WYKŁAD X
Regulacja funkcji genów u bakterii

Teoria operonu

Regulacja ekspresji informacji genetycznej - organizmy prokariotyczne

0. w komórkach prokariotycznych istnieją bardzo precyzyjne mechanizmy regulujące biosyntezę tylko tych białek,

1. które są w danej chwili niezbędne.

2. Tylko białka błonowe, rybosomalne i niektóre enzymy są syntetyzowane w sposób ciągły czyli konstytutywny, większość enzymów jest syntetyzowana w zależności od potrzeb komórki.

0. Ponad 75% genów u bakterii występuje w zespołach, które kodują białka enzymatyczne związane z jednym szlakiem metabolicznym i są to operony.

1. Jednym z najlepiej poznanych układów regulacyjnych u bakterii jest operon laktozowy.

Operon laktozowy

0. u Escherichia coli – jest systemem regulującym stężenie enzymów odpowiedzialnych za rozkład laktozy.

1. W warunkach nieobecności laktozy, system utrzymuje niski poziom enzymów,

2. natomiast w przypadku obecności laktozy powoduje szybki wzrost ich stężenia

Jocob i Monod zaproponowali (1961r.) model operonu laktozowego lac

0. 3 geny strukturalne warunkujące syntezę enzymów związanych z metabolizmem laktozy:

0. gen Z kodujący - galaktozydazę - hydrolizuje laktozę na galaktozę i glukozę.
   
   
   

1. gen Y koduję permeazę - odpowiedzialną za transport laktozy do komórki.
   
   
   

2. gen A koduję transacetylazę β-galaktozydową – transport laktozy w cytoplazmie
   
   
   

Operon laktozowy

0. gen operator, który otrzymuje sygnał wyłączający od represora

1. promotor (jego sekwencje częściowo nachodzą na gen operatora) - miejsce gdzie przyłącza się polimeraza RNA i indukuje syntezę mRNA

Operon lac u E. coli

W regulacji ich ekspresji bierze udział

0. gen regulatorowy (gen lacI) - koduje cząsteczkę represora zdolną do przyłączenia się do operatora (transkrypcja zostaje zatrzymana)

0. GEN REGULATOROWY

1. *Koduje białko REPRESOROWE syntetyzowane w sposób konstytutywny

2. *działa bezpośrednio na gen operatorowy

3. (powoduje odkształcenie struktury DNA); jeżeli się połączy z operatorem – następuje zablokowanie transkrypcji

4. *działa pośrednio na geny struktury (poprzez gen operatorowy)

ALLOSTERYCZNE WŁAŚCIWOŚCI BIAŁEK REPRESOROWYCH

0. Zdolność REPRESORA do zmiany konformacji = zmiana właściwości REPRESORA

1. Np. represor operonu laktozowego połączony z efektorem staje się nieaktywny

2. Represor operonu tryptofanowego połączony z efektorem (korepresorem) staje się aktywny

Operon laktozowy
Represor przejawia powinowactwo do genów operatora oraz do laktozy.

0. Dociera on do genu operatora i wytwarza z nim połączenie, które uniemożliwia przesunięcie się polimerazy RNA wzdłuż nici DNA od miejsca promotora do genów struktury.

1. Transkrypcja genów struktury zostaje zahamowana.

2. Represor działa jako regulator ujemny.

0. Odblokowanie operatora może nastąpić pod wpływem laktozy, która łącząc się z represorem, powoduje jego unieczynnienie.

1. Laktoza działa w tym układzie jako induktor.

Co się dzieje, gdy komórka bakterii jednocześnie otrzyma laktozę i glukozę?

Wtedy działa mechanizm, tzw. represja kataboliczna,

0. który umożliwia bakterii zużywanie najpierw glukozy w obecności laktozy

1. (nie dochodzi do uaktywnienia operonu lac aż do wyczerpania glukozy).

Mechanizm represji katabolicznej

0. polimeraza RNA łączy się z promotorem w operonie lac dużo wydajniej w obecności specyficznego białka CAP (catabolite gene activator protein), które musi być związane ze specyficznym miejscem DNA położonym w pobliżu tzw. CBS (CAP binding site).

1. Białko CAP wiąże się z tym miejscem w obecności cząsteczki cAMP, co zachodzi przy braku glukozy.

Glukoza działa represyjnie na operon lac

0. Hamuje syntezę cAMP

1. Białko CAP zmienia kształt, nie wiąże się z CBS,

2. polimeraza RNA wiąże się z promotorem mniej wydajnie

3. i synteza enzymów szlaku laktozowego zostaje spowolniona.

Istnieją więc trzy różne poziomy aktywności operonu lac:

0. nieobecność laktozy: nie ma substratu, niepotrzebne są enzymy do katalizy (represor lac jest połączony z operonem i blokuje wiązanie się polimerazy RNA).

1. przy obecności laktozy, lecz braku glukozy: laktoza wiąże represor uniemożliwiając mu związanie się z operatorem, co z kolei pozwala na przyłączenie polimerazy RNA

0. poziom cAMP

0. Operon lac

1. to przykład pozytywnej regulacji ekspresji genów u E. coli,

2. gdyż obecność substratu w pożywce indukuje produkcję enzymów.

Inny model regulacji ekspresji genów u bakterii

0. Represja - czyli zahamowanie syntezy enzymów szlaku biosyntetycznego w odpowiedzi na nadmiar końcowego produktu.

1. Przykładem operonu regulowanego w ten sposób jest operon tryptofanowy (trp).

Operon tryptofanowy: pięć genów struktury (E,D,C,B,A) kodujących enzymy syntetyzujące tryptofan

0. W obecności tryptofanu cząsteczka represora wiąże się z nim

1. i zmienia konformację, co umożliwia związanie się z operatorem i zablokowanie syntezy enzymów.

0. Jeżeli tryptofan jest nieobecny,

represor nie może związać się z operatorem.

Dochodzi wtedy do przyłączenia polimerazy RNA

i syntezy enzymów, które doprowadzą do syntezy tryptofanu.

0. Oba mechanizmy regulacji ekspresji genów czyli indukcja operonu lac i represja operonu trp

1. są przykładami gdzie ekspresja genów podlegających takiej kontroli jest wyłączona przez cząsteczkę represora.

katabolizm maltozy u E.coli właczany przez b. represorowe

0. Enzymy do rozkładu maltozy są syntetyzowane dopiero po dodaniu maltozy do pożywki.

1. Ich synteza jest regulowana na poziomie transkrypcji przez białko aktywujące (AP-activator protein).

2. AP nie może związać się z DNA dopóki nie połączy się z cząsteczką maltozy.

3. AP + maltoza; kompleks taki łączy się z DNA i umożliwia polimerazie RNA rozpoczęcie transkrypcji.