Меню

Белок регулятор связывается с оператором

Лактозный оперон

date image2014-01-31
views image3431

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Схема строения и работы оперона

Регуляция у прокариот

Транскрипция хорошо регулируется

Внешний вид вторичной структуры тРНК после процессинга

Строение модифицированных уридиловых нуклеотидов

Процессинг предшественника транспортной РНК

1. Модификация нуклеотидов в молекуле путем дезаминирования, метилирования, восстановления.
Например, образование псевдоуридина и дигидроуридина.

2. Формирование антикодоновой петли происходит путем сплайсинга (вернуться вверх) и удаления интрона в средней части пре-тРНК.

3. Формирование на 3′-конце последовательности ЦЦА. Для этого у одних пре-тРНК с 3′-конца удаляются лишние нуклеотиды до «обнажения» триплета ЦЦА, у других идет присоединение этой последовательности.

Так как транскрипция связывает ядро– «мозг» клетки, ее «банк знаний» и белки, «рабочих лошадок» клетки, то от качества и активности транскрипции зависит объем синтеза тех или иных белков, жизнедеятельность клетки, ее способность адаптироваться к окружающей обстановке.

У прокариот и эукариот регуляция транскрипции происходит, естественно, по-разному, хотя некоторые моменты похожи.

Регуляция биосинтеза белка у прокариот осуществляется на уровне изменения скорости синтеза мРНК. В настоящее время принята теория оперона, сформулированная Франсуа Жакобом и Жаком Моно. В основе теории лежат следующие понятия:

· оперон– группа тесно связанных между собой генов, которые программируют образованиеструктурных белков и ферментовв клетке,

· конституитивные ферменты – те, которые присутствуют в клетках всегда, независимо от ее активности и условий,

· индуцибельные ферменты – те, которые программируются опероном и синтезируются при необходимости,

· ген-регулятор – ген, регулирующий работу оперона, но не входящий в его состав. Он синтезирует белок-регулятор (чаще называемый белок-репрессор), который может быть в активной или неактивной форме,

· ген-оператор – участок ДНК, способный связываться с белком-регулятором, и «решающий» нужно работать РНК-полимеразе или нет.

Предложены две схемы регуляции скорости транскрипции: по механизму индукции (лактозный оперон) и помеханизму репресии (триптофановый оперон).

Лактозный оперон в целом отвечает за катаболизм лактозы.

При изучении E.coli было замечено, что в клетке может быть две взаимоисключающие ситуации:

· активность одного из ферментов катаболизма лактозы низка, если в среде имеетсяглюкоза.

· активность этого фермента резко повышаетсяв обратной ситуации, т.е. при отсутствии глюкозыи приналичии лактозы.

На основании наблюдений была предложена схема регуляции оперона по механизму индукции:

1. В отсутствие лактозы активный белок-репрессор связывается с оператором и блокирует синтез мРНК, кодирующей ферменты катаболизма лактозы. В результате эти ферменты не образуются.

2. Если глюкозы нет, алактоза есть, то последняя связывается с белком-репрессором и ингибирует его, не давая связаться с геном-оператором. Это позволяет РНК-полимеразе считывать информацию, отвечающую за синтез ферментов катаболизма лактозы, и синтезировать мРНК.

Таким образом, лактоза является индукторомтранскрипции.

Источник



Биология клетки/Часть 1. Клетка как она есть/3/10

← Предыдущая глава Глава 3.10 Следующая глава →
Регуляция работы гена: лактозный оперон

Строение лактозного оперона [ править ]

Оперон — функциональная единица генома у прокариот, в состав которой входят гены, кодирующие совместно или последовательно работающие белки и часто объединенные под одним промотором.

Концепцию оперона для прокариот предложили в 1961 году французские ученые Франсуа Жакоб, Жан Моно и Андре Львов, за что получили Нобелевскую премию в 1965 году.

Характерным примером оперонной организации генома прокариот является лактозный оперон. Регуляция экспрессии генов метаболизма лактозы у кишечной палочки (Escherichia coli) была впервые описана в 1961 году учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно.

