Охарактеризуйте работу оперона в обеспечении процессов расщепления веществ кратко

Обновлено: 05.07.2024

Оперон – это функциональная единица, которая находится в геноме прокариот и включает в себя цистроны (единицы транскрипции), которые кодируют последовательно работающие белки одним или несколькими промоторами.

Оперон в биологии

Оперон позволяет эффективно регулировать транскрипцию генов.

Концепция работы оперона была разработана в 1961 году Жакобом Моно, а также Львовым, которые стали лауреатами Нобелевской премии. По количеству цисторонов опероны могут быть:

  • моноцистронные;
  • полицистронные;
  • олигоцистронные.

Примером оперонной организации генома прокариот может служить триптофановый или лактозный, а также пиримидиновый опероны.

Любой оперон начинается и заканчивается специализированной регуляторной областью или протмотором и терминатором.

Кроме вышеобозначенных исследований проводились различные исследования и эксперименты, которые позволили существенно дополнить концепцию. Ж Моно и подтвердить, что оперённая регуляция на уровне транскрипции представляет собой основной механизм регуляции активность генов прокариот и ряда вирусов.

Оперон включает в себя:

  • структурные гены;
  • регуляторные элементы (их нельзя путать с генами – регуляторами).

Роль оперонов в биосинтезе белков и аминокислот

Структурные гены кодируют белки, которые последовательно осуществляют этапы биосинтеза какого – либо вещества. Такой ген может быть один или несколько. Эти гены тесно сцепляются друг с другом и в ходе транскрипции они работают как единый ген. Они синтезируют молекулу и – РНК, которая расщепляется на несколько побочных молекул и – РНК, которые соответствуют отдельным генам.

Регуляторными элементами в ходе вышеуказанного процесса являются:

  • промотор или участок, связывающий фермент, реализующий транскрипцию ДНК и РНК – полимеразу. Промотор является местом начала процесса транскрипции.
  • оператор является участком связывания регуляторного белка;
  • терминатор является участком оперона, сигнализирующего об окончании процесса транскрипции.

Готовые работы на аналогичную тему

Работу оператора данного оперона контролирует специализированный ген – регулятор, который синтезирует регуляторный белок. Один регулятор может иметь собственный промотор и терминатор.

Регуляторные белки могут быть двух типов:

Оба типа белков могут весьма быстро присоединяться к специфическим нуклеотидным последовательностям ДНК оператора и препятствовать транскрипции генов, либо способствовать ей. Таким образом, проявляется негативная и позитивная регуляция. Механизмы подобных регуляций имеют противоположный характер.

Кроме того, на работу белков-репрессоров могут влиять вещества — эффекторы: соединяясь с репрессором, они влияют на его взаимодействие с оператором.

Опероны также имеются у эукариот, но им свойственен ряд особенностей. В частности, оперон эукариот:

  • имеет лишь один структурный ген, в отличие от прокариот;
  • содержит только один ген, но прочие гены разбрасываются по хромосоме или разным хромосомам;
  • состоит из чередующихся друг с другом экзонов и интронов. Транскрипция позволяет вчитываться как экзонам, так и интронам. В последствии в ходе процессинга происходит вырезание интронов (сплайсинг).

Механизмы регуляции активности отдельных генов генома эукариот весьма сложны, и их рассмотрение является предметом многочисленных биологических исследований.

Лактозный оперон кишечной палочки – это группа генов, которая контролирует синтез ферментов, которые реализуют метаболизм молочного сахара – лактозы.

Если в питательную среду кишечной палочки добавить лактозу, то мгновенно начинают вырабатываться три фермента: галактозидпермеаза, бета-галактозидаза, галактозидтрансацетилаза. При этом лактозный оперон начинается с регуляторного участка для присоединения белка активатора и для последующего присоединения РНК – полимеразы. За образованием оператора следует формирование структурных генов для трех вышеупомянутых ферментов.

Белок – регулятор в незначительном количестве синтезируется в клетке на постоянной основе, но в цитоплазме присутствует не более 10 – ти подобных молекул. В отсутствие лактозы белок-репрессор связывается с операторным участком и препятствует продвижению по ДНК РНК-полимеразы: не синтезируется мРНК, не синтезируются и ферменты.

