2. Budowa genów prokariotycznych.

Zarówno do przetrwania gatunków jak i prawidłowego funkcjonowania poszczególnych osobników niezbędne są informacje genetyczne, zawarte w każdej żyjącej komórce, zapisane głownie w formie kwasu deoksyrybonukleinowego – DNA, (u wirusów może to być RNA). DNA w komórkach prokariotycznych może być rozlokowany w różnych miejscach komórki oraz zorganizowany w różne struktury (chromosomy (nukleoidy), fragmenty liniowe lub koliste formy zwane plazmidami).

Sekwencje następujących po sobie nukleotydów w DNA, kodują złożone instrukcje na temat tego kiedy i jakie przemiany biochemiczne powinny zajść w komórce. Każda z takich przemian wymaga konkretnych składników, które powstają w wyniku ekspresji odpowiednich genów. Ekspresja może składać się z jednego etapu, kiedy zachodzi jedynie transkrypcja (przepisanie) informacji genetycznej z DNA na rRNA lub tRNA, bądź dwóch etapów, kiedy w wyniku transkrypcji powstaje mRNA, które jest następnie poddawane translacji do postaci białka. Przeważająca większość DNA prokariotycznego może być transkrybowana, a jednostką transkrypcyjną jest operon. W skład genomów bakterii wchodzi na ogół kilkaset do około tysiąca operonów złożonych z różnej liczby genów, w tym również operony jednogenowe.

Operon rozpoczyna się sekwencją promotora z przyległą do niej lub na nią zachodzącą sekwencją operatora. Promotory są podobne we wszystkich genach organizmów prokariotycznych i odpowiadają za przyłączenie się do nici DNA polimerazy RNA podczas inicjacji transkrypcji. W ich budowie istotne są dwie, zwykle sześcionukleotydowe sekwencje. Jedna z nich - położona bliżej końca 5', jest pierwszą rozpoznawaną przez polimerazę RNA. Operatory posiadają bardziej skomplikowaną budowę i znacznie się miedzy sobą różnią gdyż w zależności od rodzaju regulacji na poziomie inicjacji transkrypcji pozwalają na przyłączenie się do nici DNA różnych regulatorów. Za promotorem i operatorem znajduje się miejsce inicjacji transkrypcji oraz sekwencja odpowiadająca za wiązanie rybosomu podczas translacji, a następnie ciągły gen właściwy lub ciągłe geny strukturalne przedzielone obszarami międzygenowymi. Każdy z genów jest ograniczony sygnałami rozpoczęcia
i zakończenia translacji, które jednocześnie wyznaczają tzw. ORF (ang. open reading frame) inaczej otwartą ramkę odczytu. Geny składają się zazwyczaj z 100 – 500 kodonów i są najdłuższa możliwą sekwencją rozpoczynającą się od ATG a kończącą się TAA, TAG lub TGA. Wewnątrz genu może być kilka trójek ATG, ale tylko jedna trójka STOP. Całość operonu jest zakończona sekwencją terminatora. Dzięki tej sekwencji zachodzi oddysocjowanie polimerazy RNA od DNA. Istnieją dwa mechanizmy terminacji transkrypcji. W jednym z nich polimeraza RNA odłącza się od łańcucha DNA po napotkaniu odpowiedniej sekwencji. Sekwencja ta jest bogata w zasady C i G, co umożliwia jej tworzenie struktury "szpilki do włosów" na nici RNA. Drugi mechanizm jest zależny od pewnego białka zwanego czynnikiem uwalniającym (rho). Białko to wiąże się z określoną sekwencją na DNA uniemożliwiając tym samym dalszą elongację. Wiele operonów zawiera również wewnętrzne promotory
i terminatory, a niektóre operony maja długie sekwencje wiodące, nazywane inaczej sekwencjami liderowymi (odcinki DNA między promotorem a pierwszym genem strukturalnym). Niekiedy przez operonem występuje również gen regulatorowy, w wyniku ekspresji którego powstają regulatory pozytywne – aktywatory, bądź negatywne – represory.

1. Schemat genu prokariotycznego (operonu jednogenowego)

1. Schemat operonu prokariotycznego

Niektóre z operonów są wyrażane niezależnie od warunków, ale znaczna ich liczba podlega kontroli transkrypcyjnej i wtedy ich ekspresja zależy od warunków środowiska, w którym znajduje się komórka. Większość operonów koduje białka związane ze sobą funkcjonalnie (np. wchodzące w skład jednego szlaku metabolicznego). Możliwość koordynacji wyrażania się związanych ze sobą funkcji jest pod względem ekonomicznym bardzo korzystna dla komórki bakteryjnej. Niekiedy kilka genów lub grupa operonów jest regulowana przez ten sam wewnątrzkomórkowy czynnik transkrypcyjny i wówczas tworzą one regulon, natomiast w przypadku czynnika zewnętrznego – stymulon.