Geeniekspressioon prokarüootides

Sisu

• Geneetiline teave prokarüootides
• Geeniekspressiooni etapid
• Transkriptsioon bakterirakkudes
• Transkriptsioon: alustamise faas
• Transkriptsioon: pikenemise faas
• Transkriptsioon: lõpetamise faas
• Tõlge bakterirakkudes
• Tõlge: Algatamine
• Tõlge: Pikendus
• Tõlge: Lõpetamine
• Tõlge ja antibiootikumid
• Tõlkejärgne valgu töötlemine
• Valkude fosforüülimine
• Valkude atsetüülimine ja glükosüülimine
• Geeniekspressioon Archaeas

Prokarüootid on väikesed üherakulised elusorganismid. Need on üks kahest levinumast rakutüübist: prokarüootiline ja eukarüootne.

Kuna prokarüootsetel rakkudel puudub tuum ega organellid, toimub geeniekspressioon avatud tsütoplasmas ja kõik etapid võivad toimuda üheaegselt. Ehkki prokarüootid on lihtsamad kui eukarüootid, on geeniekspressiooni kontrollimine nende rakulise käitumise jaoks siiski ülioluline.

Geneetiline teave prokarüootides

Prokarüootide kaks domeeni on bakterid ja Archaea. Mõlemal puudub määratletud tuum, kuid neil on siiski geneetiline kood ja nukleiinhapped. Kuigi puuduvad sellised keerukad kromosoomid nagu need, mida te eukarüootsetes rakkudes näeksite, on prokarüootidel ümmargused desoksüribonukleiinhappe (DNA) tükid, mis asuvad nukleoidis.

Geneetilise materjali ümber ei ole aga membraani. Üldiselt on prokarüootide DNAs vähem kodeerimata järjestusi kui eukarüootidel. See võib olla tingitud sellest, et prokarüootsed rakud on väiksemad ja neil on DNA molekuli jaoks vähem ruumi.

nukleoid on lihtsalt piirkond, kus DNA elab prokarüootses rakus. Sellel on ebakorrapärane kuju ja suurus võib varieeruda. Lisaks kinnitatakse nukleoid rakumembraanile.

Prokarüootidel võib olla ka ümmargune DNA, mida nimetatakse plasmiidid. Neil võib rakus olla üks või mitu plasmiidi. Rakkude jagunemise ajal võivad prokarüootid läbida DNA sünteesi ja plasmiidide eraldamise.

Võrreldes eukarüootide kromosoomidega, kipuvad plasmiidid olema väiksemad ja neil on vähem DNA-d. Lisaks saavad plasmiidid iseseisvalt paljuneda ilma teise rakulise DNAta. Mõned plasmiidid kannavad ebaoluliste geenide koode, näiteks need, mis annavad bakteritele nende antibiootikumiresistentsuse.

Teatud juhtudel on plasmiidid võimelised liikuma ka ühest rakust teise ja jagama sellist teavet nagu antibiootikumiresistentsus.

Geeniekspressiooni etapid

Geeniekspressioon on protsess, mille käigus rakk muundab geneetilise koodi aminohapeteks valgu tootmiseks. Erinevalt eukarüootidest võivad prokarüootides aset leida kaks peamist etappi, st transkriptsioon ja translatsioon.

Transkriptsiooni ajal teisendab rakk DNA Messenger RNA (mRNA) molekuliks. Translatsiooni ajal teeb rakk mRNA-st aminohappeid. Aminohapped moodustavad valgud.

Prokarüootides toimub nii transkriptsioon kui ka tõlge tsütoplasma. Kui mõlemad protsessid toimuvad samal ajal, saab rakk toota samast DNA matriitsist suures koguses valku. Kui rakk ei vaja enam valku, võib transkriptsioon peatuda.

Transkriptsioon bakterirakkudes

Transkriptsiooni eesmärk on luua DNA matriitsist komplementaarne ribonukleiinhappe (RNA) ahel. Protsess koosneb kolmest osast: initsieerimine, ahela pikendamine ja lõpetamine.

Initsiatsioonifaasi toimumiseks peab DNA kõigepealt lahti kerima ja piirkond, kus see juhtub, on transkriptsioonimull.

Bakterites leiate sama RNA polümeraasi, mis vastutab kogu transkriptsiooni eest. Sellel ensüümil on neli alaühikut. Erinevalt eukarüootidest puuduvad prokarüootidel transkriptsioonifaktorid.

Transkriptsioon: alustamise faas

Transkriptsioon algab siis, kui DNA lõdvestub ja RNA polümeraas seondub promootoriga. Promootor on spetsiaalne DNA järjestus, mis eksisteerib konkreetse geeni alguses.

Bakterites on promootoril kaks järjestust: -10 ja -35 elementi. Elemendis -10 kerib DNA tavaliselt lahti ja see asub initsiatsioonikohas 10 nukleotiidi kaugusel. Element -35 on kohast 35 nukleotiidi.

RNA polümeraas tugineb matriitsiks ühele DNA ahelale, kuna see ehitab RNA uue ahela, mida nimetatakse RNA transkriptsiooniks. Saadud RNA ahel või primaarne transkript on peaaegu sama kui matriitsita või kodeeriv DNA ahel. Ainus erinevus on see, et kõik tümiini (T) alused on RNA-s uratsiili (U) alused.

Transkriptsioon: pikenemise faas

Transkriptsiooni ahela pikendamise faasis liigub RNA polümeraas mööda DNA matriitsi ahelat ja moodustab mRNA molekuli. RNA ahel pikeneb, kui lisatakse rohkem nukleotiide.

Selle saavutamiseks kõnnib RNA polümeraas piki DNA alust 3 kuni 5 suunas. Oluline on märkida, et bakterid võivad neid luua polütsistroonilised mRNA-d see kood mitme valgu jaoks.

••• Teadmine

Transkriptsioon: lõpetamise faas

Transkriptsiooni lõppfaasis protsess peatub. Prokarüootides on kahte tüüpi terminatsioonifaase: Rho-sõltuv terminatsioon ja Rho-sõltumatu terminatsioon.

Sisse Rho-sõltuv lõpetamine, katkestab transkriptsiooni ja lõpetab selle spetsiaalne valgufaktor nimega Rho. Rho valgufaktor kinnitub RNA ahelale spetsiifilises seondumiskohas. Seejärel liigub see mööda ahelat, et jõuda RNA polümeraasini transkriptsioonimullis.

Järgmisena tõmbab Rho lahti uue RNA ahela ja DNA matriitsi, nii et transkriptsioon lõpeb. RNA polümeraas lakkab liikumast, kuna see jõuab kodeeriva järjestuseni, mis on transkriptsiooni peatuspunkt.

Sisse Rho-iseseisev lõpetamine, moodustab RNA molekul silmuse ja eraldub. RNA polümeraas jõuab DNA järjestuseni matriitsiahelal, mis on terminaator ja millel on palju tsütosiini (C) ja guaniini (G) nukleotiide. Uus RNA ahel hakkab voldima juuksenõela kuju. Selle C- ja G-nukleotiidid seonduvad. See protsess peatab RNA polümeraasi liikumise.

Tõlge bakterirakkudes

Translatsioon loob transkriptsiooni käigus loodud RNA matriitsi põhjal valgu molekuli või polüpeptiidi. Bakterites võib translatsioon toimuda kohe ja mõnikord algab see transkriptsiooni ajal. See on võimalik, kuna prokarüootidel puuduvad tuumamembraanid ega organellid protsesside eraldamiseks.

Eukarüootides on asjad teisiti, kuna transkriptsioon toimub tuumas ja translatsioon toimub tuumas tsütosoolvõi rakusisene vedelik. Eukarüoot kasutab ka küpset mRNA-d, mida enne translatsiooni töödeldakse.

Teine põhjus, miks translatsioon ja transkriptsioon võivad bakterites toimuda samal ajal, on see, et RNA ei vaja eukarüootides nähtud spetsiaalset töötlemist. Bakteriaalne RNA on kohe translatsiooniks valmis.

MRNA ahelas on nukleotiidide rühmad, mida nimetatakse koodonid. Igal koodonil on kolm nukleotiidi ja need koodivad konkreetset aminohappejärjestust. Ehkki aminohappeid on ainult 20, on rakkudes aminohappeid 61 koodonit ja kolm stoppkoodonit. AUG on stardikoodon ja algab tõlkimine. See kodeerib ka aminohapet metioniini.

Tõlge: Algatamine

Translatsiooni ajal toimib mRNA ahel matriitsina valkudeks muutuvate aminohapete valmistamiseks. Rakk dekodeerib selle saavutamiseks mRNA.

Initsiatsioon nõuab RNA (tRNA), ribosoomi ja mRNA ülekandmist. Igal tRNA molekulil on antikoodon aminohappe jaoks. Antikoodon täiendab koodonit. Bakterites algab protsess siis, kui väike ribosoomne ühik kinnitub mRNA-le punktis Shine-Dalgarno jada.

Shine-Dalgarno järjestus on spetsiaalne ribosoomi sidumisala nii bakterites kui ka arhaea piirkonnas. Tavaliselt näete seda umbes kaheksa nukleotiidi kaugusel lähtekoodonist AUG.