Триптофановый оперон препятствует присоединению белка – репрессора к оператору при формировании нового варианта регуляции. Если в первом вышеописанном случае соединение индуктора с белком – регулятором разрешало процесс транскрипции, то в данном случае этот процесс будет полностью запрещен.

Примером подобной регуляции может служить достаточно хорошо изученный триптофановый оперон кишечной палочки. В его составе присутствует 5 структурных генов, которые позволяют создать структурные гены для формирования незаменимой аминокислоты триптофана.

Репрессор синтезируется вне триптофанового оперона. В то время, когда клетка успевает полностью израсходовать весь созданный триптофан работает оперон, а синтез триптофана продолжается в полной мере. Если в клетке создаётся ситуация избыток триптофана, то он соединяется с репрессором и меняет его конфигурацию, чтобы действующий белок мог связаться с оператором. Комплекс репрессора с триптофаном взаимодействует с оператором и препятствует транскрипции структурных генов, вследствие чего синтез триптофана прекращается.

Если в клетке триптофан репрессор лишился способности связаться с оператором, то запускается процесс структурной транскрипции генов оперона, и итоговый синтез клеточного триптофана. Другой уровень регуляции триптофанового оперона включает аттенуацию — тонкую подстройку количества продукта в зависимости от концентрации присутствующего триптофана.

Таким образом, опероны позволяют регулировать процессы биологического синтеза белка и дают возможность сделать данный процесс более конкретным и обоснованным, выявить его временные рамки и способы запуска.

Экспериментально доказано, что гены работают не всегда, есть определенная закономерность в очередности работы генов, неработающие гены сохраняются в клетке в течение всей ее жизни и, при определенных условиях, снова могут начать работать. Это явление называется дифференциальной активностью генов.

Вопрос 2. Какова принципиальная структура оперона бактериальных клеток?

Оперон — способ организации генетического материала у прокариот, при котором цистроны (гены, единицы транскрипции), кодирующие совместно или последовательно работающие белки, объединяются под одним (или несколькими) промоторами. Такая функциональная организация позволяет эффективнее регулировать экспрессию (транскрипцию) этих генов.

В состав оперона прокариот входят структурные гены и регуляторные элементы (не путать с геном-регулятором). Структурные гены кодируют белки, осуществляющие последовательно этапы биосинтеза какого-либо вещества. Этих генов может быть один, два или несколько. Они тесно сцеплены друг с другом и, что самое главное, в ходе транскрипции работают как один единый ген: на них синтезируется одна общая молекула иРНК, которая лишь потом расщепляется на несколько иРНК, соответствующих отдельным генам. Регуляторными элементами являются следующие:

- промотор — участок связывания фермента, осуществляющего транскрипцию ДНК - РНК-полимеразы. Является местом начала транскрипции. Представляет собой короткую последовательность из нескольких десятков нуклеотидов ДНК, с которой специфически связывается РНК-полимераза. Кроме того, промотор определяет, какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза иРНК;

- оператор - участок связывания регуляторного белка;

- терминатор - участок в конце оперона, сигнализирующий о прекращении транскрипции.

Что такое оперон в генетике — кто разработал концепцию

Оперон — это функциональная единица наследственной информации, которая содержится в прокариотических клетках (к ним относятся истинные бактерии и археи) и транскрибирует все гены, находящиеся под общим промотором.

Промотор — это последовательность цепочки ДНК, которую РНК-полимераза узнает как стартовую площадку для начала транскрипции.

В состав оперонов входят цистоны, т.е. гены, синтезирующие определенный белок. По количеству этих единиц транскрипции опероны делятся на такие виды, как:

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

  • моноцистонные;
  • олигоцистонные;
  • полицистонные.

Одним из примеров оперонной организации генома является лактозный оперон. Эта группа генов, контролирующая синтез ферментов, отвечающих за расщепление молочного сахара (лактозы). Изучив данный механизм, французские ученые Ф.Жакоб и Ж.Моно, разработали концепцию оперона, и за это открытие в области биохимии в 1965 году получили Нобелевскую премию.

Структурная организация и основные функции

Строение оперона

Опероны состоят из промоторной области, оператора и структурных генов. В начале и конце оперона находятся регуляторные области: в начале — промотор, в конце — терминатор. Эти элементы может иметь в своем составе и каждый отдельно взятый цистон.

