ძირითადი მასალა
ბიოლოგია
კურსი: ბიოლოგია > თემა 16
გაკვეთილი 1: გენის რეგულაცია ბაქტერიებშიlac ოპერონი
ლაქტოზას უტილიზაციისთვის საჭირო გენების რეგულაცია. lac რეპრესორი. კატაბოლიტის აქტივატორი ცილა (კაც) და ცამფ (ციკლური ადენოზინ-მონოფოსფატი)
საკვანძო საკითხები:
- E. coli-ის lac ოპერონი შეიცავს გენებს, რომლებიც ლაქტოზას მეტაბოლიზმში მონაწილეობს. იგი ექსპრესირდება მხოლოდ მაშინ, როდესაც უჯრედში ლაქტოზა არსებობს, გლუკოზა კი - არა.
- ოპერონის ჩართვასა და გამორთვას ორი რეგულატორი იწვევს, ლაქტოზასა და გლუკოზას შემცველობის მიხედვით: lac რეპრესორი და კატაბოლური აქტივატორი ცილა (კაც).
- lac რეპრესორს უჯრედში ლაქტოზას შემცველობის „აღქმა" ევალება. როგორც წესი, იგი ოპერონის ტრანსკრიფციას ბლოკავს, მაგრამ წყვეტს რეპრესორულ მოქმედებას, როდესაც უჯრედში ლაქტოზა ხვდება. lac რეპრესორი ლაქტოზას ირიბად აღიქვამს: პირდაპირ ლაქტოზას ნაცვლად იგი მისი იზომერის, ალოლაქტოზას შემცველობაზე რეაგირებს.
- კატაბოლური აქტივატორი ცილა (კაც) კი გლუკოზას შემცველობას აღიქვამს უჯრედში. იგი ააქტიურებს ოპერონის ტრანსკრიფციას, მაგრამ მხოლოდ მაშინ, როდესაც გლუკოზას დონე დაბალია. კაც გლუკოზას შემცველობას ასევე ირიბად აღიქვამს, კერძოდ, „შიმშილის სიგნალის" მოლეკულის, ც-ამფ-ის, დონის მიხედვით.
შესავალი
ლაქტოზა: დღეს სადილად ეს გვექნება! შეიძლება, დიდად გემრიელად არ ჟღერდეს (ლაქტოზა მთავარი შაქარია რძის შემადგენლობაში და ალბათ მისი პირდაპირ მირთმევის სურვილი არ გექნებათ), თუმცა იგი დიდებული საკვებია E. coli-ისთვის. თუმცა ეს ბაქტერიაც კი მხოლოდ მაშინ შესანსლავს ლაქტოზას, როდესაც უკეთესი შაქარი, მაგალითად გლუკოზა, ხელმისაწვდომი არაა.
ამის გათვალისწინებით, ზუსტად რა არის lac ოპერონი? lac ოპერონი არის ოპერონი, ანუ ჯგუფი გენებისა, რომელთაც ერთი პრომოტორი აქვთ (და ერთ ი-რნმ-ის მოლეკულად ტრანსკრიბირდებიან). ამ ოპერონში შემავალი გენები აკოდირებენ ცილებს, რომლებიც საშუალებას აძლევს ბაქტერიებს, გამოიყენონ ლაქტოზა ენერგიის წყაროდ.
რა რთავს lac ოპერონს?
ბაქტერია E. coli -ის შეუძლია ლაქტოზის დაშლა, მაგრამ ეს შაქარი მისთვის საუკეთესო საწვავი არაა. თუ ახლომახლო გლუკოზაა, ამ ბაქტერიას მისი გამოყენება ურჩევნია. გლუკოზა დასაშლელად უფრო ნაკლებ საფეხურსა და ენერგიას საჭიროებს, ვიდრე ლაქტოზა. თუმცა, თუ ლაქტოზა ერთადერთი ხელმისაწვდომი შაქარია, E. coli აუცილებლად გამოიყენებს მას ენერგიის წყაროდ.
იმისთვის, რომ ბაქტერიამ ლაქტოზას გამოყენება შეძლოს, ჯერ მისი lac ოპერონის გენები უნდა ექსპრესირდეს: გენები, რომლებიც აკოდირებენ ლაქტოზას შთანთქმისა და გადამუშავებისთვის საჭირო ძირითად ფერმენტებს. მაქსიმალური ეფექტურობის მიზნით E. coli-ის lac ოპერონი მხოლოდ მაშინ უნდა ექსპრესირდეს, როდესაც ორივე შემდეგი პირობა სრულდება:
- ბაქტერიისთვის ლაქტოზა ხელმისაწვომია, და
- გლუკოზა - მიუწვდომელი
როგორ გრძნობს ბაქტერია ლაქტოზასა და გლუკოზას შემცველობას გარემოში და როგორ აისახება მათი დონეების ცვლილებები lac ოპერონის ტრანსკრიფციაზე? ამაში ორი მარეგულირებელი ცილაა ჩართული:
- პირველი, lac რეპრესორი, რომელსაც ლაქტოზას შემცველობის „შეგრძნება" ევალება.
