Работа лактозного оперона кратко
Обновлено: 02.07.2024
Лактозный оперон (lac оперон) — полицистронный оперон бактерий, кодирующий гены метаболизма лактозы.
Регуляция экспрессии генов метаболизма лактозы у кишечной палочки (Escherichia coli) была впервые описана в 1961 году учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно (получившими в 1965 году Нобелевскую премию совместно с А. Львовым). Бактеральная клетка синтезирует ферменты, принимающие участие в метаболизме лактозы, лишь в том случае, когда лактоза присутствует в окружающей среде и клетка испытывает недостаток глюкозы.
Структура. Лактозный оперон (lac operon) состоит из трех структурных генов, промотора, оператора и терминатора. Принимается, что в состав оперона входит также ген-регулятор, который кодирует белок-репрессор.
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 ацетильную группу от ацетил-КoA на бета-галактозиды.
Для катаболизма лактозы необходимы только продукты генов lacZ и lacY, роль продукта гена lacA не ясна.
Регуляция. РНК-полимераза начинает транскрипцию с промоторного района, который перекрывается с операторным районом. В отсутствие или при низкой концентрации лактозы в клетке белок-репрессор, который является продуктом моноцистронного оперона LacI, обратимо соединяется с операторным районом 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 диссоциации белка-репрессора от операторного участка. 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 белком-репрессором происходит его диссоциация от операторного участка.
Итак, ферменты для усвоения лактозы синтезируются в клетке кишечной палочки при двух условиях: 1) наличие лактозы; 2) отсутствие глюкозы. Регуляция работы лактозного оперона в зависимости от концентрации лактозы происходит по принципу отрицательной обратной связи: чем больше лактозы — тем больше ферментов для её катаболизма (положительная прямая связь); чем больше ферментов — тем меньше лактозы, чем меньше лактозы — тем меньше производится ферментов (двойная отрицательная обратная связь).
Биологический смысл. 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.
Лактозный кишечной палочки (Escherichia coli) была исследована в 1960х годах учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно (получившими в 1965 году А. Львовым ). Суть ее заключается в том, что лактоза не используется клеткой, если есть достаточное количество более удобоваримой пищи — генов, ответственных за синтез фермента, разлагающего лактозу на глюкозу и галактозу, и транспортного белка, доставляющего лактозу в клетку.
Содержание
Структура лактозного оперона
Механизм регуляции
Случай, когда есть глюкоза, и нет лактозы
Случай, когда есть глюкоза, и есть лактоза
Случай, когда нет глюкозы, и нет лактозы
Случай, когда нет глюкозы, и есть лактоза
Нужные для обмена лактозы белки синтезируются, как и все белки, на рибосомах. Эти белки закодированы в РНК. Та, в свою очередь, синтезируется другим ферментом - ДНК-зависимой РНК-полимеразой по матрице ДНК. Процесс копирования мРНК с ДНК называют отрицательной обратной связи: чем больше ферментов, тем меньше лактозы остается (она расщепляется), следовательно, тем меньше ферментов вырабатывется в следующий отрезок времени (следует также добавить, что ферменты недолговечны — они разлагаются через некоторое время).
Но синтез ферментов зависит не только от концентрации лактозы — он не ведется, если в клетке есть достаточное количество Биологический смысл системы регуляции лактозного оперона
Благодаря этому механизму бактерия экономит энергию, имея возможность синтезировать ферменты не все время, а только тогда, когда это необходимо. Сходный механизм регуляции имеется у большинства прокариот; у эукариот он устроен значительно сложнее.
См также
Источники\Ссылки
Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Лактозный оперон. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.
Описание презентации по отдельным слайдам:
Оперонные системы регуляции
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 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.
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
Лактоза
репрессор
Рассмотрим механизм регуляции
синтеза белка на примере
работы лактозного оперона
молочнокислых бактерий
Выводы
Работа оперона молочно-кислых бактерий происходит в результате деятельности белка репрессора и факторов внешней среды (наличие или отсутствие индуктора)
Как происходит работа оперона молчно-кислых бактерий?
Как действуют гены в работе оперона?
Процесс расщепления лактозы происходит в ходе взаимодействия генов, входящих в оперон и гена регулятора.
ЛАКТОЗНЫЙ ОПЕРОН — группа генов в хромосоме E. coli, отвечающая за процесс усвоения лактозы. В состав оперона входят 3 структурных гена (A, Y, Z), кодирующих структуру ферментов (β-галактозидазы, пермеазы и трансацетилазы), катализирующих разные этапы процесса, и гены, регулирующие их работу (оператор, промотор, регулятор). Лактозный оперон работает по принципу негативной индукции: отсутствие белка репрессора (продукта гена регулятора) на операторе делает структурные гены открытыми для транскрипции ферментом РНК-полимеразой, т.е. индуцирует процесс сбраживания лактозы.
Схема строения лактозного оперона
Читайте также: