WYKŁAD X

WYKŁAD X

Regulacja funkcji

Regulacja funkcji

genów u bakterii

genów u bakterii

Teoria operonu

Teoria operonu

Regulacja ekspresji informacji

Regulacja ekspresji informacji

genetycznej - organizmy

genetycznej - organizmy

prokariotyczne

prokariotyczne

w komórkach prokariotycznych istnieją

w komórkach prokariotycznych istnieją

bardzo precyzyjne mechanizmy regulujące

bardzo precyzyjne mechanizmy regulujące

biosyntezę tylko tych białek,

biosyntezę tylko tych białek,

które są w danej chwili niezbędne.

które są w danej chwili niezbędne.

Tylko białka błonowe, rybosomalne i

Tylko białka błonowe, rybosomalne i

niektóre enzymy są syntetyzowane w

niektóre enzymy są syntetyzowane w

sposób ciągły czyli

sposób ciągły czyli

konstytutywny

konstytutywny

,

,

większość enzymów jest syntetyzowana w

większość enzymów jest syntetyzowana w

zależności od potrzeb komórki.

zależności od potrzeb komórki.

Ponad 75% genów u bakterii

Ponad 75% genów u bakterii

występuje w zespołach, które kodują

występuje w zespołach, które kodują

białka enzymatyczne związane z

białka enzymatyczne związane z

jednym szlakiem metabolicznym i są

jednym szlakiem metabolicznym i są

to

to

operony

operony

.

.

Jednym z najlepiej poznanych

Jednym z najlepiej poznanych

układów regulacyjnych u bakterii jest

układów regulacyjnych u bakterii jest

operon laktozowy

operon laktozowy

.

.

Operon laktozowy

Operon laktozowy

u

u

Escherichia coli

Escherichia coli

– jest systemem

– jest systemem

regulującym stężenie enzymów

regulującym stężenie enzymów

odpowiedzialnych za rozkład laktozy.

odpowiedzialnych za rozkład laktozy.

W warunkach nieobecności laktozy,

W warunkach nieobecności laktozy,

system utrzymuje niski poziom

system utrzymuje niski poziom

enzymów,

enzymów,

natomiast w przypadku obecności

natomiast w przypadku obecności

laktozy powoduje szybki wzrost ich

laktozy powoduje szybki wzrost ich

stężenia

stężenia

Jocob i Monod zaproponowali

Jocob i Monod zaproponowali

(1961r.) model operonu laktozowego

(1961r.) model operonu laktozowego

lac

lac

3 geny

3 geny

strukturalne

strukturalne

warunkujące syntezę

warunkujące syntezę

enzymów związanych z metabolizmem laktozy:

enzymów związanych z metabolizmem laktozy:

gen Z kodujący - galaktozydazę

gen Z kodujący - galaktozydazę

- hydrolizuje

- hydrolizuje

laktozę na galaktozę i glukozę.

laktozę na galaktozę i glukozę.

gen Y koduję permeazę

gen Y koduję permeazę

- odpowiedzialną za

- odpowiedzialną za

t

t

ransport

ransport

laktozy

laktozy

do komórki.

do komórki.

gen A koduję transacetylazę

gen A koduję transacetylazę

β

β

-

-

galaktozydową –

galaktozydową –

transport laktozy w

transport laktozy w

cytoplazmie

cytoplazmie

Operon laktozowy

Operon laktozowy

gen operator

gen operator

, który otrzymuje

, który otrzymuje

sygnał wyłączający od represora

sygnał wyłączający od represora

promotor

promotor

(jego sekwencje

(jego sekwencje

częściowo nachodzą na gen

częściowo nachodzą na gen

operatora) - miejsce gdzie przyłącza

operatora) - miejsce gdzie przyłącza

się polimeraza RNA i indukuje

się polimeraza RNA i indukuje

syntezę mRNA

syntezę mRNA

Operon lac u

Operon lac u

E. coli

E. coli

W regulacji ich ekspresji bierze

W regulacji ich ekspresji bierze

udział

udział

gen regulatorowy

gen regulatorowy

(gen

(gen

lac

lac

I) -

I) -

koduje cząsteczkę

koduje cząsteczkę

represora

represora

zdolną do przyłączenia się do

zdolną do przyłączenia się do

operatora (transkrypcja zostaje

operatora (transkrypcja zostaje

zatrzymana)

zatrzymana)

