Wie ist der Lac Operon reguliert?

Genexpression ist die Synthese einer Polypeptidkette eines funktionellen Proteins basierend auf der Information, die von einem bestimmten Gen codiert wird. Die Menge der Synthese eines bestimmten Proteins kann durch die Regulierung der Genexpression reguliert werden. Die differentielle Expression von Genen kann während der verschiedenen Schritte der Proteinsynthese erreicht werden. Die Regulierung der Genexpression ist jedoch bei eukaryotischen und prokaryotischen Genen unterschiedlich. Lac Operon ist ein Cluster von Genen, die für den Laktosestoffwechsel von verantwortlich sind E coli. Die Regulierung des Ausdrucks von lac Operon wird als Reaktion auf die Laktose- und Glukosespiegel im Medium erreicht. Die Regulierung der lac Operon wird als vorrangiges Beispiel für die prokaryotische Genregulation in molekularbiologischen und zellbiologischen Einführungsstudien verwendet.

Wichtige Bereiche

1. Was ist die Regulation der Genexpression?
      - Definition, Regulation der Genexpression
2. Was ist der Lac Operon?
     - Definition, Struktur, Funktion von Genprodukten
3. Wie ist der Lac Operon reguliert?
     - Lac Repressor, CAP

Schlüsselbegriffe: Catabolite Activator Protein (CAP), E. coli, Genexpression, Glukose, Lac Operon, Lac Repressor, Lactosemetabolismus

Was ist die Regulation der Genexpression?

Die Regulation der Genexpression bezieht sich auf einen breiten Bereich von Mechanismen, die von der Zelle verwendet werden, um entweder die Produktion eines bestimmten Genprodukts (eines Proteins oder einer RNA) zu erhöhen oder zu verringern. Dies wird während verschiedener Schritte der Proteinsynthese wie nachstehend beschrieben erreicht.

1. Replikationsstufe - Die Mutationen, die während der DNA-Replikation auftreten, können Änderungen der Genexpression verursachen.
2. Transkriptionsebene - Die Transkription eines bestimmten Gens kann durch Repressoren und Aktivatoren gesteuert werden.
3. Posttranskriptionsebene - Die Genexpression kann während der posttranskriptionellen Modifikationen wie RNA-Splicing erreicht werden.
4. Übersetzungsebene - Die Translation eines mRNA-Moleküls kann durch verschiedene Prozesse wie den RNA-Interferenzweg gesteuert werden.
5. Posttranslationales Niveau - Die Synthese eines Proteins kann auf posttranslationaler Ebene durch Kontrolle der posttranslationalen Modifikationen reguliert werden.

Die Regulation der Genexpression in Prokaryoten wird jedoch hauptsächlich während der Transkriptionsinitiation erreicht. Dabei handelt es sich um Aktivatoren, die die Genexpression positiv regulieren, und Repressoren, die die Genexpression negativ regulieren. Die Regulation der Genexpression bei verschiedenen Schritten der Proteinsynthese ist in gezeigt Abbildung 1.

Abbildung 1: Regulation der Genexpression

Was ist Lac Operon

Das lac Operon bezieht sich auf einen Cluster von Genen, die für den Laktosemetabolismus von E. coli verantwortlich sind. Daher die lac operon ist eine funktionelle einheit der E coli Genom. Alle Gene in der lac Operon werden von einem einzigen Promotor gesteuert. Daher werden alle Gene im Operon gemeinsam transkribiert. Die Genprodukte sind die Proteine, die für den Transport von Laktose in das Zytosol der Zelle und den Verdau von Laktose in Glukose verantwortlich sind. Glukose wird in der Zellatmung verwendet, um Energie in Form von ATP zu erzeugen. Das lac Operon kann auch in vielen anderen enterischen Bakterien vorhanden sein. Die Struktur der lac Operon ist in gezeigt Figur 2.

