OPERON: KEŞIF, MODEL, SINIFLANDIRMA, ÖRNEKLER - BIYOLOJI - 2025

Bir operon , birbirini düzenleyen, işlevsel olarak ilişkili proteinleri kodlayan ve bakteri ve "atalara ait" genomların genomunda bulunan, sıralı olarak sıralanmış bir gen grubundan oluşur.

Bu düzenleyici mekanizma, 1961'de F.Jacob ve J. Monod tarafından tanımlandı ve bu, onlara 1965'te Nobel Fizyoloji ve Tıp Ödülü'nü kazandırdı. Bu araştırmacılar, operonların operasyonunu, laktoz kullanımı için Escherichia coli'nin ihtiyaç duyduğu enzimler.

Laktoz operonunu (Promoter, Operator, lacZ, lacY, lacA ve terminatör) oluşturan genlerle bir DNA zincirinin grafik diyagramı (Kaynak: Llull ~ commonswiki Via Wikimedia Commons)

Operonlar, protein sentezini her bir hücrenin ihtiyaçlarına göre koordine etmekten sorumludur, yani, sadece gerekli olduğu yerde ve zamanda protein üretmek için ifade edilirler.

Operonların içerdiği genler genellikle yapısal genlerdir, yani hücre içindeki metabolik yollara doğrudan dahil olan önemli enzimleri kodladıkları anlamına gelir. Bunlar amino asitlerin sentezi, ATP biçimindeki enerji, karbonhidratlar vb. Olabilir.

Operonlar ayrıca ökaryotik organizmalarda yaygın olarak bulunur, ancak prokaryotik organizmaların aksine, ökaryotlarda operonun bölgesi tek bir haberci RNA molekülü olarak kopyalanmaz.

keşif

François Jacob ve Jacques Monod tarafından yapılan operonlarla ilgili ilk önemli ilerleme, yalnızca hücre bir substrat varlığında belirli bir enzimin ortaya çıkmasından oluşan "enzimatik adaptasyon" sorununu ele almaktı.

Hücrelerin substratlara böyle bir tepkisi, uzun yıllardır bakterilerde gözlenmiştir. Bununla birlikte, araştırmacılar, hücrenin, bu substratı metabolize etmek için hangi enzimi sentezlemesi gerektiğini tam olarak nasıl belirlediğini merak ettiler.

Jacob ve Monod, bakteri hücrelerinin galaktoz benzeri karbonhidratların varlığında normal şartlara göre 100 kat daha fazla β-galaktosidaz ürettiğini gözlemledi. Bu enzim, hücrenin onları metabolik olarak kullanması için β-galaktozidleri parçalamaktan sorumludur.

Bu nedenle, her iki araştırmacı da β-galaktosidaz sentezinde bir artışa neden olmaktan sorumlu oldukları için galaktosid tipi karbonhidratları "indükleyiciler" olarak adlandırdılar.

Benzer şekilde, Jacob ve Monod koordineli bir şekilde kontrol edilen üç genin bulunduğu bir genetik bölge buldular: β-galaktosidaz enzimini kodlayan Z geni; laktoz permeaz enzimini kodlayan Y geni (galaktozidlerin taşınması); ve aynı zamanda galaktozidlerin asimilasyonu için gerekli olan enzim transasetilazı kodlayan gen A.

Daha sonraki genetik analizler yoluyla Jacob ve Monod, laktoz operonunun genetik kontrolünün tüm yönlerini açıklığa kavuşturdular ve Z, Y ve A genlerinin segmentinin, "operon" olarak tanımladıkları koordineli ifadeli tek bir genetik birim oluşturduğu sonucuna vardı.

Operon modeli

Operon modeli ilk olarak 1965'te Jacob ve Monod tarafından, bir enerji kaynağı olarak laktozu metabolize etmek için Escherichia coli'de gerekli olan enzimler için transkribe edilen ve çevrilen genlerin düzenlenmesini açıklamak için doğru bir şekilde tanımlandı. .

Bu araştırmacılar, ardışık olarak yerleştirilen genin veya gen setinin transkriptlerinin iki öğe tarafından düzenlendiğini öne sürdüler: 1) bir düzenleyici gen veya baskılayıcı gen 2) ve bir operatör gen veya operatör dizisi.

Operatör geni her zaman ekspresyonunu düzenlemekten sorumlu olduğu yapısal genin veya genlerin yanında bulunurken, baskılayıcı gen operatöre bağlanan ve transkripsiyonunu engelleyen "baskılayıcı" adı verilen bir proteini kodlar.

Represör operatör genine bağlandığında transkripsiyon bastırılır. Bu şekilde, laktozu asimile etmek için gerekli enzimleri kodlayan genlerin genetik ekspresyonu ifade edilmez ve bu nedenle söz konusu disakkaridi metabolize edemez.

Laktoz operonunun farklı kontrol elemanları aracılığıyla fonksiyonel diyagramı. Bu, biyoloji öğretmenleri tarafından bu genlerin işleyişini öğretmek için kullanılan "model" operondur (Kaynak: Tereseik. Çalışma G3pro görüntüsünden türetilmiştir. Alejandro Porto'nun İspanyolca çevirisi. Via Wikimedia Commons)

Artık, baskılayıcının operatöre bağlanmasının, RNA polimerazın, genleri kopyalamaya başlaması için promoter sahasına bağlanmasını sterik mekanizmalarla engellediği bilinmektedir.

Promoter site, RNA polimerazın genleri bağlamak ve transkribe etmek için tanıdığı "site" dir. Bağlanamadığı için sekanstaki herhangi bir geni kopyalayamaz.

Operatör geni, promotör olarak bilinen dizinin genetik bir bölgesi ile yapısal genler arasında yer alır. Ancak Jacob ve Monod zamanlarında bu bölgeyi tanımlamadılar.

Yapısal geni veya genleri, operatör ve destekleyiciyi içeren tam dizinin, özünde bir "operonu" oluşturan şey olduğu artık bilinmektedir.

Operonların sınıflandırılması

Operonlar, düzenlenme şekline bağlı olarak yalnızca üç farklı kategoriye ayrılır, yani bazıları sürekli olarak ifade edilir (kurucu), diğerleri aktive etmek için (indüklenebilir) belirli bir moleküle veya faktöre ihtiyaç duyar ve diğerleri kadar sürekli ifade edilir. indükleyicinin ifade edildiği (bastırılabilir).

Üç tür operon:

Uyarılabilir operon

Bu tipteki operonlar, amino asitler, şekerler, metabolitler gibi ortamdaki moleküller tarafından düzenlenir. Bu moleküller, indükleyiciler olarak bilinir. Bir indükleyici görevi gören molekül bulunmazsa, operonun genleri aktif olarak kopyalanmaz.

İndüklenebilir operonlarda, serbest baskılayıcı operatöre bağlanır ve operonda bulunan genlerin transkripsiyonunu önler. İndüktör, baskılayıcıya bağlandığında, baskılayıcıya bağlanamayan bir kompleks oluşur ve bu nedenle operonun genleri çevrilir.

Bastırılabilir Operon

Bu operonlar spesifik moleküllere bağlıdır: diğerleri arasında amino asitler, şekerler, kofaktörler veya transkripsiyon faktörleri. Bunlar çekirdek kompresörler olarak bilinir ve indüktörlere tamamen zıt bir şekilde hareket eder.

Yalnızca corepressor, baskılayıcı ile bağlandığında, transkripsiyon durur ve bu nedenle operon içinde bulunan genlerin transkripsiyonu gerçekleşmez. Daha sonra, bastırılabilir bir operonun transkripsiyonu, yalnızca corepressor varlığında durur.

Kurucu operon

Bu tür operonlar düzenlenmemiştir. Sürekli aktif olarak kopyalanırlar ve bu genlerin dizilimini etkileyen bir mutasyon durumunda, onları içeren hücrelerin yaşamı etkilenebilir ve genel olarak programlanmış hücre ölümünü tetikleyebilir.

Örnekler

Bir operonun işlevinin en eski ve en yaygın bilinen örneği lak (laktoz) operondur. Bu sistem, bir disakkarit olan laktozun monosakkaritlere glukoz ve galaktoza dönüştürülmesinden sorumludur. Bu süreçte üç enzim etki eder:

- laktozu glikoza ve galaktoza dönüştürmekten sorumlu β-galaktosidaz.

- Laktozun hücre dışı ortamdan hücrenin içine taşınmasından sorumlu olan laktoz permeazı ve

- Sisteme ait olan ancak işlevi bilinmeyen transsetilaz

Escherichia coli'den trp (triptofan) operonu, öncüsü olarak korismik asite sahip olan triptofan sentezini kontrol eder. Bu operonun içinde, üç enzimin üretimi için kullanılan beş proteinin genleri vardır:

- E ve D genleri tarafından kodlanan ilk enzim, triptofan yolağının ilk iki reaksiyonunu katalize eder ve antranilat sentetaz olarak bilinir.

- İkinci enzim gliserolfosfattır ve sentetazı antranilatlamak için sonraki adımları katalize eder.

- Üçüncü ve son enzim, indol-gliserol fosfat ve serinden triptofan üretmekten sorumlu triptofan sentetazdır (bu enzim, B ve A genlerinin bir ürünüdür)

Referanslar

1. Blumenthal, T. (2004). Ökaryotlarda operonlar. Fonksiyonel Genomik Brifingleri, 3 (3), 199-211.
2. Gardner, EJ, Simmons, MJ, Snustad, PD ve Santana Calderon, A. (2000). Genetiğin ilkeleri. Genetiğin ilkeleri.
3. Osbourn, AE ve Field, B. (2009). Operonlar. Hücresel ve moleküler yaşam bilimleri, 66 (23), 3755-3775.
4. Shapiro, J., Machattie, L., Eron, L., Ihler, G., Ippen, K. ve Beckwith, J. (1969). Saf lac operon DNA'sının izolasyonu. Nature, 224 (5221), 768-774.
5. Suzuki, DT ve Griffiths, AJ (1976). Genetik analize giriş. WH Freeman ve Şirketi.