Оперон в биологии и его роль в биосинтезе белков и аминокислот

Оперон в биологии и его роль в биосинтезе белков и аминокислот

Определение и суть оперона

Благодаря оперонам осуществляется эффективное регулирование транскрипции генов. В 1961 году лауреаты Нобелевской премии Жакоб Моно и Львов разработали концепцию работы оперона. Исходя из количества цистронов, опероны бывают:

• моноцистронными;
• полицистронными;
• олигоцистронными.

Пример оперонной организации генома прокариот — триптофановый, лактозный и пиримидиновый опероны. В начале и в конце любого оперона имеется специализированная регуляторная область или промотор, а также терминатор.

Позже стали проводиться различные исследования и эксперименты, результаты которых позволили дополнить предложенную Моно и Львовым теорию оперонов. В частности, было подтверждено, что оперонная регуляция на уровне транскрипции — это основной механизм регуляции активности генов прокариот и некоторых вирусов.

В опероне есть:

• структурные гены;
• регуляторные элементы, которые стоит отличать от генов-регуляторов.

Значение оперонов в биосинтезе белков и аминокислот

Структурные гены отвечают за кодирование белков, осуществляющих биосинтез определенного вещества. Это может быть как один, так и несколько генов. В ходе транскрипции эти гены плотно сцепляются друг с другом и начинают функционировать как единый ген. Они осуществляют синтез молекулы и-РНК: происходит расщепление этой молекулы на несколько побочных молекул и-РНК (они соответствуют отдельным генам).

Что касается регуляторных элементов процесса, то к ним относят:

• промотор или участок, который связывает фермент и реализует транскрипцию ДНК и РНК — полимеразы. В промоторе начинается процесс транскрипции;
• оператор, под которым понимают участок, где происходит связывание регуляторного белка;
• терминатор, который является участком оперона, отправляющий сигнал об окончании процесса транскрипции.

Есть два типа регуляторных белков:

• белки репрессоры;
• белки активаторы.

У обоих типов белков есть способность к быстрому присоединению к специфическим нуклеотидным последовательностям ДНК оператора: они либо препятствуют транскрипции генов, либо способствуют ей. Все это — демонстрация позитивной и негативной регуляции. У механизмов таких регуляций противоположный характер.

Работа белков-репрессоров подвергается влиянию определенных веществ — эффекторов. Когда они соединяются с репрессором, то воздействуют на его взаимодействие с оператором.

Эукариоты тоже имеют опероны, но с некоторыми особенностями. Оперон эукариот:

• обладает только одним структурным геном, в сравнении с прокариотами;
• имеет только один ген, при этом другие гены разбросаны по хромосоме или разным хромосомам;
• включает в себя чередующиеся друг с другом экзоны и интроны. Благодаря транскрипции экзоны и интроны могут вчитываться. Позже в ходе процессинга интроны вырезаются (сплайсинг).

Механизмы регуляции активности отдельных генов генома эукариот отличаются сложностью. По этой причине они довольно тщательно изучаются и исследуются.

При добавлении лактозы в питательную среду кишечной палочки, происходит мгновенная выработка 3 ферментов:

1. Галактозидпермиаза.
2. Бета-галактозидаза.
3. Галактозидтрансацетилаза.

Начало лактозного оперона — регуляторный участок, где происходит присоединение белка активатора для последующего присоединения РНК-полимеразы. Следующий этап после образования оператора — формирование структурных генов для названных выше ферментов.

Синтез белка-регулятора происходит в клетке постоянно (но в незначительном количестве). В цитоплазме можно насчитать всего около 10 похожих молекул. При отсутствии лактозы белок-репрессор устанавливает связь с операторным участком и не позволяет РНК-полимеразе продвигаться по ДНК. Таким образом, не происходит синтеза мРНК и ферментов.

Триптофановый оперон не дает белку-репрессору присоединиться к оператору в процессе формирования нового варианта регуляции. В первом случае, при соединении индуктора с белком-регулятором, процесс транскрипции разрешается, а в последнем случае — запрещается.

В качестве примера можно рассмотреть триптофановый оперон кишечной палочки, который является довольно хорошо изученным. Он состоит из 5 структурных генов, с помощью которых создаются структурные гены для формирования незаменимой аминокислоты триптофана.

Синтез репрессора происходит вне триптофанового оперона. В момент израсходования клеткой всего созданного триптофана начинает работать оперон: синтез триптофана продолжается в том же объеме. При избытке триптофана в клетке происходит его соединение с репрессором и изменение конфигурации: это нужно для обеспечения связи между действующим белком и оператором.

Репрессор и триптофан образуют своеобразный комплекс, который взаимодействует с оператором и не дает осуществляться транскрипции структурных генов — поэтому синтез триптофана останавливается.

При возникновении ситуации, в которой триптофан репрессор в клетке не может связаться с оператором, происходит запуск процесса структурной транскрипции генов оперона и, соответственно, итоговый синтез клеточного триптофана. Есть еще один уровень регуляции триптофанового оперона — аттенуация.

Так опероны дают возможность осуществлять регуляцию процессов биологического синтеза белка. Также они помогают сделать этот процесс конкретным и обоснованным, обозначить его временные рамки и варианты запуска.