XI. SINH TỔNG HỢP PROTEIN.
2.Điều hịa sinh tổng hợp protein; mơ hình operon và lý thuyết điều hịa của Jacob và Monod.
hịa của Jacob và Monod.
Lý thuyết điều hịa sinh tổng hợp protein được Jacob và Monod đề xuất trên cơ sở những dẫn liệu thực nghiệm về hiện tượng cảm ứng và trấn áp tổng hợp protein thu được đối với tế bào E. coli. Những dẫn liệu này cho thấy rằng sinh tổng hợp các enzyme β-galactosidase (E1), β-galactoside permease (E2) và thyogalactoside transacetylase (E3) trong tế bào E. coli cùng được cảm ứng bởi cơ chất của chúng là galactose. Tức là những enzyme này (enzyme cảm ứng) chỉ xuất hiện trong tế bào khi cĩ mặt lactose trong mơi trường dinh dưỡng.
Cơ chế điều hịa sinh tổng hợp các enzyme cảm ứng được Jacob và Monod giải thích như sau thơng qua ví dụ các enzyme dị hĩa lactose E1, E2 và E3 nĩi trên (hình 11.9).
Ba enzyme được mã hĩa bởi các gen cấu trúc X, Y và Z. Chúng cùng nhau tạo thành một operon (trong trường hợp này là lac-operon). Hoạt động của operon như một thể thống nhất dưới sự điều khiển của một gen khởi động O (operator). Về phần mình, operator lại chịu sự điều khiển của gen điều hịa R (regulator) thơng qua một chất trấn áp cĩ bản chất protein do gen này tạo ra. Khi gắn với operator, chất trấn áp sẽ làm cho
các gen cấu trúc trên operon khơng hoạt động, mARN khơng được sao chép và do đĩ protein (tức 3 enzyme nĩi trên) khơng được tổng hợp.
Hình 11.9. Điều hịa sinh tổng hợp enzyme cảm ứng theo Monod và Jacov.
Khi chất cảm ứng allolactose (một sản phẩm của lactose) gắn với chất trấn áp, làm cho nĩ mất hoạt tính, tạo điều kiện cho operon hoạt động. Tuy nhiên, việc sao chép thơng tin từ các gen cấu trúc X, Y và Z chỉ thực sự bắt đầu khi cAMP cùng với một loại protein đặc biệt cĩ tên là CAP tạo thành phức hệ hoạt động để gắn vào khu vực promoter nằm kế cận với với operator và gối một phần lên operator, giúp chất cảm ứng làm mất hoạt tính của chất trấn áp và đẩy nĩ ra khỏi khu vực này.
Sự hình thành cAMP bị ức chế bởi một sản phẩm dị hĩa nào đĩ của glucose. Vì vậy khi cĩ mặt glucose trong mơi trường dinh dưỡng thì cAMP khơng được tạo ra và CAP tự nĩ khơng thể gắn vào operator. Vì vậy dù cĩ mặt chất cảm ứng allolactose, các enzyme thuộc lac-operon vẫn khơng được tổng hợp.
Hoạt động của operon tryptophan (Trp operon) điều hịa tổng hợp các enzyme xúc tác các quá trình sinh tổng hợp tryptophan (hình 11.10) cũng tương tự như hoạt động của Lac operon, nhưng cĩ điểm khác là bình thường trong tế bào thiếu tryptophan thì chất trấn áp ở trạng thái khơng hoạt động. Khi đĩ operator “mở”, sự sao chép và phiên dịch các gene cấu trúc được tiến hành bình thường, tổng hợp nên các enzyme cần thiết để tạo sản phẩm cuối cùng là tryptophan. Nhưng khi tế bào đã sản xuất đủ tryptophan, hoặc khi thêm tryptophan vào mơi trường nuơi tế bào thì tryptophan sẽ kết
hợp với chất trấn áp với tư cách là chất đồng trấn áp, biến nĩ thành dạng hoạt động. Chất trấn áp hoạt động sẽ lập tức kết hợp với operator, làm cho nĩ bị khĩa lại và sự sao mã sẽ bị đình chỉ.
Hình 11.10. Operon tryptophan (Trp operon)
Theo cơ chế này hàm lượng tryptophan trong tế bào đã kiểm tra sự tổng hợp nên chính nĩ. Đĩ là mối liên hệ ngược trong sự điều hịa các phản ứng enzyme bằng sản phẩm cuối cùng. Điều này cho phép tế bào thích nghi với những thay đổi đột ngột của mơi trường cũng như tránh được những hao tổn về nguyên liệu và năng lượng dùng để tổng hợp dư thừa một chất nào đĩ.
Sinh tổng hợp protein ở động vật bậc cao cịn cĩ thể được điều hịa nhờ hệ thống hormone. Một số hormone cĩ tác dụng hoạt hĩa hoặc ức chế enzyme adenylate cyclase và do đĩ thể hiện tác dụng điều hịa sinh tổng hợp protein thơng qua tác dụng chi phối hàm lượng cAMP trong tế bào. Một số hormone khác, đặc biệt là các hormone steroid, do cĩ khả năng di chuyển xuyên qua màng, nên cĩ thể trực tiếp can thiệp vào cơ chế điều hịa bằng cách gắn với chất trấn áp khơng hoạt động để biến nĩ thành dạng hoạt động.