Оперон

Функции оперона

Опероны участвуют в процессах синтеза полипептидов, необходимых для усвоения определенных питательных веществ. Опероны являются стимулом для того, чтобы в клетке живого организма начали вырабатываться необходимые ферменты. Например, фермент лактаза, за который отвечает оперон Lac, расщепляет молочный сахар. Оперон Trp способствует выработке ферментов, синтезирующих аминокислоту триптофан.

Оперон и транскриптон как единицы транскрипции

Оперон является видом транскриптона, но может присутствовать только у прокариотов. Транскриптоны эукариот содержат, как правило, только один ген. В прокариотических клетках транскрипторные единицы содержат несколько генов и производят полицистронные мРНК. В результате их трансляции рибосомы синтезируют необходимый белок.

Когда происходит включение оперона

Механизм выработки клеткой определенного фермента включается только при попадании вещества в культурную среду. Для включения оперона и начала экспрессии нужного гена необходимо наличие индуктора.

Индуктор (или эффектор) — это вещество-стимулятор экспрессии гена.

Процесс регуляции своевременного включения оперона обозначается понятием индукция. Если в клетке наблюдается недостаток синтезирующего вещества, то индуктор придает белку-регулятору способность присоединяться к оператору, либо препятствует присоединению белка-репрессора. Способ индукции зависит от того, какое вещество находится в среде. Каждый из них по-своему включает нужные участки ДНК.

Когда в клетке наблюдается избыток полипептида, индуктор включает аттенуацию, процесс регуляции оперона путем репрессии стимулятора. Транскрипция гена прекращается, и фермент больше не синтезируется.

Как найти длину оперона

Оперон является участком ДНК, поэтому для вычисления его длины необходимо знать количество нуклеотидов, входящих в его состав. Длина одного нуклеотида составляет 0,34 нм. Нужно умножить их количество на указанное число.

Переключение генов лучше всего изучено у прокариот (бактерий). Рассмотрим механизмы регуляции активности генов на примере лактозного оперона кишечной палочки (Escherichia coli) – классического объекта генетики микроорганизмов. Единицей регуляции экспрессии генов у прокариот является оперон.

Оперон – это 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 и более.)

Промотор – это регуляторный участок ДНК, который служит для присоединения РНК-полимеразы к молекуле ДНК. В лактозном опероне присоединение РНК-полимеразы происходит с помощью комплекса CAP-цАМФ (CAP – это специфический белок; в свободной форме является неактивным активатором, цАМФ – циклоаденозинмонофосфат – циклическая форма аденозинмонофосфорной кислоты).

Оператор – это регуляторный участок ДНК, который способен присоединять белок-репрессор, который кодируется соответствующим геном lac. Если репрессор присоединен к оператору, то РНК-полимераза не может двигаться вдоль молекулы ДНК и синтезировать мРНК.

Структурные гены кодируют три фермента, необходимые для расщепления лактозы (молочного сахара) на глюкозу и галактозу. Молочный сахар лактоза – менее ценный продукт питания, чем глюкоза, поэтому в присутствии глюкозы сбраживание лактозы является невыгодным для бактерии процессом. Однако при отсутствии глюкозы бактерия вынуждена переходить на питание лактозой, для чего синтезирует соответствующие ферменты Z (β-галактозидазу), Y (галактозидпермеазу), А (тиогалактозидтрансацетилазу).

Терминатор – это регуляторный участок ДНК, который служит для отсоединения РНК-полимеразы после окончания синтеза мРНК, соответствующей ферментам Z, Y, А, необходимым для усвоения лактозы.

Для регуляции работы оперона необходим ген cya, кодирующий белок CYA, который катализирует образование цАМФ из АТФ, Если в клетке имеется глюкоза, то белок CYA вступает с ней в реакцию и переходит в неактивную форму. Таким образом, глюкоза блокирует синтез цАМФ и делает невозможным присоединение РНК-полимеразы к промотору. Следовательно, глюкоза является репрессором лактозного оперона.

Если же в клетке имеется лактоза, то она взаимодействует с белком-репрессором и превращает его в неактивную форму. Белок-репрессор, связанный с лактозой, не может присоединиться к оператору и не преграждает путь РНК-полимеразе. Таким образом, лактоза является индуктором лактозного оперона.