GEN REGULATOROWY

GEN REGULATOROWY

*Koduje białko REPRESOROWE

*Koduje białko REPRESOROWE

syntetyzowane w sposób

syntetyzowane w sposób

konstytutywny

konstytutywny

*działa bezpośrednio na gen

*działa bezpośrednio na gen

operatorowy

operatorowy

(powoduje odkształcenie struktury

(powoduje odkształcenie struktury

DNA); jeżeli się połączy z

DNA); jeżeli się połączy z

operatorem – następuje

operatorem – następuje

zablokowanie transkrypcji

zablokowanie transkrypcji

*działa pośrednio na geny struktury

*działa pośrednio na geny struktury

(poprzez gen operatorowy)

(poprzez gen operatorowy)

ALLOSTERYCZNE

ALLOSTERYCZNE

WŁAŚCIWOŚCI BIAŁEK

WŁAŚCIWOŚCI BIAŁEK

REPRESOROWYCH

REPRESOROWYCH

Zdolność REPRESORA do zmiany

Zdolność REPRESORA do zmiany

konformacji = zmiana właściwości

konformacji = zmiana właściwości

REPRESORA

REPRESORA

Np. represor operonu laktozowego

Np. represor operonu laktozowego

połączony z efektorem staje się

połączony z efektorem staje się

nieaktywny

nieaktywny

Represor operonu tryptofanowego

Represor operonu tryptofanowego

połączony z efektorem

połączony z efektorem

(korepresorem) staje się aktywny

(korepresorem) staje się aktywny

Operon laktozowy

Operon laktozowy

Represor przejawia powinowactwo

Represor przejawia powinowactwo

do genów operatora oraz do laktozy.

do genów operatora oraz do laktozy.

Dociera on do genu operatora i wytwarza

Dociera on do genu operatora i wytwarza

z nim połączenie, które uniemożliwia

z nim połączenie, które uniemożliwia

przesunięcie się polimerazy RNA wzdłuż

przesunięcie się polimerazy RNA wzdłuż

nici DNA od miejsca promotora do genów

nici DNA od miejsca promotora do genów

struktury.

struktury.

Transkrypcja genów struktury zostaje

Transkrypcja genów struktury zostaje

zahamowana.

zahamowana.

Represor działa jako regulator

Represor działa jako regulator

ujemny

ujemny

.

.

Odblokowanie operatora może

Odblokowanie operatora może

nastąpić pod wpływem laktozy,

nastąpić pod wpływem laktozy,

która łącząc się z represorem,

która łącząc się z represorem,

powoduje jego unieczynnienie.

powoduje jego unieczynnienie.

Laktoza działa w tym układzie jako

Laktoza działa w tym układzie jako

induktor.

induktor.

Co się dzieje, gdy komórka bakterii

Co się dzieje, gdy komórka bakterii

jednocześnie otrzyma laktozę i

jednocześnie otrzyma laktozę i

glukozę?

glukozę?

Wtedy działa mechanizm, tzw.

Wtedy działa mechanizm, tzw.

represja kataboliczna,

represja kataboliczna,

który umożliwia bakterii zużywanie

który umożliwia bakterii zużywanie

najpierw glukozy w obecności laktozy

najpierw glukozy w obecności laktozy

(nie dochodzi do uaktywnienia

(nie dochodzi do uaktywnienia

operonu lac aż do wyczerpania

operonu lac aż do wyczerpania

glukozy).

glukozy).

Mechanizm represji

Mechanizm represji

katabolicznej

katabolicznej

polimeraza RNA łączy się z promotorem

polimeraza RNA łączy się z promotorem

w operonie lac dużo wydajniej w

w operonie lac dużo wydajniej w

obecności specyficznego białka

obecności specyficznego białka

CAP

CAP

(catabolite gene activator protein),

(catabolite gene activator protein),

które musi być związane ze

które musi być związane ze

specyficznym miejscem DNA położonym

specyficznym miejscem DNA położonym

w pobliżu tzw.

w pobliżu tzw.

CBS

CBS

(CAP binding site).

(CAP binding site).

Białko CAP wiąże się z tym miejscem w

Białko CAP wiąże się z tym miejscem w

obecności cząsteczki cAMP, co zachodzi

obecności cząsteczki cAMP, co zachodzi

przy braku glukozy.

przy braku glukozy.

Glukoza działa represyjnie na

Glukoza działa represyjnie na

operon lac

operon lac

Hamuje syntezę cAMP

Hamuje syntezę cAMP

Białko CAP zmienia kształt, nie wiąże

Białko CAP zmienia kształt, nie wiąże

się z CBS,

się z CBS,

polimeraza RNA wiąże się z

polimeraza RNA wiąże się z

promotorem mniej wydajnie

promotorem mniej wydajnie

i synteza enzymów szlaku

i synteza enzymów szlaku

laktozowego zostaje spowolniona.

laktozowego zostaje spowolniona.

