УСР 7

УСР № 7 Регуляция экспрессии генов у прокариот

Голуб Сергей 23БХ-1

Индукция — это процесс, при котором присутствие определенного вещества (индуктора) стимулирует экспрессию генов. Например, в случае с Lac-опероном лактоза или другие β-галактозиды связываются с репрессором, изменяя его конформацию и предотвращая его связывание с оператором. Это позволяет РНК-полимеразе начать транскрипцию генов, участвующих в метаболизме лактозы.

Репрессия — это механизм подавления экспрессии генов. Репрессоры связываются с оператором, блокируя доступ РНК-полимеразы к промотору. Например, в Trp-опероне репрессор связывается с триптофаном, образуя комплекс, который блокирует транскрипцию генов, участвующих в синтезе триптофана.

Катаболитная репрессия — это подавление экспрессии генов, ответственных за метаболизм альтернативных источников углерода, в присутствии предпочтительного источника (например, глюкозы). Это происходит за счет снижения уровня цАМФ, который необходим для активации транскрипции генов, таких как гены Lac-оперона.

Аттенуация — это механизм регуляции транскрипции, при котором преждевременная терминация синтеза мРНК происходит в зависимости от наличия определенных метаболитов. Например, в Trp-опероне при достаточном уровне триптофана транскрипция преждевременно завершается из-за образования терминаторной петли в лидерной последовательности мРНК.

Эти механизмы позволяют бактериям экономить энергию и ресурсы, экспрессируя гены только тогда, когда это необходимо для выживания и роста в меняющихся условиях окружающей среды.

Оперонная организация генов у бактерий

Оперон — это группа генов, которые транскрибируются вместе в единый мРНК от одного промотора. Опероны являются характерной чертой прокариот, таких как бактерии, и позволяют эффективно контролировать экспрессию генов, которые участвуют в одном и том же биохимическом пути или процессе.

Строение оперонов:

- Промотор (P):Участок ДНК, к которому присоединяется РНК-полимераза для начала транскрипции. Промотор регулирует уровень экспрессии оперона.

- Регуляторный участок (Оператор, O): Секвенция ДНК, к которой могут связываться репрессоры или активаторы — белки, регулирующие транскрипцию. Эти белки могут ингибировать или активировать работу промотора.

- Структурный ген: Гены, которые кодируют белки, имеющие схожие функции.

- Сигналы для регуляции: Некоторые опероны могут содержать дополнительные участки, отвечающие за связывание небольших молекул (например, лактозы), которые изменяют активность регуляторных белков.

Лактозный оперон является классическим примером оперонной структуры у кишечной палочки (Escherichia coli):

- Компоненты:

- Промотор (P)

- Оператор (O)

- Структурные гены (Z, Y, A) для кодирования β-галактозидазы, пермеазы и трансферазы

Регуляция: В отсутствии лактозы репрессор связывается с оператором, предотвращая транскрипцию структурных генов. При наличии лактозы молекула лактозы связывается с репрессором, изменяя его конформацию и снимая репрессию, что позволяет РНК-полимеразе транскрибировать оперон.

Типы оперонов:

• Опероны с положительной регуляцией:Необходимы активаторы, чтобы инициировать транскрипцию.

• Опероны с отрицательной регуляцией: Транскрипция подавляется регуляторными белками (репрессорами).

Структурные и регуляторные гены

Структурные гены — это гены, которые кодируют белки или РНК, выполняющие основные функции в клетке, включая катализ, транспорт и структурную поддержку. Эти гены отвечают за синтез полипептидов, которые могут быть ферментами, структурными компонентами или функциональными молекулами (например, рибосомальной РНК).

Кодируют ферменты, которые участвуют в биохимических реакциях.

Обеспечивают синтез структурных белков, например, коллагена, кератина.

Кодируют белки-зонды, которые участвуют в клеточной сигнализации и взаимодействиях.

Пример: В лактоцилическом опероне (lac-оперон) у Escherichia coli структурными генами являются: lacZ — кодирует β-галактозидазу, которая расщепляет лактозу. lacY — кодирует пермеазу, которая помогает лактозе проникать в клетку. lacA — кодирует трансацетилазу, которая имеет вспомогательную функцию в метаболизме лактозы.

