2 typer operon system af genetik Fordele ved Gene forordning
En operon er en del af genetisk materiale (eller DNA), som virker som en enkelt reguleret enhed, der har en eller flere strukturgener, et operatørgen, et promotorgen, et regulatorgen, en repressor og en inducer eller corepressor (udefra). Operatør-, promotor- og regulatorgener udgør reguleringsregionen.
Operonsystemer er almindelige i prokaryoter. Den første operon là-operon blev opdaget af Jacob og Monad (1961). Senere blev der fundet en række sådanne operoner, fx trp-operon, ara-operon, hans operon, voloperation. Operoner er af to typer, inducerbare og undertrykkelige.
Image Courtesy: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d2/Lac_operon-2010-21-01.png
Inducerbart operonsystem - Lac Operon (Fig. 6.34):
Et inducerbart operon system er en reguleret enhed af genetisk materiale, som er tændt som reaktion på tilstedeværelsen af et kemikalie. Den består af følgende dele:
Strukturelle gener:
De er de gener, der faktisk syntetiserer mRNA'er. En mRNA styrer metabolisk aktivitet af cytoplasma gennem dannelse af protein eller enzym over ribosomer. En operon har en eller flere strukturelle gener. Laktosen eller lac-operonen i Escherichia coli indeholder tre strukturgener (Z, Y, A).
De transkriberer et poiycistronisk mRNA-molekyle, som hjælper i syntese af tre enzymer -P-galactosidase til hydrolyse af lactose- eller galactosid-, laktose- eller galactosidpermease for at tillade indtræden af lactose udefra og thiogalactosidacetylase eller transacetylase til metabolisering af toksiske thiogalactosider, som også tillades indrejse af lactosepermease.
De tre enzymer fremstilles imidlertid i forskellige molære koncentrationer. Et meget lavt niveau af udtryk for lacoperon og dermed dets enzymer er altid til stede. Første indgang af lactose til bakterie ville kun forekomme på grund af denne aktivitet.
Operatørgen:
Det er et gen, som direkte styrer syntesen af mRNA'er over strukturgener. Det er slukket ved tilstedeværelsen af en repressor. En inducer kan tage væk repressoren og tænde genet. Genet dirigerer derefter de strukturelle gener til at transkribe. Operationsgenet af lac operon er lavet af kun 27 basepar.
Promoter Gene:
Det virker som et initieringssignal, som fungerer som genkendelsescenter for RNA-polymerase, forudsat at operatørgenet er tændt. RNA-polymerase er bundet til promotorgenet. Når operatorgenet er funktionelt, bevæger polymerasen sig over det og når strukturgener til udførelse af transkription.
Regulatorgenet (lac i-genet):
I lac-operon hedder det i -gen, fordi det producerer en inhibitor eller repressor. Repressoren binder til operatørgen og stopper sidstnævntes arbejde. Det udøver en negativ kontrol over strukturelle generers arbejde.
repressor:
Det er regulatorprotein syntetiseret hele tiden (konstitutivt) af regulatoren i -gen. Repressor er beregnet til blokering af operatørgenet, således at de strukturelle gener ikke er i stand til at danne mRNA'er. Den har to allosteriske steder, en til fastgørelse til operatørgen og anden for binding til inducer.
Efter at have været i kontakt med inducereren undergår repressoren konformationelle ændringer på en sådan måde, at den ikke kan kombinere med operatøren. Repressoren af lactose eller lac-operon er et protein med en molekylvægt på 160.000. Den består af fire underenheder, der hver har en molekylvægt på 40.000.
inducer:
Det er et kemikalie (substrat, hormon eller anden metabolit), som efter at komme i kontakt med repressoren, ændrer sidstnævnte til ikke-DNA-bindende tilstand for at frigøre operatørgenet. Induceren til lac-operon af Escherichia coli er lactose (faktisk allolactose eller lactosebetabolit).
KASKET:
Det er aktivator kaldet katabolisk aktivator protein. Det udøver en positiv kontrol i lac-operon, fordi RNA-polymerase i sin fravær ikke er i stand til at genkende promotorgenet. Dens gen er placeret væk fra operonen, men receptor CAP-stedet forekommer nær lac-promotoren. CAP aktiverer lac gener kun, når glucose er fraværende.
RNA-polymerase genkendes af promotorgen. Den passerer over det frigjorte operatørgen og katalyserer derefter transkription af mRNA'er over strukturgener. MRNA'erne passerer ind i cytoplasma og danner særlige proteiner eller enzymer. Af de tre enzymer produceret af lac-operon er lactose-permease beregnet til at bringe lactose inde i cellen. Β-galactosidase (= lactase) bryder lactose i to komponenter, glucose og galactose. Enzymet som laktase eller (3-galactosidase som dannes som reaktion på tilstedeværelsen af dets substrat kaldes ofte inducerbart eller adaptivt enzym.
Inducerbare operon systemer forekommer generelt i kataboliske veje. Lac-operonen vil dog ikke forblive uendelig på trods af forekomsten af lactose i det ydre miljø.
Det vil stoppe sin aktivitet med akkumulering af glucose og galactose i cellen ud over bakteriens kapacitet til deres metabolisme. Lac-operon er også under kontrol af positiv regulering.
Repressible Operon System (Fig. 6.35):
Repressible operon system findes almindeligvis i anabolske veje. Operonen er aktiv, og enzymerne produceret af dets strukturgener er normalt til stede i cellen. Operonens funktion stoppes, når koncentrationen af et slutprodukt krydser en tærskelværdi. Et eksempel på repressibelt system er tryptophan eller trp operon af Escherichia coli. Det blev også udarbejdet af Jacob og Monod og består af følgende:
Strukturelle gener:
Generne er forbundet med transkription af mRNA'er. MRNA'erne oversætter deres kodede informationer i syntesen af polypeptider. Polypeptider giver anledning til proteinholdige stoffer, herunder enzymer. Tryptofanoperon har fem strukturelle gener-trp E, D, С, B, A. De danner enzymer til fem trin med tryptophan-syntese.
Operatørgen:
Det styrer strukturgenerernes funktion. Normalt holdes den tændt, fordi aporepressoren produceret af regulatorgenet ikke er i stand til fuldstændigt at blokere operatørgenet. Operatørgenet er slukket, når en corepressor er tilgængelig alongwith aporepressor.
Promoter Gene:
Det er stedet for indledende binding af RNA-polymerase. Sidstnævnte rejser fra promotorgen til strukturelle gener, forudsat at operatørgenet er tændt.
Andre Regulatory Region Components:
To komponenter i regulatorisk region forekommer mellem operatørgen og strukturgenet E. De er ledersekvens (L) og dæmpningsmiddel (A). Ledersekvensen er involveret i styring af dæmperen. Attenuator hjælper med at reducere tryptofansyntese, når den er til stede i tilstrækkelig mængde uden at slukke operonen.
Regulatorgener (trp R):
Det danner en proteinholdig komponent til mulig blokering af operatørgenets aktivitet. Regulatorgenet af tryptofanoperon ligger i en afstand fra den resterende operon.
Aporepressor:
Det er et proteinholdigt stof syntetiseret af regulatorgen. Aporepressor danner en komponent af repressor til blokering af operatørgenes arbejde. Til dette kræver det en corepressor. Når sidstnævnte ikke er tilgængelig med korrekt styrke, holdes operatørgenet tændt, fordi aporepressor i sig selv ikke er i stand til at blokere operatørgenes arbejde.
corepressoren:
Det er en nonproteinaceous komponent af repressor, som også er et slutprodukt af reaktioner katalyseret af enzymer produceret gennem aktiviteten af strukturgener. Slutproduktet anvendes ofte i en anden reaktion, så det sjældent akkumuleres og derfor ikke fungerer som corepressor.
Men når det akkumuleres eller bliver tilgængelig fra en ekstern kilde, bliver slutproduktet corepressor, kombinerer med aporepressor, formerer repressor og blokerer operatørgenet.
De strukturelle gener stopper nu transkription. Fænomenet er kendt som tilbagekoblingsundertrykkelse. Det udøver en negativ kontrol. I tryptofanoperon fungerer tryptofan (en aminosyre) som corepressor.
Forskelle mellem induktion og undertrykkelse:
Induktion:
1. Det er tændingen af en operon, som normalt forbliver slukket.
2. Induktion skyldes et nyt substrat, der skal håndteres og metaboliseres.
3. Det er generelt forbundet med en katabolisk vej.
4. Regulatorgenet til en operon, der kan undergå induktion, frembringer en repressor, som blokerer operatørgenet.
5. Induktion er fjernelsen af repressoren af en operon af inducer-metabolitten.
6. Inducer er substrat, hormon eller dets biprodukt.
7. Det medfører transkription og oversættelse.
Undertrykkelse:
1. Det slukker for en operon, som normalt forbliver tændt.
2. Undertrykkelse skyldes forøget dannelse eller tilgængelighed af en metabolit.
3. Undertrykkelse er for det meste forbundet med en anabole vej.
4. Regulatorgenet til en operon, der er underlagt undertrykkelse, producerer en del af repressoren kaldet aporepressor. Det samme kan ikke blokere operatørgenet.
5. Undertrykkelse er blokering af operatorgenet for operon gennem en kompleks repressor, der dannes ved forening af aporepressor dannet af regulatorgen og corepressor, som faktisk er et produkt af anabolisk vej.
6. Repressor er en forbindelse dannet af en aporepressor og en corepressor, som normalt er et slutprodukt af metabolisk vej.
7. Undertryk stopper transkription og oversættelse.
Fordele ved genregulering:
1. En række relaterede gener, der kræves for en bestemt metabolisk aktivitet, kan tændes eller slukkes samtidigt.
2. Genregulering gør det muligt for cellen at tilpasse stofskiftet efter krav om miljømæssige ændringer og udvikling.
3. Det er økonomisk, da det kun syntetiserer enzymer, når det kræves.
4. Genregulering hjælper med vækst og differentiering.
5. Det hjælper med jævn gennemførelse af kædereaktioner.
