2 Arten von Operonsystemen der Genetik Vorteile der Genregulation
Ein Operon ist ein Teil von genetischem Material (oder DNA), das als einzelne regulierte Einheit mit einem oder mehreren Strukturgenen, einem Operatorgen, einem Promotorgen, einem Regulatorgen, einem Repressor und einem Induktor oder Corepressor (von außen) fungiert. Betreiber-, Promotor- und Regulatorgene bilden die regulatorische Region.
Operon-Systeme sind in Prokarytos üblich. Das erste Operon-Operat wurde von Jacob und Monad (1961) entdeckt. Später wurde eine Reihe solcher Operons entdeckt, zB trp -operon, ara -operon, his-operon, vol -operon. Operone sind zwei Arten, induzierbar und unterdrückbar.
Bild mit freundlicher Genehmigung: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d2/Lac_operon-2010-21-01.png
Inducible Operon System - Lac Operon (Abb. 6.34):
Ein induzierbares Operonsystem ist eine regulierte Einheit von genetischem Material, die als Reaktion auf das Vorhandensein einer Chemikalie eingeschaltet wird. Es besteht aus folgenden Teilen:
Strukturgene:
Es sind die Gene, die mRNAs tatsächlich synthetisieren. Eine mRNA kontrolliert die metabolische Aktivität des Cytoplasmas durch Bildung von Protein oder Enzym über den Ribosomen. Ein Operon hat ein oder mehrere Strukturgene. Die Laktose oder das Lac-Operon von Escherichia coli enthält drei Strukturgene (Z, Y, A).
Sie transkribieren ein poiycistronisches mRNA-Molekül, das bei der Synthese von drei Enzymen hilft - P-Galactosidase zur Hydrolyse von Lactose oder Galactosid, Lactose oder Galactosidpermease, um den Eintritt von Lactose von außen und Thiogalactosid-Acetylase oder Transacetylase zum Metabolisieren toxischer Thiogalactoside zuzulassen Laktosepermease.
Die drei Enzyme werden jedoch in unterschiedlichen molaren Konzentrationen hergestellt. Ein sehr geringer Expressionsgrad des Lacoperons und damit seiner Enzyme ist immer vorhanden. Der anfängliche Eintritt von Laktose in das Bakterium würde nur aufgrund dieser Aktivität auftreten.
Betreibergen:
Es ist ein Gen, das die Synthese von mRNAs über die Strukturgene direkt steuert. Sie wird durch das Vorhandensein eines Repressors ausgeschaltet. Ein Induktor kann den Repressor entfernen und das Gen einschalten. Das Gen lenkt dann die strukturellen Gene zur Transkription. Das Operator-Gen des lac-Operons besteht nur aus 27 Basenpaaren.
Promotor-Gen:
Es dient als Initiationssignal, das als Erkennungszentrum für RNA-Polymerase fungiert, vorausgesetzt, das Operator-Gen ist eingeschaltet. RNA-Polymerase ist an das Promotorgen gebunden. Wenn das Operator-Gen funktionsfähig ist, bewegt sich die Polymerase darüber und erreicht die Strukturgene, um die Transkription durchzuführen.
Regulatorgen (lac i-Gene):
Im lac-Operon wird es als i-Gen bezeichnet, da es einen Inhibitor oder Repressor produziert. Der Repressor bindet an das Operator-Gen und stoppt dessen Funktion. Es übt eine negative Kontrolle über das Funktionieren von Strukturgenen aus.
Repressor:
Es ist ein Regulatorprotein, das ständig (konstitutiv) vom Regulator i-Gene synthetisiert wird. Repressor dient dazu, das Operator-Gen zu blockieren, so dass die Strukturgene keine mRNAs bilden können. Es hat zwei allosterische Stellen, eine zum Binden an das Operator-Gen und eine zweite zum Binden an den Induktor.
Nach dem Kontakt mit dem Induktor erfährt der Repressor eine Konformationsänderung, sodass er sich nicht mit dem Operator kombinieren lässt. Der Repressor von Lactose oder Lac-Operon ist ein Protein mit einem Molekulargewicht von 160.000. Es besteht aus vier Untereinheiten mit jeweils einem Molekulargewicht von 40.000.
