dào. Vì vậy, nếu ta thêm cAMP vào môi trường giàu glucose thì sự kiềm hãm operon Lac sẽđược giảm đi. Khi lượng glucose trong môi trường giảm thì lượng cAMP sẽ tăng lên ,
đồng thời, làm tăng gắn chất cảm ứng vào protein kìm hãm Lac; Vì vậy làm tăng sự phiên mã của operon Lac. [68]