Πώς ρυθμίζεται το Lac Operon

Η έκφραση γονιδίου είναι η σύνθεση μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας μιας λειτουργικής πρωτεΐνης με βάση τις πληροφορίες που κωδικοποιούνται από ένα συγκεκριμένο γονίδιο. Η ποσότητα της σύνθεσης μιας συγκεκριμένης πρωτεΐνης μπορεί να ρυθμιστεί από τη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης. Η διαφορική έκφραση των γονιδίων μπορεί να επιτευχθεί κατά τη διάρκεια των διαφόρων σταδίων της πρωτεϊνοσύνθεσης. Ωστόσο, η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης είναι διαφορετική στα ευκαρυωτικά και προκαρυωτικά γονίδια. Λακ Το οπερόνιο είναι ένα σύμπλεγμα γονιδίων που είναι υπεύθυνα για το μεταβολισμό της λακτόζης του E.coli . Η ρύθμιση της έκφρασης του lac Το οπερόνιο επιτυγχάνεται ως απόκριση στα επίπεδα λακτόζης και γλυκόζης στο μέσο. Η ρύθμιση του lac Το οπερόνιο χρησιμοποιείται ως το κύριο παράδειγμα ρύθμισης των προκαρυωτικών γονιδίων σε εισαγωγικές μελέτες μοριακής και κυτταρικής βιολογίας.

Βασικές περιοχές που καλύπτονται

1. Τι είναι η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης
      – Ορισμός, ρύθμιση γονιδιακής έκφρασης
2. Τι είναι το Lac Operon
     – Ορισμός, δομή, λειτουργία γονιδιακών προϊόντων
3. Πώς ρυθμίζεται το Lac Operon
     – Καταστολέας Lac, CAP

Βασικοί όροι:Πρωτεΐνη ενεργοποιητή καταβολίτη (CAP), E. coli, γονιδιακή έκφραση, γλυκόζη, οπερόνιο Lac, καταστολέας λακτόζης, μεταβολισμός λακτόζης

Τι είναι η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης

Η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης αναφέρεται σε ένα ευρύ φάσμα μηχανισμών που χρησιμοποιούνται από το κύτταρο είτε για να αυξήσουν είτε να μειώσουν την παραγωγή ενός συγκεκριμένου γονιδιακού προϊόντος (μιας πρωτεΐνης ή ενός RNA). Επιτυγχάνεται κατά τη διάρκεια διαφόρων σταδίων της πρωτεϊνοσύνθεσης όπως περιγράφεται παρακάτω.

1. Επίπεδο αναπαραγωγής – Οι μεταλλάξεις που συμβαίνουν κατά την αντιγραφή του DNA μπορεί να προκαλέσουν αλλοιώσεις στη γονιδιακή έκφραση.
2. Επίπεδο μεταγραφής – Η μεταγραφή ενός συγκεκριμένου γονιδίου μπορεί να ελεγχθεί από καταστολείς και ενεργοποιητές.
3. Μετα-μεταγραφικό επίπεδο – Η γονιδιακή έκφραση μπορεί να επιτευχθεί κατά τη διάρκεια των μετα-μεταγραφικών τροποποιήσεων, όπως το μάτισμα RNA.
4. Μεταφραστικό επίπεδο – Η μετάφραση ενός μορίου mRNA μπορεί να ελεγχθεί με διάφορες διαδικασίες, όπως η οδός παρεμβολής RNA.
5. Μετα-μεταφραστικό επίπεδο – Η σύνθεση μιας πρωτεΐνης μπορεί να ρυθμιστεί σε μετα-μεταφραστικό επίπεδο ελέγχοντας τις μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις.

Ωστόσο, η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης στους προκαρυώτες επιτυγχάνεται κυρίως κατά την έναρξη της μεταγραφής. Περιλαμβάνει τους ενεργοποιητές που ρυθμίζουν θετικά τη γονιδιακή έκφραση και τους καταστολείς που ρυθμίζουν αρνητικά τη γονιδιακή έκφραση. Η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης σε διαφορετικά στάδια της πρωτεϊνοσύνθεσης φαίνεται στο εικόνα 1 .

