Daniel Pysz

III Liceum Ogólnokształcące im. Adama Mickiewicza w Katowicach

Systemy kontrolne mające umiejętność włączania i wyłączania własnych funkcji oraz sterujące regulacją ekspresji genów w komórce noszą nazwę operonów. Są to zespoły kilku genów, które razem ulegają transkrypcji do jednej cząsteczki mRNA i co za tym idzie – wspólnej translacji i ekspresji. Nie są one jednak transkrybowane stale, a poziom ich aktywności zależy od stężenia określonej, często związanej funkcyjnie z białkami operonu, cząsteczki. Taka samoregulacja pozwala na zaoszczędzenie energii komórki na inne systemy regulacyjne lub po prostu likwidację niepotrzebnych białek – dzięki operonom ekspresja genów jest więc ściśle regulowana. Operony występują powszechnie w genomach bakteryjnych, jednak od kilku lat znane są także przypadki występowania tych zespołów genowych w organizmach eukariotycznych.

Operony zbudowane są z kilku elementów, z których każdy pełni istotną funkcję. Na samym początku takiego zespołu genów jest promotor – część DNA, do którego przyłącza się polimeraza RNA, i która w ogóle umożliwia transkrypcję. Każdy gen, niezależnie od przynależności do operonu czy też nie, ma taką sekwencję promotorową – w przypadku genów operonu jest ona po prostu wspólna dla wszystkich jego genów. Kolejnym elementem jest już swoisty dla operonu operator. Jest to sekwencja DNA, do której może przyłączyć się białko-represor. Najważniejszą informacją, jaką należy zapamiętać o operatorach, jest ta, że początkowy ich fragment nachodzi na końcową część promotora – części te są więc niejako połączone, przez co przyłączenie się represora do operatora uniemożliwia przyłączenie się do promotora polimerazy RNA. Wspomniany już represor to białko, które nie jest kodowane przez operon, a którego poziom w komórce jest stały. Dzięki temu możliwa jest ciągła regulacja transkrypcji. Po operatorze występują tzw. geny strukturalne, czyli właściwe geny kodujące odpowiednie białka. Są one najczęściej powiązane funkcjami i uczestniczą w jednym szlaku metabolicznym.

Operony w zależności od mechanizmu działania dzielimy na anaboliczne – kodujące enzymy szlaków syntez – oraz kataboliczne – kodujące enzymy rozkładające inne cząsteczki. Podstawową różnicą w działaniu tych dwóch rodzajów operonów jest to, co dzieje się z represorem po przyłączeniu do niego swoistej cząsteczki. Dalsze losy oraz funkcje tych zespołów genów poznamy na dwóch przykładach reprezentujących dwa rodzaje operonów – operonu laktozowego oraz tryptofanowego.

Operon laktozowy to przykład operonu katabolicznego, którego geny kodują enzymy pozwalające bakteriom trawić laktozę. W przypadku, gdy laktozy w środowisku nie ma, komórka dzięki operonom nie traci energii na niepotrzebną syntezę tych enzymów. W momencie, kiedy laktoza znajdzie się w komórce, jej izomer – allolaktoza – przyłącza się do represora, który odłącza się od operatora. Laktoza powoduje więc odłączenie represora, co umożliwia transkrypcję genów operonu. Dzięki temu w obecności laktozy następuje ekspresja genów ją rozkładających. W przypadku gdy cała laktoza zostanie rozłożona do glukozy i galaktozy, zabraknie cząsteczek przyłączających się do represora, przez co połączy się on ponownie z operatorem, blokując transkrypcję.

W operonie laktozowym występuje także drugi sposób regulacji transkrypcji. Nazywa się go represją kataboliczną lub regulacją pozytywną, ponieważ w tym przypadku to przyłączenie pewnego białka pobudza transkrypcję. W przypadku gdy w środowisku występuje preferowane źródło energii – glukoza, jej transport hamuje powstawania cząsteczki sygnałowej cAMP. W przypadku braku glukozy poziom cAMP się zwiększa. Cząsteczka ta może połączyć się z białkiem CAP, które, przyłączając się powyżej sekwencji promotorowej, tak zagina cząsteczkę DNA, że znacznie pobudza transkrypcję operonu laktozowego. Dzięki regulacji pozytywnej, w przypadku występowania w środowisku i glukozy, i laktozy, poziom ekspresji operonu laktozowego jest niski (ponieważ brak cząsteczek cAMP aktywujących białko CAP). Komórka ma bowiem lepsze źródło energii.

Operon tryptofanowy jest natomiast operonem anabolicznym odpowiedzialnym za syntezę tego aminokwasu. Składa się on z promotora, operatora i pięciu genów struktury. W przypadku gdy w komórce nie ma tryptofanu, następuje ekspresja genów i możliwa jest jego synteza. Gdy zwiększy się poziom tryptofanu w komórce, część jego cząsteczek może przyłączyć się do represora. Wtedy nazywany już korepresorem przyłącza się do operatora i blokuje transkrypcję. W takim wypadku wysoki poziom tryptofanu hamuje ekspresję genów jego syntezy. Dzięki temu w komórce nie tworzy się nigdy nadmiar tryptofanu.

 

Dodaj komentarz


Kod antyspamowy
Odśwież