Лактозный оперон (lac оперон) — полицистронный оперон бактерий, в состав которого входят гены, отвечающие за усвоение и расщепление лактозы.

Лактозный оперон состоит из промотора, оператора, трех структурных генов и терминатора. Иногда принимается, что в состав оперона входит также ген-регулятор, который кодирует белок-репрессор.

Промотор — последовательность нуклеотидов ДНК, узнаваемая РНК-полимеразой как стартовая площадка для начала специфической, или осмысленной, транскрипции. У прокариот все промоторы включают ряд похожих последовательностей нуклеотидов, важных для узнавания их РНК-полимеразой; в то же время разные промоторы отличаются друг от друга по другим последовательностям. Промотор асимметричен, что позволяет РНК-полимеразе начать транскрипцию в правильном направлении и указывает то, какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза РНК. Промотор может частично перекрываться или вовсе не перекрываться с оператором.

Читайте также:  Схема подключение регулятора кулера

Оператор — это последовательность нуклеотидов ДНК, с которой связывается регуляторный белок — репрессор или активатор.

Структурные гены — это гены, кодирующие белки.

Структурные гены лактозного оперона — lacZ, lacY и lacA:

  • lacZ кодирует фермент β-галактозидазу, которая расщепляет дисахарид лактозу на глюкозу и галактозу,
  • lacY кодирует β-галактозид пермеазу, мембранный транспортный белок, который переносит лактозу внутрь клетки.
  • lacA кодирует β-галактозид трансацетилазу, фермент, переносящий ацетилную группу от ацетил-КoA на бета-галактозиды.

Для усвоения лактозы необходимы только продукты генов lacZ и lacY, роль продукта гена lacA не ясна.

При транскрипции с лактозного оперона считывается одна полицистронная мРНК, в которой закодированы все три белка. С неё сразу же начинают считываться эти белки, причем рибосомы «перескакивают» стоп-кодоны, разделяющие нуклеотидные последовательности, кодирующие каждый из белков. (Для прокариот полицистронные РНК обычны, у эукариот они практически не встречаются).

Регуляция работы лактозного оперона [ править ]

Бактериальная клетка синтезирует ферменты, принимающие участие в метаболизме лактозы, лишь в том случае, когда лактоза присутствует в окружающей среде и клетка испытывает недостаток глюкозы.

РНК-полимераза начинает транскрипцию с промотора, который в случае лактозного оперона перекрывается с оператором. В отсутствие или при низкой концентрации лактозы в клетке белок-репрессор, который является продуктом гена LacI, обратимо соединяется с оператором и препятствует транскрипции. Таким образом, в отсутствие лактозы в клетке ферменты для метаболизма лактозы не синтезируются.

Даже в случае, когда в плазматической мембране клетки отсутствует фермент β-галактозидпермеаза, лактоза из окружающей среды может попадать в клетку в небольших количествах. В клетке две молекулы лактозы связываются с белком-репрессором, что приводит к изменению его конформации и далее к отделению белка-репрессора от оператора. Теперь может осуществляться транскрипция генов лактозного оперона. При снижении концентрации лактозы новые порции белка-репрессора взаимодействуют с операторными последовательностями и препятствуют транскрипции. Данный механизм регуляции активности лактозного оперона называют позитивной индукцией. Веществом-индуктором служит лактоза; при её связывании с белков-репрессором происходит его отделение от оператора.

Если в клетке концентрация глюкозы достаточная для поддержания обмена веществ, активация лактозного оперона не происходит. Промотор лактозного оперона «слабый» — даже при отсутствии белка-репрессора на операторе транскрипция практически не инициируется без дополнительных условий. Когда концентрация глюкозы в клетке снижается, происходит активация фермента аденилатциклазы, которая катализирует превращение АТФ в циклическую форму — цАМФ (цАМФ в данном случае также называют «сигналом клеточного голода»). Глюкоза — ингибитор фермента аденилатциклазы; кроме того, она активирует фосфодиэстеразу — фермент, катализирующий расщепление цАМФ.

