Cum se reglează Lac Operon?

Expresia genetică este sinteza unui lanț polipeptidic al unei proteine funcționale pe baza informațiilor codificate de o anumită genă. Cantitatea de sinteză a unei proteine particulare poate fi reglată prin reglarea exprimării genei. Expresia diferențială a genelor poate fi realizată în diferitele etape ale sintezei proteinelor. Totuși, reglarea expresiei genei este diferită în genele eucariote și procariote. Lac operonul este un grup de gene responsabile pentru metabolismul lactozelor din E coli. Reglementarea expresiei lac operon este obținut ca răspuns la nivelurile de lactoză și glucoză din mediu. Reglementarea lac operon este utilizat ca cel mai important exemplu de reglare a genei procariote în studiile introductive de biologie moleculară și celulară.

Domenii cheie acoperite

1. Ce este regulamentul expresiei genetice
- Definiție, Reglarea Expresiei Genetice
2. Ce este Lac Operon
- Definiția, structura, funcția produselor genetice
3. Cum se reglează Lac Operon?
- Lac represor, CAP

Termeni cheie: Proteina activator catabolit (CAP), E. coli, Expresia genetică, Glucoza, Lac Operon, Lac represor, Metabolismul lactozei

Ce este regulamentul expresiei genetice

Reglarea expresiei genelor se referă la o gamă largă de mecanisme utilizate de către celulă pentru a crește sau a reduce producția unui produs genetic particular (o proteină sau un ARN). Aceasta se realizează în diferite etape ale sintezei proteinelor așa cum este descris mai jos.

Nivel de replicare - Mutațiile care apar în timpul replicării ADN-ului pot determina modificări ale expresiei genei.
Nivelul transcripțional - Transcripția unei gene particulare poate fi controlată de represori și activatori.
Nivelul post-transcripțional - Expresia genetică poate fi obținută în timpul modificărilor post-transcripționale cum ar fi îmbinarea ARN.
Nivelul de translație - Translația unei molecule ARNm poate fi controlată prin diverse procese cum ar fi calea de interferență a ARN-ului.
Nivel post-translațional - Sinteza unei proteine poate fi reglată la nivelul post-translațional prin controlul modificărilor post-translaționale.

Totuși, reglarea expresiei genelor în prokariote este în principal realizată în timpul inițierii transcripției. Aceasta implică activatorii care reglementează pozitiv expresia genică și represalii care reglează negativ expresia genei. Reglarea exprimării genei în diferite etape ale sintezei proteinelor este prezentată în figura 1.

Figura 1: Reglarea exprimării genei

Ce este Lac operon

lac operon se referă la un grup de gene responsabile pentru metabolizarea lactozei de E. coli. Prin urmare, lac operonul este o unitate funcțională a E coli genomului. Toate genele din lac operon sunt controlate de un singur promotor. Prin urmare, toate genele din operon sunt transcrise împreună. Produsele genetice sunt proteinele responsabile pentru transportul lactozei în citosolul celulei și digestia lactozei în glucoză. Glucoza este utilizată în respirația celulară pentru a produce energie sub formă de ATP. lac operon poate fi prezent și în multe alte bacterii enterice. Structura grupului lac operon este prezentat în figura 2.

Figura 2: Lac operon

lac operonul este alcătuit din trei gene controlate de un singur promotor. Aceste gene sunt lacZ, de dantelă, și LACA. Aceste gene sunt codificate pentru cele trei enzime implicate în metabolismul lactozelor cunoscute sub numele de beta-galactozidază, beta-galactozid permează și, respectiv, beta-galactozidă transacetilază. Beta-galactozidaza este implicată în defalcarea lactozei în glucoză și galactoză. Beta-galactozid permeaza este încorporată în membrana celulară, permițând transportul lactozei în citozol. Beta-galactozida transacetilaza este implicată în transferul unei grupări acetil din acetil Co-A la beta-galactozidă. Transcrierea lui lac operon produce o moleculă polinistronică de ARNm care produce toate cele trei produse genetice dintr-o singură moleculă ARNm. În general, lacZ și de dantelă produsele genetice sunt suficiente pentru catabolismul lactozelor.

În plus față de cele trei gene, lac operon este compus dintr-un număr de regiuni de reglementare la care diferite proteine se pot lega pentru a controla transcripția. Secvențele cheie de reglementare din lac operon sunt promotorul, operatorul și situsul de legare a proteinei activatorului catabolic (CAP). promotor servește ca situs de legare pentru ARN polimeraza, enzima responsabilă pentru transcrierea genelor. operator servește ca un sit de reglementare negativ la care lac represorul se leagă. CAP site-ul de legare servește drept situl pozitiv de reglementare la care se leagă PAC.

Cum este Lac Operon reglat

Reglarea expresiei genei în gene procariotice se face prin intermediul cu operoni inductibili în care diferite tipuri de proteine se leagă, fie prin activarea, fie prin reprimarea transcrierii operonului pe baza cerințelor celulei. Lac operonul este un operon inductibil. Permite utilizarea lactozei, a dizaharidelor, în producerea de energie prin transformarea acesteia în glucoză, care poate fi utilizată cu ușurință în respirația celulară, atunci când glucoza nu este disponibilă pentru celulă. lac operonul este reglat în stările "opriți" și "porniți" pe baza prezenței glucozei în celulă. lac repressor este responsabil pentru modul de "dezactivare" al lac operon, în timp ce PAC este responsabil pentru modul "porni" lac operon.

Lac represor

lac represorul se referă la un senzor de lactoză, care blochează transcripția lac operon în prezența glucozei. Utilizarea glucozei în respirația celulară necesită mai puțini pași în producerea de energie în comparație cu lactoza. Prin urmare, atunci când glucoza este disponibilă în celulă, ea este ușor împărțită în căile celulare pentru a produce energie. În plus, atunci când glucoza este utilizată în respirație, utilizarea lactozei pentru scopul anterior ar trebui evitată pentru a obține eficiența maximă a respirației celulare. În această situație, blocarea transcrierii lac operon este obținut prin legarea repressorului lac în regiunea operatorului lac Operon. În general, regiunea operatorului se suprapune cu regiunea promotorului. Prin urmare, atunci când lac represorul se leagă în regiunea operatorului, ARN polimeraza nu este capabilă să se lege la regiunea promotorului, deoarece regiunea promotor completă nu este disponibilă. Atunci când glucoza este disponibilă rapid în celulă, iar lactoza nu este disponibilă, lac represorul se leagă strâns în regiunea operatorului, inhibând transcripția lac Operon. Reglementarea lac operon este prezentat în figura 3.

Figura 3: Reglementarea Lac operon

Proteină activator de catabolit (CAP)

Proteina CAP se referă la un represor al glucozei care activează transcripția lac Operon. Atunci când celula se scurge din glucoză și lactoza este ușor disponibilă în interiorul citosolului, lac represorul își pierde capacitatea de a se lega de ADN. Prin urmare, aceasta plutește din regiunea operatorului, făcând ca regiunea promotor să fie disponibilă pentru legarea ARN polimerazei. Atunci când lactoza este disponibilă, unele dintre molecule sunt transformate în allolactose, un izomer mic de lactoză. Legarea allolactozei la lac represorul provoacă slăbirea acestuia din regiunea operatorului. De aceea, allolactoza servește ca inductor, declanșând expresia lac Operon. Mai mult, lac operonul este considerat ca un operon inductibil, de asemenea.

Totuși, ARN polimeraza singură nu este în măsură să se lege perfect în regiunea promotorului. Prin urmare, CAP ajută la legarea strânsă a ARN polimerazei la promotor. Se leagă de site-ul de legare al CAP în amonte de promotor. Legarea PAC la ADN este reglată de o moleculă mică cunoscută sub numele de AMP ciclic (cAMP). CAMP servește drept semnalul foamei produs de E. coli în absența glucozei. Legarea cAMP la PAC modifică conformația PAC, permițând legarea PAC de situl de legare al PAC al PAC lac Operon. Cu toate acestea, cAMP este prezent în celulă atunci când nivelurile de glucoză sunt foarte scăzute în interiorul celulei. Prin urmare, activarea lac operon poate fi atins numai atunci când glucoza nu este disponibilă pentru celulă. În concluzie, activarea funcției lac operon poate fi atins atunci când glucoza nu este disponibilă și lactoza este disponibilă în interiorul celulei. Când în celulă lipsesc atît glucoza, cît și lactoza lac represorul rămâne obligatoriu la lac operon, prevenind transcrierea operonului.

Glucoză	Lactoză	Mecanism	Regulament
Absent	Prezent	CAP se leagă de locul de legare al PAC	Exprimarea lacului operon
Prezent	Absent	lac represorul se leagă în regiunea operatorului	Suprimarea operonului lac

Concluzie

lac operonul este un operon inductibil în care proteinele necesare metabolizării lactozei sunt prezente în grupuri de gene. Prin urmare, transcrierea lui lac operon produce o moleculă polinistronic mRNA capabilă să sintetizeze mai multe produse genetice. lac operonul este exprimat numai în absența glucozei și prezența lactozei în interiorul celulei pentru respirația celulară. lac represorul se leagă în regiunea operatorului lac atunci când glucoza este disponibilă și lactoza nu este disponibilă. PAC se leagă operatorului lac operon, ajutând transcripția atunci când glucoza nu este disponibilă și lactoza este disponibilă imediat. Prin urmare, celula devine capabilă să utilizeze lactoza în respirația celulară pentru a produce energie.

Datorită fotografiei:

1. "Control expresie genetică" De ArneLH - Activitate proprie (CC BY-SA 3.0) prin Wikimedia Commons
2. "Lac operon1" (Domeniul Public) prin Wikimedia Commons
3. "Lac operon" (CC BY 2.0) prin Wikimedia Commons

Referinţă:

1. "Reglarea genei procariote". Lumen / Boundless Biology, disponibil aici.
2. "Operatorul Lacului" Academia Khan, disponibil aici.
3. "Lac Operon: Reglarea Expresiei Gene în Procariote". Biologie, clasele Byjus, 21 noiembrie 2017, Disponibil aici.

Ştiinţă