Induktor:
Es ist eine Chemikalie (Substrat, Hormon oder ein anderer Metabolit), die nach Kontakt mit dem Repressor den letzteren in einen Nicht-DNA-Bindungszustand versetzt, um das Operator-Gen freizusetzen. Der Induktor für das Lac-Operon von Escherichia coli ist Laktose (eigentlich Allolactose oder Metabolit von Lactose).
DECKEL:
Es ist ein Aktivator, der als katabolisches Aktivatorprotein bezeichnet wird. Es übt eine positive Kontrolle im Lacoperon aus, da RNA-Polymerase in ihrer Abwesenheit kein Promotorgen erkennen kann. Sein Gen ist vom Operon entfernt, aber die Rezeptor-CAP-Stelle tritt in der Nähe des lac-Promotors auf. CAP aktiviert lac-Gene nur, wenn Glukose fehlt.
RNA-Polymerase wird vom Promotorgen erkannt. Es passiert das freigesetzte Operator-Gen und katalysiert anschließend die Transkription von mRNAs über die Strukturgene. Die mRNAs gelangen in das Zytoplasma und bilden bestimmte Proteine oder Enzyme. Von den drei durch lac-Operon produzierten Enzymen soll Laktose-Permease Laktose in die Zelle bringen. Β-Galactosidase (= Laktase) spaltet Laktose in zwei Komponenten, Glukose und Galaktose. Das Enzym wie Lactase oder (3-Galactosidase), das als Reaktion auf die Anwesenheit seines Substrats gebildet wird, wird oft als induzierbares oder adaptives Enzym bezeichnet.
Induzierbare Operonsysteme treten im Allgemeinen in katabolischen Bahnen auf. Das lac-Operon wird jedoch trotz Anwesenheit von Laktose in der äußeren Umgebung nicht unbegrenzt wirksam bleiben.
Es stoppt seine Aktivität mit der Ansammlung von Glukose und Galaktose in der Zelle, die über die Fähigkeit des Bakteriums für deren Stoffwechsel hinausgeht. Lac-Operon steht auch unter Kontrolle der positiven Regulation.
Unterdrückbares Operon-System (Abb. 6.35):
Repressible Operonsysteme werden häufig in anabolen Bahnen gefunden. Das Operon ist aktiv und die von seinen Strukturgenen produzierten Enzyme sind normalerweise in der Zelle vorhanden. Die Funktion des Operons wird gestoppt, wenn die Konzentration eines Endprodukts einen Schwellenwert überschreitet. Ein Beispiel für ein unterdrückbares System ist Tryptophan oder Trp-Operon von Escherichia coli. Es wurde auch von Jacob und Monod ausgearbeitet und besteht aus den folgenden:
Strukturgene:
Die Gene sind mit der Transkription von mRNAs verbunden. Die mRNAs übersetzen ihre kodierten Informationen bei der Synthese von Polypeptiden. Aus Polypeptiden entstehen proteinhaltige Substanzen einschließlich Enzymen. Das Tryptophan-Operon hat fünf strukturelle Gene - trp E, D, С, B, A. Sie bilden Enzyme für fünf Schritte der Tryptophansynthese.
Betreibergen:
Es steuert die Funktion von Strukturgenen. Normalerweise bleibt es eingeschaltet, da der vom Regulatorgen erzeugte Aporepressor das Operatorgen nicht vollständig blockieren kann. Das Operator-Gen wird ausgeschaltet, wenn ein Corepressor zusammen mit einem Aporepressor verfügbar ist.
Promotor-Gen:
Es ist die Stelle für die anfängliche Bindung von RNA-Polymerase. Letzteres reist vom Promotorgen zu Strukturgenen, vorausgesetzt, das Operatorgen ist eingeschaltet.
Andere Komponenten des Regulierungsbereichs:
Zwei Komponenten der regulatorischen Region treten zwischen dem Operatorgen und dem Strukturgen E auf. Sie sind die Leadersequenz (L) und der Attenuator (A). Die Leitsequenz ist an der Steuerung des Dämpfungsglieds beteiligt. Attenuator hilft, die Tryptophansynthese zu reduzieren, wenn es in ausreichender Menge vorhanden ist, ohne das Operon auszuschalten.
