OPERON: PAGTUKLAS, MODELO, PAG-UURI, HALIMBAWA - BIOLOGY - 2024

Ang isang operon ay binubuo ng isang pangkat ng sunud-sunod na iniutos na mga gen na nag-regulate sa bawat isa, na nagsasama ng mga protina na may kaugnayan sa function, at iyon ay matatagpuan sa buong genome ng bakterya at "mga ninuno" na lahi.

Ang mekanismong ito ng regulasyon ay inilarawan nina F. Jacob at J. Monod noong 1961, isang katotohanan na nakakuha sa kanila ng Nobel Prize in Physiology at Medicine noong 1965. Ang mga mananaliksik na ito ay iminungkahi at ipinakita ang pagpapatakbo ng mga operon sa pamamagitan ng mga genes na code para sa mga enzim na hinihiling ng Escherichia coli para sa paggamit ng lactose.

Ang graphic na diagram ng isang strand ng DNA na may mga gen na binubuo ng lactose operon (Promoter, Operator, lacZ, lacY, lacA at terminator) (Pinagmulan: Llull ~ commonswiki Via Wikimedia Commons)

Ang mga opera ay responsable para sa pag-coordinate ng synthesis ng protina alinsunod sa mga pangangailangan ng bawat cell, iyon ay, ipinahayag lamang sila upang makabuo ng mga protina sa oras at sa eksaktong lugar kung saan kinakailangan.

Ang mga gene na nilalaman sa loob ng mga operon ay karaniwang mga istruktura na gen, na nangangahulugang ang code nila para sa mga mahahalagang enzyme na direktang kasangkot sa mga metabolic pathway sa loob ng cell. Ito ay maaaring synthesis ng mga amino acid, enerhiya sa anyo ng ATP, karbohidrat, atbp.

Karaniwan ding matatagpuan ang mga operating sa eukaryotic organism, gayunpaman, sa kaibahan ng mga prokaryotic na organismo, sa eukaryotes ang rehiyon ng operon ay hindi nai-transcribe bilang isang solong molekula ng RNA.

Pagtuklas

Ang unang mahalagang pagsulong patungkol sa mga operon na ginawa nina François Jacob at Jacques Monod ay upang matugunan ang problema ng "pagbagay ng enzymatic", na binubuo sa hitsura ng isang tiyak na enzyme lamang kapag ang cell ay nasa pagkakaroon ng isang substrate.

Ang nasabing tugon ng mga cell sa mga substrate ay napansin sa mga bakterya sa loob ng maraming taon. Gayunpaman, nagtataka ang mga mananaliksik kung paano tinukoy ng cell ang eksaktong enzyme nito na synthesize upang ma-metabolize ang substrate na ito.

Inobserbahan nina Jacob at Monod na ang mga selula ng bakterya, sa pagkakaroon ng mga karbohidrat na tulad ng karbohidrat, ay gumawa ng 100 beses na mas β-galactosidase kaysa sa ilalim ng normal na mga kondisyon. Ang enzyme na ito ay may pananagutan sa paghiwa-hiwalay sa β-galactosides upang magamit ng mga ito ang metabolically.

Samakatuwid, ang parehong mga mananaliksik ay tinatawag na galactoside-type na karbohidrat bilang "inducers", dahil sila ang may pananagutan sa pagpupukaw ng isang pagtaas sa synthesis ng β-galactosidase.

Gayundin, natagpuan nina Jacob at Monod ang isang genetic na rehiyon na may tatlong mga genes na kinokontrol sa isang nakaayos na paraan: ang Z gene, na coding para sa β-galactosidase enzyme; ang Y gene, coding para sa enzyme lactose permease (transportasyon ng galactosides); at gene A, na mga code para sa transacetylase ng enzyme, na mahalaga din para sa assimilation ng galactosides.

Sa pamamagitan ng kasunod na pag-aaral ng genetic, nilinaw nina Jacob at Monod ang lahat ng mga aspeto ng genetic control ng lactose operon, na tinapos na ang segment ng gen Z, Y at A ay bumubuo ng isang solong genetic unit na may coordinated expression, na kung saan ay tinukoy nila bilang "operon".

Modelo ng Operon

Ang modelo ng operon ay unang tumpak na inilarawan noong 1965 nina Jacob at Monod upang ipaliwanag ang regulasyon ng mga gen na na-transcribe at isinalin para sa mga enzim na kinakailangan sa Escherichia coli upang ma-metabolize ang lactose bilang isang mapagkukunan ng enerhiya. .

Ang mga mananaliksik na ito ay iminungkahi na ang mga transkripsyon ng gene o ng hanay ng mga gen na matatagpuan nang magkakasunod ay kinokontrol ng dalawang elemento: 1) isang regulasyon na gene o repressor gene 2) at isang operator ng gene o pagkakasunud-sunod ng operator.

Ang operator gene ay palaging matatagpuan sa tabi ng mga istruktura na gen (s) na ang pagpapahayag na ito ay may pananagutan sa pag-regulate, habang ang mga code ng repressor gene para sa isang protina na tinatawag na "repressor" na nagbubuklod sa operator at pinipigilan ang transkripsyon nito.

Ang transkripsyon ay repressed kapag ang repressor ay naka-link sa gene gene. Sa ganitong paraan, ang genetic expression ng mga genes na naka-encode ng mga enzyme na kinakailangan upang assimilate lactose ay hindi ipinahayag at, samakatuwid, hindi masusukat ang sinabi disaccharide.

Functional diagram ng lactose operon sa pamamagitan ng iba't ibang mga elemento ng control. Ito ang "model" operon na ginamit ng mga guro ng biology upang turuan ang paggana ng mga gen na ito (Pinagmulan: Tereseik. Trabaho na nagmula sa imaheng G3pro. Ang pagsasalin ng Espanya ni Alejandro Porto. Via Wikimedia Commons)

Sa kasalukuyan ay kilala na ang pagbubuklod ng pang-aalipusta sa operator ay humahadlang, na may mga mekanikal na steric, na ang RNA polymerase ay nagbubuklod sa promoter site upang magsimula itong mag-transcribe ng mga gene.

Ang site ng promoter ay ang "site" na kinikilala ng RNA polymerase na magbigkis at mag-transcribe ng mga gene. Dahil hindi ito maaaring magbigkis, hindi nito mai-transcribe ang alinman sa mga gene sa pagkakasunud-sunod.

Ang operator ng gene ay namamalagi sa pagitan ng isang genetic na rehiyon ng pagkakasunud-sunod na kilala bilang promoter at ang mga istruktura na gen. Gayunpaman, hindi kinilala ng Jacob at Monod ang rehiyon na ito sa kanilang panahon.

Alam na ngayon na ang kumpletong pagkakasunud-sunod na kasama ang mga istruktura na gen o gene, ang operator at tagataguyod, ay ang kahulugan kung ano ang bumubuo ng isang "operon".

Pag-uuri ng mga operon

Ang mga operating ay nauuri sa tatlong magkakaibang kategorya na nakasalalay sa paraan ng kanilang regulasyon, samakatuwid nga, ang ilan ay ipinapahayag nang patuloy (constitutive), ang iba ay nangangailangan ng ilang tukoy na molekula o kadahilanan upang maisaaktibo (hindi magagawa) at ang iba ay patuloy na ipinahayag hanggang na ang induser ay ipinahayag (repressible).

Ang tatlong uri ng mga operon ay:

Hindi marunong operon

Ang mga operating ng ganitong uri ay kinokontrol ng mga molekula sa kapaligiran tulad ng mga amino acid, sugars, metabolite, atbp. Ang mga molekulang ito ay kilala bilang mga inducer. Kung ang molekula na kumikilos bilang isang inducer ay hindi natagpuan, ang mga gene ng operon ay hindi aktibong na-transcribe.

Sa hindi magagawang mga operon, ang free repressor ay nagbubuklod sa operator at pinipigilan ang transkrip ng mga gene na matatagpuan sa operon. Kapag ang induser ay nagbubuklod sa pang-aapi, isang kumplikadong nabuo na hindi maaaring magbigkis sa pang-aapi at sa gayon ang mga gene ng operon ay isinalin.

Maaaring maibabalik na Operon

Ang mga operasyong ito ay nakasalalay sa mga tukoy na molekula: mga amino acid, sugars, cofactors o mga salik ng transkrip, bukod sa iba pa. Ang mga ito ay kilala bilang mga corepressor at kumikilos sa ganap na kabaligtaran sa mga inductors.

Kapag ang corepressor ay nagbubuklod na may repressor ay tumigil ang transkripsyon at sa gayon ang transkripsyon ng mga gen na nilalaman sa loob ng operon ay hindi nangyayari. Pagkatapos ang transkripsyon ng isang repressible operon ay tumitigil lamang sa pagkakaroon ng corepressor.

Konstitusyonal na operon

Ang mga uri ng mga operasyong ito ay hindi kinokontrol. Patuloy silang aktibong na-transcribe at, kung sakaling may anumang mutation na nakakaapekto sa pagkakasunud-sunod ng mga gen na ito, ang buhay ng mga cell na naglalaman ng mga ito ay maaaring maapektuhan at, sa pangkalahatan, na-trigger ang na-program na pagkamatay ng cell.

Mga halimbawa

Ang pinakaunang at pinaka kilalang halimbawa ng pag-andar ng isang operon ay ang lac (lactose) operon. Ang sistemang ito ay responsable para sa pagbabago ng lactose, isang disaccharide, sa monosaccharides glucose at galactose. Tatlong enzymes ang kumikilos sa prosesong ito:

- β-galactosidase, na responsable para sa pag-convert ng lactose sa glucose at galactose.

- Lactose permease, na responsable para sa transportasyon ng lactose mula sa extracellular medium hanggang sa interior ng cell at

- Transcetylase, na kabilang sa system, ngunit may hindi kilalang function

Ang trp (tryptophan) operon mula sa Escherichia coli ay kumokontrol sa synthesis ng tryptophan, pagkakaroon ng chorismic acid bilang precursor nito. Sa loob ng operon na ito ay ang mga gene para sa limang mga protina na ginagamit para sa paggawa ng tatlong mga enzim:

- Ang unang enzyme, na naka-encode ng mga genes E at D, ay nagpapagana sa unang dalawang reaksyon ng landas ng tryptophan at kilala bilang anthranilate synthetase

- Ang pangalawang enzyme ay glycerolphosphate at catalyzes ang kasunod na mga hakbang sa anthranilate synthetase

- Ang pangatlo at huling enzyme ay tryptophan synthetase, na responsable para sa paggawa ng tryptophan mula sa indole-glycerol phosphate at serine (ang enzyme na ito ay isang produkto ng mga genes B at A)

Mga Sanggunian

1. Blumenthal, T. (2004). Mga operating sa eukaryotes. Mga Maikling Balita sa Functional Genomics, 3 (3), 199-211.
2. Gardner, EJ, Simmons, MJ, Snustad, PD, & Santana Calderón, A. (2000). Mga prinsipyo ng genetika. Mga prinsipyo ng genetika.
3. Osbourn, AE, & Field, B. (2009). Mga Operon. Mga agham sa buhay ng cellular at molekular, 66 (23), 3755-3775.
4. Shapiro, J., Machattie, L., Eron, L., Ihler, G., Ippen, K., & Beckwith, J. (1969). Paghiwalay ng purong lac operon DNA. Kalikasan, 224 (5221), 768-774.
5. Suzuki, DT, & Griffiths, AJ (1976). Isang pagpapakilala sa genetic analysis. WH Freeman at Company.