OPERON: ENTDECKUNG, MODELL, KLASSIFIKATION, BEISPIELE - BIOLOGIE - 2025

Ein Operon besteht aus einer Gruppe von sequentiell geordneten Genen, die sich gegenseitig regulieren, für Proteine ​​kodieren, die funktionell verwandt sind und die sich im gesamten Genom von Bakterien und "angestammten" Genomen befinden.

Dieser Regulationsmechanismus wurde 1961 von F. Jacob und J. Monod beschrieben, was ihnen 1965 den Nobelpreis für Physiologie und Medizin einbrachte. Diese Forscher schlugen vor und demonstrierten die Funktionsweise von Operons durch die Gene, die für die kodieren Enzyme, die Escherichia coli für die Verwendung von Laktose benötigt.

Grafisches Diagramm eines DNA-Strangs mit den Genen, aus denen das Lactose-Operon besteht (Promotor, Operator, lacZ, lacY, lacA und Terminator) (Quelle: Llull ~ commonswiki Via Wikimedia Commons)

Die Operons sind dafür verantwortlich, die Proteinsynthese gemäß den Bedürfnissen jeder Zelle zu koordinieren, dh sie werden nur exprimiert, um Proteine ​​zu dem Zeitpunkt und genau an dem Ort zu erzeugen, an dem sie benötigt werden.

Die in Operons enthaltenen Gene sind im Allgemeinen Strukturgene, was bedeutet, dass sie für wichtige Enzyme kodieren, die direkt an Stoffwechselwegen innerhalb der Zelle beteiligt sind. Dies kann die Synthese von Aminosäuren, Energie in Form von ATP, Kohlenhydraten usw. sein.

Operons kommen auch häufig in eukaryotischen Organismen vor. Im Gegensatz zu prokaryotischen Organismen wird die Region des Operons in Eukaryoten jedoch nicht als einzelnes Messenger-RNA-Molekül transkribiert.

Entdeckung

Der erste wichtige Fortschritt in Bezug auf Operons von François Jacob und Jacques Monod bestand darin, das Problem der "enzymatischen Anpassung" anzugehen, das darin bestand, dass ein spezifisches Enzym nur dann auftrat, wenn sich die Zelle in Gegenwart eines Substrats befand.

Eine solche Reaktion von Zellen auf Substrate wurde seit vielen Jahren bei Bakterien beobachtet. Die Forscher fragten sich jedoch, wie die Zelle genau bestimmte, welches Enzym sie synthetisieren musste, um dieses Substrat zu metabolisieren.

Jacob und Monod beobachteten, dass Bakterienzellen in Gegenwart von Galactose-ähnlichen Kohlenhydraten 100-mal mehr β-Galactosidase produzierten als unter normalen Bedingungen. Dieses Enzym ist dafür verantwortlich, die β-Galactoside so abzubauen, dass die Zelle sie metabolisch nutzt.

Daher nannten beide Forscher Kohlenhydrate vom Galactosid-Typ "Induktoren", da sie für die Induktion eines Anstiegs der Synthese von β-Galactosidase verantwortlich waren.

Ebenso fanden Jacob und Monod eine genetische Region mit drei Genen, die koordiniert kontrolliert wurden: das Z-Gen, das für das Enzym β-Galactosidase kodiert; das Y-Gen, das für das Enzym Lactosepermease (Transport von Galactosiden) kodiert; und Gen A, das für das Enzym Transacetylase kodiert, das auch für die Assimilation von Galactosiden essentiell ist.

Durch nachfolgende genetische Analysen klärten Jacob und Monod alle Aspekte der genetischen Kontrolle des Laktoseoperons und kamen zu dem Schluss, dass das Segment der Gene Z, Y und A eine einzige genetische Einheit mit koordinierter Expression darstellt, was sie als "Operon" definierten.

Operon-Modell

Das Operonmodell wurde erstmals 1965 von Jacob und Monod genau beschrieben, um die Regulation von Genen zu erklären, die für Enzyme transkribiert und translatiert werden, die in Escherichia coli benötigt werden, um Laktose als Energiequelle zu metabolisieren. .

Diese Forscher schlugen vor, dass die Transkripte des Gens oder des Satzes von Genen, die nacheinander lokalisiert sind, durch zwei Elemente reguliert werden: 1) ein regulatorisches Gen oder Repressorgen 2) und ein Operatorgen oder eine Operatorsequenz.

Das Operator-Gen befindet sich immer neben den Strukturgenen, deren Expression es reguliert, während das Repressor-Gen für ein Protein namens "Repressor" kodiert, das an den Operator bindet und dessen Transkription verhindert.

Die Transkription wird unterdrückt, wenn der Repressor mit dem Operatorgen verbunden ist. Auf diese Weise wird die genetische Expression der Gene, die die zur Aufnahme von Lactose erforderlichen Enzyme codieren, nicht exprimiert und kann daher das Disaccharid nicht metabolisieren.

Funktionsdiagramm des Laktoseoperons durch seine verschiedenen Steuerelemente. Dies ist das "Modell" -Operon, das von Biologielehrern verwendet wird, um die Funktionsweise dieser Gene zu lehren (Quelle: Tereseik. Arbeit abgeleitet vom G3pro-Bild. Spanische Übersetzung von Alejandro Porto. Über Wikimedia Commons)

Gegenwärtig ist bekannt, dass die Bindung des Repressors an den Operator mit sterischen Mechanismen verhindert, dass die RNA-Polymerase an die Promotorstelle bindet, so dass sie beginnt, Gene zu transkribieren.

Die Promotorstelle ist die "Stelle", die die RNA-Polymerase erkennt, um Gene zu binden und zu transkribieren. Da es nicht binden kann, kann es keines der Gene in der Sequenz transkribieren.

Das Operatorgen liegt zwischen einer genetischen Region der als Promotor bekannten Sequenz und den Strukturgenen. Jacob und Monod identifizierten diese Region jedoch zu ihrer Zeit nicht.

Es ist nun bekannt, dass die vollständige Sequenz, die das Strukturgen oder die Strukturgene, den Operator und den Promotor enthält, im Wesentlichen das ist, was ein "Operon" ausmacht.

Klassifikation von Operons

Operons werden nur in drei verschiedene Kategorien eingeteilt, die von der Art und Weise abhängen, wie sie reguliert werden. Einige werden kontinuierlich (konstitutiv) exprimiert, andere benötigen ein bestimmtes Molekül oder einen bestimmten Faktor zur Aktivierung (induzierbar) und andere werden kontinuierlich exprimiert, bis dass der Induktor ausgedrückt wird (unterdrückbar).

Die drei Arten von Operons sind:

Induzierbares Operon

Operons dieses Typs werden durch Moleküle in der Umwelt wie Aminosäuren, Zucker, Metaboliten usw. reguliert. Diese Moleküle sind als Induktoren bekannt. Wenn das als Induktor wirkende Molekül nicht gefunden wird, werden die Gene des Operons nicht aktiv transkribiert.

In induzierbaren Operons bindet der freie Repressor an den Operator und verhindert die Transkription der im Operon gefundenen Gene. Wenn der Induktor an den Repressor bindet, wird ein Komplex gebildet, der nicht an den Repressor binden kann, und somit werden die Gene des Operons translatiert.

Repressibles Operon

Diese Operons hängen von bestimmten Molekülen ab: Aminosäuren, Zucker, Cofaktoren oder Transkriptionsfaktoren, unter anderem. Diese werden als Corepressoren bezeichnet und wirken völlig entgegengesetzt zu Induktoren.

Erst wenn der Corepressor an den Repressor bindet, stoppt die Transkription und somit findet keine Transkription der im Operon enthaltenen Gene statt. Dann hört die Transkription eines repressiblen Operons nur mit der Anwesenheit des Corepressors auf.

Konstitutives Operon

Diese Arten von Operons sind nicht reguliert. Sie werden ständig aktiv transkribiert und im Falle einer Mutation, die die Sequenz dieser Gene beeinflusst, kann das Leben der Zellen, die sie enthalten, beeinträchtigt werden und im Allgemeinen den programmierten Zelltod auslösen.

Beispiele

Das früheste und bekannteste Beispiel für die Funktion eines Operons ist das lac (Lactose) -Operon. Dieses System ist für die Umwandlung von Lactose, einem Disaccharid, in die Monosaccharide Glucose und Galactose verantwortlich. Dabei wirken drei Enzyme:

- β-Galactosidase, die für die Umwandlung von Lactose in Glucose und Galactose verantwortlich ist.

- Laktosepermease, die für den Transport von Laktose vom extrazellulären Medium in das Innere der Zelle verantwortlich ist und

- Transcetylase, die zum System gehört, aber eine unbekannte Funktion hat

Das trp (Tryptophan) -Operon aus Escherichia coli steuert die Tryptophansynthese mit Chorisminsäure als Vorstufe. Innerhalb dieses Operons befinden sich die Gene für fünf Proteine, die zur Herstellung von drei Enzymen verwendet werden:

- Das erste Enzym, das von den Genen E und D kodiert wird, katalysiert die ersten beiden Reaktionen des Tryptophanweges und ist als Anthranilatsynthetase bekannt

- Das zweite Enzym ist Glycerolphosphat und katalysiert die nachfolgenden Schritte zur Anthranilatsynthetase

- Das dritte und letzte Enzym ist Tryptophansynthetase, die für die Herstellung von Tryptophan aus Indolglycerinphosphat und Serin verantwortlich ist (dieses Enzym ist ein Produkt der Gene B und A).

Verweise

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