Regulatorgen (trp R):
Es bildet eine proteinhaltige Komponente, um die Aktivität des Operator-Gens möglicherweise zu blockieren. Das Regulatorgen des Tryptophan-Operons liegt in einiger Entfernung vom verbleibenden Operon.
Aporepressor:
Es ist eine proteinhaltige Substanz, die vom Regulatorgen synthetisiert wird. Aporepressor bildet eine Komponente des Repressors, um das Arbeiten des Operator-Gens zu blockieren. Dafür ist ein Corepressor erforderlich. Wenn letzteres nicht in der richtigen Stärke zur Verfügung steht, bleibt das Operator-Gen eingeschaltet, da Aporepressor das Arbeiten mit dem Operator-Gen nicht blockieren kann.
Corepressor:
Es ist eine nicht-proteinhaltige Komponente des Repressors, die auch ein Endprodukt von Reaktionen ist, die durch Enzyme katalysiert werden, die durch die Aktivität von Strukturgenen erzeugt werden. Das Endprodukt wird häufig in einer anderen Reaktion verwendet, so dass es sich selten ansammelt und daher nicht als Corepressor fungiert.
Immer wenn es sich ansammelt oder von außen verfügbar wird, wird das Endprodukt zu Corepressor, kombiniert mit einem Aporepressor, bildet einen Repressor und blockiert das Operator-Gen.
Die Strukturgene stoppen jetzt die Transkription. Das Phänomen ist als Feedback-Repression bekannt. Es übt eine negative Kontrolle aus. Im Tryptophan-Operon fungiert Tryptophan (eine Aminosäure) als Corepressor.
Unterschiede zwischen Induktion und Unterdrückung:
Induktion:
1. Es ist das Einschalten eines Operons, das normalerweise ausgeschaltet bleibt.
2. Die Induktion wird durch ein neues Substrat verursacht, das gehandhabt und metabolisiert werden soll.
3. Es ist im Allgemeinen mit einem katabolischen Weg verbunden.
4. Das regulatorische Gen eines Operons, das zur Induktion neigt, produziert einen Repressor, der das Operator-Gen blockiert.
5. Induktion ist die Entfernung des Repressors eines Operons durch den Induktormetaboliten.
6. Induktor ist Substrat, Hormon oder sein Nebenprodukt.
7. Es führt zu Transkription und Übersetzung.
Repression:
1. Es wird ein Operon ausgeschaltet, der normalerweise eingeschaltet bleibt.
2. Repression wird durch eine erhöhte Bildung oder Verfügbarkeit eines Metaboliten verursacht.
3. Repression ist meistens mit einem anabolen Weg verbunden.
4. Das regulatorische Gen eines Operons, das einer Repression unterliegt, produziert einen Teil des Repressors, den sogenannten Aporepressor. Dasselbe kann das Operator-Gen nicht blockieren.
5. Repression ist das Blockieren des Operator-Gens des Operons durch einen komplexen Repressor, der durch Vereinigung eines Aporepressors gebildet wird, der durch ein Regulatorgen und einen Corepressor gebildet wird, der tatsächlich ein Produkt eines anabolen Weges ist.
6. Repressor ist eine Verbindung, die aus einem Aporepressor und einem Corepressor gebildet wird, die üblicherweise ein Endprodukt des Stoffwechselweges sind.
7. Repression stoppt die Transkription und Übersetzung.
Vorteile der Genregulation:
1. Eine Anzahl verwandter Gene, die für eine bestimmte Stoffwechselaktivität erforderlich sind, kann gleichzeitig ein- oder ausgeschaltet werden.
2. Durch die Genregulierung kann die Zelle den Stoffwechsel entsprechend den Erfordernissen von Umweltveränderungen und -entwicklungen anpassen.
3. Es ist wirtschaftlich, da es Enzyme nur bei Bedarf synthetisiert.
4. Die Genregulation hilft bei Wachstum und Differenzierung.
5. Es ist hilfreich für den reibungslosen Abschluss von Kettenreaktionen.
