2 Rodzaje systemu operonowego Genetyki Zalety regulacji genów

Operon jest częścią materiału genetycznego (lub DNA), który działa jako pojedyncza regulowana jednostka mająca jeden lub więcej genów strukturalnych, gen operatora, gen promotora, gen regulatorowy, represor i induktor lub korektor (z zewnątrz). Geny operatora, promotora i regulatora stanowią region regulacyjny.

Systemy operacyjne są powszechne w prokarytonach. Pierwszy operon - operon został odkryty przez Jacoba i Monada (1961). Później odkryto wiele takich operonów, np. Trp -operon, ara -operon, jego - operon, vol -operon. Opery są dwojakiego rodzaju, indukowalne i represyjne.

Zdjęcie dzięki uprzejmości: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d2/Lac_operon-2010-21-01.png

Indukowalny system operonowy - Operacja sznurowa (ryc. 6.34):

Indukowalny system operonowy jest regulowaną jednostką materiału genetycznego, która jest włączana w odpowiedzi na obecność substancji chemicznej. Składa się z następujących części:

Geny strukturalne:

Są to geny, które faktycznie syntetyzują mRNA. MRNA kontroluje metaboliczną aktywność cytoplazmy poprzez tworzenie białka lub enzymu na rybosomach. Operon ma jeden lub więcej genów strukturalnych. Laktoza lub operon lacowy Escherichia coli zawiera trzy geny strukturalne (Z, Y, A).

Przepisują oni poiycistronic cząsteczkę mRNA, która pomaga w syntezie trzech enzymów-P-galaktozydazy do hydrolizowania permeazy laktozy lub galaktozydu, laktozy lub galaktozydu w celu umożliwienia wejścia laktozy z zewnątrz i acetylazy tiogalaktozydu lub transacetylazy do metabolizowania toksycznych tiogalaktozydów, które są również dopuszczone przez permeaza laktozy.

Te trzy enzymy są jednak wytwarzane w różnym stężeniu molowym. Bardzo niski poziom ekspresji laconon, a w konsekwencji jego enzymów, jest zawsze obecny. Początkowe wprowadzenie laktozy do bakterii nastąpiłoby tylko z powodu tej aktywności.

Operator Gene:

Jest to gen, który bezpośrednio kontroluje syntezę mRNA nad genami strukturalnymi. Jest wyłączany przez obecność represora. Induktor może zabrać represor i włączyć gen. Gen następnie kieruje genami strukturalnymi do transkrypcji. Geny operatora operonu lac składają się tylko z 27 par zasad.

Promotor Gene:

Działa jako sygnał inicjujący, który działa jako centrum rozpoznawania polimerazy RNA pod warunkiem włączenia genu operatora. Polimeraza RNA jest związana z genem promotora. Kiedy gen operatora jest funkcjonalny, polimeraza przemieszcza się nad nim i dociera do genów strukturalnych, aby przeprowadzić transkrypcję.

Gen regulatorowy (lac i-Gene):

W lac-operonie nazywa się go -gene, ponieważ wytwarza inhibitor lub represor. Represor wiąże się z genem operatora i zatrzymuje działanie tego ostatniego. Wywiera negatywną kontrolę nad działaniem genów strukturalnych.

Represor:

Jest to białko regulatora syntetyzowane przez cały czas (konstytutywnie) przez regulator i-gen. Represor jest przeznaczony do blokowania genu operatora tak, aby geny strukturalne nie były zdolne do tworzenia mRNA. Ma dwa miejsca allosteryczne, jeden do przyłączenia do genu operatora, a drugi do wiązania induktora.

Po wejściu w kontakt z induktorem represor ulega zmianom konformacyjnym w taki sposób, że nie jest w stanie połączyć się z operatorem. Represor laktozy lub operonu lac to białko o masie cząsteczkowej 160 000. Składa się z czterech podjednostek, z których każda ma masę cząsteczkową 40 ​​000.

Induktor:

Jest to substancja chemiczna (substrat, hormon lub inny metabolit), która po wejściu w kontakt z represorem zmienia ją na stan niezwiązany z DNA, aby uwolnić gen operatora. Induktorem lac-operonu Escherichia coli jest laktoza (właściwie allolaktoza lub metabolit laktozy).

CZAPKA Z DASZKIEM:

Jest aktywatorem zwanym białkiem aktywującym katabolizm. Wywiera on pozytywną kontrolę w białku operacyjnym, ponieważ w jego nieobecności polimeraza RNA nie jest w stanie rozpoznać genu promotora. Jego gen znajduje się z dala od operonu, ale miejsce receptora CAP występuje w pobliżu promotora lac. CAP aktywuje geny Lac tylko wtedy, gdy nie ma glukozy.

Polimeraza RNA jest rozpoznawana przez gen promotora. Przechodzi nad uwolnionym genem operatora, a następnie katalizuje transkrypcję mRNA nad genami strukturalnymi. MRNA przechodzą do cytoplazmy i tworzą określone białka lub enzymy. Spośród trzech enzymów wytwarzanych przez operon lac, permeaza laktozy jest przeznaczona do wprowadzania laktozy do wnętrza komórki. Β-galaktozydaza (= laktazy) rozbija laktozę na dwa składniki, glukozę i galaktozę. Enzym podobny do laktazy lub (3-galaktozydazy, który powstaje w odpowiedzi na obecność jego substratu, jest często nazywany indukowalnym lub adaptacyjnym enzymem.

Indukowalne systemy operonowe zwykle występują w szlakach katabolicznych. Operon lac nie będzie jednak działać bezterminowo pomimo obecności laktozy w środowisku zewnętrznym.

