Оперонные системы регуляции. Лактозный оперон

Оперонные системы регуляции Лактозный оперон Подготовил: Проверил:

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 Лактоза

Транскрипция

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.