цАМФ соединяется с белком, активирующим катаболизм (англ. САР, catabolism activating protein ). Образуется комплекс цАМФ-CAP, который взаимодействует с промотором лактозного оперона, изменяет его конформацию и приводит к повышению сродства РНК-полимеразы к данному участку. В присутствии лактозы и при высокой концентрации цАМФ (то есть в отсутствии глюкозы) происходит активная транскрипция генов оперона, активно синтезируются ферменты для усвоения лактозы. Механизм регуляции активности лактозного оперона глюкозой называют негативной индукцией — глюкоза служит «негативным индуктором», то есть веществом, в присутствии которого лактозный оперон «выключен».

Итак, ферменты для усвоения лактозы синтезируются в клетке кишечной палочки при двух условиях: 1) наличие лактозы; 2) отсутствие глюкозы.

Вопрос 1 Мутации каких участков в ДНК кишечной палочки могут привести к появлению бактерий:

  1. Не способных усваивать лактозу?
  2. Синтезирующих ферменты для усвоения лактозы даже в её отсутствие?
  3. Способных усваивать лактозу при высокой концентрации глюкозы?

Для простоты будем считать. что любая мутация приводит к «поломке» (выходу из строя) гена или иного участка ДНК.

Биологический смысл [ править ]

Благодаря описанному механизму регуляции транскрипции генов, входящих в состав лактозного оперона, бактерии оптимизируют энергетические затраты, синтезируя ферменты метаболизма лактозы не постоянно, а лишь тогда, когда клетке это необходимо. Сходный механизм регуляции имеется у большинства прокариот; у эукариот он устроен значительно сложнее.

Регуляция работы лактозного оперона в зависимости от концентрации лактозы происходит по принципу отрицательной обратной связи: чем больше лактозы — тем больше ферментов для её усвоения (положительная прямая связь); чем больше ферментов — тем меньше лактозы, чем меньше лактозы — тем меньше производится ферментов (двойная отрицательная обратная связь).

  • [1] Анимация «Регуляция работы лактозного оперона» (англ. текст)
Читайте также:  Ремонт регулятора давления паз

Источник

Регуляция на уровне транскрипции

Положительный и отрицательный контроль регуляции работы генов (или оперонов) реализуется с помощью белков-регуляторов (R) и базируется на их природе. При положительном контроле белок-регулятор, связываясь с оператором, ускоряет сборку РНК-полимеразы и, следовательно, усиливает транскрипцию. При отрицательном контроле белок-регулятор (R) блокирует оператор, который часто перекрывается с промотором, и препятствует сборке РНК-полимеразы либо её продвижению по матричной цепи ДНК. Белки-регуляторы кодируются отдельными генами, расположенными вблизи оперона, внутри оперона среди структурных генов (при аутогенном контроле), либо далеко за пределами оперона.

Индукция и репрессия. Осуществление таких механизмов регуляции экспрессии генов, как индукция и репрессия, реализуется благодаря эффекторам. Генетические системы чутко реагируют на присутствие в клетке и окружающей среде питательных субстратов, тех или иных важных метаболитов, поэтому экспрессия «нужных» генов начинается только после появления в среде или в клетке соответствующих эффекторов – субстратов или конечных продуктовсинтеза. Белки-регуляторы являются посредниками между молекулой ДНК и эффекторами, запускающими тот или иной метаболический путь.

Для катаболических оперонов и генов характерна индукция. При этом эффекторами белков R являются сами субстраты (глюкоза, лактоза, глицерин и др.). Их называют индукторами и они являются эффекторами, усиливающими транскрипцию. В этом есть глубокий биологический смысл. Так, например, лактозный оперон, кодирующий три фермента катаболизма лактозы (бета-галактозидазу, пермеазу и трансацетилазу) включается только тогда, когда в среде появляется эффектор – субстрат лактоза, выступающий в качестве индуктора.

Для анаболических оперонов и генов характерна репрессия. При этом эффекторами для белков-регуляторов являются конечные продукты синтеза (например, аминокислоты, нуклеотиды), которые выступают в роли корепрессоров и способны угнетать транскрипцию. Например, у E. coli аминокислота триптофан, накопленная клеткой в результате синтеза в избыточном количестве, как корепрессор белка-регулятора (репрессора) блокирует синтез ферментов, закодированных в 5 генах триптофанового оперона. Т.е. эффектором (корепрессором) триптофанового оперона является сам триптофан.

Обобщая сказанное выше, еще раз подчеркнем:

· индукция характерна для катаболических оперонов, эффекторами являются субстраты, выступающие в роли индукторов;

· репрессия характерна для анаболических оперонов, эффекторами являются конечные продукты синтеза, выступающие в роли корепрессоров.

В условиях «in vivo» положительный и отрицательный контроль почти всегда сочетаются с индукцией и репрессией, т.е. в регуляции принимают участие и белки-регуляторы и эффекторы. Поэтому выделяют 4 типа классических оперонов:2 индуцибельных оперона – соответственно с положительным и отрицательным контролем и 2 репрессибельных оперона – также с положительным и отрицательным контролем. Рассмотрим их.

1. Индуцибельный оперон с отрицательным контролемсочетание отрицательного контроля и индукции. Такой тип регуляции был обнаружен в лактозном опероне E. coli. Регуляция осуществляется следующим образом. Если в среде нет лактозы, то белок- регулятор, выступая в качестве репрессора (отрицательный контроль), блокирует операторную зону в данном опероне и препятствует транскрибированию генов. Как только лактоза появляется в среде, она как эффектор-индуктор связывается с белком-регулятором, изменяет его конформацию и уменьшает сродство к ДНК. В результате белок-регулятор (репрессор) отпадает от оператора, что «открывает путь» для РНК-полимеразы. Последняя осуществляет транскрипцию генов, кодирующих ферменты для катаболизма (утилизации) лактозы. Таким образом, лактоза путем индукции включает собственный оперон.

2. Индуцибельный оперон с положительным контролемсочетаниеположительного контроля и индукции. Этот тип регуляции был обнаружен также у E. coli в мальтозном, рамнозном и арабинозном оперонах. Рассмотрим этот механизм на примере арабинозного оперона, который состоит из трех генов ara B, ara A, ara D, кодирующих ферменты для превращения Lарабинозыв D-ксилулозо-5-фосфат.В данном опероне белок-регулятор выполняет двоякую функцию. При отсутствии арабинозы в среде белок-регулятор выступает в качестве репрессора (отрицательный контроль), присоединяется к оператору и препятствует транскрипции. При появлении субстрата арабинозы в среде, она как индуктор связывается с белком-регулятором и, меняя его конформацию, превращает в белок-активатор (положительный контроль). Этот изменённый белок скользит в область промотора и, как активатор, усиливает сборку РНК-полимеразы и, следовательно, стимулирует транскрипцию. Следует отметить, что несмотря на название — «индуцибельный оперон с пложительным контролем» — на самом деле здесь имеет место более сложный тип регуляции, а именно, при отсутствии индуктора оперон «закрыт» белком-регулятором (отрицательный контроль), а появление индуктора «открывает» оперон для считывания (положительный контроль).

Читайте также:  Citroen xsara регулятор давления

3. Репрессибельный оперон с отрицательным контролемсочетание отрицательного контроля и репрессии. Обнаружено в триптофановом опероне E. coli, содержащем 5 генов ферментов, участвующих в синтезе триптофана из хоризмовой кислоты (хоризмата). Это типичный анаболический оперон, подверженный регуляции по типу репрессии. Регуляция его транскрипции осуществляется следующим образом. Если в клетке недостаточно триптофана, то оперон беспрепятственно считывается РНК-полимеразой и обеспечивает продукцию ферментов для синтеза триптофана. При этом белок-регулятор имеется в клетке, но в неактивной форме – в виде апорепрессора (неполноценного репрессора). Как только в клетке накапливается избыток триптофана, он как корепрессор соединяется с апорепрессором и делает его полноценным репрессором. Присоединение репрессора к оператору вызывает блокирование транскрипции (отрицательный контроль), в результате чего прекращается синтез ферментов и самого триптофана.