Предположим, что первоначально в клетке имеется только глюкоза. Тогда белок-репрессор присоединен к оператору, а РНК-полимераза не может присоединиться к промотору. Оперон не работает, структурные гены выключены.

При появлении в клетке лактозы и при наличии глюкозы белок-репрессор отщепляется от оператора и открывает путь РНК-полимеразе. Однако РНК-полимераза не может присоединиться к промотору, поскольку глюкоза блокирует синтез цАМФ. Оперон по-прежнему не работает, структурные гены выключены.

Если же в клетке имеется только лактоза, то белок-репрессор связывается с лактозой, отщепляется и открывает путь РНК-полимеразе. В отсутствии глюкозы белок CYA катализирует синтез цАМФ, и РНК-полимераза присоединяется к промотору. Структурные гены включаются, РНК-полимераза синтезирует мРНК, с которой транслируются ферменты, обеспечивающие сбраживание лактозы.

Таким образом, лактозный оперон находится под двойным контролем индуктора (лактозы) и репрессора (глюкозы). Общий принцип регуляции активности структурных генов в этих оперонах показан на рис. _____ (см. рисунки в конце лекции).

Оперон - это блок генов, участвующих в обеспечении транскрипции генов, ответственных за синтез определенного генопродукта.
Схема оперона:
Регуляторная часть оперона:
А - активатор, часть промотора, к которому присоединяется белок-активатор (САР - белок или catabolite activator protein), что активирует присоединение РНК- полимеразы к промотору; это "положительно" контролирующий элемент, который есть не в каждом опероне.
П - ген-промотор - это участок ДНК, который распознается фермен­том РНК - полимеразой и указывает место, где должна начинаться транскрипция.
О - ген-оператор, управляющей работой структурных генов; "негативно" контролирующий элемент - присутствие на нем белка-репрессора прекращает транскрипцию.
Т - ген-терминатор - это участок, после которого прекращается транскрипция и перед которым прекращается трансляция. В состав этого участка входит один из трех кодонов терминаторов (стоп-кодонов). В некоторых оперонах между оператором и структурными генами расположен участок(16 пар оснований), частью которого является аттенуатор, служащий барьером для транскрипции. Подобная структура есть в триптофановом опероне кишечной палочки (Escherichia coli).
Цистронная часть оперона: В, С, Д, Е – структурные гены, кодирую­щие соответствующие белки; структурные гены одного оперона включаются и выключаются одновременно.
Транскрипция группы структурных генов (цистронов) контролируется геном-регулятором и геном оператором. Оператор состоит приблизительно из 30 нуклеотидов. Генетические дефекты в операторе приводят к непрерыв­ному синтезу ферментов, т.е. регуляция синтеза генопродукта нарушается. Ген-регулятор контролирует синтез белка репрессора, не входит в состав оперона и может находиться на разном расстоянии от оперона.
Регуляторный белок репрессор определяет активность оперона. Он имеет два функциональных центра: 1) место связывания с опероном; 2) место связывания с индуктором или корепрессором. Большее сродство белок репрессор имеет ко второй группе веществ, которые высокоспецифичны.
Оперон активен, если оператор свободен от репрессора. Этот белок с оператора снимается, если к его второму активному центру присоединяется вещество, называемое индуктором (по химической природе оно может быть различным). Следовательно, регуляторные белки либо запускают, либо блокируют транскрипцию цистронной части оперона.
Таким образом, анализируя механизмы регуляции экспрессии генов у прокариот, можно выделить три типа регуляторных элементов.
1. Регуляторные белки – белки, влияющие на активность РНК-полимеразы, т.к. или позволяют ей связываться с промотором или нет; или открывают ей доступ к следующим после промотора нуклеотидам ДНК, или закрывают, соединяясь с оператором. Активность регуляторных белков изменяется с помощью специфического связывания с низкомолекулярными эффекторами (индукторами, корепрессорами).
2. Эффекторы - небольшие небелковые молекулы, концентрация которых в клетке отражает её состояние. В качестве эффектора могут выступать циклический аденозинмонофосфат, триптофан, лактоза и др.
3. Регуляторные нуклеотидные последовательности оперона (промоторы, операторы, терминаторы, аттенуаторы), действуя на которые регуляторные белки влияют на уровень синтеза соответствующих и-РНК

Читайте также: