OPERONAS: ATRADIMAS, MODELIS, KLASIFIKACIJA, PAVYZDŽIAI - BIOLOGIJA - 2025

Operonas susideda iš nuosekliai užsakytų genų, kurie reguliuoja viena kitai grupės, kurios koduoja baltymus, kurie yra funkciškai susiję, ir kad randama visoje bakterijų genomo ir "protėvių" genomų atžvilgiu.

Šį reguliavimo mechanizmą aprašė F. Jacob ir J. Monod 1961 m., Tai jiems 1965 m. Pelnė Nobelio fiziologijos ir medicinos premiją. Šie tyrėjai pasiūlė ir pademonstravo operonų veikimą per genus, kurie koduoja fermentai, reikalingi Escherichia coli laktozei sunaudoti.

DNR grandinės su genais, kuriuos sudaro laktozės operonas (promotorius, operatorius, lacZ, lacY, lacA ir terminatorius), grafinė schema (Šaltinis: Llull ~ commonswiki Via Wikimedia Commons)

Operonai yra atsakingi už baltymų sintezės koordinavimą pagal kiekvienos ląstelės poreikius, tai yra, jie yra ekspresuojami tik tam, kad generuotų baltymus tuo metu ir tiksliai toje vietoje, kur jų reikia.

Genai, esantys operonuose, paprastai yra struktūriniai genai, o tai reiškia, kad jie koduoja svarbius fermentus, tiesiogiai susijusius su metaboliniais keliais ląstelėje. Tai gali būti aminorūgščių sintezė, energija ATP forma, angliavandeniai ir kt.

Operonai taip pat dažniausiai randami eukariotiniuose organizmuose, tačiau, priešingai nei prokariotiniai organizmai, eukariotuose operono sritis nėra perrašoma kaip viena pasiuntinio RNR molekulė.

Atradimas

Pirmasis svarbus François Jacob'o ir Jacques'o Monod'o padarytas operonų progresas buvo „fermentinės adaptacijos“ problemos, kurią sudarė specifinio fermento atsiradimas tik tada, kai ląstelė buvo su substratu, problema.

Toks ląstelių atsakas į substratus daugelį metų buvo stebimas bakterijose. Tačiau tyrėjai stebėjosi, kaip ląstelė tiksliai nustatė, kokį fermentą ji turėjo sintetinti, kad metabolizuotų tą substratą.

Jokūbas ir Monodas pastebėjo, kad bakterijų ląstelės, veikdamos į galaktozę panašius angliavandenius, gamino 100 kartų daugiau β-galaktozidazės nei normaliomis sąlygomis. Šis fermentas yra atsakingas už β-galaktozidų suskaidymą, kad ląstelė juos panaudotų metaboliškai.

Todėl abu tyrėjai galaktozido tipo angliavandenius vadino „induktoriais“, nes jie buvo atsakingi už padidėjusį β-galaktozidazės sintezę.

Taip pat Jokūbas ir Monodas rado genetinį regioną, kuriame yra trys genai, kurie buvo kontroliuojami koordinuotai: Z genas, koduojantis β-galaktozidazės fermentą; Y genas, koduojantis fermento laktozės permeazę (galaktozidų transportavimas); ir genas A, kuris koduoja fermentą transacetilazę, kuris taip pat yra būtinas galaktozidų įsisavinimui.

Atlikdami vėlesnes genetines analizes, Jokūbas ir Monodas išaiškino visus laktozės operono genetinės kontrolės aspektus, darydami išvadą, kad Z, Y ir A genų segmentai sudaro vieną genetinį vienetą su suderinta išraiška, būtent tai jie ir apibrėžė kaip „operoną“.

„Operon“ modelis

Pirmą kartą operono modelį tiksliai aprašė 1965 m. Jokūbas ir Monodas, norėdamas paaiškinti genų, kurie yra perrašomi ir perkeliami į fermentus, reikalingus Escherichia coli, normą, kad metabolizuotų laktozę kaip energijos šaltinį. .

Šie tyrėjai pasiūlė, kad geno ar genų rinkinio, esančio iš eilės, nuorašai būtų reguliuojami dviem elementais: 1) reguliuojančiu genu arba represoriniu genu 2) ir operatoriaus genu arba operatoriaus seka.

Operatoriaus genas visada randamas šalia struktūrinio geno ar genų, kurių išraišką jis yra atsakingas už reguliavimą, tuo tarpu represorinis genas koduoja baltymą, vadinamą „repressoriumi“, kuris jungiasi prie operatoriaus ir neleidžia jo transkripcijai.

Transkripcija yra represuojama, kai represorius yra susietas su operatoriaus genu. Tokiu būdu genų, koduojančių fermentus, reikalingus laktozei įsisavinti, genetinė išraiška nėra išreikšta ir todėl negali metabolizuoti minėto disacharido.

Laktozės operono funkcinė schema per skirtingus jo valdymo elementus. Tai yra „modelio“ operonas, kurį biologijos mokytojai naudoja mokant šių genų veikimo (Šaltinis: Tereseik. Darbas išvestas iš „G3pro“ vaizdo. Ispanų kalbos vertimas - Alejandro Porto. „Via Wikimedia Commons“)

Šiuo metu yra žinoma, kad represoriaus surišimas su operatoriumi apsaugo nuo steerinių mechanizmų, kad RNR polimerazė jungiasi prie promotoriaus vietos taip, kad ji pradeda transkribuoti genus.

