Przeczytaj
Strukturę i sposoby regulacji operonów prokariotycznychStrukturę i sposoby regulacji operonów prokariotycznych.
Operony represorowe i indukowane
Jednostki transkrypcyjne, operonyoperony, kontrolują regulację genów bakteryjnych. Zawierają one kilka genów kodujących powiązane ze sobą funkcjonalnie białka. Ich aktywność zależy od warunków środowiska, w tym od obecnych w nim substancji odżywczych.
Ze względu na zaangażowanie operonów w procesy metaboliczne wyróżnia się operony represoroweoperony represorowe oraz indukowaneindukowane.
Więcej informacji o operonach represorowych znajdziesz w e‑materiale: Operony hamowane – operon tryptofanowy.
Typy kontroli aktywności operonu
Model regulacji operonu laktozowego charakteryzuje te operony, których geny warunkują rozkład określonych związków. Substrat reakcji rozkładu, czyli laktoza, powoduje zwykle włączenie ekspresji genów operonu.
Operon laktozowy pozwala bakterii regulować ilość wytwarzanych enzymów w zależności od stężenia cukrów, glukozy i laktozy, w otoczeniu, w jakim się znajduje. Najlepszym źródłem energii dla bakterii jest monosacharyd – glukoza – łatwo przyswajalne źródło węgla. Zdarza się, że stężenie glukozy jest niskie lub obserwuje się jej całkowity brak, a jedynym dostępnym w otoczeniu cukrem jest laktoza. W mikroorganizmie uruchamiany jest wówczas operon laktozowy odpowiedzialny za aktywację enzymów transportujących i rozkładających ten cukier we wnętrzu komórki.
Operon laktozowy podlega kontroli negatywnej oraz pozytywnej, zależnie od obecności laktozy w otoczeniu.
Włączenie operonu laktozowego
Regulacja negatywna operonu laktozowego zachodzi, gdy w środowisku jest laktoza, ale nie ma glukozy. Polega ona na związaniu obecnych w środowisku bakterii cząsteczek cukru – laktozy – z aktywnym represoremepresorem. Powoduje to jego deaktywację, przez co nie może on łączyć się z operatoremoperatorem i blokować wiązania polimerazy RNA. Polimeraza RNA z kolei łączy się z promotorempromotorem i może przeprowadzić transkrypcjętranskrypcję genów strukturygenów struktury – w rezultacie powstają enzymy warunkujące transport i rozkład laktozy.
Laktoza jest induktorem operonu laktozowego. Induktor to cząsteczka, która wiążąc się do represora zmienia jego kształt tak, że nie może się połączyć z operatorem. Skutkuje to dezaktywacją represora i włączeniem operonu laktozowego.
Za inaktywację represora w operonie laktozowym odpowiada izomer laktozy – allolaktoza, która jest jednym z produktów pośrednich katabolizmu laktozy.
Regulacja pozytywna zachodzi, gdy stężenie glukozy w komórce jest niewielkie przy jednoczesnej obecności laktozy w środowisku. Zaczyna działać aktywatoraktywator wiążący się z miejscem wiązania aktywatora, które stanowi część promotora. To ułatwia przyłączanie polimerazy RNA. Dochodzi do transkrypcji genów operonu, w wyniku czego tworzą się enzymy warunkujące transport i rozkład laktozy.
Aktywator w operonie laktozowym to białko CAP (ang. catabolite activator protein), które jest pewnego rodzaju „czujnikiem” poziomu glukozy. Poprzez wiązanie z cAMP (cyklicznym adenozynomonofosforanem) dochodzi do jego aktywacji. Stężenie cAMP, „sygnału głodu”, rośnie w przypadku niedoborów glukozy.
Wyłączenie operonu laktozowego
W sytuacji, w której w otoczeniu bakterii znajdują się i glukoza, i laktoza, bakterie będą wykorzystywać tylko glukozę – operon laktozowy zostanie wyłączony na drogach regulacji negatywnej lub pozytywnej.
Regulacja negatywna bazuje na ciągłej ekspresji – na niskim poziomie – genu kodującego represor. W komórce znajduje się więc stale niewielka ilość aktywnego represora. Wiąże się on z operatoremoperatorem, blokując wiązanie polimerazy RNA. W efekcie nie dochodzi do transkrypcji genów związanych z rozkładem laktozy.
Regulacja pozytywna zachodzi, gdy w komórce jest duże stężenie glukozy. Operon laktozowy zostaje wyłączony: aktywator jest nieaktywny i nie ułatwia wiązania polimerazy RNA. Nie następuje zatem transkrypcja genów operonu laktozowego.
Podsumowanie aktywacji operonu laktozowego
Słownik
białko przyłączające się do DNA, które wiąże się z odpowiednim miejscem operonu i indukuje lub zwiększa transkrypcję jego genów
geny zawierające informację o syntezie określonych białek enzymatycznych
makrocząsteczki mRNA powstają (przy udziale polimerazy RNA) jako komplementarne kopie poszczególnych odcinków kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) odpowiadających określonym genom (transkrypcja) i zawierają tę samą, co DNA, informację genetyczną; w procesie translacji mRNA stanowi matrycę, na której przy udziale wielu innych czynników komórkowych aminokwasy są łączone w odpowiedniej kolejności w cząsteczkę białka (biosynteza białka) – w ten sposób informacja genetyczna zawarta w DNA zostaje „przetłumaczona” na sekwencję aminokwasów w białku
sekwencja DNA w operonie regulująca aktywność genów struktury, do której wiąże się białko regulatorowe (aktywator lub represor)
specyficzna i powszechna u bakterii strukturalna i funkcjonalna jednostka genomu, zawierająca od dwóch do kilku kolejno ułożonych genów strukturalnych kodujących enzymy jednego szlaku metabolicznego oraz, położone bezpośrednio przed genami, sekwencje operatora i promotora kontrolujące ich aktywność transkrypcyjną; termin operon wprowadzili do genetyki w 1961 r. François Jacob i Jacuqes Monod, odkrywcy mechanizmu jego regulacji
biorą udział w biosyntezie; ich ekspresja zależy od obecności produktu końcowego szlaku anabolicznego
uczestniczą w reakcjach katabolicznych; ich ekspresja zależy od stężenia substratu
odcinek DNA zawierający sekwencje rozpoznawane przez polimerazę RNA zależną od DNA
białko regulacyjne wiążące się z określoną sekwencją DNA w operatorze i hamujące proces transkrypcji genów; represor uniemożliwia przyłączanie się polimerazy RNA do promotora
proces syntezy RNA, podczas którego na matrycy DNA syntetyzowana jest komplementarna nić RNA