Схема строения лактозного оперона кишечной палочки

Лактозный оперон (англ. lac operon) — 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[1] (получившими в 1965 году Нобелевскую премию совместно с А. Львовым). Бактериальная клетка синтезирует ферменты, принимающие участие в метаболизме лактозы, лишь в том случае, когда лактоза присутствует в окружающей среде и клетка испытывает недостаток глюкозы.

Структура[править | править код]

Лактозный оперон (lac operon) состоит из трех структурных генов, промотора, оператора и терминатора. Иногда принимается, что в состав оперона входит также ген-регулятор, который кодирует белок-репрессор (хотя он находится в другом участке генома и не имеет общего с лактозным опероном промотора).

Структурные гены лактозного оперона — lacZ, lacY и lacA:

lacZ кодирует фермент β-галактозидазу, которая расщепляет дисахарид лактозу на глюкозу и галактозу,
lacY кодирует β-галактозидпермеазу, мембранный транспортный белок, который переносит лактозу внутрь клетки.
lacA кодирует β-галактозидтрансацетилазу, 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. Возможно, что реакция ацетилирования дает бактериям преимущество при росте в присутствии определённых неметаболизируемых аналогов бета-галактозидов, поскольку эта модификация ведет к их детоксикации и выведению из клетки.

Регуляция[править | править код]

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

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 негативной индукцией. Веществом-индуктором служит лактоза; при её связывании с белком-репрессором происходит его диссоциация от операторного участка.

Если в клетке концентрация глюкозы достаточна для поддержания метаболизма, активация лактозного оперона не происходит. Промоторная последовательность лактозного оперона «слабая», поэтому даже при отсутствии белка-репрессора на операторном участке транскрипция практически не инициируется. Когда концентрация глюкозы в клетке снижается, происходит активация фермента аденилатциклазы, которая катализирует превращение АТФ в циклическую форму — цАМФ (циклическую форму АМФ в данном случае также называют «сигналом клеточного голода»). Глюкоза является ингибитором фермента аденилатциклазы и активирует фосфодиэстеразу — фермент, катализирующий превращение молекулы цАМФ в АМФ. цАМФ соединяется с белком, активирующим катаболизм (англ. САР, catabolism activating protein), при этом образуется комплекс, который взаимодействует с промотором лактозного оперона, изменяет его конформацию и приводит к повышению сродства РНК-полимеразы к данному участку. В присутствии лактозы происходит экспрессия генов оперона. Белок CAP оказывает положительный контроль на лактозный оперон.

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[править | править код]

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.

См. также[править | править код]

Факторы транскрипции
Лактоза
Кишечная палочка

Примечания[править | править код]

Ссылки[править | править код]

Анимация «Регуляция работы лактозного оперона» (англ.)

Источник

Лактозный оперон, или lac оперон – участок генома бактерий, отвечающий за усвоение клеткой (гидролиз)лактозы.

Регуляция гидролиза лактозы у бактерий, а точнее, у кишечной палочки (Escherichia coli) была исследована в 1960х годах учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно (получившими в 1965 году Нобелевскую премию совместно с А. Львовым). Суть ее заключается в том, что лактоза не используется клеткой, если есть достаточное количество более удобоваримой пищи — глюкозы. Если нет ни того, ни другого, синтез ферментов для усвоения лактозы также не ведется.

Достигается это благодаря подавлению специальным белком-репрессором генов, ответственных за синтез фермента, разлагающего лактозу на глюкозу и галактозу, и транспортного белка, доставляющего лактозу в клетку.

Структура лактозного оперона

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 – фермент, расщепляющий 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, преносящий ацетилную группу от ацетил-КoA на бета-галактозиды.

Для катаболизма лактозы необходимы только продукты lacZ и lacY, роль продукта lacA не ясна.