Istnieją więc trzy różne

Istnieją więc trzy różne

poziomy aktywności operonu

poziomy aktywności operonu

lac:

lac:

nieobecność laktozy: nie ma substratu,

nieobecność laktozy: nie ma substratu,

niepotrzebne są enzymy do katalizy

niepotrzebne są enzymy do katalizy

(represor lac jest połączony z operonem i

(represor lac jest połączony z operonem i

blokuje wiązanie się polimerazy RNA).

blokuje wiązanie się polimerazy RNA).

przy obecności laktozy, lecz braku glukozy:

przy obecności laktozy, lecz braku glukozy:

laktoza wiąże represor uniemożliwiając mu

laktoza wiąże represor uniemożliwiając mu

związanie się z operatorem, co z kolei

związanie się z operatorem, co z kolei

pozwala na przyłączenie polimerazy RNA

pozwala na przyłączenie polimerazy RNA

poziom cAMP

poziom cAMP

Operon lac

Operon lac

to przykład

to przykład

pozytywnej

pozytywnej

regulacji ekspresji

regulacji ekspresji

genów u

genów u

E.

E.

coli,

coli,

gdyż obecność substratu w

gdyż obecność substratu w

pożywce indukuje produkcję

pożywce indukuje produkcję

enzymów.

enzymów.

Inny model regulacji

Inny model regulacji

ekspresji genów u bakterii

ekspresji genów u bakterii

Represja - czyli zahamowanie

Represja - czyli zahamowanie

syntezy enzymów szlaku

syntezy enzymów szlaku

biosyntetycznego w odpowiedzi na

biosyntetycznego w odpowiedzi na

nadmiar końcowego produktu.

nadmiar końcowego produktu.

Przykładem operonu regulowanego w

Przykładem operonu regulowanego w

ten sposób jest

ten sposób jest

operon

operon

tryptofanowy

tryptofanowy

(trp).

(trp).

Operon tryptofanowy: pięć genów

Operon tryptofanowy: pięć genów

struktury (E,D,C,B,A) kodujących

struktury (E,D,C,B,A) kodujących

enzymy syntetyzujące tryptofan

enzymy syntetyzujące tryptofan

W obecności tryptofanu cząsteczka

W obecności tryptofanu cząsteczka

represora wiąże się z nim

represora wiąże się z nim

i zmienia konformację, co

i zmienia konformację, co

umożliwia związanie się z

umożliwia związanie się z

operatorem

operatorem

i zablokowanie

i zablokowanie

syntezy enzymów.

syntezy enzymów.

Jeżeli tryptofan jest nieobecny,

Jeżeli tryptofan jest nieobecny,

represor nie może związać się z

represor nie może związać się z

operatorem.

operatorem.

Dochodzi wtedy do przyłączenia

Dochodzi wtedy do przyłączenia

polimerazy RNA

polimerazy RNA

i syntezy enzymów, które

i syntezy enzymów, które

doprowadzą do syntezy tryptofanu.

doprowadzą do syntezy tryptofanu.

Oba mechanizmy regulacji ekspresji

Oba mechanizmy regulacji ekspresji

genów czyli indukcja operonu lac i

genów czyli indukcja operonu lac i

represja operonu trp

represja operonu trp

są przykładami gdzie ekspresja

są przykładami gdzie ekspresja

genów podlegających takiej kontroli

genów podlegających takiej kontroli

jest wyłączona przez cząsteczkę

jest wyłączona przez cząsteczkę

represora.

represora.

katabolizm maltozy u

katabolizm maltozy u

E.coli

E.coli

właczany przez b. represorowe

właczany przez b. represorowe

Enzymy do rozkładu maltozy są

Enzymy do rozkładu maltozy są

syntetyzowane dopiero po dodaniu

syntetyzowane dopiero po dodaniu

maltozy do pożywki.

maltozy do pożywki.

Ich synteza jest regulowana na poziomie

Ich synteza jest regulowana na poziomie

transkrypcji przez białko aktywujące (AP-

transkrypcji przez białko aktywujące (AP-

activator protein).

activator protein).

AP nie może związać się z DNA dopóki nie

AP nie może związać się z DNA dopóki nie

połączy się z cząsteczką maltozy.

połączy się z cząsteczką maltozy.

AP + maltoza; kompleks taki łączy się z

AP + maltoza; kompleks taki łączy się z

DNA i

DNA i

umożliwia polimerazie RNA

umożliwia polimerazie RNA

rozpoczęcie transkrypcji

rozpoczęcie transkrypcji

.

.