Asosiy kontent
Biologiya
Course: Biologiya > Unit 16
Lesson 1: Bakteriya gen regulyatsiyasiLak operon
Laktoza utilizatsiyasi uchun genlar regulyatsiyasi. lak repressor, CAP va sAMF.
Asosiy tushunchalar:
- E. coli ning lac operoni laktoza metabolizmida ishtirok etuvchi genlarni oʻz ichiga oladi. Faqat u glyukoza mavjud boʻlmagan va laktoza mavjud boʻlgan sharoitdagina faoliyat koʻrsatadi.
- Laktoza va glyukoza miqdoriga javoban ikkita regulyator mos ravishda operonni aktiv yoki noaktiv holatga oʻzgartiradi: lac repressori va katabolizm aktivator oqsili (CAP).
- lac repressori laktozaga sezgir hisoblanadi. U normada operonning transkripsiyasini bloklaydi, lekin bu jarayonni repressor sifatida laktoza mavjud boʻlsagina amalga oshiradi. lac repressori laktozani bilvosita, yaʼni uning izomeri hisoblangan allolaktoza orqali seza oladi.
- Katabolizm aktivator oqsili (CAP) glyukozaga sezgir hisoblanadi. U operonning transkripsiyasini glyukozaning miqdor koʻrsatkichi past boʻlsagina aktivlaydi. CAP ham glyukoza miqdorini bilvosita, yaʼni “ochlik signali” molekulasi hisoblangan sAMF orqaligina seza oladi.
Kirish
Laktoza: kechki ovqatga! Ehtimol, biz uchun laktoza mazali taomdek tuyulmasligi mumkin (laktoza sutdagi asosiy uglevod manbai hisoblanadi, balki, siz uni isteʼmol qilishni yoqtirmasligingiz ham mumkin), lekin E. coli bakteriyasi uchun u ajoyib taom. Shunga qaramasdan, ular laktozani undan ham yaxshiroq hisoblangan uglevodlar, misol uchun, glyukoza yetishmasagina paqqos tushiradi.
Qisqa qilib aytganda, lac operon oʻzi nima? lac operon bu operon yoki iRNK sifatida transkripsiya qilinadigan bitta promotorga ega genlar guruhidir. Operondagi genlar bakteriyaga laktozani energiya manbai sifatida ishlatish imkonini beradigan oqsilni kodlaydi.
lac operoni nimani aktiv holatga oʻtkazadi?
E. coli laktozani parchalay oladi, lekin bu uning eng sevimli energiya manbai deyish uchun yetarli emas. Agar glyukoza mavjud boʻlsa, bakteriya boshqa uglevodlarga nisbatan uni afzal koʻradi. Glyukozaning parchalanish bosqichi laktozaga qaraganda osonroq kechadi va parchalanish jarayonida kam energiya talab etadi. Shunga qaramasdan, agar uglevod manbai sifatida faqatgina laktoza mavjud boʻlsa, unda E. coli hech qanday tanlovsiz undan energiya manbai sifatida foydalanishni boshlaydi.
Laktozadan foydalanish uchun bakteriya laktozani hazm qilishi va uni metabolizmga uchratish uchun javobgar boʻlgan fermentni kodlovchi lac operon genini ishga tushirishi kerak. Jarayon imkon qadar samarali amalga oshishi uchun E. coli lac operon genini quyidagi ikki holat birgalikda yuzaga kelgandagina ishga tushirishi kerak:
- Laktoza mavjud boʻlganda va
- glyukoza mavjud boʻlmaganda
Laktoza va glyukoza miqdori qanday aniqlanadi va miqdordagi oʻzgarishlar qanday qilib lac operonning transkripsiyasiga taʼsir koʻrsata oladi? Ushbu jarayonda ikkita regulyator oqsil jalb qilinadi:
- Birinchisi – lac repressori laktozaga sezgir hisoblanadi.
- Keyingisi – katabolizm aktivator oqsili (CAP) glyukozaga sezgir hisoblanadi.
Ushbu oqsillar DNKning lac operoniga birikadi va uning laktoza va glyukozaning miqdoriga asoslangan transkripsiyasini boshqaradi. Keling, ushbu jarayon qanday amalga oshishiga bir koʻz yugurtiramiz.
Lac operonining strukturasi
Lac operoni uch xil genni oʻz ichiga oladi: lacZ, lacY va lacA. Ushbu genlar bitta promoterning nazorati ostida yagona zanjirli iRNK sifatida transkripsiya qilinadi.
Lac operonidagi genlar hujayrada laktozani hazm qilishga yordam beradigan oqsillarni kodlashga javobgardir. LacZ geni laktozani glikolizga kiritish mumkin boʻlgan monosaxaridlar (bir halqali uglevod)ga ajratuvchi fermentni kodlaydi. Shunga oʻxshash ravishda lacY laktozani hujayra ichiga kiritib beruvchi membrana transportyorini kodlaydi.
Ushbu uchta genga qoʻshimcha ravishda lac operoni oʻz ichiga regulyator DNK qatorini qamrab oladi. DNKning ushbu maʼlum qatorlari operon transkripsiyasini boshqaruvchi regulyator oqsillar bogʻlanadigan qism hisoblanadi.
- Promoter bu transkripsiyani amalga oshiruvchi RNK polimeraza birikadigan sayt hisoblanadi.
- Operator bu lac repressor oqsili birikadigan sayt boʻlib, jarayonni manfiy boshqaruvchi sayt hisoblanadi. lac repressor operatorga bogʻlanganida promoterni ham qoplaydi, natijada RNK polimeraza promoterga bogʻlana olmaydi va transkripsiya jarayoni boshlanmaydi.
- CAP birikuvchi sayt bu katabolizm aktivator oqsili birikishi orqali jarayonni musbat boshqaruvchi sayt hisoblanadi. CAP bu qismga birikkanida, u RNK polimerazaning promoterga birikishishiga koʻmaklashish orqali transkripsiyani faollashtiradi.
Keling, lac repressor va CAP hamda ularning lac operonning regulyatsiyasidagi rolini batafsilroq koʻrib chiqamiz.
Lac repressor
Lac repressori bu lac operoni transkripsiyasini repressiyalovchi (ingibirlovchi) oqsil hisoblanadi. U bu ishni operatorga bogʻlanish va shu bilan promoterni biroz qoplash orqali amalga oshiradi. Bogʻlanishda lac repressor RNK polimerazaning yoʻlini toʻsadi va operon transkripsiyasi amalga oshishining oldini oladi.
Laktoza mavjud boʻlmaganida lac repressor operatorga mustahkam birikadi va RNK polimeraza transkripsiyasining oldini oladi. Bundan tashqari, laktoza mavjud boʻlganida lac repressor oʻzining DNKga birikish qobiliyatini yoʻqotadi. U operatordan ajralib suzib yuradi va RNK polimerazaning operon transkripsiyasini amalga oshirishiga yoʻl ochadi.
Lac repressoridagi bu oʻzgarish allolaktoza deb ataluvchi, laktozaning izomer (qayta shakllangan shakl) molekulasi tufayli sodir boʻladi. Laktoza mavjud boʻlgan paytda hujayra ichida baʼzi molekulalar allolaktozaga aylanadi. Alloktoza lac repressorga bogʻlanadi va uning shaklini oʻzgartiradi, natijada esa lac repressor ortiq DNKga bogʻlanib tura olmaydi.
Allolaktoza bu yaqqol qoʻzgʻatuvchi boʻlib, gen yoki operonning transkripsiyalanishini ishga tushirib yuboradigan (trigger nuqta) kichik molekula hisoblanadi. Lac operon qoʻzgʻatiluvchi operon sanaladi, chunki u odatda jarayon davomida tormozlanadi (repressiyalanadi), lekin qoʻzgʻatuvchi allolaktoza mavjud boʻlganda aktivlanadi.
Katabolizm aktivator oqsili (CAP)
Laktoza mavjud boʻlganida lac repressori oʻzining DNKga bogʻlanish qobiliyatini yoʻqotadi. Bu narsa RNK polimerazaning promoterga birikishiga va lac operon transkripsiyasining amalga oshishiga yoʻl ochadi. Bu sizda goʻyoki jarayon shu bilan tugagandek tasavvur uygʻotyapti, shundaymi?
Xoʻsh... tamomila unday emas. Maʼlum boʻlishicha, RNK polimerazaning yolgʻiz oʻzi lac operonining promoteriga juda yaxshi bogʻlanmaydi. Ehtimol, u bir qancha transkripsiyani amalga oshirishi mumkin, ammo katabolizm aktivator oqsili (CAP)dan qoʻshimcha yordam olmaguncha, yetarli darajada faoliyat koʻrsata olmaydi. CAP DNKning lac operon promoterining shundoq old qismiga bogʻlanadi va RNK polimerazaga yuqori darajadagi transkripsiyani amalga oshirishiga yordam beradi.
CAP har doim ham aktiv boʻlmaydi (DNKga bogʻlana oladigan darajada). Bu paytda u siklik AMF (sAMF) tomonidan boshqariladi. sAMF – glyukoza miqdori past boʻlganda E. coli tomonidan ishlab chiqariladigan “ochlik signali”. sAMF CAPga bogʻlanadi, uning shaklini oʻzgartirib, DNKga bogʻlanishini va transkripsiyani taʼminlaydi. sAMFsiz CAP DNKga bogʻlana olmaydi va inaktiv holatda boʻladi.
CAP faqat glyukoza miqdori past boʻlgandagina faol boʻladi (sAMF miqdori yuqori). Shuning uchun lak operon transkripsiyasi faqatgina glyukoza yoʻq boʻlganda yuqori darajada amalga oshishi mumkin. Ushbu strategiya bakteriyalar barcha turdagi eng muqobil hisoblangan energiya manbai (glyukoza)ni ishlatib boʻlgandan keyin, laktozadan foydalanish uchun kerak boʻlgan lac operonini ishga tushirishni va undan foydalanishni taʼminlaydi.
Xoʻsh, lac operon rostakamiga qachon aktivlanadi?
Lac operon ekspressiyasi yuqori darajada kechadi, agar ikkita shart bajarilsa:
- Glyukoza mavjud boʻlmasligi kerak: glyukoza mavjud boʻlmaganda sAMF CAP bilan bogʻlanadi va bu CAPning DNKga bogʻlanishiga imkon yaratadi. sAMF bilan bogʻlangan CAP RNK polimerazaning lak operoni promoteriga birikishiga yordam beradi.
- Laktoza mavjud boʻlishi kerak: agar laktoza mavjud boʻlsa, lac repressori operatordan ozod qilinadi (allolaktozani bogʻlash orqali). Bu RNK polimerazaning DNK boʻylab oldinga siljishi va operonni transkripsiya qilishiga imkon beradi.
Bu ikkita hodisa kombinatsiyalanganda – aktivatorni bogʻlash va repressorni ozod qilish – RNK polimerazasini promotorga mustahkam bogʻlash va uni transkripsiya qilish uchun aniq yoʻl berish imkonini yaratadi. Ular lac operonining kuchli transkripsiyalanishiga va laktoza utilizatsiyasi uchun zarur boʻlgan fermentlarni ishlab chiqarishga olib keladi.
Hammasini birga qoʻyish
Endi biz lac operonining barcha harakatlanuvchi qismlarini koʻrganimizdan soʻng, operonning turli xil sharoitlar (glyukoza va laktoza mavjudligi yoki mavjud emasligi)da qanday javob qaytarishini koʻrish uchun birgalikda tahlil qilaylik.
- Glyukoza mavjud, laktoza mavjud emas: lac operonining transkripsiyasi sodir boʻlmaydi. Chunki lac repressor operatorga bogʻlanib qoladi va RNK polimeraza tomonidan transkripsiya qilinishining oldini oladi. Shuningdek, sAMF miqdori past, chunki glyukoza miqdori yuqori, shuning uchun CAP faol emas va DNKga bogʻlana olmaydi.
- Glyukoza mavjud, laktoza mavjud: lac operonining transkripsiyasi past darajada sodir boʻladi. Lac repressori qoʻzgʻatuvchi (allolaktoza) mavjudligi sababli operatordan ajratiladi. Ammo sAMF miqdori past, chunki glyukoza mavjud. Shuning uchun CAP faol emas va DNK bilan bogʻlana olmaydi, natijada transkripsiya faqat past, ogʻish darajasida amalga oshadi.
- Glyukoza mavjud emas, laktoza mavjud emas: lac operonining transkripsiyasi sodir boʻlmaydi. sAMF miqdori yuqori, chunki glyukoza miqdori past, shuning uchun CAP faol va DNK bilan bogʻlana oladi. Shu bilan birga, hanuzgacha operatorga bogʻlangan lac repressori (allolaktoza yoʻqligi bois) RNK polimerazaga toʻsiq boʻlib xizmat qiladi va transkripsiyaning oldini oladi.
- Glyukoza mavjud emas, laktoza mavjud: lac operonining kuchli transkripsiyasi sodir boʻladi. Lac repressori qoʻzgʻatuvchi (allolaktoza) mavjudligi sababli operatordan ajratiladi. sAMF miqdori yuqori, chunki glyukoza yoʻq, shuning uchun CAP faol va DNK bilan bogʻlangan. CAP RNK polimerazaning yuqori darajada transkripsiya qilishiga imkon beruvchi promoter bilan bogʻlanishiga yordam beradi.
Lac operon javobining qisqacha mazmuni
| Glyukoza | Laktoza | CAP bogʻlaydi | Repressor bogʻlaydi | Transkripsiya darajasi |
|---|---|---|---|---|
| + | - | - | + | Transkripsiya yoʻq |
| + | + | - | - | Past darajadagi transkripsiya |
| - | - | + | + | Transkripsiya yoʻq |
| - | + | + | - | Kuchli transkripsiya |
Khan Academyʼdan tashqari manbalarni ham kashf qiling
Lac operoni haqida koʻproq bilib olishni xohlaysizmi? Quyidagi interfaol material bilan tanishib chiqing. Manba: LabXchange.
LabXchange fanlarni bepul oʻrgatuvchi platforma boʻlib, Garvard universitetining sanʼat va fan fakulteti va Amgen jamiyati tomonidan yaratilgan.
Muhokamaga qoʻshilmoqchimisiz?
Hozircha izohlar yoʻq.