Регуляторные гены — это гены, которые кодируют белки (или РНК), участвующие в регуляции экспрессии других генов. Они не кодируют функциональные белки непосредственно, но тем не менее играют критическую роль в контроле клеточной активности и реагировании на окружающую среду.

Кодируют регуляторные белки (репрессоры, активаторы), которые связываются с ДНК и контролируют уровень транскрипции структурных генов.

Участвуют в целостном механизме ответов клетки на внешние или внутренние сигналы, такие как наличие пищи, стрессовые условия и другие факторы.

Пример: В лактоцилическом опероне регуляторный ген называется lacI: Кодирует репрессорный белок, который связывается с оператором (O) и блокирует транскрипцию структурных генов в отсутствии лактозы.

Взаимодействие структурных и регуляторных генов

Структурные и регуляторные гены работают в тандеме, обеспечивая клетке гибкость и приспособляемость: Регуляторные гены контролируют, когда и как много структурных генов будет экпрессироваться. Это позволяет клетке оптимально использовать свои ресурсы, активируя или подавляя гены в зависимости от условий окружающей среды.

При наличии или отсутствии определённых молекул (например, субстратов или кофакторов) регуляторные белки могут активировать или репрессировать транскрипцию структурных генов, тем самым изменяя клеточную метаболическую активность.

Механизм индукции Lac-оперона

1. Отсутствие индуктора (лактозы): В отсутствие лактозы белок-репрессор (продукт гена lacI) связывается с оператором, блокируя доступ РНК-полимеразы к промотору. Это приводит к подавлению транскрипции генов lacZ, lacY и lacA.

2. Присутствие индуктора (лактозы): Когда лактоза присутствует в среде, она преобразуется в аллолактозу, которая связывается с репрессором. Это изменяет конформацию репрессора, что приводит к его диссоциации от оператора. В результате РНК-полимераза может связаться с промотором и начать транскрипцию генов оперона.

3. Роль цАМФ и белка-активатора: В отсутствие глюкозы уровень цАМФ в клетке увеличивается. цАМФ связывается с белком-активатором (CAP), который затем взаимодействует с промотором, усиливая связывание РНК-полимеразы и стимулируя транскрипцию генов оперона. Это обеспечивает позитивную регуляцию.

4. Катаболитная репрессия: Если глюкоза присутствует одновременно с лактозой, Lac-оперон подавляется из-за снижения уровня цАМФ и активации фосфодиэстеразы, расщепляющей цАМФ. Это приводит к катаболитной репрессии, когда глюкоза предпочтительно используется в качестве источника углерода.

Катаболитная репрессия — это механизм, посредством которого организм регулирует использование различных источников углерода в зависимости от их доступности. Этот механизм особенно ярко иллюстрируется на примере Тrр-оперона (триптофановый оперон) у Escherichia coli.

Ретроингибирование, также известное как ингибирование по типу отрицательной обратной связи, представляет собой механизм регуляции активности ферментов в метаболических путях. Этот процесс позволяет клетке контролировать уровень синтеза конечных продуктов, предотвращая их избыток.

Механизм ретроингибирования

1. Накопление конечного продукта: Когда концентрация конечного метаболита (например, аминокислоты) достигает определенного уровня, он начинает подавлять активность фермента, участвующего в его синтезе. Это ингибирование происходит через взаимодействие конечного продукта с аллостерическим центром фермента.

2. Связывание с аллостерическим центром: Конечный продукт может связываться не с активным центром фермента, а с другим участком (аллостерическим центром), изменяя его конформацию. Это приводит к снижению сродства фермента к субстрату и, как следствие, к уменьшению или прекращению дальнейшего синтеза этого продукта.

3. Обратимость процесса: Ретроингибирование является обратимым процессом. При снижении концентрации конечного продукта фермент восстанавливает свою активность, что позволяет вновь начать синтез.

Ретроингибирование играет ключевую роль в поддержании гомеостаза клеток и предотвращении избыточного накопления метаболитов. Это позволяет клеткам эффективно регулировать свои метаболические пути в ответ на изменения в окружающей среде и внутренние потребности.

4