2.5: Ген і оперон

Last updated

Oct 24, 2022
Save as PDF
- 2.4: Центральна догма та генетичний код
- 2.6: Лак Оперон; CAP сайт; ДНК-сліди

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

гени

Вся послідовність нуклеїнових кислот, яка необхідна для синтезу функціонального поліпептиду або молекули РНК. Таким чином, ген містить додаткову інформацію про послідовність, крім тієї, яка кодує амінокислоти в білку або нуклеотиди в молекулі РНК. Ген також містить ДНК, необхідну для отримання певної розшифровки.

Регіони керування транскрипцією можуть бути віддалені до області кодування (на порядку Kb або 10 Kb).

У більшості прокаріотичних генів відсутні інтрони (інтервенційна послідовність ДНК). У прокаріотів гени, які кодують білки з взаємозв'язками в метаболічному шляху, утворюють оперони - які виробляють поліцистронові мРНК.

Визначення: Оперон та промоутер

Оперон знаходиться в бактеріальній ДНК, скупченні суміжних генів, транскрибуваних з одного промотора, що породжує поліцистронову мРНК.
Промотор - це послідовність ДНК, з якою РНК-полімераза зв'язується перед початком транскрипції - зазвичай виявляється безпосередньо вище за течією початку транскрипції гена

наприклад, Trp Operon - бере участь в біосинтезі амінокислоти триптофану:

Скріншот (257) .png

Малюнок 2.5.1: Хімічний шлях трп-оперона

Скріншот (258) .png

Малюнок 2.5.2: Trp оперон в ДНК/РНК

Наслідком розташування генів бактерій в оперони є те, що рівень мРНК для кожного з генів в опероні абсолютно однаковий.

Рибосоми транскрибуються з самого початку кожного гена, а не тільки з першого гена.

Іншим наслідком розташування генів бактерій в оперони є те, що мутація вище за течією (тобто, можливо, інгібування транскрипції) може запобігти транскрипції та експресії «нижчих» генів. Більшість еукаріотичних одиниць транскрипції виробляють моноцистронову мРНК (тобто вони кодують лише один білок). Існує принципова відмінність в процесах трансляції прокаріотів і еукаріотів:

У прокаріотів рибосоми можуть зв'язуватися при певних послідовностях розпізнавання в будь-якому місці в межах мРНК (званих сайтами зв'язування рибосом, або сайтами «Shine-Dalgarno»).
У еукаріотів рибосоми зв'язуються через взаємодію зі специфічно модифікованою 5' областю (так звана 5' cap site) молекул мРНК.
Тому більшість еукаріотичних мРНК є моноцистронічними.

Мутації в простих еукаріотичних одиницях транскрипції впливають тільки на один білок.

Складні еукаріотичної транскрипції одиниць

Первинна розшифровка РНК, закодована складними блоками транскрипції, може бути з'єднана більш ніж одним способом. Через різні можливості обробки екзони (області кодування) в одній складній транскрипційній одиниці можуть бути пов'язані альтернативними способами, щоб отримати різні мРНК та різні білки.

Скріншот (259) .png

Малюнок 2.5.3: Складні одиниці транскрипції

Транскрипційна регуляція

Успішне виживання вимагає адаптивності та економічності:

Здатність переходити з метаболізму одного субстрату на інший у міру зміни ресурсів навколишнього середовища
Було б енергійними відходами виробляти ферменти для метаболічного шляху, який не потрібен.

Індукція проти репресії синтезу ферментів

У кишкової палички певні ферменти виробляються тільки тоді, коли клітини вирощуються на певних субстратах. Такий ефект називається індукцією ферменту. Наприклад, коли клітини вирощуються за відсутності типу цукру, відомого як b галактозид (наприклад, лактоза), клітини містять дуже мало молекул (~ 5 на клітину) ферменту b -галактозидази (який розщеплює лактозу на глюкозу та галактозу).

Немає необхідності в цьому ферменті при відсутності лактози.
Якщо лактозу додають до кишкової палички, за дуже короткий проміжок часу на клітину припадає приблизно 5000 молекул b -галактозидази (приблизно ~ 1,000 разів індукції).
При видаленні лактози зі середовищ синтез b -галактозидази припиняється.

Аналогічна, але протилежна ситуація відбувається і щодо синтезу триптофану (біосинтетичні ферменти містяться в trp опероні). У цьому випадку вироблення ферментів для біосинтезу триптофану швидко припиняється, якщо присутній триптофан, у процесі, який називається репресією. Репресія - це транскрипційний регуляторний механізм для часто необхідних генних продуктів. Індукція - це транскрипційний регуляторний механізм для генних продуктів, який може знадобитися в незвичайних або нечастих ситуаціях.