Механизм регуляции

Файл:DNA parts.JPG

Случай, когда есть глюкоза, и нет лактозы

Файл:DNA parts2.JPG

Случай, когда есть глюкоза, и есть лактоза

Файл:DNA parts4.JPG

Случай, когда нет глюкозы, и нет лактозы

Файл:DNA parts3.JPG

Случай, когда нет глюкозы, и есть лактоза

Нужные для обмена лактозы белки синтезируются, как и все белки, на рибосомах. Эти белки закодированы в полицистронной матричной (информационной) РНК. Та, в свою очередь, синтезируется другим ферментом – ДНК-зависимой РНК-полимеразой по матрице ДНК. Процесс копирования мРНК с ДНК называют транскрипцией.
ДНК-зависимая РНК-полимераза начинает транскрипцию с определенного участка ДНК — промотора. За ним следует другой участок — оператор, и только потом структурные гены (отвечающие собственно за синтез белков). При небольшом количестве лактозы в клетке оператор непрочно соединяется с репрессором — белком, мешающим контакту РНК-полимеразы и ДНК и, следовательно, подавляющим синтез мРНК. То есть, если нет субстрата для реакции, не производится и катализатор для нее.

Когда лактоза попадает в клетку, она связывается с белком-репрессором, благодаря чему он отделяется от оператора и больше не мешает синтезу. При уменьшении концентрации она отсоединяется, и белок-репрессор «садится» обратно на ДНК. То есть лактоза является веществом-индуктором данной реакции (транскрипции генов лактозного оперона).

Здесь действует принцип положительной прямой связи — чем больше в клетке лактозы, тем больше ферментов для ее усвоения вырабатывается, — а также 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 глюкозы, усваивающейся более легко. Это достигается благодаря тому, что сама по себе РНК-полимераза плохо связывается с промотором, поэтому синтез разлагающего лактозу фермента не ведется даже в отсутствие репрессора.
Когда глюкозы в клетке становится мало, часть АТФ (источника энергии) превращается в цАМФ — вещество, называемое также “сигналом клеточного голода”. Фермент, катализирующий эту реакцию – (аденилатциклаза) – ингибируется глюкозой, так что синтез цАМФ происходит только при малом количестве последней. Затем цАМФ соединяется с активирующим катаболизм белком (от англ. catabolism activating protein, сокращенно CAP). Вместе они образуют комплекс, который соединяется с промотором и меняет его конформацию, благодаря чему РНК-полимераза лучше «садится» на ДНК.

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

Факторы транскрипции
Лактоза
Кишечная палочка

ИсточникиСсылки

www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3852.html

www.xumuk.ru/biologhim/232.html

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 .

Материалы сообщества доступны в соответствии с условиями лицензии CC-BY-SA, если не указано иное.

Источник

Регуляция активности генов у прокариот на примере лак-оперона

С-ва ген кода

Ген код – это принцип записи инф о последовательности аминокислот в полипептиде в виде последовательности нуклеотидов в молекуле Ирнк.

генетич код триплетен.

Триплеты в молекле иРНК наз кодонами, а комплементарные им тирплеты в молекуле тРНК- антиколонами.

свойства ген кода

1 . Триплетность.одну аминокислоту кодируют три рядом расположенных нуклеотида.

2. Неперекрываемость.каждый нуклеотид входит в состав только одного кодона.

3.Вырожденность (избыточность).один смысловой элемент (аминокислота) шифруется несколькими кодонами.

4. Специфичность (однозначность).каждый отдельный кодон кодирует только один аминокислотный остаток в молекуле полипептида.

5. Непрерывность.каждый нуклеотид принадлежит какому либо триплету т.е между кодонами иРНК нет нуклеотидов, не входящих в последовательность кодонов данного гена.

6. Коллинеарность.кодоны нуклеотдиных кислот и соответствующие им аминокислоты полипептидов расположены в одинаковом линейном порядке.

7. Однонаправленность. Считавание кода начинается с определяемой кодоном – инициатором точки и идёт в одном направлении в пределах данного гена от 5’концу к 3’концу.

8. Универсальность.ген код одинаков для всез организмов.

активность генов проявляется на уровне определяемых ими фенотипических эффектах. Мерой активности генов служит функциональная активность белков, контролируемых этими генами.

В механизме регуляции активности генов прокариот большую роль играют особые гены-регуляторы, контролирующие синтез регуляторных белков.

