Структурная организация оперона
Согласно теории оперона, регуляция у прокариот осуществляется на уровне транскрипции. Оперон — это специфический участок молекулы ДНК, состоящий из нескольких элементов:
- Промотор: стартовая площадка, с которой связывается фермент РНК-полимераза.
- Оператор: контрольный участок, управляющий запуском транскрипции. Важная особенность заключается в том, что зоны оператора и промотора частично накладываются друг на друга.
- Структурные гены: содержат информацию о группе белков (ферментов), которые совместно участвуют в одном метаболическом пути.
Работой оперона управляет белок-репрессор. Информация о его строении зашифрована в гене-регуляторе, который располагается на некотором удалении от самого оперона. Этот белок синтезируется в клетке с постоянной скоростью, а активность гена-регулятора контролируется его собственным белковым продуктом. Если репрессор связан с оператором, он создает физическое препятствие для РНК-полимеразы, и процесс транскрипции не запускается.
Механизм индукции (Лактозный оперон)
Этот тип регуляции характерен для катаболических путей, то есть реакций распада. В данном случае исходный субстрат (лактоза) выступает в роли индуктора.
- В отсутствие лактозы: Активный белок-репрессор прочно держится за оператор. Комплекс блокирует РНК-полимеразу, поэтому транскрипция структурных генов не идет.
- При появлении лактозы: Концентрация индуктора растет, и его молекулы связываются со специальным центром белка-репрессора. Из-за этого репрессор меняет свою пространственную конформацию, его сродство к оператору резко снижается, и он отсоединяется от ДНК, уходя в цитозоль.
Освобожденный путь позволяет РНК-полимеразе связаться с промотором. Начинается считывание генов и образуется единая полицистронная мРНК. Затем на рибосомах синтезируются ферменты для утилизации лактозы: $\beta$-галактозидаза (белок А), пермеаза (белок В) и галактозидтрансацетилаза (белок С). По мере расщепления лактозы её концентрация падает, и система постепенно возвращается в исходное состояние.
Механизм репрессии (Гистидиновый и Изолейциновый опероны)
Регуляция по механизму репрессии работает по принципу отрицательной обратной связи и типична для анаболических процессов (синтеза молекул). Здесь конечный продукт метаболизма работает как корепрессор.
- Синтез идет (дефицит продукта): Ген-регулятор производит белок-репрессор в изначально неактивной форме (апорепрессор). Он не имеет сродства к оператору и не мешает РНК-полимеразе. В результате беспрепятственно синтезируются нужные ферменты. Например, в гистидиновом опероне транскрибируются 10 структурных генов, кодирующих ферменты для создания гистидина.
- Синтез заблокирован (избыток продукта): При накоплении конечного вещества (гистидина или изолейцина) молекулы корепрессора связываются с неактивным белком-репрессором. Происходит аллостерическое изменение структуры, и формируется активный комплекс «репрессор + корепрессор». Его сродство к ДНК резко возрастает, комплекс садится на оператор и стерически закрывает путь РНК-полимеразе. Транскрипция прекращается.
Аналогичным образом регулируется биосинтез изолейцина из треонина у бактерий E. coli: высокая концентрация синтезированного изолейцина вызывает ретроингибирование, выключая экспрессию соответствующих структурных генов и предотвращая избыточное накопление аминокислоты в клетке.
Коротко: ответы на вопросы по теме
Какую функцию выполняет белок пермеаза в метаболизме бактерии?
Белок пермеаза выполняет функцию белка-переносчика, осуществляя активный транспорт веществ в клетку. Этот процесс характеризуется тем, что молекулы перемещаются против градиента концентрации, что требует обязательных затрат энергии (в виде АТФ). В качестве примера выступает лактозопермеаза, кодируемая в структурных генах лактозного оперона. Данный фермент способствует поглощению клеткой лактозы из окружающей среды для ее последующего катаболизма и усвоения.
В чем суть катаболитной репрессии лактозного оперона?
Согласно источнику, некоторые опероны, отвечающие за катаболизм углеводов, содержат помимо оператора ещё один регуляторный участок, являющийся частью промотора. Этот участок предназначен для связывания особого регуляторного белка.
Из каких специфических последовательностей состоит промотор прокариот?
Промотор прокариот состоит из нескольких специфических нуклеотидных последовательностей, которые обеспечивают связывание РНК-полимеразы и инициацию транскрипции. В его структуру входят следующие области:
- Область -35 — содержит последовательность нуклеотидов ТТГАЦА.
- Домен Прибнова (область -10) — включает специфическую последовательность ТАТААТ.
- Точка старта транскрипции (область +1) — располагается на расстоянии 5–9 пар нуклеотидов от домена Прибнова.
Чтобы не путать термины, запомните: Индуктор Инициирует транскрипцию (снимает блок с оператора), а Корепрессор её Кончает (помогает репрессору сесть на ДНК и заблокировать фермент).
Вопросы с занятий и экзамена
Что такое ген-регулятор и где он находится?
Это отдельный ген, кодирующий белок-репрессор. Он работает с постоянной скоростью и обычно расположен на определенном расстоянии от регулируемого им оперона.
Почему РНК-полимераза не может начать работу, если оператор занят?
Участки промотора (место посадки РНК-полимеразы) и оператора на молекуле ДНК частично перекрываются. Белок-репрессор, сидящий на операторе, создает непреодолимое стерическое (физическое) препятствие для фермента.
Какую функцию выполняет индуктор в лактозном опероне?
Молекулы лактозы связываются с активным белком-репрессором, изменяют его конформацию и заставляют отсоединиться от оператора. Это открывает РНК-полимеразе путь для транскрипции структурных генов.
Что ещё разобрать по теме
- Структура и каталитические функции $\beta$-галактозидазы, пермеазы и трансацетилазы.
- Метаболический путь биосинтеза изолейцина из треонина у прокариот.
- Молекулярные механизмы аллостерической регуляции конформации белков-репрессоров.
- Специфика трансляции полицистронной мРНК на рибосомах бактерий.
Разберите тему целиком в курсе «Биохимия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Регуляция экспрессии генов у прокариот» и ещё 3 574 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 115 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Матричные биосинтезы»
Бесплатные видеоуроки: биохимияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.