Interested Article - Лактозный оперон

Лактозный оперон ( англ. lac operon ) — поли цистронный оперон бактерий, кодирующий гены метаболизма лактозы .

Регуляция экспрессии генов метаболизма лактозы у кишечной палочки ( Escherichia coli ) была впервые описана в 1961 году учёными Ф. Жакобом и Ж. Моно (получившими в 1965 году Нобелевскую премию совместно с А. Львовым ). Бактериальная клетка синтезирует ферменты, принимающие участие в метаболизме лактозы, лишь в том случае, когда лактоза присутствует в окружающей среде и клетка испытывает недостаток глюкозы .

Структура

Лактозный оперон ( lac operon) состоит из трёх структурных генов, промотора , оператора и терминатора . Иногда принимается, что в состав оперона входит также ген-регулятор, который кодирует белок-репрессор (хотя он находится в другом участке генома и не имеет общего с лактозным опероном промотора).

Структурные гены лактозного оперона — lacZ , lacY и lacA :

lacZ кодирует фермент β-галактозидазу , которая расщепляет дисахарид лактозу на глюкозу и галактозу ,
lacY кодирует , мембранный транспортный белок, который переносит лактозу внутрь клетки.
lacA кодирует , фермент, переносящий ацетильную группу от ацетил-КoA на .

Для катаболизма лактозы необходимы только продукты генов lacZ и lacY ; роль продукта гена lacA не ясна. Возможно, что реакция ацетилирования даёт бактериям преимущество при росте в присутствии определённых неметаболизируемых аналогов , поскольку эта модификация ведёт к их и выведению из клетки.

Регуляция

Случай, когда есть глюкоза и нет лактозы

Случай, когда есть глюкоза и есть лактоза

Случай, когда нет глюкозы и есть лактоза

РНК-полимераза начинает транскрипцию с промоторного района, который перекрывается с операторным районом. В отсутствие или при низкой концентрации лактозы в клетке белок-репрессор, который является продуктом моно цистронного оперона LacI , обратимо соединяется с операторным районом и препятствует транскрипции. Таким образом, в отсутствие лактозы в клетке ферменты для метаболизма лактозы не синтезируются.

Даже в случае, когда в плазматической мембране клетки отсутствует фермент β-галактозидпермеаза, лактоза из окружающей среды может попадать в клетку в небольших количествах. В клетке две молекулы лактозы связываются с белком-репрессором, что приводит к изменению его конформации и далее к диссоциации белка-репрессора от операторного участка. Может осуществляться транскрипция генов лактозного оперона. При снижении концентрации лактозы новые порции белка-репрессора взаимодействуют с операторными последовательностями и препятствуют транскрипции. Данный механизм регуляции активности лактозного оперона называют негативной индукцией . Веществом-индуктором служит лактоза; при её связывании с белком-репрессором происходит его диссоциация от операторного участка.

Если в клетке концентрация глюкозы достаточна для поддержания метаболизма, активация лактозного оперона не происходит. Промоторная последовательность лактозного оперона «слабая», поэтому даже при отсутствии белка-репрессора на операторном участке транскрипция практически не инициируется. Когда концентрация глюкозы в клетке снижается, происходит активация фермента аденилатциклазы , которая катализирует превращение АТФ в циклическую форму — цАМФ (циклическую форму АМФ в данном случае также называют «сигналом клеточного голода»). Глюкоза является ингибитором фермента аденилатциклазы и активирует фосфодиэстеразу — фермент, катализирующий превращение молекулы цАМФ в АМФ. цАМФ соединяется с белком, активирующим катаболизм ( англ. САР, catabolism activating protein ), при этом образуется комплекс, который взаимодействует с промотором лактозного оперона, изменяет его конформацию и приводит к повышению сродства РНК-полимеразы к данному участку. В присутствии лактозы происходит экспрессия генов оперона. Белок CAP оказывает положительный контроль на лактозный оперон.

Итак, ферменты для усвоения лактозы синтезируются в клетке кишечной палочки при двух условиях: 1) наличие лактозы; 2) отсутствие глюкозы. Регуляция работы лактозного оперона в зависимости от концентрации лактозы происходит по принципу отрицательной обратной связи : чем больше лактозы — тем больше ферментов для её катаболизма (положительная прямая связь); чем больше ферментов — тем меньше лактозы, чем меньше лактозы — тем меньше производится ферментов (двойная отрицательная обратная связь).

Биологический смысл

Благодаря описанному механизму регуляции транскрипции генов, входящих в состав лактозного оперона, бактерии оптимизируют энергетические затраты, синтезируя ферменты метаболизма лактозы не постоянно, а лишь тогда, когда клетке это необходимо. Сходный механизм регуляции имеется у большинства прокариот ; у эукариот он устроен значительно сложнее.

См. также

Примечания

Jacob F ; Monod J . Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins (англ.) // (англ.) ( : journal. — 1961. — June ( vol. 3 ). — P. 318—356 . — .