Εικόνα 1:Ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης

Τι είναι το Lac Οπερόν

Το lac Το οπερόνιο αναφέρεται σε ένα σύμπλεγμα γονιδίων που είναι υπεύθυνα για το μεταβολισμό της λακτόζης του E. coli. Ως εκ τούτου, το lac Το οπερόνιο είναι μια λειτουργική μονάδα του E. coli γονιδίωμα. Όλα τα γονίδια στο lac το οπερόνιο ελέγχεται από έναν μόνο υποκινητή. Ως εκ τούτου, όλα τα γονίδια στο οπερόνιο μεταγράφονται μαζί. Τα γονιδιακά προϊόντα είναι οι πρωτεΐνες που είναι υπεύθυνες για τη μεταφορά της λακτόζης στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου και την πέψη της λακτόζης σε γλυκόζη. Η γλυκόζη χρησιμοποιείται στην κυτταρική αναπνοή για την παραγωγή ενέργειας με τη μορφή ATP. Το lac Το οπερόνιο μπορεί να υπάρχει και σε πολλά άλλα εντερικά βακτήρια. Η δομή του lac Το οπερόνιο εμφανίζεται στο σχήμα 2 .

Εικόνα 2:Lac Οπερόν

Το lac Το οπερόνιο αποτελείται από τρία γονίδια που ελέγχονται από έναν μόνο υποκινητή. Αυτά τα γονίδια είναι lacZ , lacY , και lacA . Αυτά τα γονίδια κωδικοποιούνται για τα τρία ένζυμα που εμπλέκονται στο μεταβολισμό της λακτόζης γνωστά ως βήτα-γαλακτοσιδάση, βήτα-γαλακτοσιδική περμεάση και βήτα-γαλακτοσιδική τρανσακετυλάση αντίστοιχα. Η βήτα-γαλακτοσιδάση εμπλέκεται στη διάσπαση της λακτόζης σε γλυκόζη και γαλακτόζη. Η περμεάση βήτα-γαλακτοσίδη είναι ενσωματωμένη στην κυτταρική μεμβράνη, επιτρέποντας τη μεταφορά της λακτόζης στο κυτταρόπλασμα. Η βήτα-γαλακτοσιδική τρανσακετυλάση εμπλέκεται στη μεταφορά μιας ακετυλικής ομάδας από ακετυλ Co-A σε βήτα-γαλακτοσίδη. Η μεταγραφή του lac Το οπερόνιο παράγει ένα πολυκιστρονικό μόριο mRNA που παράγει και τα τρία γονιδιακά προϊόντα από ένα μόνο μόριο mRNA. Γενικά, το lacZ και lacY γονιδιακά προϊόντα επαρκούν για τον καταβολισμό της λακτόζης.

Εκτός από αυτά τα τρία γονίδια, lac Το οπερόνιο αποτελείται από μια σειρά από ρυθμιστικές περιοχές στο οποίο μπορούν να συνδεθούν διάφορες πρωτεΐνες για τον έλεγχο της μεταγραφής. Οι βασικές ρυθμιστικές ακολουθίες στο lac Το οπερόνιο είναι ο υποκινητής, ο χειριστής και η θέση δέσμευσης της πρωτεΐνης ενεργοποιητή καταβολίτη (CAP). Ο υποστηρικτής χρησιμεύει ως η θέση δέσμευσης για την RNA πολυμεράση, το ένζυμο που είναι υπεύθυνο για τη μεταγραφή των γονιδίων. Ο χειριστής χρησιμεύει ως αρνητικός ρυθμιστικός ιστότοπος στον οποίο το lac δεσμεύει τον καταστολέα. Ο ιστότοπος δέσμευσης CAP χρησιμεύει ως η θετική ρυθμιστική τοποθεσία με την οποία συνδέεται η ΚΓΠ.