4. Репрессибельный оперон с положительным контролемсочетание положительного контроля и репрессии. Такой тип регуляции пока не обнаружен, но предполагается, что белок-регулятор при недостатке конечного продукта в клетке выступает в роли белка-активатора (положительный контроль) и активирует транскрипцию. При накоплении конечного продукта в избытке он сам выступает в качестве корепрессора, связывается с белком-регулятором и превращает его в репрессор. Это приводит к блокированию синтеза ферментов и, как следствие, самого конечного продукта.

Катаболитная репрессияявляется примером смешанного механизма регуляции и первоначально была обнаружена в описанном ранее лактозном опероне E. coli при явлении, получившем название диауксия. Это явление наблюдается в том случае, если в среде имеется несколько углеводов (например, глюкоза и лактоза) и сводится к тому, что сначала утилизируется глюкоза, как легко усвояемый субстрат, за счет вовлечения в гликолиз. При этом лактозный оперон будет заблокирован до тех пор, пока глюкоза не будет исчерпана, т.е. синтез ферментов, расщепляющих второй субстрат, репрессируется. Отсюда и название – «катаболитная репрессия». По мере утилизации глюкозы происходит дерепрессия лактозного оперона и начинается транскрипция генов катаболизма лактозы. Рассмотрим, как реализуется этот механизм.

В лактозном опероне существует две системы регуляции. Первый регуляторный механизм уже был описан ранее как пример индуцибельного оперона с отрицательным контролем. Он релизуется в области оператора за счет белка-репрессора, действие которого убирается за счет связывания с индуктором лактозой. Однако этого недостаточно, чтобы началось транскрибирование генов оперона, поскольку оперон не может «включиться» до тех пор, пока с соседней областью промотора не свяжется другой специфический белок-регулятор САР (catabolite activator protein), т.е. пока не сработает вторая система регуляции. Связывание САР с промотором является необходимым условием присоединения РНК-полимеразы к ДНК. Однако эффектором САР является циклический АМФ (цАМФ), который в достаточном количестве появляется только после исчерпания глюкозы. Пока в среде есть глюкоза, она вовлекается в гликолиз с образованием АТФ. Как только глюкоза исчерпается, то количесто АТФ в клетке резко уменьшается, но возрастает концентрация цАМФ, который является сигналом голода. Под воздействием цАМФ белок САР модифицируется и как активатор присоединяется к промотору, ускоряя присоединение и сборку РНК-полимеразы и, тем самым, делая возможной транскрипцию генов лактозного оперона, то есть клетка переходит на питание лактозой.

Таким образом, в лактозном опероне функционирует две системы регуляции – одна на промоторе (индукция с положительным контролем), другая – на операторе (индукция с отрицательным контролем). На операторе контроль осуществляется с помощью белка-репрессора и индуктора лактозы, на промоторе «включение» оперона обеспечивается благодаря присоединению белка-регулятора САР и его эффектора цАМФ.

Аутогенный контроль (или аутогенная регуляция) осуществляется в тех оперонах, где один из структурных генов кодирует белок с двойными фунциями – и фермента и белка-регулятора. Принцип аутогенной регуляции состоит в том, что белок-регулятор управляет транскрипцией оперона и тем самым влияет на собственный синтез. То есть происходит саморегуляция оперона. Причем такой тип регуляции встречается в оперонах и с положительным и с отрицательным контролем. Это достаточно тонкая система регуляции, позволяющая приостановить или же наоборот активировать транскрипцию в соответствии с потребностями клетки на данный момент.Наиболее изучен подобный механизм на примере катаболического гистидинового оперона hut у сальмонелл, в котором один из генов кодирует синтез фермента, одновременно выступающего в роли белка-регулятора, притормаживающего транскрипцию.

Источник