Главная страница

Лактозный оперон. Лактозный оперон


Скачать 0.66 Mb.
НазваниеЛактозный оперон
Дата14.04.2019
Размер0.66 Mb.
Формат файлаdocx
Имя файлаЛактозный оперон.docx
ТипДоклад
#62359
Каталог

Министерство здравоохранения Российской Федерации

государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ПЕРВЫЙ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени И.М.СЕЧЕНОВА


Лечебный факультет

Кафедра биологии и общей генетики


Доклад на тему:
ЛАКТОЗНЫЙ ОПЕРОН


Выполнил:

студент 49 группы 1 курса

очной формы подготовки

Кардаков Руслан Сергеевич
Проверила:

к.б.н., доцент

Молодожникова Наталья Михайловна

Москва – 2019
Лактозный оперон
Для того, чтобы понять общие принципы регуляции биосинтеза белка, удобно рассмотреть синтез белков-ферментов у просто устроенных и хорошо изученных прокариотических организмов. У прокариот большинство генов “включено” (с них идет синтез белков), поэтому задача регуляции у них чаще всего сводится к их “выключению” с помощью веществ-репрессоров, причем один определенный репрессор влияет только на свой ген (или на небольшую группу генов) и не действует на другие. Упрощает регуляцию синтеза белка прокариотами наличие у них координированной регуляции: если несколько разных цистронов (то есть генов, кодирующих белки) регулируются одной регуляторной зоной (промотор + оператор), то воздействием на эту зону можно регулировать синтез сразу всех белков, закодированных этими цистронами.

Для больших геномов эукариот такой механизм не подходит, так как у них потребовалось бы чрезвычайно много разных репрессоров, что привело бы к слишком затратной и ненадежной регуляции. Эукариоты решают проблему контроля синтеза белка на уровне транскрипции другими способами (см. раздел II).

Прокариоты в большинстве случаев используют негативную регуляцию, через ген-специфичные репрессоры, действующие на промоторы структурных генов.

Все ферменты прокариот (как и белки другого функционального назначения) можно разделить на конститутивные и регулируемого синтеза (рис.1).


Рис.1 Группы ферментов в соответствии с особенностями их регуляции
Конститутивные (от лат. constitutus – утвердившийся, определенный) белки образуются постоянно при любых обстоятельствах. Их количество мало изменяется в процессе жизнедеятельности организма или при изменении состава окружающей бактерию среды. Клетка «предполагает», что эти ферменты будут нужны ей всегда, поэтому кодирующие их гены постоянно экспрессируются («включены»). Поскольку глюкоза является основным сахаром, а другие сахара можно направить по пути метаболизма глюкозы, ферменты, метаболизирующие глюкозу, попадают в категорию конститутивных.

Так как на образование ферментов затрачиваются значительные ресурсы и энергия, клетке не выгодно синтезировать белок, если в данный момент он ей не нужен. Обеспечить экономию позволяет наличие ферментов регулируемого синтеза, скорость синтеза и концентрацию которых клетка может изменять (иногда в тысячи раз) в соответствии со своими нуждами. Клетка синтезирует только те белки (ферменты), которые необходимы в данных условиях.

В случае индуцибельных (от англ. induce – вызывать, побуждать, стимулировать) белков регуляция направлена на “включение” синтеза ранее не требовавшегося фермента, когда в нем возникла необходимость. “Включение” синтеза белка называется индукцией, а “включающее” синтез химическое вещество – индуктором (или депрессором). Индуктор реагирует с репрессором, инактивируя его. Как правило, индуцибельными являются ферменты катаболических путей (сбраживание сахаров, распад аминокислот и др.).

В случае репрессируемых (лат. repressio – подавление) ферментов цель регуляции – прекращение (репрессия) их синтеза. Обычно репрессируемыми являются ферменты анаболизма (синтеза аминокислот, азотистых оснований и т.д.).
Лактозный оперон E. coli: типичные способы регуляции синтеза белка у прокариот

Оперон – это участок ДНК, ограниченный с одной стороны промотором (местом присоединения РНК-полимеразы), с другой – терминатором (местом ее отсоединения). Оперон кодирует одну молекулу мРНК, на основе которой позже могут синтезироваться один или несколько белков. В опероне имеется оператор, “разрешающий” или “не разрешающий” работу РНК-полимеразы.

