OPERON: UPPTÄCKT, MODELL, KLASSIFICERING, EXEMPEL - BIOLOGI - 2025

En operon består av en grupp sekventiellt ordnade gener som reglerar varandra, som kodar proteiner som är funktionsrelaterade, och som finns i hela genomet av bakterier och "förfäder" genom.

Denna regleringsmekanism beskrevs av F. Jacob och J. Monod 1961, ett faktum som fick dem Nobelpriset i fysiologi och medicin 1965. Dessa forskare föreslog och demonstrerade operons funktion genom de gener som kodar för enzymer som krävs av Escherichia coli för användning av laktos.

Grafiskt diagram över en DNA-sträng med generna som innefattar laktosoperon (Promoter, Operator, lacZ, lacY, lacA och terminator) (Källa: Llull ~ commonswiki Via Wikimedia Commons)

Operatörer är ansvariga för att samordna proteinsyntes i enlighet med behoven hos varje cell, det vill säga de uttrycks endast för att generera proteiner vid den tidpunkten och på den exakta platsen där de krävs.

Generna i operonerna är vanligtvis strukturella gener, vilket betyder att de kodar för viktiga enzymer som är direkt involverade i metaboliska vägar i cellen. Dessa kan vara syntesen av aminosyror, energi i form av ATP, kolhydrater, etc.

Operoner finns också ofta i eukaryota organismer, i motsats till prokaryota organismer transkriberas emellertid regionen i operatorn inte som en enda messenger-RNA-molekyl.

Upptäckt

Det första viktiga framsteget beträffande operoner från François Jacob och Jacques Monod var att ta itu med problemet med "enzymatisk anpassning", som bestod i utseendet på ett specifikt enzym endast när cellen var i närvaro av ett substrat.

Ett sådant svar av celler på substrat hade observerats i bakterier under många år. Men forskarna undrade hur cellen bestämde exakt vilket enzym den hade att syntetisera för att metabolisera det substratet.

Jacob och Monod observerade att bakterieceller, i närvaro av galaktosliknande kolhydrater, producerade 100 gånger mer P-galaktosidas än under normala förhållanden. Detta enzym är ansvarigt för att bryta ned ß-galaktosider så att cellen använder dem metaboliskt.

Därför kallade båda forskarna kolhydrater av galaktosid-typ som "inducerare", eftersom de var ansvariga för att inducera en ökning av syntesen av ß-galaktosidas.

Likaså fann Jacob och Monod en genetisk region med tre gener som kontrollerades på ett koordinerat sätt: Z-genen, kodande för ß-galaktosidas-enzymet; Y-genen som kodar för enzymet laktospermeas (transport av galaktosider); och gen A, som kodar för enzymet transacetylas, vilket också är väsentligt för assimilering av galaktosider.

Genom efterföljande genetiska analyser klargjorde Jacob och Monod alla aspekter av den genetiska kontrollen av laktosoperon och drog slutsatsen att segmentet av gener Z, Y och A utgör en enda genetisk enhet med koordinerat uttryck, vilket var vad de definierade som "operon".

Operon-modell

Operonmodellen beskrevs först exakt 1965 av Jacob och Monod för att förklara regleringen av gener som transkriberas och översätts för de enzymer som krävs i Escherichia coli för att metabolisera laktos som energikälla. .

Dessa forskare föreslog att transkripten av genen eller uppsättningen av gener som är placerade i följd regleras av två element: 1) en reglerande gen eller repressorgen 2) och en operatörgen eller operatörsekvens.

Operatörgenen är alltid belägen bredvid den eller de strukturella generna vars uttryck den ansvarar för att reglera, medan repressorgen koder för ett protein som kallas ”repressor” som binder till operatören och förhindrar dess transkription.

Transkription förtrycks när repressorn är kopplad till operatörgenen. På detta sätt uttrycks inte det genetiska uttrycket för generna som kodar de enzymer som är nödvändiga för att assimilera laktos och kan därför inte metabolisera nämnda disackarid.

Funktionellt diagram över laktosoperonen genom dess olika kontrollelement. Detta är den "modell" -operon som används av biologilärare för att undervisa hur dessa gener fungerar (Källa: Tereseik. Arbete härrörande från G3pro-bild. Spansk översättning av Alejandro Porto. Via Wikimedia Commons)

För närvarande är det känt att bindningen av repressorn till operatören med steriska mekanismer förhindrar att RNA-polymeraset binder till promotorstället så att det börjar transkribera gener.

Promotorplatsen är "platsen" som RNA-polymeras känner igen för att binda och transkribera gener. Eftersom den inte kan binda, kan den inte transkribera några av generna i sekvensen.

Operatörgen ligger mellan en genetisk region i sekvensen känd som promotorn och de strukturella generna. Jakob och Monod identifierade emellertid inte denna region under sin tid.

Det är nu känt att den fullständiga sekvensen som inkluderar den strukturella genen eller generna, operatören och promotorn, i huvudsak är det som utgör en "operon".

Klassificering av operoner

Operoner klassificeras endast i tre olika kategorier som beror på hur de regleras, det vill säga vissa uttrycks kontinuerligt (konstitutiv), andra behöver någon specifik molekyl eller faktor för att aktiveras (inducerbar) och andra uttrycks kontinuerligt tills att induceraren är uttryckt (repressibel).

De tre typerna av operoner är:

Inducerbar operon

Operanter av denna typ regleras av molekyler i miljön, såsom aminosyror, sockerarter, metaboliter, etc. Dessa molekyler är kända som inducerare. Om molekylen som fungerar som en inducerare inte hittas transkriberas inte generna för operonet.

I inducerbara operoner binder den fria repressorn till operatören och förhindrar transkription av generna som finns i operon. När induceraren binder till repressorn bildas ett komplex som inte kan binda till repressorn och därmed översättas generna för operon.

Repressible Operon

Dessa operoner beror på specifika molekyler: aminosyror, sockerarter, kofaktorer eller transkriptionsfaktorer, bland andra. Dessa är kända som korepressorer och fungerar på ett helt motsatt sätt än induktorer.

Först när korepressorn binder till repressorn stannar transkriptionen och transkriptionen av generna i operon sker inte. Då stoppar transkriptionen av en repressibel operon endast när det gäller korepressorn.

Konstitutiv operon

Dessa typer av operoner är inte reglerade. De transkriberas ständigt aktivt och i händelse av någon mutation som påverkar sekvensen för dessa gener kan cellernas livslängd påverkas och i allmänhet utlösa programmerad celldöd.

exempel

Det tidigaste och mest erkända exemplet på en operons funktion är lacos (laktos) operon. Detta system ansvarar för att omvandla laktos, en disackarid, till monosackariderna glukos och galaktos. Tre enzymer verkar i denna process:

- ß-galaktosidas, ansvarig för omvandling av laktos till glukos och galaktos.

- Laktospermeas, ansvarig för transport av laktos från det extracellulära mediet till det inre av cellen och

- Transcetylas, som tillhör systemet, men har en okänd funktion

Trp (tryptofan) -operonet från Escherichia coli styr tryptofansyntesen med korsism som dess föregångare. Inom denna operon finns generna för fem proteiner som används för produktion av tre enzymer:

- Det första enzymet, kodat av generna E och D, katalyserar de två första reaktionerna av tryptofanvägen och är känt som anthranilatsyntetas

- Det andra enzymet är glycerolfosfat och katalyserar de efterföljande stegen till antranilatsyntetas

- Det tredje och sista enzymet är tryptofansyntetas, ansvarig för att producera tryptofan från indol-glycerolfosfat och serin (detta enzym är en produkt av generna B och A)

referenser

1. Blumenthal, T. (2004). Operons i eukaryoter. Briefings in Functional Genomics, 3 (3), 199-211.
2. Gardner, EJ, Simmons, MJ, Snustad, PD, & Santana Calderón, A. (2000). Principer för genetik. Principer för genetik.
3. Osbourn, AE, & Field, B. (2009). Operon. Cell- och molekylärlivsvetenskap, 66 (23), 3755-3775.
4. Shapiro, J., Machattie, L., Eron, L., Ihler, G., Ippen, K., & Beckwith, J. (1969). Isolering av rent lac-operon-DNA. Nature, 224 (5221), 768-774.
5. Suzuki, DT, & Griffiths, AJ (1976). En introduktion till genetisk analys. WH Freeman and Company.