- და მეორე, კატაბოლური აქტივატორი ცილა (კაც), რომელიც გლუკოზას დონეს აღიქვამს.
ეს ცილები უკავშირდება lac ოპერონის დნმ-ს და არეგულირებს მის ტრანსკრიფციას ლაქტოზასა და გლუკოზას შემცველობების მიხედვით. მოდით, ვნახოთ, როგორ ხდება ეს.
lac ოპერონის სტრუქტურა
lac ოპერონი შეიცავს სამ გენს: lacZ, lacY და lacA. ეს გენები ერთი პრომოტორის მიერ კონტროლრდება და ერთ ი-რნმ-ად ტრანსკრიბირდება.
lac ოპერონის გენები აკოდირებს ცილებს, რომლებიც ეხმარება უჯრედს ლაქტოზას გამოყენებაში. lacZ აკოდირებს ფერმენტს, რომელიც შლის ლაქტოზას მონოსაქარიდებად (მარტივ შაქრებად) - გლიკოლიზის საწვავ ნივთიერებებად. lacY აკოდირებს მემბრანაში ჩაშენებულ გადამტან ცილას, რომელსაც ლაქტოზას უჯრედში შეტანა ევალება.
ამ სამი გენის გარდა, lac ოპერონი ასევე შეიცავს მარეგულირებელი დნმ-ის მრავალ თანმიმდევრობასაც. დნმ-ის ამ მონაკვეთებს განსაზღვრული მარეგულირებელი ცილები უკავშირდება და ისინი ერთად ოპრეტონის ტრანსკრიფციას აკონტროლებენ.
- პრომოტორი რნმ-პოლიმერაზას დაკავშირების უბანია, ფერმენტისა, რომელიც ტრანსკრიფციას ასრულებს.
- ოპერატორი უარყოფითი მარეგულირებელი უბანია, რომელსაც lac რეპრესორი ცილა უკავშირდება. ოპერატორი ნაწილობრივ გადაფარავს პრომოტორს და როდესაც მასზე lac რეპრესორია დაკავშირებული, რნმ-პოლიმერაზას გზა ეღობება და იგი ვეღარ ახერხებს პრომოტორთან დაკავშირებას ტრანსკრიფციის დასაწყებად.
- კაც-ის დაკავშირების საიტი დადებითი მარეგულირებელი უბანია, რომელსაც კატაბოლური აქტივატორი ცილა (კაც) უკავშირდება. როდესაც კაც თავის საიტთანაა მიბმული, იგი უადვილებს რნმ-პოლიმერაზას პრომოტორთან დაკავშირებას და ამით ხელს უწყობს ტრანსკრიფციას.
მოდით უფრო კარგად გავეცნოთ lac რეპრესორს, კატაბოლურ აქტივატორ ცილასა და მათს როლებს lac ოპერონის რეგულაციაში.
lac რეპრესორი
lac რეპრესორი ცილაა, რომელიც აჩერებს lac ოპერონის ტრანსკრიფციას. ამისთვის იგი უკავშირდება ოპერატორს, რომელიც ნაწილობრივ გადაფარავს პრომოტორს. როცა lac რეპრესორი ოპერატორთანაა დაკავშირებული, იგი რნმ-პოლიმერაზას წინ ეღობება და ხელს უშლის ოპერონის ტრანსკრიფციაში.
როდესაც ლაქტოზა მიუწვდომელია, lac რეპრესორი მტკიცედ უკავშირდება ოპერატორს და საშუალებას არ აძლევს რნმ პოლიმერაზას, წარმართოს ტრანსკრიფცია. თუმცა, როდესაც ლაქტოზა წარმოდგენილია, lac რეპრესორი კარგავს დნმ-თან დაკავშირების უნარს. იგი მოშორდება ოპერატორს და გზას უთავისუფლებს რნმ-პოლიმერაზას ოპერონის ტრანსკრიფციისთვის.
lac რეპრესორის „ქცევაში" ამ ცვლილებას მცირე მოლეკულა, ლაქტოზას იზომერი (ანუ სხვანაირად აწყობილი ვარიანტი) ალოლაქტოზა იწვევს. როდესაც ლაქტოზა ხელმისაწვდომია, მისი ზოგიერთი მოლეკულა უჯრედში ალოლაქტოზად გარდაიქმნება. ალოლაქტოზა უკავშირდება lac რეპრესორს და უცვლის მას ფორმას, რითაც იგი დნმ-თან დაკავშირების უნარს კარგავს.