Лактозный оперон у E. coli объединяет 3 структурных гена – z, y и a, кодирующих соответственно белки Z (β-галактозидазу), Y (галактозидпермеазу) и A (галактозидтрансацетилазу) – индуцибельные ферменты, необходимые для усвоения дисахарида лактозы. Подробнее об участии этих ферментов в метаболизме лактозы см. в Приложении 2.

Рассмотрим случай, когда E. coli растет на среде, содержащей два источника углерода – глюкозу и лактозу. Для E. coli глюкоза в качестве пищевого ресурса предпочтительнее лактозы. Пока в среде есть глюкоза, бактерия использует в пищу именно ее (с помощью конститутивных ферментов), а лактозу игнорирует. Когда глюкозы в среде не остается, бактерия, чтобы выжить, вынуждена использовать в пищу лактозу, для чего ей требуется “включить” и максимально ускорить синтез ферментов Z, Y и A. Если глюкоза вновь появится или лактоза полностью исчерпается – следует “выключить” синтез ферментов лактозного метаболизма. Такую регуляцию в соответствии с изменяющимся пищевым ресурсом обеспечивают два основных механизма – индукции ферментов метаболизма лактозы и катаболической репрессии. Они схематично показаны на рис.2 и 6. В контроле lac-оперона независимо друг от друга задействованы два белка-регулятора: негативный контроль обеспечивает lac-репрессор, а позитивный – активатор транскрипции САР (он же БРЦ). Роль САР в механизме отрицательного контроля в метаболической репрессии подробно рассмотрена в разделе 1.2.1. (рис. 5, 6).
Механизм индукции ферментов метаболизма лактозы (схема Жакоба-Моно)

Известно много индуцибельных ферментов как у прокариот, так и у эукариот. Индукция синтеза ферментов метаболизма лактозы у E.coli была подробно исследована французскими микробиологами Ф. Жакобом и Ж. Моно.

Смысл этого способа регуляции состоит в следующем: появление в среде субстрата (лактозы) “включает” синтез белков-ферментов, расщепляющих этот субстрат. Если субстрат в среде отсутствует, то синтез ферментов для его расщепления следует прекратить.

“Включение-выключение” синтеза ферментов метаболизма лактозы Z, Y и A обеспечивается конститутивным вспомогательным белком – lac- репрессором. Этот белок закодирован в ДНК E. coli в особом, не входящем в состав lac-оперона, гене-регуляторе (i-ген на рис.2). Постоянно синтезируясь в клетке, lac-репрессор связывается с оператором – регуляторным участком оперона, расположенным после промотора. В таком связанном с оператором состоянии lac-репрессор представляет собой непреодолимое препятствие для РНК-полимеразы. Как следствие, она не может считывать находящиеся после оператора гены z, y и a и построить соответствующую мРНК, поэтому ферменты Z, Y и A не синтезируются.

Появившись в среде, лактоза выступает в качестве индуктора: она воздействует на молекулы lac-репрессора, меняя их конформацию. Эти изменения приводят к потере lac-репрессором способности присоединяться к оператору. Свободный оператор “разрешает” РНК-полимеразе построить мРНК для дальнейшего синтеза ферментов Z, Y и A, то есть происходит индукция синтеза этих белков. Ферменты Z, Y и A начинают расщеплять лактозу, снижая ее концентрацию. В результате инактивирующее воздействие лактозы на lac- репрессор исчезает, конформация его восстанавливается, и он опять присоединяется к оператору, блокируя lac-оперон.

Имеется механизм, препятствующий “включению” lac-оперона при наличии очень малых количеств лактозы в среде, когда начинать синтез ферментов Z, Y и A не рентабельно.


Рис. 2 Индукция синтеза ферментов метаболизма лактозы
Таким образом, регуляция индуцибельных ферментов происходит при участии репрессора, синтезирующегося в изначально активной, то есть способной связываться с оператором, форме, и индуктора – субстрата реакции, переводящего репрессор в неактивную форму.
перейти в каталог файлов
связь с админом