Operon Definition
Ein Operon ist ein Cluster funktional verwandter Gene, die von einem gemeinsamen Operator gesteuert werden. Operonen bestehen aus mehreren Genen, die zusammen mit einem Promotor und einem Operator gruppiert sind. Operonen sind in Prokaryoten (Bakterien und Archaeen) vorhanden, fehlen aber in Eukaryoten. In einigen Situationen werden mehrere Operonen durch das gleiche regulatorische Protein gesteuert; In diesen Fällen bilden die Operonen ein Regulon. Operonen wurden erstmals 1961 von François Jacob und Jacques Monod als eine Art der Genexpressionskontrolle identifiziert.,
Operonenstruktur
Operonen sind DNA-Regionen, die Cluster verwandter Gene enthalten. Sie bestehen aus einer Promotorregion, einem Operator und mehreren verwandten Genen. Der Operator kann sich entweder innerhalb des Promotors oder zwischen dem Promotor und den Genen befinden. RNA-Polymerase initiiert die Transkription durch Bindung an die Promotorregion. Der Ort des Operators ist wichtig, da seine Regulation entweder die Transkription der Gene in mRNA ermöglicht oder verhindert.,
Operon-Funktion
Ein operon ist ein komplettes Paket für die Genexpression und Synthese von polypeptiden. Durch die Kombination der verwandten Gene werden alle für eine bestimmte Funktion erforderlichen Polypeptide als Reaktion auf einen einzelnen Reiz synthetisiert. Zum Beispiel enthält das Bakterium Escherichia coli eine Reihe von Genen, die zu Operonen und Regulonen gruppiert sind: das Lac-Operon, das am Laktosezerfall beteiligt ist, das Trp-Operon, das an der Tryptophan-Biosynthese beteiligt ist, und das His-Operon, das an der Histidin-Biosynthese beteiligt ist., Diese Operonen werden eingeschaltet, wenn die Genprodukte benötigt werden.
Operonen können unter negativer oder positiver Kontrolle stehen. Negative Kontrolle beinhaltet das Ausschalten des Operons in Gegenwart eines Repressors; Dies kann entweder repressibel oder induzierbar sein. Ein repressibles Operon ist eines, das normalerweise eingeschaltet ist, aber in Gegenwart eines Repressormoleküls unterdrückt werden kann. Der Repressor bindet so an den Operator, dass die Bewegung oder Bindung der RNA-Polymerase blockiert wird und die Transkription nicht fortgesetzt werden kann. Ein induzierbares Operon ist eines, das normalerweise ausgeschaltet ist., In Abwesenheit eines Induktors wird der Operator durch ein Repressormolekül blockiert. Wenn der Induktor vorhanden ist, interagiert er mit dem Repressorprotein, gibt es vom Operator frei und ermöglicht die Transkription. Repressible Operonen sind im Allgemeinen an anabolen Wegen oder an der Synthese einer essentiellen Komponente beteiligt, während induzierbare Operonen im Allgemeinen an katabolen Wegen oder am Abbau eines Nährstoffs beteiligt sind. Die positive Kontrolle eines Operons erfolgt, wenn die Genexpression durch das Vorhandensein eines regulatorischen Proteins stimuliert wird.,
Lac Operon
Das Lac Operon ist das klassische Operonenbeispiel und für den Abbau des Milchproteins Lactose verantwortlich. Das Lac-Operon ist ein induzierbares Operon; In Abwesenheit von Laktose wird der Operator durch ein Repressorprotein blockiert. Das Operon besteht aus einem Promotor mit Operator und drei Genen (lacZ, lacY und lacA), die β-Galactosidase, Permease und Transacetylase kodieren., Die drei Gene sind am Abbau von Laktose in ihre Metaboliten beteiligt: β-Galactosidase zerlegt Laktose in Glukose und Galaktose, während die beiden anderen Proteine den Stoffwechsel unterstützen. Die Expression des Lac Operons wird durch das regulatorische Gen lacI gesteuert, das sich unmittelbar neben der Promotorregion befindet. LacI kodiert ein allosterisches Repressorprotein, das den Laci-Operon “ aus “ hält.