Πώς είναι το Lac Operon Regulated

Η ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης στα προκαρυωτικά γονίδια λαμβάνει χώρα μέσω επαγώγιμων οπερονίων στην οποία συνδέονται διαφορετικοί τύποι πρωτεϊνών, είτε ενεργοποιώντας είτε καταστέλλοντας τη μεταγραφή του οπερονίου με βάση τις απαιτήσεις του κυττάρου. Λακ Το οπερόνιο είναι επαγώγιμο οπερόνιο. Επιτρέπει τη χρήση της λακτόζης, ενός δισακχαρίτη, στην παραγωγή ενέργειας μετατρέποντάς την σε γλυκόζη που μπορεί εύκολα να χρησιμοποιηθεί στην κυτταρική αναπνοή, όταν η γλυκόζη δεν είναι διαθέσιμη για το κύτταρο. Το lac Το οπερόνιο ρυθμίζεται σε καταστάσεις «απενεργοποίησης» και «ενεργοποίησης» με βάση την παρουσία γλυκόζης στο κύτταρο. Το lac ο καταστολέας είναι υπεύθυνος για τη λειτουργία "απενεργοποίησης" του lac operon ενώ το CAP είναι υπεύθυνο για τη λειτουργία «ενεργοποίησης» του lac οπερόνιο.

Λακ Καταστολέας

Το lac Ο καταστολέας αναφέρεται σε έναν αισθητήρα λακτόζης, ο οποίος εμποδίζει τη μεταγραφή του lac οπερόνιο παρουσία γλυκόζης. Η χρήση της γλυκόζης στην κυτταρική αναπνοή απαιτεί λιγότερα βήματα στην παραγωγή ενέργειας σε σύγκριση με τη λακτόζη. Ως εκ τούτου, όταν η γλυκόζη είναι διαθέσιμη στο κύτταρο, διασπάται εύκολα στις κυτταρικές οδούς για την παραγωγή ενέργειας. Επιπλέον, όταν χρησιμοποιείται γλυκόζη στην αναπνοή, η χρήση της λακτόζης για τον προηγούμενο σκοπό θα πρέπει να αποφεύγεται προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη αποτελεσματικότητα της κυτταρικής αναπνοής. Σε αυτήν την κατάσταση, το μπλοκάρισμα της μεταγραφής του lac το οπερόνιο επιτυγχάνεται με τη δέσμευση του καταστολέα lac στην περιοχή χειριστή του lac οπερόνιο. Γενικά, η περιοχή χειριστή επικαλύπτεται με την περιοχή προαγωγέα. Ως εκ τούτου, όταν το lac Ο καταστολέας δεσμεύεται στην περιοχή χειριστή, η RNA πολυμεράση δεν είναι ικανή να συνδεθεί με την περιοχή του προαγωγέα καθώς η πλήρης περιοχή προαγωγέα δεν είναι διαθέσιμη. Όταν η γλυκόζη είναι άμεσα διαθέσιμη στο κύτταρο και η λακτόζη δεν είναι διαθέσιμη, η lac ο καταστολέας συνδέεται στενά με την περιοχή χειριστή, αναστέλλοντας τη μεταγραφή του lac οπερόνιο. Η ρύθμιση του lac Το οπερόνιο εμφανίζεται στο σχήμα 3 .

Εικόνα 3:Ρύθμιση του Lac Οπερόν

Πρωτεΐνη ενεργοποιητή καταβολίτη (CAP)

Η πρωτεΐνη CAP αναφέρεται σε έναν καταστολέα γλυκόζης που ενεργοποιεί τη μεταγραφή του lac οπερόνιο. Όταν το κύτταρο τελειώσει από γλυκόζη και η λακτόζη είναι άμεσα διαθέσιμη μέσα στο κυτταρόπλασμα, το lac ο καταστολέας χάνει την ικανότητά του να συνδέεται με το DNA. Ως εκ τούτου, επιπλέει μακριά από την περιοχή χειριστή, καθιστώντας την περιοχή προαγωγέα διαθέσιμη για τη σύνδεση με την RNA πολυμεράση. Όταν είναι διαθέσιμη λακτόζη, ορισμένα από τα μόρια μετατρέπονται σε αλλολακτόζη , ένα μικρό ισομερές λακτόζης. Η δέσμευση της αλλολακτόζης στο lac ο καταστολέας προκαλεί τη χαλάρωση του από την περιοχή χειριστή. Επομένως, η αλλολακτόζη χρησιμεύει ως επαγωγέας, ενεργοποιώντας την έκφραση της lac οπερόνιο. Περαιτέρω, το lac Το οπερόνιο θεωρείται επίσης ως επαγώγιμο οπερόνιο.

Ωστόσο, η RNA πολυμεράση από μόνη της δεν μπορεί να συνδεθεί τέλεια στην περιοχή του προαγωγέα. Ως εκ τούτου, το CAP βοηθά στη στενή σύνδεση της RNA πολυμεράσης με τον προαγωγέα. Συνδέεται στη θέση δέσμευσης CAP ανάντη προς τον προαγωγέα. Η σύνδεση του CAP στο DNA ρυθμίζεται από ένα μικρό μόριο γνωστό ως κυκλικό AMP (cAMP) . Το cAMP χρησιμεύει ως το σήμα πείνας που παράγεται από το E. coli απουσία γλυκόζης. Η σύνδεση του cAMP στο CAP αλλάζει τη διαμόρφωση του CAP, επιτρέποντας τη σύνδεση του CAP στη θέση δέσμευσης CAP του lac οπερόνιο. Ωστόσο, το cAMP υπάρχει στο κύτταρο όταν τα επίπεδα γλυκόζης είναι πολύ χαμηλά μέσα στο κύτταρο. Ως εκ τούτου, η ενεργοποίηση του lac Το οπερόνιο μπορεί να επιτευχθεί μόνο όταν η γλυκόζη δεν είναι διαθέσιμη για το κύτταρο. Εν κατακλείδι, η ενεργοποίηση του lac Το οπερόνιο μπορεί να επιτευχθεί όταν η γλυκόζη δεν είναι διαθέσιμη και η λακτόζη είναι διαθέσιμη μέσα στο κύτταρο. Όταν τόσο η γλυκόζη όσο και η λακτόζη απουσιάζουν στο κύτταρο, η λακτόζη Ο καταστολέας παραμένει δεσμευτικός στο lac οπερόνιο, αποτρέποντας τη μεταγραφή του οπερονίου.

Γλυκόζη	Λακτόζη	Μηχανισμός	Κανονισμός
Απουσία	Παρόν	Το CAP συνδέεται με την τοποθεσία δέσμευσης CAP	Έκφραση οπερονίου lac
Παρόν	Απουσία	lac ο καταστολέας συνδέεται με την περιοχή χειριστή	Καταστολή του οπερονίου lac

Συμπέρασμα

Το lac Το οπερόνιο είναι ένα επαγώγιμο οπερόνιο όπου οι πρωτεΐνες που απαιτούνται από τον μεταβολισμό της λακτόζης υπάρχουν σε ομάδες γονιδίων. Ως εκ τούτου, η μεταγραφή του lac Το οπερόνιο παράγει ένα πολυκιστρονικό μόριο mRNA ικανό να συνθέτει πολλαπλά γονιδιακά προϊόντα. Το lac Το οπερόνιο εκφράζεται μόνο απουσία γλυκόζης και παρουσία λακτόζης μέσα στο κύτταρο για κυτταρική αναπνοή. Το lac ο καταστολέας συνδέεται με την περιοχή χειριστή του lac οπερόνιο όταν η γλυκόζη είναι άμεσα διαθέσιμη και η λακτόζη δεν είναι διαθέσιμη. Το CAP συνδέεται με τον χειριστή του lac οπερόνιο, υποβοηθώντας τη μεταγραφή όταν η γλυκόζη δεν είναι διαθέσιμη και η λακτόζη είναι άμεσα διαθέσιμη. Ως εκ τούτου, το κύτταρο γίνεται ικανό να χρησιμοποιεί λακτόζη στην κυτταρική αναπνοή για να παράγει ενέργεια.

Εικόνα Ευγενική προσφορά:

1. «Έλεγχος γονιδιακής έκφρασης» Από τον ArneLH – Ίδια εργασία (CC BY-SA 3.0) μέσω Commons Wikimedia
2. «Lac operon1» (Δημόσιος τομέας) μέσω Commons Wikimedia
3. «Lac operon» ( CC BY 2.0) μέσω Commons Wikimedia

Αναφορά:

1. «Κανονισμός προκαρυωτικών γονιδίων». Lumen / Boundless Biology, Διαθέσιμο εδώ.
2. "Το οπερόνιο lac." Khan Academy, Διαθέσιμο εδώ.
3. "Lac Operon:Ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης σε προκαρυώτες." Biology, Byjus Classes, 21 Νοεμβρίου 2017, Διαθέσιμο εδώ.