ラクトースオペロンの仕組みをわかりやすく解説【意義を考えると感動する】

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今回は、ラクトースオペロンの仕組みについて、生物学的な意義から考えてみます。

ラクトースオペロンはトリプトファンオペロンよりも複雑にみえますよね。

ラクトース・グルコースそれぞれの有無によって、大腸菌がどう発現を調節すれば、エネルギーを効率的につくれるか?という観点からみると、わかりやすくなります。

難しい言葉をなるべく使わず、ラクトース・グルコースの有無によって、どう制御されているかをわかりやすく解説しました。

ラクトースオペロンの意義はなんだろう?

ずばり、ラクトースを分解してグルコースを作り、エネルギー源とするため。

これは、ラクトースという物質に注目するとわかりやすいです。

ラクトースはラクターゼという酵素によって、グルコースとガラクトースに分解されます。

つまり、ラクトースオペロンは、ラクトースを利用してグルコースを作り、エネルギー源にするためのシステムです。

すると、ラクトース・グルコースのあるなしによって、4つのパターンが考えられますね。

大腸菌が4パターンの環境にどのように対応すれば、エネルギーを節約できるのか?という観点で考えてみると、生物は実によくできていると感動すると思います。

さっそくみていきましょう。

【ラクトースあり+グルコースあり】の場合

1つ目は、【ラクトースあり+グルコースあり】の状態。

このとき、大腸菌はラクトースを分解する必要はありませんよね?

理由はグルコースが存在するからです。ということは、ラクトースを分解するためのラクトースオペロンを発現させないのがベストですよね。

ラクトースもグルコースもあるため、これらを作ろうとする仕組みは作動しません。

 

【ラクトースなし+グルコースあり】の場合

2つ目は、【ラクトースなし+グルコースあり】の状態。

ラクトースはありませんが、エネルギー源となるグルコースがあるため、大腸菌はラクトースを分解する必要はありません。

 

つまり、ラクトースオペロンはOFFとなりますラクトースオペロンが転写されないように制御することから、負の制御と呼ばれます。

どのようにOFFにするか、みてみましょう。

【グルコースあり+ラクトースなし】のとき

ラクトースを分解する酵素をオペロンに作らせないように、リプレッサーがオペレーターに結合します。

すると、RNAポリメラーゼはプロモーターに結合できず、ラクトースオペロンの発現が抑制されます。

このとき、リプレッサーはオペレーターに結合できるので、活性状態にあります。

後で改めてまとめますが、トリプトファンオペロンとの違いは、ラクトースオペロンの場合、リプレッサーは単体でオペレーターに結合できることです。

 

【まとめ】

グルコース(+)/ラクトース(-)のとき

→リプレッサーがオペロンをOFFにする

【理由】グルコースがあるから、ラクトースオペロンを発現させる必要がないし、そもそもラクトースがない

 

 

【ラクトースあり+グルコースなし】の場合

今度は【ラクトースあり+グルコースなし】の状態です。

グルコースがないので、ラクトースを分解するために、ラクトースオペロンがONになります。

 

【ラクトースあり+グルコースなし】のとき、どのようにオペロンがONになるのでしょうか?

まず、グルコース濃度が低いとき、cAMPの濃度が上昇します。増えたcAMPはアクチベーターであるCAPに結合します。

 

アクチベーターとは、遺伝子を「目覚めさせる」タンパク質です。

遺伝子にとって目覚ましとなるアクチベーターは、普段は自分も眠っています。cAMPと結合したときだけ、アクチベーターはDNAに結合できます。

 

アクチベーターがDNAに結合すると、RNAポリメラーゼが効率よくプロモーターに結合できるようになります。

 

こうしてオペロンがONとなり、ラクトースを分解するための酵素がつくられていきます。

 

また、ラクトースがある状態では、リプレッサーはオペレーターに結合できません。

※リプレッサーがオペレーターに結合すると、オペロンOFF → ラクトースは分解されません。

 

リプレッサーとは、遺伝子を「眠らせる」タンパク質です。

トリプトファンと違い、ラクトースオペロンのリプレッサーは、単体のときに活性で、ラクトースが結合すると不活性になります。

※トリプトファンリプレッサーは逆で、トリプトファンと結合しないと活性状態になりません。

ラクトースの存在によって不活性になったリプレッサーはオペレーターに結合できないため、ラクトースオペロンはONとなり、ラクトースが分解されます。

参考に、トリプトファンの場合👇

 

【まとめ】

グルコース(-)/ラクトース(+)のとき

→cAMP濃度が上昇 → アクチベーターがDNAに結合

→RNAポリメラーゼがプロモーターに結合 

→ オペロンON

同時に、

リプレッサーがオペレーターに結合できない(ラクトースがあるから)

→ オペロンON

 

2つの仕組みで、オペロンがONになっていますね。

 

【ラクトースなし+グルコースなし】の場合

グルコースがない場合は、

cAMP濃度が上昇 → アクチベーターがDNAに結合 → オペロンON

 

でしたね。

ところが、今回は肝心のラクトースがありません。

ラクトースがなければ、アクチベーターがオペロンをONにしても、意味がないわけです。

ラクトースがないのに、ラクトースを分解する酵素をつくるためのオペロンをONにすることは、生物にとってエネルギーの損失ですよね。

つまり、ラクトースオペロンをOFFにする必要があります。

 

リプレッサーがオペレーターに結合し、オペロンがOFFになります。

繰り返しですが、ラクトースがないので、リプレッサーは活性状態です。

 

個人的に、この仕組みには感動しました。

 

トリプトファンオペロンについては、こちらの記事をご覧ください。

>>トリプトファンオペロンをわかりやすく解説

 

今回は以上となります。

 

【参考】

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