Damit das Lac-Operon eingeschaltet werden kann, muss ein Induktormolekül das Repressorprotein inaktivieren., Der Induktor-Molekül in diesem system ist allolactose, ein isomer der lactose. Wenn Lactose und sein Isomer in der Zelle vorhanden sind, bindet Allolactose an allosterische Stellen auf dem Repressorprotein, ändert seine Konformation und macht es inaktiv. Wenn sich das Repressorprotein vom Operator löst, kann die RNA-Polymerase an den Promotor binden, eine Transkription kann auftreten und die drei Laktosedegradationsgene können synthetisiert werden.
Die Abbildung zeigt die Struktur des Lac-Operons und des angrenzenden lacR-Repressorgens.,
Das Lac Operon unterliegt ebenfalls einer positiven Genregulation. Während die Entfernung des Repressorproteins in Gegenwart von Laktose für die Synthese der lacZ -, lacY-und lacA-Gene erforderlich ist, bleibt die Genexpression gering. Das Niveau der Genexpression wird durch die Menge der bevorzugten Energiequelle, Glukose, in der Zelle gesteuert. Diese Kontrolle wird durch ein allosterisches regulatorisches Protein, Catabolite Activator Protein (CAP), reguliert. Wenn der Glukosespiegel in der Zelle niedrig ist, befindet sich das organische Molekül Cyclic AMP in hoher Konzentration., Zyklischer AMP aktiviert CAP durch Bindung an die allosterischen Stellen, wodurch CAP am Lac Operon Promotor anhaftet. Im Gegensatz zu den Repressorproteinen stimuliert die Bindung von CAP an das Lac-Operon die Genexpression. Wenn die Glukosespiegel der Zelle ansteigen, nehmen die zyklischen AMP-Spiegel in der Zelle ab und das Aktivatorprotein wird vom Promotor getrennt. Die Transkription kehrt auf ein niedriges Niveau zurück oder schaltet sich aus, wenn das Repressorprotein wieder angehängt wird.
Die Abbildung zeigt das Lac-Operon und wie seine Genexpression sowohl unter positiver als auch unter negativer Kontrolle steht.,
Trp Operon
Das Trp Operon ist für die Synthese der Aminosäure Trytophan verantwortlich, wenn es in der Umwelt nicht verfügbar ist. Das Trp-Operon besteht aus einem Promotor mit einem Operator und fünf Genen, die Enzyme für die Tryptophansynthese kodieren. Das Trp-Operon wird durch das regulatorische Gen trpR reguliert, ein Gen, das sich in einem Abstand vom Trp-Operon befindet.
Das Trp-Operon ist ein Beispiel für ein repressibles Operon; es ist ein-oder ausgeschaltet durch ein Repressorprotein. Das Repressorprotein wird durch trpR synthetisiert., Während das Repressorprotein immer in der Zelle vorhanden ist, wird es in einer inaktiven Form synthetisiert. Wenn ein Corepressor vorhanden ist, in diesem Fall Tryptophan, bindet er an das Repressorprotein an einer allosterischen Stelle. Dies ändert die Konformation des Proteins so, dass es an den Operator binden und die Transkription blockieren kann, indem die Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor verhindert wird. Auf diese Weise spart die Zelle Energie, indem sie Tryptophan nicht produziert, wenn es bereits vorhanden ist.,
Die Abbildung zeigt das Trp-Operon mit dem Repressor-Gen, dem Promotor, Operator und fünf Tryptophan-synthetisierenden Genen.
>
1. Welche der folgenden Organismen enthält Operonen?
A. Hefe
B. Muscheln
C. Bäume
D. archaea
2. Wie wird der Lac Operon reguliert?
A., positive Kontrolle
B. negative Kontrolle
C. induzierbar
D. alle oben genannten
3. Sind repressible Operonen unter positiver oder negativer Kontrolle?
A. positiv
B., negativ