If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Преглед: Регулация на гените в бактериите

Преглед на оперони, регулаторни ДНК последователности и регулаторни гени. Репресорни & активаторни протеини.

Ключови точки:

  • Бактериалните гени често се срещат във вид на оперони. Гените в един оперон се транскрибират като група и имат само един промотър.
  • Всеки оперон съдържа регулаторни ДНК последователности, които действат като места за свързване за регулаторни протеини, които промотират или инхибират транскрипцията.
  • Регулаторните протеини често се свързват към малки молекули, които могат да направят протеина активен или неактивен като променят способността му да се прикрепи към ДНК.
  • Някои оперони са индицируеми, което означава, че могат да бъдат включени (индуцирани) от наличието на определена малка молекула. Други са репресируеми, което означава, че са включени по подразбиране, но могат да бъдат изключени от малка молекула.

Въведение

По принцип смятаме, че бактериите са несложни организми. Но дори най-простата бактерия има сложна задача, когато става въпрос за генна регулация! Бактериите в червата ти или между зъбите ти имат геноми, които съдържат хиляди различни гени. Повечето от тези гени кодират протеини, всеки със собствената си роля в процесите на метаболизъм, поддържане на клетъчната структура и защита срещу вируси.
Някои от тези протеини са необходими рутинно, докато други са необходими само при определени обстоятелства. Следователно клетките не експресират всички гени в генома си постоянно. Можеш да си представиш генома като рецептурник с много различни рецепти. Клетките ще използват само рецептите (ще експресират само гените), които съвпадат с настоящите им нужди.

Как се регулира генната експресия?

Има различни форми на генна регулация, тоест, механизми за контролиране на това кои гени да се експресират и в какви нива. Но голяма част от генната регулация протича на нивото на транскрипцията.
Бактериите имат специфични регулаторни молекули, които контролират дали един ген ще бъде транскрибиран в иРНК. Често тези молекули действат като се прикрепят към ДНК близо до гена и помагат или блокират ензима на транскрипцията – РНК полимеразата. Нека разгледаме по-отблизо как се регулират гените при бактериите.

При бактериите гените често се срещат в оперони

При бактериите свързаните гени често се срещат в група върху хромозомата, където биват транскрибирани от един промотор (място за свързване на РНК полимераза) като едно цяло. Такава група гени под контрола на единичен промотор е позната като оперон. Опероните са често срещани при бактериите, но са редки при еукариотите като хората.
Диаграма, която илюстрира какво е оперон. В горната част на диаграмата виждаме бактериална клетка с кръгова бактериална хромозома. Увеличаваме малка част от хромозомата и виждаме, че това е оперон. ДНК на оперона съдържа три гена – Ген 1, Ген 2 и Ген 3, които са разположени един до друг в ДНК. Те са под контрола на единичен промотор (мястото, където се прикрепя РНК полимеразата) и биват транскрибирани заедно, за да изградят една иРНК, която съдържа последователности, кодиращи всички три гена. Когато иРНК се транслира, трите различни кодиращи последователности на иРНК се разчитат поотделно, изграждайки три различни протеина (Протеин 1, Протеин 2 и Протеин 3).
Забележка: Оперонът не се състои само от три гена. Той включва също така и промотора и други регулаторни последователности, които регулират експресията на гените.
Като цяло, един оперон съдържа гени, които функционират в един и същ процес. Например, добре проучен оперон, наречен lac оперон, съдържа гени, които кодират протеини, участващи в приемането и метаболизирането на определена захар, лактозата. Опероните позволяват на клетката ефикасно да експресира групи гени, чиито продукти са необходими едновременно.

