Определение Lac Operon
Лак оперон Сокращенно от лактозного оперона, это серия из трех генов в бактерии которые производят необходимые ферменты для получения энергии из лактозы. Оперон – это любая серия генов, которые контролируются одним и тем же промотором и оператор последовательности, которые сообщают ферментам, ответственным за транскрипцию мРНК где прикрепить к ДНК. Как правило, глюкоза является предпочтительным сахаром для бактериальных организмов, но когда этот запас заканчивается, lac оперон позволяет организмам выживать на лактозе. Три гена, содержащиеся в lac опероне, это lacZ, lacY и lacA. каждый ген производит специфический фермент, необходимый для обработки лактозы, но также требуется энергия для производства этих ферментов.
LacY производит фермент, ответственный за транспортировку лактозы через клеточная мембрана, позволяя бактериям получить доступ к ресурсу. LacZ – это фермент, необходимый для разделения лактозы на составные части, галактозу и глюкозу. Последний ген, lacA, продуцирует молекула который может помочь метаболизировать галактозу. Два регуляторных механизма гарантируют, что гены lac operon не экспрессируются, когда они не нужны. Во-первых, когда лактоза недоступна для организм организм не может экспрессировать lac operon. Это условие вызвано другим геном, lacl, который существует рядом с lac operon в геноме. Смотрите изображение ниже:
Хотя ген lacl экспрессируется все время, он продуцирует белок, который блокирует промоторную область lac-оперона. Этот белок будет связываться с оператором области lac оперона, пока молекулы лактозы не свяжутся с ним. Когда лактоза присутствует в достаточно высоких концентрациях, весь белок lacl становится связанным, и lac оперон может быть экспрессирован. Второй регуляторный механизм lac оперона включает присутствие глюкозы. В присутствии глюкозы концентрация сигнальной молекулы цАМФ остается низкой. Когда глюкоза отсутствует, цАМФ высок и связывается со специфическими протеинами, которые способствуют прикреплению белков РНК, образующих ДНК, что увеличивает экспрессию lac оперона. Несколько других более мелких регуляторных механизмов ингибируют транспортировку лактозы в присутствии глюкозы, поэтому клетка сначала будет использовать более энергоэффективный материал. Следующая диаграмма показывает различные последовательности экспрессии lac operon.
Бактериальные используют эти сложные механизмы регуляции только для экспрессии расщепляющих лактозу белков в правильной среде. Существует много других оперонов, которые схожи по форме и контролируют метаболизм других веществ. Важность оперона заключается в том, что все гены экспрессируются одновременно, что позволяет клетке сразу же активировать весь метаболический путь с помощью всего лишь нескольких химических сигналов.
- Operon – Несколько генов, которые транскрибируются одновременно, из-за общего региона промотора.
- Ген – Функциональная единица ДНК, которая производит белок.
- РНК-полимераза – Фермент, ответственный за сборку РНК-мессенджера путем сопоставления нуклеотидов с последовательностью ДНК.
викторина
1. Колония бактерий живет в кишечнике хищника. Хищник ловит маленького млекопитающего, у которого есть и глюкоза, хранящаяся в кровь и клетки, а также лактоза, вырабатываемая молочными железами. Когда хищник ест маленькое млекопитающее, бактерии в кишечнике хищника имеют шанс переварить все материалы. Выражен ли лак оперон?A. даB. нетC. Только на базальном уровне
Ответ на вопрос № 1
С верно. Глюкоза является гораздо лучшим источником энергии, и для ее расщепления требуется меньше энергии. Регуляторные механизмы lac operon гарантируют, что ресурсы не будут потрачены впустую на расщепление лактозы. Когда присутствуют большие количества каждого, репрессорный белок, который останавливает транскрипция lac оперон связывается с лактозой вместо ДНК. Это позволяет иметь небольшой уровень транскрипции оперона. Когда глюкоза израсходована, клеточный уровень цАМФ будет расти, и он будет связываться с lac-опероном в качестве промотора РНК-полимеразы. Когда это произойдет, гены будут экспрессироваться с гораздо большей скоростью, так как цАМФ продолжает притягивать новые молекулы полимеразы к ДНК.
2. Ученый находит молекулу, которая действует так же, как цАМФ, связываясь с ДНК и позволяя большей транскрипции lac оперона происходить в бактериях. Ученый кормит эти бактерии лактозой и глюкозой и ожидает, что они будут расти намного быстрее, чем бактерии, которые не могут обрабатывать глюкозу и лактозу одновременно. Он прав?A. Да, они будут получать гораздо больше энергии, чем типичные бактерииB. Нет, lac operon не будет работать в этих условияхC. Нет, клетки ограничены другими факторами
Ответ на вопрос № 2
С верно. Отчасти причина того, что клетки не эволюционировали использовать лактозу и глюкозу одновременно, заключается в том, что они не могут использовать столько энергии одновременно. Создание энергии должно быть точно сбалансировано с использованием энергии, иначе концентрация АТФ будет слишком большой в клетке. Если это происходит, реакции могут происходить спонтанно, а не в порядке, необходимом для поддержания жизни.