Такие белки, соединяесь с последовательностями промоторов реагируемых генов, способны подавлять или активировать их транскрипцию.

Регуляторные белки, подавляющие транскрипцию структурных генов, наз репрессорами.

Последовательности нуклеотидов регуляторных генов, с которыми взаимодействуют белки репрессоры, получили название операторов.

Регуляция, связанная с подавлением транскрипции, наз негативной.

Регуляторные белки, активирующие транскрипции. структурных генов, наз активаторами. Регуляция, связанная с активацией транскрипции получила наз – позитивной.

К негенетиским факторам регуляции экспрессии генов, или эффектрорам, относятся в-ва небелковой природы. Взаимодействуя с регуляторными бедками, они изменяют их биологическую активность. Различают 2 вида эффекторов: индукторы – «включающие» транскрипцию и корепрессоры, «выкл её».

Лактозный оперон E coil включ след элементы: 3 гена, кодирующих белки ферменты: B-галактозидазу, пермеазу и трансацетилазу, участвующие в метаболизме лактозы и транспорте её в клетку, и регуляторной области. Регуляторная область, в свою очередь, сост из промотора, оператора– последовательности нуклеотидов для связ белка репрессора, а также последовательности нуклеотидов для связ белка активатора. Активность генов контролир регуляторным геном Lac1.

При выращивании E.coli на среде, содержащей только глюкозу геи- регулятор лак-оперон синтезирует активный белок-репрсссор, который, взаимодействуя с оператором, «выключает» транскрипцию структурных генов, кодирующих ферменты, участвующие в метаболизме и транспорте лактозы в клетку.

Если клетки E.coli перенести на среду, содержащую только лактозу, то проникая внутрь клеток небольшая часть ее превращается в аллолактозу, которая связываясь с белком -репрессором, инактивируст его. В результате РНК-полимераза осуществляет транскрипцию полицистронной мРНК для синтеза всех ферментов, необходимых для транспорта и метаболизма лактозы.

В данном случает осуществляется негативная регуляция генов оперона. При этом аллолактоза служит ИНДУКАТОРОМ генов лак-оперона, кодирующего белки, участвующие в транспорте и метаболизме лактозы.

При культивировании кишечной палочки на среде, содержащей как лактозу, так и глюкозу клетки Е coli, используют для гликолиза в основном глюкозу. Указанная особенность метаболизма обусловливается наличием у Е coli механизма положительной регуляции активности генов lac оперона.

50. общая схема регуляции генов у эукариот

1) осуществление транскрипции эукриотических генов возможно лишь при декомпактизации хроматина: 2) регуляция активности генов у эукариот осуществляется на всех уровнях реализации наследственной информации: на уровне транскрипции, РНК -процессннта альтернативный сплайсинг), транспорта зрелой мРНК из ядра в цитоплазму, трансляции и посттрансляционных преобразований белков ( химическая модификация и разрушение функционально активного полипептида) 3)активность каждою структурного гена контролируется многими генами-регуляторами, а эффекторами часто служат гормоны.

Источник

Строение лактозного оперона[править]

Оперон — функциональная единица генома у прокариот, в состав которой входят гены, кодирующие совместно или последовательно работающие белки и часто объединенные под одним промотором.

Концепцию оперона для прокариот предложили в 1961 году французские ученые Франсуа Жакоб, Жан Моно и Андре Львов, за что получили Нобелевскую премию в 1965 году.

Характерным примером оперонной организации генома прокариот является лактозный оперон.
Регуляция экспрессии генов метаболизма лактозы у кишечной палочки (Escherichia coli) была впервые описана в 1961 году учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно.

Лактозный оперон (lac оперон) — полицистронный оперон бактерий, в состав которого входят гены, отвечающие за усвоение и расщепление лактозы.

Лактозный оперон состоит из промотора, оператора, трех структурных генов и терминатора. Иногда принимается, что в состав оперона входит также ген-регулятор, который кодирует белок-репрессор.