Promotoriaus svetainė yra „svetainė“, kurią atpažįsta RNR polimerazė, kad ji surištų ir perrašytų genus. Kadangi jis negali jungtis, jis negali perrašyti nė vieno iš sekų genų.

Operatoriaus genas yra tarp sekos genetinės srities, žinomos kaip promotorius, ir struktūrinių genų. Tačiau Jokūbas ir Monodas savo laiku šio regiono nenustatė.

Dabar yra žinoma, kad visa seka, apimanti struktūrinį geną ar genus, operatorių ir promotorių, iš esmės yra tai, kas sudaro „operoną“.

Operonų klasifikacija

Operonai yra klasifikuojami tik į tris skirtingas kategorijas, atsižvelgiant į tai, kaip jie yra reguliuojami, tai yra, kai kuriems yra ekspresuojama nepertraukiamai (konstitutyviai), kitiems reikia tam tikros specifinės molekulės ar faktoriaus, kad jie būtų aktyvuoti (indukuojami), o kiti - ekspresuojami nuolat, kol kad induktorius yra išreikštas (represuojamas).

Trys operonų tipai yra šie:

Nepakeliamas operonas

Šio tipo operonus reguliuoja aplinkos molekulės, tokios kaip aminorūgštys, cukrus, metabolitai ir kt. Šios molekulės yra žinomos kaip induktoriai. Jei molekulės, veikiančios kaip induktorius, nerandama, operono genai nėra aktyviai perrašomi.

Induktuojamuose operonuose laisvasis represorius jungiasi prie operatoriaus ir užkerta kelią operone esančių genų transkripcijai. Kai induktorius jungiasi su represoriumi, susidaro kompleksas, kuris negali prisirišti prie represoriaus, taigi operono genai yra verčiami.

Represinis Operonas

Šie operonai, be kita ko, priklauso nuo konkrečių molekulių: aminorūgščių, cukraus, kofaktorių ar transkripcijos veiksnių. Jie yra žinomi kaip pagrindiniai kompresoriai ir veikia visiškai priešingai nei induktoriai.

Transkripcija sustabdoma tik tada, kai branduolio jungiklis jungiasi su represoriumi, taigi operone esančių genų transkripcija nevyksta. Tuomet represuojamo operono transkripcija sustoja tik esant pagrindiniam kompresoriui.

Konstitutinis operonas

Šios operonų rūšys nėra reguliuojamos. Jie yra nuolat aktyviai transkribuojami ir, įvykus bet kokiai mutacijai, turinčiai įtakos šių genų sekai, gali būti paveikta ląstelių, kuriose yra jų, gyvenimas ir apskritai išprovokuoti užprogramuotą ląstelių mirtį.

Pavyzdžiai

Ankstyviausias ir plačiausiai žinomas operono funkcijos pavyzdys yra lac (laktozės) operonas. Ši sistema yra atsakinga už laktozės, disacharido, pavertimą monosacharidais gliukoze ir galaktoze. Šiame procese veikia trys fermentai:

- β-galaktozidazė, atsakinga už laktozės pavertimą gliukoze ir galaktoze.

- laktozės permeazė, atsakinga už laktozės pernešimą iš tarpląstelinės terpės į ląstelės vidų, ir

- Transcetilazė, priklausanti sistemai, tačiau atliekanti nežinomą funkciją

Trp (triptofano) operonas iš Escherichia coli kontroliuoja triptofano sintezę, jo pirmtaku yra chorizmo rūgštis. Šiame operone yra penkių baltymų, kurie naudojami trijų fermentų gamybai, genai:

- Pirmasis fermentas, užkoduotas genų E ir D, katalizuoja dvi pirmąsias triptofano kelio reakcijas ir yra žinomas kaip antraranilato sintetazė.

- Antrasis fermentas yra glicerolifosfatas ir katalizuoja tolesnius veiksmus, kad gautų antranilato sintetazę

- Trečiasis ir paskutinis fermentas yra triptofano sintetazė, atsakinga už triptofano gamybą iš indolio-glicerolio fosfato ir serino (šis fermentas yra genų B ir A produktas).

Nuorodos

1. Blumenthal, T. (2004). Operonai eukariotuose. Instrukcijos apie funkcinę genomiką, 3 (3), 199–211.
2. Gardner, EJ, Simmons, MJ, Snustad, PD, ir Santana Calderón, A. (2000). Genetikos principai. Genetikos principai.
3. Osbourn, AE, & Field, B. (2009). Operonai. Ląstelių ir molekuliniai gyvybės mokslai, 66 (23), 3755-3775.
4. Shapiro, J., Machattie, L., Eron, L., Ihler, G., Ippen, K., & Beckwith, J. (1969). Grynos lac operono DNR išskyrimas. „Nature“, 224 (5221), 768–774.
5. Suzuki, DT ir Griffiths, AJ (1976). Įvadas į genetinę analizę. WH Freeman ir kompanija.