Оперонные системы регуляции. Лактозный оперон

Содержание
Введение
Группы генов
Строение гена
Виды оперонов
Лактозный оперон.
Схема строения lac-оперона
Структурные гены участвующие в метаболизме лактозы
Негативная регуляция транскрипции lac-оперона
Позитивная регуляция транскрипции lac-оперона
Схема позитивной регуляции транскрипции лактозного оперона
Транскрипция
Вывод

Введение
Первым и главным элементом контроля реализации потока генетической информации на пути от ДНК к белку у всех организмов является контроль на уровне транскрипции.
Регуляция транскрипции у прокариот обычно охватывает группу генов, кодирующих функционально родственные белки, участвующие в осуществлении связанных между собой химических превращений в клетке. Такими белками обычно являются ферменты. Группа согласовано регулируемых генов, кодирующих эти ферменты, называется опероном.

Группы генов
Все гены организма можно разделить на две большие группы: структурные (конститутивные) и функциональные (индуцибельные).
Конститутивные гены постоянно включены: они функционируют на всех стадиях онтогенеза и во всех тканях. К конститутивным относятся гены, кодирующие тРНК, рРНК, ДНК-полимеразы, РНК-полимеразы, белки-гистоны, белки рибосом и т.д. Это гены без которых клетки не могут существовать.
Индуцибельные гены функционируют в разных тканях на определенных этапах онтогенеза, они могут включаться и выключаться, их активность может регулироваться по принципу «больше или меньше». Это тканеспецифичные гены, которые часто являются несущественными. Включение индуцибельных генов называется индукцией, а выключение – репрессией. Регуляцию активности генов производят молекулярно-генетические системы управления.

Группы генов по функциям
Структурные
(конститутивные)
(белки ферменты,
гистоны,
последовательность
нуклеотидов в РНК)
Гены –модуляторы:
ингибиторы,
интенсификаторы,
интеграторы,
модификаторы.
Функциональные
(индуцибельные)
Гены – регуляторы,
регулирующие
работу
структурных генов.

Структурная часть гена
Промотор
Начало транскрипции
Старт-кодон
Стоп - кодон
5’
3’
3’
5’
Терминатор транскрипции
Строение гена
Участок связывания фермента РНК-полимеразы (место начала транскрипции)
Участок, кодирующий последовательность аминокислот в молекуле белка.
Триплет ТАЦ в ДНК и АУГ в РНК иницирующий начало синтеза белка
Триплеты – бессмысленные кодоны на которых завершается трансляция
Участок, сигнализирующий о прекращении транскрипции

Виды оперонов
Оперон — это тесно связанная последовательность структурных генов, определяющих синтез группы белков, которые участвуют в одной цепи биохимических преобразований. К наиболее хорошо изученным оперонам бактерий относят:
Лактозный (lac)-оперон
Галактозный (gal)-оперон
Триптофановый (trp)-оперон
Рассмотрим механизмы регуляции активности генов на примере лактозного оперона кишечной палочки.

Лактозный оперон
Оперон – участок бактериальной хромосомы, включающий следующие участки ДНК: Р – промотор, О – оператор, Z, Y, А – структурные гены, Т –терминатор. (В состав других оперонов может входить до 10 структурных генов.)
Промотор – место присоединения РНК- полимеразы.
Оператор – участок оперона, к которому присоединяются белки-репрессоры или активаторы транскрипции.
Структурные гены – гены кодирующие ферменты, участвующие в метаболизме лактозы.
Терминатор служит для отсоединения РНК-полимеразы после окончания синтеза иРНК, соответствующей ферментам Z, Y, А, необходимым для усвоения лактозы.

Схема строения lac-оперона
Регуляторная область
Полицистронная единица транскрипции
lac Z
lacY
lac A
Активатор
Промотор Оператор
Спейсеры
Нетраслируемая 5ʹ- последовательность
Нетраслируемая 5ʹ- последовательность
Точка терминации транскрипции
3ʹ
5ʹ
5ʹ
3ʹ

Структурные гены участвующие в метаболизме лактозы
Ген lac Z
Ген lac A
Ген lac Y
Кодирует фермент β-галактозидазу, расщепляющий β-галактозиды, в частности лактозу , с образованием моносахарида – глюкозы.
Кодирует β-галактозидтрансферазу (пермеазу), фермент необходимый для проникновения β-галактозидов через клеточную мембрану.
Кодирует фермент β-галактозидтрансацетилазу, функциональная роль которого до конца не выяснена.

Негативная регуляция транскрипции lac-оперона
Оператор – это область с которой взаимодействует белок-репрессор. Сам lac-репрессор является продуктом экспрессии соответствующего гена (i-гена) и содержится у E. coli в количестве не более 10 молекул на 1 клетку. Активная форма lac-репрессора представляет собой гомотетрамер, который связывается с зоной оператора и блокирует действие РНК-полимеразы. Такая негативная регуляция транскрипции наблюдается при достаточной концентрации глюкозы в клетке и в отсутствии избытка лактозы.

Позитивная регуляция транскрипции lac-оперона
При избытке лактозы её молекулы связываются с субъединицами репрессора с образованием репрессор-индукторного комплекса, в котором индуктор (лактоза) выступает в роли аллостерического регулятора, изменяющего конформацию белка- репрессора, что ведёт к инактивации последнего. У инактивированного репрессора резко снижается сродство к зоне оператора, в результате чего репрессор отсоединяется от промотора, открывая «вход» для РНК-полимеразы. Вслед за этим начинается транскрипция оперона, а затем и синтез ферментов, метаболизирующих лактозу.

Ген-регулятор
иРНК-полимераза
Оператор
Структурный ген
транскрипция
иРНК
трансляция
Лактоза действует как индуктор
Комплекс индуктора с репрессором, неспособный связаться с оператором
Глюкоза + галактоза
β - галактозидаза
фермент
Схема позитивной регуляции транскрипции лактозного оперона
репрессор
Рассмотрим механизм регуляции
синтеза белка на примере
работы лактозного оперона
молочнокислых бактерий

Транскрипция