ალოლაქტოზა ერთ-ერთი ინდუქტორია ანუ პატარა მოლეკულა, რომელიც ააქტიურებს გენის ან ოპერონის ექსპრესიას. lac ოპერონი ითვლება ინდუცირებად ოპერონად, რადგან იგი ჩვეულებრივ გამორთულია (რეპრესირებული), მაგრამ შესაძლებელია ჩაირთოს, ინდუქტორი ალოლაქტოზას არსებობის შემთხვევაში.
კატაბოლური აქტივატორი ცილა (კაც)
როდესაც ლაქტოზა არსებობს ბაქტერიულ უჯრედში, lac რეპრესორი კარგავს დნმ-თან დაკავშირების უნარს. ეს რნმ-პოლიმერაზას გზას უხსნის პრომოტორთან დასაკავშირებლად და lac ოპერონის ტრანსკრიბირებისთვის. წესით ამით რჩება ეს ამბავი, არა?
ნუ... მთლად ასეც არ არის. როგორც აღმოჩნდა, თავად რნმ-პოლიმერაზა კარგად ვერ უკავშირდება lac ოპერონის პრომოტორს. მან შეიძლება, რამდენიმე ტრანსკრიპტი წარმოქმნას, მაგრამ მეტს ვერ შეძლებს, სანამ დამატებით დახმარებას არ მიიღებს კატაბოლური აქტივატორი ცილისგან (კაც). კაც უკავშირდება დნმ-ის იმ მონაკვეთს, რომელიც ზუსტად lac ოპერონის პრომოტორის წინ მდებარეობს და უადვილებს რნმ-პოლიმერაზას პრომოტორთან დაკავშირებას, რაც ტრანსკრიფციის ძლიერ გააქტიურებას იწვევს.
კაც ყოველთვის აქტიური არაა (ანუ, ყოველთვის არ აქვს დნმ-თან დაკავშირების უნარი). იგი რეგულირდება მცირე მოლეკულით, სახელად ციკლური ამფ (ც-ამფ). ც-ამფ „შიმშილის სიგნალია", რომელსაც E. coli წარმოქმნის, როდესაც გლუკოზას კონცენტრაცია დაბალია. ც-ამფ უკავშირდება კაც-ს და უცვლის მას ფორმას, რითაც საშუალებას აძლევს, დაუკავშირდეს დნმ-ს და ხელი შეუწყოს ტრანსკრიფციას. ც-ამფ-ის გარეშე, კაც ვერ უკავშირდება დნმ-ს და პასიურ მდგომარეობაშია.
კაც მხოლოდ მაშინაა აქტიური, როდესაც გლუკოზას დონე დაბალია (ც-ამფ-ის კონცენტრაცია კი მაღალი). ამგვარად, lac ოპერონი მაღალი სიხშირით მხოლოდ მაშინ შეიძლება ტრანსკრიბირდეს, როდესაც გლუკოზა ხელმისაწვდომი არ არის. ამ სტრატეგიით ბაქტერიები უზრუნველყოფენ, რომ lac ოპერონი მხოლოდ მაშინ ჩაირთოს და ლაქტოზას გამოყენებაც მაშინ დაიწყოს, როცა გარემოში ენერგიის უპირატესი წყარო (გლუკოზა) მთლიანად ამოიწურება.
მაშასადამე, როდის ირთვება lac ოპერონი სინამდვილეში?
lac ოპერონი აქტიურად ექსპრესირდება მაშინ, თუ ორივე შემდეგი პირობა სრულდება:
- გლუკოზა უნდა იყოს მიუწვდომელი: როდესაც გლუკოზა მიუწვდომელია, ც-ამფ ებმის კატაბოლურ აქტივატორ ცილას (კაც) და საშუალებას აძლევს მას, დაუკავშირდეს დნმ-ს. დნმ-სთან დაკავშირებული კაც, თავის მხრივ, ხელს უწყობს რნმ-პოლიმერაზას, მიემაგროს lac ოპერონის პრომოტორს.
- ლაქტოზა ხელმისაწვდომი უნდა იყოს: თუკი ლაქტოზა ხელმისაწვდომია, lac რეპრესორი მოშორდება ოპერატორს (ალოლაქტოზასთან დაკავშირების შემდეგ). შედეგად, რნმ-პოლიმერაზას საშუალება ეძლევა, წინ გადაადგილდეს დნმ-ის ჯაჭვზე და წარმართოს ოპერონის ტრანსკრიფცია.
ამ ორი მოვლენის თანხვედრა - აქტივატორის დაკავშირება და რეპრესორის გამოთავისუფლება - საშუალებას აძლევს რნმ-პოლიმერაზას, მტკიცედ დაუკავშირდეს პრომოტორს და უთავისუფლებს მას გზას ტრანსკრიფციისთვის. შედეგად lac ოპერონი აქტიურად ტრანსკრიბირდება და ლაქტოზის გამოყენებისთვის საჭირო ფერმენტები წარმოიქმნება.
ყველაფრის შეჯამება
ახლა, როდესაც უკვე გავეცანით lac ოპერონის მექანიზმს, შევაჯამოთ, რა ვისწავლეთ და დავადგინოთ, როგორ იმოქმედებს ოპერონი სხვადასხვა პირობებში (გლუკოზისა და ლაქტოზის არსებობა ან არარსებობა).
- გლუკოზა ხელმისაწვდომია, ლაქტოზა კი - არა: lac ოპერონი არ ტრანსკრიბირდება. ეს იმიტომ, რომ lac რეპრესორი ოპერატორთან დაკავშირებული რჩება და ხელს უშლის რნმ-პოლიმერაზას ტრანსკრიფციაში. ასევე, ც-ამფ-ის დონე დაბალია, ვინაიდან გლუკოზას შემცველობა მაღალია. შესაბამისად, კაც არააქტიურია და ვერ უკავშირდება დნმ-ს.
- გლუკოზაც და ლაქტოზაც ხელმისაწვდომია: lac ოპერონი დაბალი სიჩქარით ტრანსკრიბირდება. lac რეპრესორი მოშორებულია ოპერატორისგან, რადგან უჯრედში ინდუქტორი (ალოლაქტოზა) მოიპოვება. მიუხედავად ამისა, ც-ამფ-ის შემცველობა დაბალია, რადგან უჯრედში გლუკოზაც არსებობს. შესაბამისად, კაც არააქტიური რჩება და ვერ უკავშირდება დნმ-ს. ამის გამო ტრანსკრიფცია დაბალი სიჩქარით, მდორედ მიმდინარეობს.
- არც გლუკოზაა ხელმისაწვდომი, არც - ლაქტოზა: lac ოპერონის ტრანსკრიპცია არ მიმდინარეობს. ც-ამფ-ის შემცველობა მაღალია, რადგან გლუკოზას დონე დაბალია. შესაბამისად, კაც აქტიურია და უკავშირდება დნმ-ს. თუმცა, lac რეპრესორიც დაუკავშირდება ოპერატორს (რაც განპირობებულია ალოლაქტოზას არარსებობით), რნმ-პოლიმერაზას ბარიკადივით შეუშლის ხელს პრომოტორთან დაკავშირებაში და ტრანსკრიფციის საშუალებასაც არ მისცემს.
- ლაქტოზა ხელმისაწვდომია, გლუკოზა კი - არა: მიმდინარეობს lac ოპერონის აქტიური ტრანსკრიფცია. lac რეპრესორი მოშორდება ოპერატორს, ინდუქტორის (ალოლაქტოზას) არსებობის გამო. ც-ამფ-ის დონე გლუკოზას არარსებობის გამო მაღალია, შესაბამისად, კაც აქტიურია და უკავშირდება დნმ-ს. კაც ხელს უწყობს რნმ-პოლიმერაზას პრომოტორთან დაკავშირებას, რის შედეგადაც აქტიური ტრანსკრიფცია შესაძლებელი ხდება.
lac ოპერონის საპასუხო რეაქციების შეჯამება
| გლუკოზა | ლაქტოზა | კაც უკავშირდება | რეპრესორი უკავშირდება | ტრანსკრიფციის მიმდინარეობა |
|---|---|---|---|---|
| + | - | - | + | ტრანსკრიფცია არ მიმდინარეობს |
| + | + | - | - | დაბალი სიხშირის ტრანსკრიფცია |
| - | - | + | + | ტრანსკრიფცია არ მიმდინარეობს |
| - | + | + | - | აქტიური ტრანსკრიფცია |
გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?
პოსტები ჯერ არ არის.