Анатомия на един оперон

Опероните не са изградени само от кодиращи гени. Вместо това също съдържат регулаторни ДНК последователности, които контролират транскрипцията на оперона. Обикновено тези последователности са места за прикрепяне на регулаторни протеини, които контролират степента на транскрипция на оперона. Промоторът, или мястото, където се прикрепя РНК полимеразата, е пример за регулаторна ДНК последователност.
Диаграма, илюстрираща, че промоторът е мястото, където се прикрепя РНК полимеразата. Промоторът се среща в ДНК на оперона, нагоре по веригата от (преди) гените. Когато РНК полимеразата се прикрепи към промотора, тя транскрибира оперона и произвежда иРНК-и.
Повечето оперони имат други регулаторни ДНК последователности в допълнение към промотора. Тези последователности са места за свързване на регулаторни протеини, които "усилват" или "намаляват" експресията на оперона.
  • Някои регулаторни протеини са репресори, които се прикрепят към части ДНК, наречени оператори. Когато е свързан към своя оператор, репресорът намалява транскрипцията (например чрез блокиране на РНК полимеразата да продължи да се движи напред по ДНК).
Диаграма, която илюстрира как работи един репресор. Един репресорен протеин се свързва към място, наречено оператор. В този случай (и много други случаи) операторът е участък от ДНК, която се припокрива със или лежи точно под мястото за прикрепяне на РНК полимеразата (промотора). Тоест тя е между промотора и гените на оперона. Когато репресорът се прикрепи към оператора, той не позволява на РНК полимеразата да се прикрепи към промотора и/или да транскрибира оперона. Когато репресорът е свързан с оператора, не протича транскрипция и не се синтезира иРНК.
  • Някои регулаторни протеини са активатори. Когато един активатор е свързан към своето специфично място в ДНК, той увеличава транскрипцията на оперона (например като помага на РНК полимеразата да се прикрепи към промотора).
Диаграма, която илюстрира как работи един активатор. Активаторният протеин се прикрепя към специфична последователност от ДНК, в този случай, непосредствено нагоре по веригата преди промотъра, където се прикрепя РНК полимеразата. Когато активаторът се прикрепи, той помага на полимеразата да се прикрепи към промотора (прави свързването на промотора по-благоприятно енергийно). Това кара РНК полимеразата да се прикрепи здраво към промотора и да транскрибира гените на оперона много по-често, водейки до производството на много молекули иРНК.
Откъде идват регулаторните протеини? Както всеки друг протеин, произведен в един организъм, те са кодирани от гени в генома на бактерията. Гените, които кодират регулаторни протеини, понякога се наричат регулаторни гени.
Много регулаторни протеини могат самите те да бъдат "включени" или "изключени" от специфични малки молекули. Малката молекула се прикрепя към протеина, променяйки формата му и способността му да се прикрепя към ДНК. Например един активатор може да стане активен (способен да се прикрепи към ДНК), само когато е прикрепен към определена малка молекула.
Диаграма, която илюстрира как активността на един хипотетичен активатор може да бъде модулирана от малка молекула. Когато малката молекула липсва, активаторът е "изключен" – приема форма, която го прави неспособен да се прикрепи към ДНК. Когато малката молекула, която активира активатора, бъде добавена, тя се прикрепя към активатора и променя формата му. Тази промяна на формата прави активатора способен да се прикрепи към целевата си ДНК последователност и да активира транскрипцията.

Опероните могат да бъдат индуцируеми или репресируеми

Някои оперони обикновено са "изключени", но могат да бъдат "включени" от малка молекула. Тази молекула се нарича индуктор и оперонът се нарича индуцируем.
  • Например lac оперонът е индуцируем оперон, който кодира ензими за метаболизма на захарта лактоза. Той се включва, само когато захарта лактоза е налична (и други, предпочитани захари, липсват). Индукторът в този случай е алолактоза, модифициран вид на лактозата.
Други оперони обикновено са "включени", но могат да бъдат "изключени" от малка молекула. Молекулата се нарича корепресор и оперонът се нарича репресируем.
  • Например trp оперонът е репресируем оперон, който кодира ензими за синтезата на аминокиселината триптофан. Този оперон бива експресиран по подразбиране, но може да бъде репресиран, когато са налични високи нива от аминокиселината триптофан. Корепресорът в този случай е триптофанът.
Тези примери илюстрират важна точка: че генната регулация позволява на бактериите да реагират на промени в околната си среда като променят генната експресия (и, следователно, променят набора протеини, налични в клетката).

Някои гени и оперони биват експресирани постоянно

Много гени играят специализирани роли и се експресират само при определени обстоятелства, както е описано по-горе. Но също има гени, чиито продукти са постоянно необходими на клетката, за да поддържа жизненоважни функции. Тези есенциални гени биват постоянно експресирани при нормални растежни условия ("конституционно активни"). Есенциалните гени имат промотори и други регулаторни ДНК последователности, които осигуряват постоянна експресия.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.