2 soorten operon-systeem van genetica Voordelen van genregulatie

Een operon is een onderdeel van genetisch materiaal (of DNA) dat fungeert als een enkele gereguleerde eenheid met een of meer structurele genen, een operatorgen, een promotorgen, een regulatorgen, een repressor en een inducer of corepressor (van buitenaf). Operator, promoter en regulatorgenen vormen de regulerende regio.

Operon-systemen zijn gebruikelijk in prokarytoes. De eerste operon LOS-operon werd ontdekt door Jacob en Monad (1961). Later werden een aantal van dergelijke operons ontdekt, bijv. Trp-operon, ara-operon, his-operon, vol-operon. Operons zijn van twee soorten, induceerbaar en onderdrukbaar.

Afbeelding Courtesy: upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d2/Lac_operon-2010-21-01.png

Induceerbaar operon systeem - Lac Operon (Fig 6.34):

Een induceerbaar operonsysteem is een gereguleerde eenheid van genetisch materiaal die wordt ingeschakeld als reactie op de aanwezigheid van een chemische stof. Het bestaat uit de volgende delen:

Structurele genen:

Het zijn die genen die mRNA's synthetiseren. Een mRNA regelt metabole activiteit van cytoplasma door de vorming van eiwit of enzym over de ribosomen. Een operon heeft een of meer structurele genen. Het lactose- of lac-operon van Escherichia coli bevat drie structurele genen (Z, Y, A).

Ze transcriberen een poiycistronic mRNA molecuul dat helpt bij de synthese van drie enzymen-P-galactosidase voor het hydrolyseren van lactose of galactoside, lactose of galactoside permease voor het toelaten van lactose van buitenaf en thiogalactoside acetylase of transacetylase voor het metaboliseren van toxische thiogalactosiden die ook toegelaten worden door lactose permease.

De drie enzymen worden echter in verschillende molaire concentraties geproduceerd. Een zeer laag expressieniveau van lacoperon en bijgevolg zijn enzymen is altijd aanwezig. De eerste opname van lactose in de bacterie zou alleen door deze activiteit plaatsvinden.

Operator Gene:

Het is een gen dat rechtstreeks de synthese van mRNA's over de structurele genen regelt. Het wordt uitgeschakeld door de aanwezigheid van een repressor. Een inductor kan de repressor wegnemen en het gen inschakelen. Het gen stuurt vervolgens de structurele genen om te transcriberen. Operator-gen van lac operon is gemaakt van slechts 27 basenparen.

Promotor gen:

Het fungeert als een initiatiesignaal dat fungeert als herkenningscentrum voor RNA-polymerase op voorwaarde dat het operator-gen is ingeschakeld. RNA-polymerase is gebonden aan het promotorgen. Wanneer het operator-gen functioneel is, beweegt het polymerase eroverheen en bereikt de structurele genen om transcriptie uit te voeren.

Regulator gen (lac i-Gene):

In lac-operon wordt het i-gen genoemd omdat het een remmer of repressor produceert. De repressor bindt zich aan het operator-gen en stopt de werking van de laatste. Het oefent een negatieve controle uit op de werking van structurele genen.

repressor:

Het is regulator-eiwit dat de hele tijd (constitutief) wordt gesynthetiseerd door het regulator-i-gen. Repressor is bedoeld voor het blokkeren van het operator-gen zodat de structurele genen niet in staat zijn om mRNA's te vormen. Het heeft twee allosterische plaatsen, één voor bevestiging aan het operatorgen en ten tweede voor binding aan inductor.

Na in contact te zijn gekomen met inducer, ondergaat de repressor een conformationele verandering op een zodanige wijze dat hij niet kan combineren met de operator. De repressor van lactose of lac-operon is een eiwit met een molecuulgewicht van 160.000. Het bestaat uit vier subeenheden met elk een molecuulgewicht van 40.000.

veroorzaakt door:

Het is een chemische stof (substraat, hormoon of een andere metaboliet) die, na in contact te zijn gekomen met de repressor, de laatste omzet in niet-DNA-bindingstoestand om het operator-gen vrij te maken. De inductor voor lac-operon van Escherichia coli is lactose (eigenlijk allolactose of metaboliet van lactose).

CAP:

Het is een activator die katabool activator-eiwit wordt genoemd. Het oefent een positieve controle uit in lacoperon omdat RNA-polymerase in zijn afwezigheid het promotorgen niet kan herkennen. Het gen bevindt zich op afstand van het operon, maar de receptor-CAP-plaats treedt op nabij de lac-promoter. CAP activeert lac-genen alleen als glucose afwezig is.

RNA-polymerase wordt herkend door promotorgen. Het passeert het vrijgemaakte operator-gen en katalyseert vervolgens de transcriptie van mRNA's over de structurele genen. De mRNA's gaan over in het cytoplasma en vormen bepaalde eiwitten of enzymen. Van de drie enzymen geproduceerd door lac-operon, is lactose-permease bedoeld om lactose in de cel te brengen. Β-galactosidase (= lactase) breekt lactose in twee componenten, glucose en galactose. Het enzym zoals lactase of (3-galactosidase dat wordt gevormd als reactie op de aanwezigheid van zijn substraat wordt vaak induceerbaar of adaptief enzym genoemd.

Induceerbare operon-systemen komen in het algemeen voor in katabole routes. De lac-operon zal echter niet oneindig werkzaam blijven ondanks de aanwezigheid van lactose in de externe omgeving.

Het stopt zijn activiteit met de accumulatie van glucose en galactose in de cel die de capaciteit van de bacterie voor hun metabolisme te boven gaat. Lac-operon is ook onder controle van positieve regulatie.

Repressible Operon System (Fig. 6.35):

Repressible operon-systeem wordt vaak aangetroffen in anabole pathways. Het operon is actief en de enzymen geproduceerd door zijn structurele genen zijn normaal aanwezig in de cel. De werking van de operon wordt gestopt wanneer de concentratie van een eindproduct een drempelwaarde overschrijdt. Een voorbeeld van een onderdrukt systeem is tryptofaan of trp-operon van Escherichia coli. Het werd ook uitgewerkt door Jacob en Monod en bestaat uit het volgende:

Structurele genen:

De genen zijn verbonden met transcriptie van mRNA's. De mRNA's vertalen hun gecodeerde informatie in de synthese van polypeptiden. Polypeptiden geven aanleiding tot proteïneachtige stoffen waaronder enzymen. Tryptofaan-operon heeft vijf structurele genen - trp E, D, С, B, A. Ze vormen enzymen voor vijf stappen van tryptofaansynthese.

Operator Gene:

Het controleert het functioneren van structurele genen. Normaal gesproken wordt het ingeschakeld gehouden omdat de aporepressor geproduceerd door regulatorgen niet in staat is operatorgen volledig te blokkeren. Het operator-gen wordt uitgeschakeld wanneer een corepressor samen met een repressor beschikbaar is.

Promotor gen:

Het is de plaats voor initiële binding van RNA-polymerase. Deze laatste reist van promotorgen tot structurele genen op voorwaarde dat het operator-gen is ingeschakeld.

Andere regelgevende regiocomponenten:

Twee componenten van regulerend gebied komen voor tussen operator-gen en structureel gen E. Ze zijn leadersequentie (L) en verzwakker (A). De leadersequentie is betrokken bij het regelen van de verzwakker. Verzwakker helpt bij het verminderen van tryptofaansynthese wanneer het in voldoende hoeveelheid aanwezig is zonder de operon uit te schakelen.

Regulator gen (trp R):

Het vormt een eiwitachtige component voor mogelijke blokkering van de activiteit van het operator-gen. Regulator gen van tryptofaan operon ligt op een afstand van het resterende operon.

Aporepressor:

Het is een eiwitachtige substantie gesynthetiseerd door regulatorgen. Aporepressor vormt een component van repressor voor het blokkeren van de werking van operatorgen. Hiervoor heeft het een corepressor nodig. Wanneer de laatste niet op de juiste sterkte beschikbaar is, blijft het operator-gen ingeschakeld omdat aporepressor zelf niet in staat is de werking van het operator-gen te blokkeren.

corepressorcomplex:

Het is een niet-eiwitachtige component van repressor die ook een eindproduct is van reacties gekatalyseerd door enzymen geproduceerd door de activiteit van structurele genen. Het eindproduct wordt vaak gebruikt in een andere reactie zodat het zelden accumuleert en dus niet functioneert als corepressor.

Wanneer het echter accumuleert of beschikbaar komt van buiten de bron, wordt het eindproduct corepressor, combineert het met eenporpressor, vormt het repressor en blokkeert het het operator-gen.

De structurele genen stoppen nu met transcriptie. Het fenomeen staat bekend als feed-back repressie. Het oefent een negatieve controle uit. In tryptofaan-operon functioneert tryptofaan (een aminozuur) als corepressor.

Verschillen tussen inductie en repressie:

Inductie:

1. Het is het inschakelen van een operon die normaal uitgeschakeld blijft.

2. Inductie wordt veroorzaakt door een nieuw substraat dat moet worden gehanteerd en gemetaboliseerd.

3. Het is over het algemeen verbonden met een katabolisch pad.

4. Het regulator-gen van een operon, dat waarschijnlijk inductie ondergaat, produceert een repressor die het operator-gen blokkeert.

5. Inductie is het verwijderen van de repressor van een operon door de inductor-metaboliet.

6. Inducer is substraat, hormoon of het bijproduct ervan.

7. Het brengt transcriptie en vertaling teweeg.

Repressie:

1. Het schakelt een operon uit die normaal ingeschakeld blijft.

2. Repressie wordt veroorzaakt door een verhoogde vorming of beschikbaarheid van een metaboliet.

3. Repressie hangt meestal samen met een anabole route.

4. Het regulator-gen van een operon, dat onderhevig is aan repressie, produceert een deel van de repressor die aporepressor wordt genoemd. Hetzelfde kan het operator-gen niet blokkeren.

5. Onderdrukking is het blokkeren van het operatorgen van operon door een complexe repressor die wordt gevormd door vereniging van een aporepressor gevormd door regulatorgen en corepressor die feitelijk een product is van anabole route.

6. Repressor is een verbinding die wordt gevormd door een aporepressor en een corepressor die gewoonlijk een eindproduct is van de metabole route.

7. Repressie stopt de transcriptie en vertaling.

Voordelen van genregulatie:

1. Een aantal verwante genen die nodig zijn voor een bepaalde metabole activiteit kan gelijktijdig worden in- of uitgeschakeld.

2. De genregulatie stelt de cel in staat om het metabolisme aan te passen volgens de vereisten van veranderingen in de omgeving en ontwikkeling.

3. Het is economisch omdat het enzymen alleen synthetiseert als dat nodig is.

4. Genregulatie helpt bij groei en differentiatie.

5. Het is nuttig bij het vlotte afronden van kettingreacties.