Figur 2: Lac Operon

Das lac Operon besteht aus drei Genen, die von einem einzigen Promotor gesteuert werden. Diese Gene sind lacZ, Spitzen, und lacA. Diese Gene sind für die drei Enzyme kodiert, die am Laktosemetabolismus beteiligt sind und als Beta-Galactosidase, Beta-Galactosid-Permease bzw. Beta-Galactosid-Transacetylase bekannt sind. Beta-Galactosidase ist am Abbau von Lactose in Glucose und Galactose beteiligt. Beta-Galactosid-Permease ist in die Zellmembran eingebettet und ermöglicht den Transport von Laktose in das Zytosol. Beta-Galactosid-Transacetylase ist an der Übertragung einer Acetylgruppe von Acetyl-Co-A zu Beta-Galactosid beteiligt. Die Transkription der lac Operon produziert ein polycistronisches mRNA-Molekül, das alle drei Genprodukte aus einem einzigen mRNA-Molekül produziert. Im Allgemeinen die lacZ und Spitzen Genprodukte sind ausreichend für den Laktosekatabolismus.

Neben diesen drei Genen, lac Operon besteht aus einer Reihe von Regulierungsregionen an die verschiedene Proteine ​​binden können, um die Transkription zu kontrollieren. Die wichtigsten regulatorischen Abläufe in der lac Operon sind der Promotor, Operator und die Bindungsstelle des katabolitischen Aktivatorproteins (CAP). Das Promoter dient als Bindungsstelle für die RNA-Polymerase, das Enzym, das für die Transkription der Gene verantwortlich ist. Das Operator dient als negative Regulierungsstelle, an die die lac Repressor bindet. Das CAP-Bindungsstelle dient als positive Regulierungsstelle, an die sich die GAP bindet.

Wie ist die Lac Operon reguliert

Die Regulation der Genexpression in prokaryotischen Genen erfolgt mittels induzierbare Operone wobei verschiedene Arten von Proteinen binden, wobei entweder die Transkription des Operons basierend auf den Anforderungen der Zelle aktiviert oder unterdrückt wird. Lac Operon ist ein induzierbares Operon. Es erlaubt die Verwendung von Laktose, einem Disaccharid, bei der Energieerzeugung, indem es in Glukose umgewandelt wird, die leicht in der Zellatmung verwendet werden kann, wenn die Glukose für die Zelle nicht verfügbar ist. Das lac Das Operon wird in den Zuständen "Ausschalten" und "Einschalten" basierend auf dem Vorhandensein von Glukose in der Zelle reguliert. Das lac Der Repressor ist für den 'Ausschalten' Modus verantwortlich lac operon, während CAP für den 'einschalten' - Modus des lac Operon.

Lac Repressor

Das lac Repressor bezieht sich auf einen Laktosesensor, der die Transkription des lac Operon in Gegenwart von Glukose. Die Verwendung von Glukose bei der Zellatmung erfordert im Vergleich zu Laktose weniger Energieerzeugungsschritte. Wenn also Glukose in der Zelle verfügbar ist, wird sie leicht in den Zellpfaden abgebaut, um Energie zu erzeugen. Wenn Glukose in der Atmung verwendet wird, sollte außerdem die Verwendung der Laktose für den früheren Zweck vermieden werden, um die maximale Effizienz der Zellatmung zu erreichen. In dieser Situation ist die Blockade der Transkription der lac Das Operon wird durch die Bindung von lac Repressor an den Bedienerbereich der erreicht lac Operon. Im Allgemeinen überlappt der Operatorbereich mit dem Promotorbereich. Also, wenn die lac Repressor bindet an die Operatorregion, RNA-Polymerase ist nicht in der Lage, an die Promotorregion zu binden, da keine vollständige Promotorregion verfügbar ist. Wenn Glukose in der Zelle leicht verfügbar ist und Laktose nicht verfügbar ist, wird die lac Der Repressor bindet sich fest an den Operatorbereich und hemmt die Transkription der lac Operon. Die Regulierung der lac Operon ist in gezeigt Figur 3.

Abbildung 3: Regulierung der Lac Operon

Catabolite Activator Protein (CAP)

Das CAP-Protein bezieht sich auf einen Glukose-Repressor, der die Transkription von aktiviert lac Operon. Wenn der Zelle kein Glukose mehr zur Verfügung steht und Laktose im Zytosol leicht verfügbar ist, wird das lac Repressor verliert seine Fähigkeit, an die DNA zu binden. Daher schwimmt es von der Operatorregion ab, wodurch die Promotorregion für die Bindung an RNA-Polymerase verfügbar wird. Wenn Laktose verfügbar ist, werden einige der Moleküle in umgewandelt Allolactose, ein kleines Isomer von Laktose. Die Bindung der Allolactose an die lac Repressor bewirkt, dass es sich aus dem Bedienerbereich löst. Daher dient Allolactose als Auslöser und löst den Ausdruck des lac Operon. Weiter die lac Operon gilt auch als induzierbares Operon.

RNA-Polymerase allein kann jedoch nicht perfekt an die Promotorregion binden. Daher unterstützt CAP die feste Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor. Es bindet an die CAP-Bindungsstelle stromaufwärts des Promotors. Die Bindung der CAP an die DNA wird durch ein kleines Molekül reguliert, das als zyklischer AMP (cAMP). Das cAMP dient als Hungersignal von E. coli in Abwesenheit von Glukose. Die Bindung von cAMP an CAP verändert die Konformation von CAP und ermöglicht die Bindung von CAP an die CAP - Bindungsstelle von lac Operon. CAMP ist jedoch in der Zelle vorhanden, wenn der Glukosespiegel in der Zelle sehr niedrig ist. Daher die Aktivierung des lac Ein Operon kann nur erreicht werden, wenn für die Zelle keine Glukose verfügbar ist. Abschließend die Aktivierung der lac Ein Operon kann erreicht werden, wenn Glukose nicht verfügbar ist und Laktose in der Zelle verfügbar ist. Wenn sowohl Glukose als auch Laktose in der Zelle fehlen, wird die lac Repressor bleibt an die lac Operon, verhindert die Transkription des Operons.

Glucose	Laktose	Mechanismus	Verordnung
Abwesend	Vorhanden	CAP bindet an die CAP-Bindungsstelle	Ausdruck des lac-Operons
Vorhanden	Abwesend	lac Repressor bindet sich an den Operatorbereich	Unterdrückung des lac-Operons

Fazit

Das lac Operon ist ein induzierbares Operon, bei dem die für den Laktosemetabolismus erforderlichen Proteine ​​in Genclustern vorliegen. Daher die Transkription der lac Operon produziert ein polycistronisches mRNA-Molekül, das mehrere Genprodukte synthetisieren kann. Das lac Operon wird nur in Abwesenheit von Glukose und der Anwesenheit von Laktose innerhalb der Zelle für die Zellatmung exprimiert. Das lac Der Repressor bindet sich an den Bedienerbereich des lac Operon, wenn Glukose leicht verfügbar ist und Laktose nicht verfügbar ist. Die CAP bindet sich an den Betreiber der lac ein Operon, das die Transkription unterstützt, wenn Glukose nicht verfügbar ist und Laktose leicht verfügbar ist. Daher wird die Zelle in der Lage, Laktose in der Zellatmung zur Energieerzeugung zu nutzen.

Bildhöflichkeit:

1. „Kontrolle der Genexpression“ von ArneLH - Eigene Arbeit (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia
2. "Lac operon1" (Public Domain) über Commons Wikimedia
3. "Lac-Operon" (CC BY 2.0) über Commons Wikimedia

Referenz:

1. "Prokaryotische Genregulation". Lumen / Grenzenlose Biologie, hier erhältlich.
2. „Der lac-Operon“. Khan Academy, hier erhältlich.
3. „Lac Operon: Regulation der Genexpression in Prokaryoten“. Biologie, Byjus Classes, 21. November 2017, hier verfügbar.