Główna zawartość
Kurs: Biologia > Rozdział 19
Lekcja 1: Regulacja ekspresji genów u bakteriiOperon laktozowy
Regulacja ekspresji genów rozkładu laktozy. lac represor, białko CAP i cAMP. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości, przy wsparciu Fundacji HASCO-LEK.
Kluczowe punkty:
- Operon lac w E.coli zawiera geny zaangażowane w metabolizm laktozy. Ulega ekspresji tylko gdy obecna jest laktoza a glukoza już nie.
- Dwa regulatory włączają lub wyłączają operon w odpowiedzi na poziom laktozy i glukozy: represor lac i białko CAP.
- Represor lac działa jak czujnik glukozy. Normalnie blokuje transkrypcję operonu, ale działa jak represor, gdy obecna jest laktoza. Represor lac wyczuwa laktozę pośrednio dzięki jej izomerowi - allolaktozie.
- Białko CAP (ang. catabolite activator protein) działa jak czujnik glukozy. Aktywuje transkrypcje operonu, ale tylko gdy poziomy glukozy są niskie. Białko CAP wykrywa glukozę pośrednio poprzez "sygnał głodu" - cząsteczkę cAMP.
Wprowadzenie
Laktoza: to świetny obiad! Choć może nie brzmi to kusząco dla nas (laktoza jest głównym cukrem w mleku i prawdopodobnie nie chcesz zawsze go jeść), to laktoza może być wspaniałym posiłkiem dla bakterii E. coli . Jednakże bakterie pochłaniają laktozę, kiedy inne, lepsze cukry, takie jak glukoza, nie są dostępne.
W tym kontekście - czym w rzeczywistości jest operon lac? Operon lac jest operonem czyli grupą genów z jednym promotorem (przepisywanych jako jedno mRNA). Geny w operonie kodują białka, które pozwalają bakteriom na wykorzystywanie laktozy jako źródła węgla.
Co sprawia, że operon lac włącza się?
E. coli może rozkładać glukozę, ale nie jest ona jej ulubionym paliwem. Jeśli obecna jest glukoza, chętniej ją wykorzysta niż laktozę. Rozkład glukozy wymaga mniejszej ilości etapów i energii niż rozkład laktozy. Jednakże, jeśli laktoza jest jedynym dostępnym cukrem, E. coli poradzi sobie z nim i wykorzysta go jako źródło energii.
Aby wykorzystać laktozę, geny operonu lac muszą ulegać ekspresji, kodują enzymy zaangażowane we wchłanianie glukozy i jej metabolizm. E. coli, aby być najbardziej efektywną, wyraża operon lac tylko, gdy spełnione są dwa warunki:
- Laktoza jest obecna, a
- glukoza nie jest dostępna
Jak są określane poziomy laktozy i glukozy, i jak ich zmiany wpływają na transkrypcję operonu lac? W ten proces zaangażowane są dwa białka:
- Jeden - represor lac, działa jako czujnik laktozy.
- Drugi, białko CAP działa jako czujnik glukozy.
Te białka łączą się z DNA operonu lac i regulują jego transkrypcję na podstawie poziomów laktozy i glukozy. Spójrzmy jak to działa.
Budowa operonu lac
Operon lac zawiera trzy geny: lacZ, lacY i lacA. Te geny ulegają transkrypcji jako jedno mRNA, pod kontrolą jednego promotora.
Geny w operonie lac określają białka, które pomagają komórce wykorzystywać laktozę. lacZ koduje enzym, który tnie laktozę na monocukry (pojedyncze cukry), które mogą zostać wprowadzone do glikolizy. Podobnie, lacY koduje znajdujący się w błonie transporter, który pomaga w transporcie laktozy do komórki.
Poza tymi trzema genami, operon lac także zawiera szereg sekwencji regulatorowych DNA. Są to sekwencje DNA, do których łączą się białka regulatorowe kontrolujące transkrypcję operonu.
- Promotor jest miejscem, gdzie wiąże się polimeraza RNA, enzym, który przeprowadza transkrypcję.
- Operator jest miejscem wiązania regulatora negatywnego, represora lac. Operator nakłada się z promotorem, a kiedy wiąże się represor lac, polimeraza RNA nie może wiązać się z promotorem i rozpocząć transkrypcji.
- Miejsce wiązania białka CAP jest miejscem regulacji pozytywnej (represji katabolicznej), z którym wiąże się białko CAP. Kiedy CAP łączy się z tym miejscem, zwiększa transkrypcję dzięki wspieraniu łączenia się polimerazy RNA z promotorem.
Przyjrzyjmy się bliżej represorowi lac i białku CAP i ich funkcjom w regulacji operonu lac.
Represor operonu lac
Represor lac jest białkiem, które zatrzymuje transkrypcję operonu lac. Robi to dzięki wiązaniu się z operatorem, który częściowo nakłada się z promotorem. Kiedy wiąże się, represor lac wchodzi w drogę polimerazie RNA i hamuje transkrypcję operonu.
Kiedy laktoza nie jest obecna, represor lac łączy się ściśle z operatorem, przeciwdziałając transkrypcji przeprowadzanej przez polimerazę RNA. Jednakże, kiedy obecna jest laktoza, represor lac traci swoją zdolność do łączenia się z DNA. Oddysocjowuje od operatora, otwierając drogę dla polimerazy RNA, która przepisuje operon.
Ta zmiana w represorze lac jest powodowana przez małą cząsteczkę - allolaktozę, izomer (zmieniona forma) laktozy. Kiedy laktoza jest obecna, niektóre cząsteczki w komórce są zmieniane na allolaktozę. Allolaktoza łączy się z represorem lac i zmienia jego kształt tak, że nie może się wiązać z DNA.
