MODEL OPERONU LAKTOZOWEGO

Wszystkie geny otrzymujemy w momencie zapłodnienia. Nie wszystkie geny ujawniają się równocześnie. Są mechanizmy pozwalające genom ujawniać się w odpowiednim czasie.

Najlepiej mechanizm ten poznano u bakterii. Pierwszym poznanym modelem był model operonu laktozowego który odpowiada za wchłanianie laktozy.

Eserichia coli to bakteria żyjąca w jelicie człowieka i żywiąca się glukozą wchłanianą z jelita. Glukoza wchłania się w każdej sytuacji i stanowi dla niej energię.

Kiedy bakteria znajdzie się w pobliżu cukru mlekowego (laktozy) zaczyna go przyswajać po pewnym czasie. Jeśli umie ją przyswajać to znaczy, że potrafi tworzyć enzymy do trawienia laktozy. Enzymy te powstają po zetknięciu z laktozą. Kontakt z laktozą odblokowuje geny odpowiedzialne za przyswajanie laktozy.

Twórcami modelu operonu laktozowego są: Jacob i Monod.

Prowadzili badania w II poł XX wieku i stwierdzili, że na DNA bakterii znajdują się geny które umożliwiają przyswajanie laktozy. Odpowiadają za to 3 geny (geny struktury).

Na matrycy genów struktury powstaje białko enzymatyczne (enzymy) odpowiedzialne za przyswajanie laktozy. Są to : permeaza laktozowa, transacetylaza galaktozy, β-galaktozydaza

W pobliżu genów struktury leżą dwa inne promotor i operator. 5 genów razem wziętych to operon.

Z dala od genów operonu znajduje się gen regulator, a na matrycy tego genu powstaje białko represor.

Jak długo w otoczeniu białka nie ma laktozy to białko represor połączone jest z operatorem i w ten sposób niemożliwa jest transkrypcja genów struktury.

Gdy laktoza zjawi się w otoczeniu bakterii i niewielkie ilości laktozy przenikną do wnętrza komórki białko represor połączy się z laktozą. Dzieje się tak, ponieważ białko represor ma duże powinowactwo do laktozy. Polimeraza RNA przyłącza się do promotora. Zachodzi transkrypcja na tych 3 genach. Tylko w operonach wszystkie 3 geny są transkrybowane na jeden mRNA. Po transkrypcji odbywa się translacja białek enzymatycznych.

Enzymy pozwalają na wnikanie laktozy do komórki, żeby uległa rozkładowi na galaktozę i glukozę. Następnie oda te cukry są wykorzystywane do produkcji energii.

Gdy laktozy w otoczeniu nie ma lub przy niskim poziomie laktozy cząsteczka represor wraca na swoje miejsce do operatora. Służy to oszczędności energii i substratów, bo po co tworzyć enzymy do przyswajania laktozy skoro jej w otoczeniu nie ma. 

KOD GENETYCZNY

Kod genetyczny – przetłumaczenie kolejności nukleotydów w DNA, a ostatecznie w mRNA na język aminokwasów w białku. Mówi jaka trójka nukleotydów odpowiada wbudowanemu aminokwasowi.

Cechy kodu genetycznego:

     1.       Trójkowy – za jeden aminokwas  białku odpowiadają 3 nukleotydy np. UAG- STOP, GGG- glicyna, AAA – lizyna, UAU- tyrozyna

     2.       Niezachodzący – jest niezachodzący we wszystkich kombinacjach tj. kodony nie zachodzą na siebie, tzn. nukleotyd należący do jednego kodonu nie może być składnikiem innego kodonu.

UAG-GCA-GAA-AGG

Wyjątek stanowią wirusy, bo mają niewielką porcję materiału genetycznego i u nich kod może być zachodzący.

     3.       Bezprzecinkowy – pomiędzy nukleotydami, a szczególnie między kodonami nie ma żadnych innych znaków

     4.       Jednoznaczny – jeśli trójka AUG koduje metionine, UUA – leucyne to dana trójka koduje tylko jeden aminokwas.

     5.       Zdegenerowany – nie precyzyjny, głównie w 3 literze, za ten sam aminokwas w białku odpowiada najczęściej więcej niż jeden kodon. Zwykle kodony kodujące ten sam aminokwas różnią się trzecim nukleotydem (tylko dla metioniny kod nie jest zdegenerowany).

     6.       Liniowy –każdy kolejny kodon na mRNA koduje jakiś aminokwas

     7.       Uniwersalny – taki sam dla wszystkich organizmów na ziemi

     8.       Kod nie ulega ewolucji – jest taki sam na przełomie lat 

TRANSLACJA

W procesie biosyntezy białka uczestniczą mRNA i tRNA.

W mRNA SA 3 nukleotydy tj. kodony które decydują o rodzaju i kolejności aminokwasów w białku.

tRNA to przenośnik który przenosi aminokwasy z cytoplazmy do rybosomów. Po przyłączeniu aminokwasu tRNA nazywany jest aminoacylotRNA.

tRNA + aminokwas + ATP – aminoacylacja (aktywacja aminokwasu) -- > aminoacylotRNA +AMP+P’

RYBOSOMY

 Leżą w komórce na szorstkim retikulum, w cytoplazmie, są wewnątrz mitochondriów i chloroplastów, ale te w mitochondriach i chloroplastach to rybosomy małe (prokariotyczne).

W komórkach prokariotycznych są wyłącznie rybosomy małe 70s.

Rybosom składa się z 2 podjednostek mniejszej i większej, ma formę spłaszczonego grzybka . 

Są to twory nie obłonione. Jego składnikami są: RNA (rRNA) – 50% i białka 50% 

Translacja zachodzi w rybosomach i składa się z 3 etapów:

      1.       INICJACJA – zapoczątkowanie

mRNA łączy się z małą podjednostką rybosomu do tej podjednostki podłącza się aatRNA, a jest to najczęściej aametionylotRNA.

Metionina to aminokwas od którego proces translacji się rozpoczynam a koduje ją kodon AUG – jest to kodon startowy. mRNA przesuwa się wzdłuż podjednostki rybosomu aż znajdzie kodon start. Na środku pętli aatRNa jest antykodon – UAC. Antykodony są komplementarne do kodonów.

Przyłącza się 2 podjednostka rybosomu i w rybosomie wyznaczają się 3 wyraźne miejsca:

 A – miejsce aminokwasowe (aminoacetylowe) w tym miejscu będzie wnikał transfer z aminokwasem.

 P – miejsce peptydowe – w tym miejscu będzie tworzony łańcuch białkowy

 E – miejsce wyjścia (exit) – tRNA wychodzi z rybosomu do cytoplazmy bez aminokwasu

tRNA po opuszczeniu rybosomu szukają takiego samego aminokwasu i łączą się z nim w procesie aminacji i czekają w pobliżu rybosomu na swoją kolej.

      2.       ELONGACJA – tworzenie, wydłużanie łańcucha polipeptydowego

W miejscu A znajduje się kodon który mówi „ma zielone światło tRNA który ma antykodon komplementarny do kodonu w miejscu A”.

mRNA – GAA – Glutaminian      GGA – prolina

Między pierwszym i drugim aminokwasem tworzy się wiązanie peptydowe. Energia pochodzi z ATP. Gdy połączy się pierwszy aminokwas z drugim cały aparat translacyjny przesuwa się o jedno miejsce.

A [GAA] -- > P [AGG] -- > E [AUG]

Pierwszy kodon przesuwa się do miejsca E.

Ten tRNA który opuścił Rybosom szuka takiego samego aminokwasu i łączy się z nim w procesie aminacji i czaka w pobliżu rybosomu na swoją kolej.

W ten sposób miejsce A jest wolne i jest w nim kolejny kodon.

mRNA – GAA  tRNA – CUU

Aminokwas trzeci [prolina] łączy się z drugim aminokwasem wiązaniami peptydowymi.

Odbywa się kolejne przesuniecie o 1 miejsce w rybosomie.

To mRNA decyduje o rodzaju białka, bo rodzaj białka zależy od:

      ·         Liczby aminokwasów (minimum 100 aminokwasów)

      ·         Kolejności, czyli sekwencji aminokwasów w białku

      ·         Rodzaju aminokwasów wbudowanych do białka

Tak naprawdę o rodzaju tworzonego białka decyduje DNA, a mRNA jest pośrednikiem, bo DNA jest w jądrze.

3.   TERMINACJA – wynika z pojawienia się kodonu STOP (terminacyjny, nonsensowny), kodony wśród których nie ma odpowiednika tRNA.

64 kodony = 61 antykodony + 3 kodony STOP

UAA, UAG, UGA – kodony STOP

Kiedy na rybosomie znajdzie się kodon STOP żaden aatRNA nie dostał zielonego światła, wobec tego nie dobudowywane są aminokwasy. Dwie podjednostki rybosomu się rozdzielają, odpada mRNA.

Polirybosom- zespół rybosomów w których w tym samym czasie odbywa się translacja na tej samej cząsteczce mRNA. W każdym z tych rybosomów toczy się synteza takiego samego białka.

Zwykle na końcu mRNA jest kilka kodonów STOP.