Điều hòa biến dưỡng: Kiểm soát
âm-ức chế
Biến dưỡng (anabolism)
là quá trình tổng hợp nên các chất cần thiết cho tế bào. Ví dụ tổng hợp các amino
acid.
Quá trình
tổng hợp tryptophan
bắt đầu từ tiền chất
tryptophan là chorismic acid,
trải qua 5
giai đoạn kế tiếp do
enzyme xúc tác. Hệ
thống tổng hợp amino acid
tryptophan ở E. coli là ví dụ điển hình về operon bị kìm hãm do sự
kiểm soát âm.
1. Cấu trúc và hoạt động
Hệ thống
tryptophan cũng có cấu trúc tương
tự hệ thống lactose gồm gen điều hòa trpR và operon tryptophan
(promoter, operator và 5 gen cấu trúc).
Các gen cấu trúc xác định 5 enzyme được xếp theo thứ tự tương ứng với chức
năng xúc tác
theo trình tự
các phản ứng của chuỗi
biến dưỡng tryptophan (Hình 8.5).
ự khác nhau căn bản với hệ thống
lactose là ở gen điều hòa. Gen điều hòa của hệ thống tryptophan tổng hợp thường
xuyên aporepressor protein, là chất kìm hãm mà
riêng nó không có hoạt tính.
Khi tryptophan dư thừa nó trở
thành chất corepressor
(đồng kìm hãm)
và kết hợp với aporepressor thành phức hợp kìm
hãm (holorepressor) có hoạt tính.
Phức hợp này gắn
vào operator của operon tryptophan
(trp) làm dừng phiên mã các
gen cấu trúc. Khi nồng độ
tryptophan thấp, nó
tách khỏi phức hợp kìm
hãm và aporepressor mất hoạt tính.
Lúc này các
operator lại được mở và RNA
polymerase dịch mã 5 gen cấu
trúc để tổng hợp 5 enzyme
tạo tryptophan (Hình 8.5). Sự điều
hòa kiểu này còn gọi là điều hòa ức chế
ngược (retro-inhibition) do sản phẩm cuối
cùng có mối liên hệ ngược (feed-back).
Như vậy, hoạt động của hệ thống
này ngược lại với hệ thống lactose: khi có tryptophan thì operon bị đóng, thiếu
tryptophan thì gen được mở.
2. Sự suy yếu (attenuation)
Kiểu điều hòa thứ hai được phát
hiện ở operon tryptophan được gọi là sự suy yếu. Ở đầu 5’ của mRNA đa gen
(polycistronic) của operon này có 5 enzyme. Đoạn này được gọi là
trình tự leader (trình
tự chỉ huy). Một phần của
trình tự này được phiên mã tạo
leader peptide gồm 14 amino acid, mà chức năng đến nay chưa rõ.
Cơ chế kiểm tra mà ở đó sự tổng hợp
mRNA được bắt đầu nhưng kết thúc sớm với chiều dài mRNA ngắn hơn được gọi là sự
suy yếu. Ví dụ: các tế bào E. coli đang tăng trưởng trong môi trường thiếu một
amino acid nào đó, nhưng chưa đủ các enzyme cần có cho sự tổng hợp của tất cả
20 amino acid cần thiết để tạo ra protein. Khi thêm một amino acid (tryptophan) vào môi trường
sẽ làm giảm đáng kể sự tổng hợp của các enzyme cần cho sự tạo amino acid đó. Phản
ứng này có tính thích ứng và duy trì các nguồn enzyme không còn cần nữa
khi sản phẩm
cuối cùng của
chuỗi sinh tổng hợp
(tryptophan) đang có trong tế bào (ức chế ngược).
Operon tryptophan
có phương thức điều hòa hoạt động gen thứ
hai, hoàn toàn độc lập với hệ thống repressor-operator (chất kìm hãm đoạn điều hành).
Ở operon tryptophan, sự tổng hợp mRNA bắt đầu từ 161 base trước codon khởi sự của
trpE, enzyme cấu trúc đầu tiên được phiên mã. Đột biến do mất đoạn DNA ngay
phía trước trpE, giải phóng trpE khỏi sự kìm hãm của phức hợp represser-operator. Các đột biến này
làm tăng mức độ biểuhiện
của cả operon lên gấp sáu lần. Tinh sạch các DNA được phiên mã in vitro cho thấy phần lớn mRNA kết thúc ở
ngay base 139 và không bao giờ đạt tới trpE. Ở đây, có sự kìm hãm phiên mã ngay
trước gen cấu trúc và khi mất nó sự biểu hiện của gen
có hiệu quả
hơn. Đoạn dài của mRNA
nằm trước trpE được gọi là leader (trpL) và đoạn kìm hãm phiên mã được gọi
là attenuator (trpa, chứ không phải trpA). Cuối cùng, quan sát cho thấy sự suy yếu
dao động theo nồng độ của tryptophan thấp, nhiều phân tử mRNA được tạo ra hơn
qua attenuator và toàn bộ operon được
phiên mã. Sự suy yếu là một phương thức
khác để kiểm soát sự biểu hiện của gen.
Cơ chế suy yếu thực hiện sự kết hợp
giữa phiên mã và dịch mã. RNA polymerase bắt đầu phiên mã các gen mã hóa cho
các enzyme sinh tổng hợp cần thiết để tạo ra
tryptophan. Ví dụ: khi hiện diện
tryptophan nó nhanh chóng đạt tới điểm (trên RNA mới được tổng
hợp) gọi là attenuator và dừng phiên mã tại đây.
Attenuator có chức năng
như điểm kết
thúc chỉ khi
tryptophan hiện diện. Sự
phiên mã dừng
khi trình tự
leader đạt attenuator.
Nếu có đủrytophan
trong tế bào, sự dịch mã
của các codon
được thực hiện,
và cả phiên mã
và dịch mã được thực
hiện hoàn chỉnh
cho đến lúc
RNA polymerase đạt tới điểm attenuator, nơi kết thúc sự phiên mã. Khi
không có trytophan, dịch mã dừng và phần leader
của mRNA cuộn lại sao
cho attenuator không thực
hiện chức năng,
trong trường hợp
này sự tổng hợp
của mRNA toàn vẹn cho operon tryptophan được tạo
ra. Với sự hiện diện của các
enzyme đó, trytophan được tích
lũy với số lượng lớn
trong tế bào.
Attenuator là dạng
tinh tế của sự ức chế, điều hòa hoạt động gen, tạo đặc hiệu cho sự tổng hợp amino acid trong
tế bào. Cơ chế repressor
điều hòa thô hệ thống
tryptophan, trong khi
đó hệ thống cơ chế attenuation kiểm
soát nồng độ tryptophan một cách tinh tế. Sự suy yếu của operon Trp cũng nhạy cảm
với nồng độ của một số amino acid như histidine và leucine.
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét