Строение оперона

Оперон – функциональная единица генома. За счет функционирования оперонов происходит реализация генетической информации. В конечном счете, она заключается в синтезе тех белков, информация о которых в виде кодонов записана в нуклеотидной последовательности структурных генов. Остальные гены оперона, кроме структурных генов, необходимы для регуляции активности оперона. Общая характеристика структуры оперона и его функционирования в общем виде рассматривалась на последней лекции и схематично изображена в презентации к теме (первые три слайда).

В зависимости от механизмов функционирования оперонов их делят на репрессируемые и индуцируемые. Описать немного отличные механизмы их функционирования можно на примере наиболее изученных: лактозного, арабинозного и триптофанового оперонов.

Лактозный оперон. В нем закодирована информация о структуре трех белков, необходимых для усвоения лактозы бактериями. Это (см. слайды 4 и 5):

· лактаза (lac Z) – фермент, который катализирует гидролиз лактозы на два моносахарида глюкозу и галактозу;

· галактозидпермиаза (lac Y) – белок, обеспечивающий за транспорт лактозчерез цитоплазматическую мембрану;

· галактазидтрансацетилаза (lac A) – ацетилирует лактозу.

В отсутствии в питательной среде бактерий лактозы обнаруживаются следовые количества этих 3-х белков. Их стационарные концентрации увеличиваются примерно в 1000 раз при наличии лактозы в питательной среде. Даже в отсутствие индуктора базовая активность галактозидпермиазы достаточна, чтобы обеспечить транспорт индуктора в клетку.

При отсутствии в питательной среде лактозы, происходит биосинтез белка-репрессора, кодируемого геном регулятором. Если отсутствует индуктор, в данном случае лактоза (могут и другие вещества выступать в качестве индукторов), то белок-репрессор связывается с геном-оператором и блокирует функционирование оперона в целом (см. слайды 4 и 5). При появлении лактозы образуется комплекс белок-репрессор-индуктор, снижается сродство к гену-оператору и оперон высвобождается от репрессии. Отсюда тип оперона репрессируемый.

Индукторами могут выступать:

ü лактоза;

ü аллолактоза;

ü структурные аналоги лактозы, например ее метилированые или ацетилированные формы;

ü некоторые другие дисахариды.

Но снятие репрессии оказывается недостаточным для обеспечения наблюдаемого 1000-чи кратного увеличения концентрации белков. Выяснилось, что лактозный оперон находится под влиянием позитивной регуляции (см. слайды 6 и 7). Она реализуется за счет наличия перед геном-промотором сайта связывания с активаторным белком CAP (Catabolite Activator Pronein) или по-русски БАК (белок активирующий катаболизм). Данный белок связывается с ДНК только в комплексе с цАМФ. Комплекс CAP-цАМФ играет важную роль в снятии катаболической репрессии (глюкозный эффект) со стороны глюкозы, характерной для многих оперонов. Он выражается в ингибировании утилизации углеродных источников в присутствии глюкозы в питательной среде и реализуется через уменьшение концентрации в клетке цАМФ, так как снижение стационарной концентрации в клетке цАМФ приводит к уменьшению концентрации комплекса CAP-цАМФ (см. слайд 7).

Для связывания репрессора с ДНК (ген-оператор) у первого должен быть ДНК-связывающий домен. В часто встречаемом случае его основу составляют две a-спиральные цепи, расположенные под углом друг к другу, так что одна из спиралей размещается в «большой бороздке» ДНК. Кроме того, часть белков имеет на N-конце «гибкую руку», охватывающую ДНК со стороны. Но должно быть соответствие между боковыми группами аминокислот, узнающей a-спирали и функциональными группами ДНК, находящимися в большом желобке. Очень часто ДНК-связывающие белки имеют второй домен, отвечающий за димеризацию белка, что резко увеличивает их сродство к ДНК. Здесь проявляется эффект кооперации – связывания одной молекулы белка-репрессора с частью оператора, что облегчает связывание второй молекулы.

Результат связывания регуляторного белка-репрессора с оператором:

§ стерические затруднения для связывания ДНК-зависимой РНК-полимеразы с промотором;

§ препятствие дальнейшему продвижению РНК-полимеразы, если оператор находится после промотора.

По своей структуре белок-репрессор лактозного оперона – это тетрамерный белок, характеризующийся кооперативным характером связывания. В кольцевой ДНК бактерии имеется примерно 10 копий лактозных оперонов на клетку.

На слайде 6 приведена схема «включения» и «выключения» лактозного оперона, которую можно применить и к другим репрессируемым оперонам.

Перечень вопросов к теме: «Общее строение оперона и лактозный оперон»:

1. Что является структурной единицей генома? Определите связь генов с аллелями. Почему понятия гена недостаточно для описания функционирования генома в плане описания механизма реализации генетической информации?

2. Опишите организацию оперона. Охарактеризуйте его составные элементы.

3. Различаются ли по строению опероны прокариотов и эукариотов, опероны высших и низших форм живых существ? В чем различие?

4. Какие виды РНК транскрибируются с ДНК? Охарактеризуйте их.

5. Информативные и неинформативные участки структурных генов.

6. На какие типы делят опероны. Охарактеризуйте их.

7. Опишите общий механизм функционирования оперона.

8. Структура лактозного оперона. Охарактеризуйте его фрагменты.

9. Что такое индуктор? Какие индукторы характерны для лактозного оперона. Приведите структурную формулу лактозы.

10. Механизм функционирования лактозного оперона.

11. Что такое CAP-белки. Какую функцию они выполняют?

12. Приведите формулу цАМФ. Как цАМФ влияет на активность репрессируемых оперонов.

Номер контрольного вопроса, который необходимо подготовить

студенту (время – в течение недели)

№ п/п	Фамилия и имя студента	Номер контрольного вопроса
1.	Баев Александр
2.	Бугасова Инна
3.	Будникова Екатерина
4.	Вишневский Илья
5.	Кладова Анастасия
6.	Клименко Алина
7.	Козел Дмитрий
8.	Комарова Анастасия
9.	Коробской Илья
10.	Крапивин Дмитрий
11.	Лосенко Виктория
12.	Саенко Евгения
13.	Скляренко Анна
14.	Скочко Анастасия
15.	Солдатенко Дарья
16.	Тресвятский Алексей
17.	Федосова Ольга