Промотор — последовательность нуклеотидов ДНК, узнаваемая РНК-полимеразой как стартовая площадка для начала специфической, или осмысленной, транскрипции. У прокариот все промоторы включают ряд похожих последовательностей нуклеотидов, важных для узнавания их РНК-полимеразой; в то же время разные промоторы отличаются друг от друга по другим последовательностям. Промотор асимметричен, что позволяет РНК-полимеразе начать транскрипцию в правильном направлении и указывает то, какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза РНК.
Промотор может частично перекрываться или вовсе не перекрываться с оператором.

Оператор — это последовательность нуклеотидов ДНК, с которой связывается регуляторный белок — репрессор или активатор.

Структурные гены — это гены, кодирующие белки.

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 ацетилную группу от ацетил-КoA на бета-галактозиды.

Для усвоения лактозы необходимы только продукты генов lacZ и lacY, роль продукта гена lacA не ясна.

При транскрипции с лактозного оперона считывается одна полицистронная мРНК, в которой закодированы все три белка. С неё сразу же начинают считываться эти белки, причем рибосомы «перескакивают» стоп-кодоны, разделяющие нуклеотидные последовательности, кодирующие каждый из белков. (Для прокариот полицистронные РНК обычны, у эукариот они практически не встречаются).

Регуляция работы лактозного оперона[править]

Бактериальная клетка синтезирует ферменты, принимающие участие в метаболизме лактозы, лишь в том случае, когда лактоза присутствует в окружающей среде и клетка испытывает недостаток глюкозы.

РНК-полимераза начинает транскрипцию с промотора, который в случае лактозного оперона перекрывается с оператором. В отсутствие или при низкой концентрации лактозы в клетке белок-репрессор, который является продуктом гена LacI, обратимо соединяется с оператором 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 отделению белка-репрессора от оператора. Теперь 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 белков-репрессором происходит его отделение от оператора.

Если в клетке концентрация глюкозы достаточная для поддержания обмена веществ, активация лактозного оперона не происходит. Промотор лактозного оперона «слабый» — даже при отсутствии белка-репрессора на операторе транскрипция практически не инициируется без дополнительных условий. Когда концентрация глюкозы в клетке снижается, происходит активация фермента аденилатциклазы, которая катализирует превращение АТФ в циклическую форму — цАМФ (цАМФ в данном случае также называют «сигналом клеточного голода»). Глюкоза — ингибитор фермента аденилатциклазы; кроме того, она активирует фосфодиэстеразу — фермент, катализирующий расщепление цАМФ.

цАМФ соединяется с белком, активирующим катаболизм (англ. САР, catabolism activating protein). Образуется комплекс цАМФ-CAP, который взаимодействует с промотором лактозного оперона, изменяет его конформацию и приводит к повышению сродства РНК-полимеразы к данному участку. В присутствии лактозы и при высокой концентрации цАМФ (то есть в отсутствии глюкозы) происходит активная транскрипция генов оперона, активно синтезируются ферменты для усвоения лактозы. Механизм регуляции активности лактозного оперона глюкозой называют негативной индукцией — глюкоза служит «негативным индуктором», то есть веществом, в присутствии которого лактозный оперон «выключен».

Итак, ферменты для усвоения лактозы синтезируются в клетке кишечной палочки при двух условиях: 1) наличие лактозы; 2) отсутствие глюкозы.

Вопрос 1
Мутации каких участков в ДНК кишечной палочки могут привести к появлению бактерий:

Не способных усваивать лактозу?
Синтезирующих ферменты для усвоения лактозы даже в её отсутствие?
Способных усваивать лактозу при высокой концентрации глюкозы?

Для простоты будем считать. что любая мутация приводит к «поломке» (выходу из строя) гена или иного участка ДНК.

Биологический смысл[править]

Регуляция работы лактозного оперона в зависимости от концентрации лактозы происходит по принципу отрицательной обратной связи: чем больше лактозы — тем больше ферментов для её усвоения (положительная прямая связь); чем больше ферментов — тем меньше лактозы, чем меньше лактозы — тем меньше производится ферментов (двойная отрицательная обратная связь).

[1] Анимация «Регуляция работы лактозного оперона» (англ. текст)

Источник