Zatrzyma ona swoją aktywność poprzez gromadzenie glukozy i galaktozy w komórce poza zdolnością bakterii do ich metabolizmu. Lac -operon jest również pod kontrolą regulacji pozytywnej.

Sprężający się system operacyjny (Rys. 6.35):

System ruchów represyjnych jest powszechnie spotykany w szlakach anabolicznych. Operon jest aktywny, a enzymy wytwarzane przez jego geny strukturalne są normalnie obecne w komórce. Funkcjonowanie operonu zatrzymuje się, gdy stężenie produktu końcowego przekracza wartość progową. Przykładem represyjnego systemu jest operon tryptofanu lub trp Escherichia coli. Zostało to również opracowane przez Jacoba i Monoda i składa się z następujących elementów:

Geny strukturalne:

Geny są połączone z transkrypcją mRNA. MRNA przetwarzają zakodowane informacje w syntezie polipeptydów. Polipeptydy dają początek substancjom białkowym, w tym enzymom. Operon tryptofanu ma pięć genów strukturalnych - trp E, D, С, B, A. Tworzą one enzymy w pięciu etapach syntezy tryptofanu.

Operator Gene:

Kontroluje funkcjonowanie genów strukturalnych. Zwykle jest on włączony, ponieważ apore- presor wytwarzany przez gen regulatorowy nie jest w stanie całkowicie zablokować genu operatora. Gen operatora jest wyłączany, gdy korektor jest dostępny wraz z aporepressorem.

Promotor Gene:

Jest to miejsce początkowego wiązania polimerazy RNA. Ten ostatni przemieszcza się z genu promotora do genów strukturalnych, pod warunkiem, że włączony jest gen operatora.

Inne komponenty regionu regulacyjnego:

Dwa składniki regionu regulatorowego występują między genem operatora a genem strukturalnym E. Są to sekwencja liderowa (L) i tłumik (A). Sekwencja liderowa jest zaangażowana w kontrolę tłumika. Tłumik pomaga w zmniejszeniu syntezy tryptofanu, gdy jest obecny w wystarczającej ilości bez wyłączania operonu.

Gen regulatorowy (trp R):

Tworzy białkowy składnik, który może blokować aktywność genu operatora. Gen regulatorowy operonu tryptofanu leży w pewnej odległości od pozostałego operonu.

Aporepressor:

Jest to białkowa substancja syntetyzowana przez gen regulatorowy. Aporepresor tworzy składnik represora blokujący działanie genu operatora. Do tego wymaga korektora. Gdy ta ostatnia nie jest dostępna z odpowiednią siłą, gen operatora jest włączony, ponieważ sam przez siebie, aporepresor nie jest w stanie zablokować działania genu operatora.

Corepressor:

Jest to niebiałkowy składnik represora, który jest również końcowym produktem reakcji katalizowanych przez enzymy wytwarzane przez aktywność genów strukturalnych. Produkt końcowy jest często wykorzystywany w innej reakcji, więc rzadko się gromadzi, a zatem nie działa jako korektor.

Jednakże, gdy tylko gromadzi się lub staje się dostępny z zewnętrznego źródła, produkt końcowy staje się korektorem, łączy się z aporepresorem, tworzy represor i blokuje gen operatora.

Strukturalne geny teraz przestają transkrypcję. Zjawisko to znane jest jako represja sprzężenia zwrotnego. Wywiera negatywną kontrolę. W operonie tryptofanu, tryptofan (aminokwas) działa jako korektor.

Różnice między indukcją a represją:

Indukcja:

1. Jest to włączenie operonu, który zwykle pozostaje wyłączony.

2. Indukcja jest spowodowana przez nowy substrat, który należy traktować i metabolizować.

3. Jest ogólnie związany ze ścieżką kataboliczną.

4. Gen regulatorowy operonu, który podlega indukcji, wytwarza represor, który blokuje gen operatora.

5. Indukcja polega na usunięciu represora operonu przez metabolit induktora.

6. Induktorem jest substrat, hormon lub jego produkt uboczny.

7. Powoduje transkrypcję i tłumaczenie.

Represja:

1. Wyłącza operon, który zwykle pozostaje włączony.

2. Represja spowodowana jest zwiększonym powstawaniem lub dostępnością metabolitu.

3. Represje są najczęściej związane z anaboliczną ścieżką.

4. Gen regulatorowy operonu, który podlega represji, wytwarza część represora zwanego aporepressor. To samo nie może zablokować genu operatora.

5. Represja polega na blokowaniu genu operatora operonu przez kompleks represora, który powstaje w wyniku połączenia apore- presora utworzonego przez gen regulatorowy i korektor, który w rzeczywistości jest produktem szlaku anabolicznego.

6. Represor jest związkiem utworzonym przez apore- presor i korektor, który jest zwykle produktem końcowym szlaku metabolicznego.

7. Represja zatrzymuje transkrypcję i tłumaczenie.

Zalety regulacji genów:

1. Wiele powiązanych genów wymaganych dla określonej aktywności metabolicznej można włączać i wyłączać jednocześnie.

2. Regulacja genów umożliwia komórkom dostosowanie metabolizmu zgodnie z wymogami zmian środowiskowych i rozwoju.

3. Jest ekonomiczny, ponieważ syntetyzuje enzymy tylko wtedy, gdy jest to wymagane.

4. Regulacja genów pomaga we wzroście i różnicowaniu.

5. Jest pomocny w łagodnym zakończeniu reakcji łańcuchowych.