Allolakoza jest przykładem induktora, małej cząsteczki, która uruchamia ekspresję genu lub operonu. Operon lac jest uważany za operon indukowalny, ponieważ zwykle jest wyłączony (podlega represji), ale może zostać włączony w obecności induktora allolaktozy.
Białko CAP
Kiedy laktoza jest obecna, represor lac traci swoją zdolność do wiązania się z DNA. To oczyszcza drogę dla polimerazy RNA, która wiąże się z promotorem i przepisuje operon lac. Brzmi to jak koniec historii, nie?
Więc.. niekoniecznie. Jak się okazuje, sama polimeraza RNA nie łączy się bardzo dobrze z promotorem operonu lac. Może tworzyć kilka transkryptów, ale nie zrobi wiele do momentu, kiedy nie otrzyma dodatkowego wsparcia od białka CAP (ang. catabolite activator protein). CAP wiąże się z regionem DNA tuż przed promotorem operonu lac i pomaga polimerazie RNA połączyć się z promotorem, powodując wysoki poziom transkrypcji.
CAP nie jest zawsze aktywne (zdolne do łączenia się z DNA). Natomiast, jest regulowane przez małą cząsteczkę nazywaną cyklicznym AMP (cAMP). cAMP jest "sygnałem głodu" wytwarzanym przez E. coli, gdy poziom glukozy jest niski. cAMP łączy się z CAP, zmieniając jego kształt i uzdalniając do wiązania z DNA i promując transkrypcję. Bez cAMP, CAP nie może łączyć się z DNA i jest nieaktywne.
CAP jest tylko aktywne, gdy poziom glukozy jest niski (poziom cAMP jest wysoki). Zatem, operon lac może tylko ulegać transkrypcji na wysokim poziomie, gdy nie ma glukozy w komórce. Ta strategia zapewnia, że bakteria może włączać operon lac i wykorzystując laktozę po tym jak wykorzysta wszystkie inne preferowane źródła energii (glukozę).
Kiedy zatem operon lac rzeczywiście "włącza się"?
Operon lac będzie wyrażany na wysokim poziomie, jeśli spełnione zostaną dwa warunki:
- Glukoza nie może być dostępna: Kiedy glukoza jest niedospępna, cAMP łączy się z CAP, uzdalniając CAP do wiązania się z DNA. Związane CAP pomaga polimerazie RNA łączyć się z promotorem operonu lac.
- Laktoza musi być dostępna: Jeśli laktoza jest dostępna, represor lac odłączy się od operatora (poprzez przyłączenie się do allolaktozy). To pozwala polimerazie RNA przesuwać się po DNA i przepisać operon.
Razem te dwa zdarzenia - przyłączenie aktywatora i uwolnienie represora - pozwala polimerazie RNA mocno związać się z promotorem i otworzyć dla niej ścieżkę transkrypcji. Oba zdarzenia prowadzą do transkrypcji operonu lac na wysokim poziomie i syntezy enzymu niezbędnego do rozkładu laktozy.
Zapiszmy to wszystko razem:
Teraz, kiedy zobaczyliśmy wszystkie poruszające się elementy operonu lac, złóżmy to teraz w jedną całość i zobaczmy jak operon reaguje w różnych warunkach (obecności i braku glukozy i laktozy).
- Glukoza obecna, brak laktozy: transkrypcja operonu lac nie zachodzi. Dzieje się tak, ponieważ represor lac pozostaje złączony z operatorem i przeciwdziała transkrypcji przeprowadzanej przez polimerazę RNA. Także poziom cAMP jest niski, ponieważ poziom glukozy pozostaje wysoki, więc CAP nie jest aktywne i nie wiąże się z DNA.
- Glukoza obecna, laktoza obecna: Niski poziom transkrypcji operonu lac. Represon lac oddysocjowuje od operatora, ponieważ induktor (allolaktoza) jest obecny. Poziom cAMP jest niski, bo obecna jest glukoza. W ten sposób CAP pozostaje nieaktywne i nie może łączyć się z DNA, więc transkrypcja zachodzi na bardzo niskim poziomie (mówi się, że "promotor cieknie").
- Brak glukozy i laktozy: transkrypcja operonu lac nie zachodzi. Poziom cAMP jest wysoki, ponieważ poziom glukozy jest niski, więc CAP jest aktywne i będzie wiązać się z DNA. Jednakże, represor lac będzie także wiązać się z operatorem (z powodu obecności allolaktozy), działając jak przeszkoda na drodze dla polimerazy RNA i przeciwdziałając transkrypcji.
- Glukoza nieobecna: wysoki poziom transkrypcji operonu lac. Represor lac oddysocjowuje od operatora, ponieważ induktor (allolaktoza) jest obecny, więc CAP jest aktywne i wiąże się z DNA. CAP pomaga polimerazie RNA wiązać się z promotorem, umożliwiając uzyskanie wysokiego poziomu transkrypcji.
Podsumowanie odpowiedzi operonu lac
| Glukoza | Laktoza | CAP wiąże się | Represor wiąże się | Poziom transkrypcji | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| + | - | - | + | Brak transkrypcji | ||||
| + | + | - | - | Niski poziom transkrypcji | ||||
| - | - | + | + | Brak transkrypcji- | + | + | - | Silna transkrypcja |
Szukaj wiadomości poza Khan Academy
Do you want to learn more about the lac operon? Check out this scrollable interactive from LabXchange.
LabXchange to bezpłatna platforma edukacyjna online stworzona przez Wydziale Arts and Sciences uniwersytetu Harvarda i wspierana przez Fundację Amgen.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji