Оперон – это функциональная единица, которая находится в геноме прокариот и включает в себя цистроны (единицы транскрипции), которые кодируют последовательно работающие белки одним или несколькими промоторами.
Оперон в биологии
Оперон позволяет эффективно регулировать транскрипцию генов.
Концепция работы оперона была разработана в 1961 году Жакобом Моно, а также Львовым, которые стали лауреатами Нобелевской премии. По количеству цисторонов опероны могут быть:
- моноцистронные;
- полицистронные;
- олигоцистронные.
Примером оперонной организации генома прокариот может служить триптофановый или лактозный, а также пиримидиновый опероны.
Любой оперон начинается и заканчивается специализированной регуляторной областью или протмотором и терминатором.
Кроме вышеобозначенных исследований проводились различные исследования и эксперименты, которые позволили существенно дополнить концепцию. Ж Моно и подтвердить, что оперённая регуляция на уровне транскрипции представляет собой основной механизм регуляции активность генов прокариот и ряда вирусов.
Оперон включает в себя:
- структурные гены;
- регуляторные элементы (их нельзя путать с генами – регуляторами).
Роль оперонов в биосинтезе белков и аминокислот
Структурные гены кодируют белки, которые последовательно осуществляют этапы биосинтеза какого – либо вещества. Такой ген может быть один или несколько. Эти гены тесно сцепляются друг с другом и в ходе транскрипции они работают как единый ген. Они синтезируют молекулу и – РНК, которая расщепляется на несколько побочных молекул и – РНК, которые соответствуют отдельным генам.
Регуляторными элементами в ходе вышеуказанного процесса являются:
- промотор или участок, связывающий фермент, реализующий транскрипцию ДНК и РНК – полимеразу. Промотор является местом начала процесса транскрипции.
- оператор является участком связывания регуляторного белка;
- терминатор является участком оперона, сигнализирующего об окончании процесса транскрипции.
Работу оператора данного оперона контролирует специализированный ген – регулятор, который синтезирует регуляторный белок. Один регулятор может иметь собственный промотор и терминатор.
Регуляторные белки могут быть двух типов:
- белки репрессоры;
- белки – активаторы.
Оба типа белков могут весьма быстро присоединяться к специфическим нуклеотидным последовательностям ДНК оператора и препятствовать транскрипции генов, либо способствовать ей. Таким образом, проявляется негативная и позитивная регуляция. Механизмы подобных регуляций имеют противоположный характер.
Кроме того, на работу белков-репрессоров могут влиять вещества — эффекторы: соединяясь с репрессором, они влияют на его взаимодействие с оператором.
Опероны также имеются у эукариот, но им свойственен ряд особенностей. В частности, оперон эукариот:
- имеет лишь один структурный ген, в отличие от прокариот;
- содержит только один ген, но прочие гены разбрасываются по хромосоме или разным хромосомам;
- состоит из чередующихся друг с другом экзонов и интронов. Транскрипция позволяет вчитываться как экзонам, так и интронам. В последствии в ходе процессинга происходит вырезание интронов (сплайсинг).
Механизмы регуляции активности отдельных генов генома эукариот весьма сложны, и их рассмотрение является предметом многочисленных биологических исследований.
Лактозный оперон кишечной палочки – это группа генов, которая контролирует синтез ферментов, которые реализуют метаболизм молочного сахара – лактозы.
Если в питательную среду кишечной палочки добавить лактозу, то мгновенно начинают вырабатываться три фермента: галактозидпермеаза, бета-галактозидаза, галактозидтрансацетилаза. При этом лактозный оперон начинается с регуляторного участка для присоединения белка активатора и для последующего присоединения РНК – полимеразы. За образованием оператора следует формирование структурных генов для трех вышеупомянутых ферментов.
Белок – регулятор в незначительном количестве синтезируется в клетке на постоянной основе, но в цитоплазме присутствует не более 10 – ти подобных молекул. В отсутствие лактозы белок-репрессор связывается с операторным участком и препятствует продвижению по ДНК РНК-полимеразы: не синтезируется мРНК, не синтезируются и ферменты.
Триптофановый оперон препятствует присоединению белка – репрессора к оператору при формировании нового варианта регуляции. Если в первом вышеописанном случае соединение индуктора с белком – регулятором разрешало процесс транскрипции, то в данном случае этот процесс будет полностью запрещен.
Примером подобной регуляции может служить достаточно хорошо изученный триптофановый оперон кишечной палочки. В его составе присутствует 5 структурных генов, которые позволяют создать структурные гены для формирования незаменимой аминокислоты триптофана.
Репрессор синтезируется вне триптофанового оперона. В то время, когда клетка успевает полностью израсходовать весь созданный триптофан работает оперон, а синтез триптофана продолжается в полной мере. Если в клетке создаётся ситуация избыток триптофана, то он соединяется с репрессором и меняет его конфигурацию, чтобы действующий белок мог связаться с оператором. Комплекс репрессора с триптофаном взаимодействует с оператором и препятствует транскрипции структурных генов, вследствие чего синтез триптофана прекращается.
Если в клетке триптофан репрессор лишился способности связаться с оператором, то запускается процесс структурной транскрипции генов оперона, и итоговый синтез клеточного триптофана. Другой уровень регуляции триптофанового оперона включает аттенуацию — тонкую подстройку количества продукта в зависимости от концентрации присутствующего триптофана.
Таким образом, опероны позволяют регулировать процессы биологического синтеза белка и дают возможность сделать данный процесс более конкретным и обоснованным, выявить его временные рамки и способы запуска.