Kuna bakteriaalsete geenide transkriptsioon võib toimuda rühmades, võib üks mRNA kodeerida paljusid geene. Shine-Dalgarno jada muudab lähtekoodoni leidmise lihtsamaks.

Tõlge: Pikendus

Pikenemise ajal muutub aminohapete ahel pikemaks. TRNA-d lisavad polüpeptiidahela moodustamiseks aminohappeid. TRNA alustab tööd P sait, mis on ribosoomi keskmine osa.

P-saidi kõrval on Sait. TRNA, mis sobib koodoniga, võib minna A-saidile. Seejärel võib aminohapete vahel moodustuda peptiidside. Ribosoom liigub mööda mRNA-d ja aminohapped moodustavad ahela.

Tõlge: Lõpetamine

Lõpetamine toimub stoppkoodoni tõttu. Kui stoppkoodon siseneb A-saiti, peatub translatsiooniprotsess, kuna stoppkoodonil puudub täiendav tRNA. Valgud kutsusid vabanemistegurid mis sobivad P-saidiga, suudavad ära tunda stoppkoodonid ja takistada peptiidsidemete moodustumist.

See juhtub seetõttu, et vabastamisfaktorid võivad ensüümidele lisada veemolekuli, mis muudab ahela tRNA-st eralduma.

Tõlge ja antibiootikumid

Kui võtate mõnda infektsiooni raviks antibiootikume, võivad need toimida, häirides bakterites translatsiooniprotsessi. Antibiootikumide eesmärk on tappa bakterid ja peatada nende paljunemine.

Üks viis, kuidas nad seda saavutavad, on bakterirakkude ribosoomide mõjutamine. Ravimid võivad häirida mRNA translatsiooni või blokeerida raku võimet moodustada peptiidsidemeid. Antibiootikumid võivad ribosoomidega seonduda.

Näiteks võib ühte tüüpi antibiootikum nimega tetratsükliin siseneda bakterirakku, läbides plasmamembraani ja kogunedes tsütoplasmasse. Seejärel võib antibiootikum seonduda ribosoomi ja blokeerida translatsiooni.

Teine antibiootikum nimega tsiprofloksatsiin mõjutab bakterirakku, sihtes ensüümi, mis vastutab DNA lahtiütlemise eest, et võimaldada replikatsiooni. Mõlemal juhul on inimese rakud säästlikud, mis võimaldab inimestel kasutada antibiootikume ilma oma rakke tapmata.

Seotud teema: mitmerakulised organismid

Tõlkejärgne valgu töötlemine

Pärast translatsiooni lõppu jätkavad mõned rakud valkude töötlemist. Tõlkejärgsed modifikatsioonid (PTM) valgud võimaldavad bakteritel kohaneda oma keskkonnaga ja kontrollida rakkude käitumist.

Üldiselt on PTM-id prokarüootides vähem levinud kui eukarüootid, kuid mõnel organismil on neid. Bakterid võivad ka valke modifitseerida ja protsesse ka ümber pöörata. See annab neile suurema mitmekülgsuse ja võimaldab neil kasutada valgu modifitseerimist regulatsiooniks.

Valkude fosforüülimine

Valgu fosforüülimine on bakterites tavaline modifikatsioon. See protsess hõlmab fosfaatrühma lisamist valku, milles on fosfori- ja hapnikuaatomid. Fosforüülimine on valgu funktsioneerimiseks hädavajalik.

Fosforüülimine võib siiski olla ajutine, kuna see on pöörduv. Mõned bakterid võivad kasutada fosforüülimist protsessi osana teiste organismide nakatamiseks.

Fosforüülimist, mis toimub seriini, treoniini ja türosiini aminohapete külgahelates, nimetatakse Ser / Thr / Tyr fosforüülimine.

Valkude atsetüülimine ja glükosüülimine

Lisaks fosforüülitud valkudele võivad bakterid olla ka atsetüülitud ja glükosüülitud valgud. Neil võib olla ka metüleerimine, karboksüülimine ja muud modifikatsioonid. Need modifikatsioonid mängivad olulist rolli rakkude signalisatsioonis, regulatsioonis ja muudes protsessides bakterites.

Näiteks Ser / Thr / Tyr fosforüülimine aitab bakteritel reageerida muutustele nende keskkonnas ja suurendab ellujäämise võimalusi.

Uuringud näitavad, et raku metaboolsed muutused on seotud Ser / Thr / Tyr fosforüülimisega, mis näitab, et bakterid saavad oma keskkonnale reageerida, muutes nende rakuprotsesse. Lisaks aitavad tõlkejärgsed muudatused reageerida kiiresti ja tõhusalt. Võimalus muudatusi tagasi pöörata annab ka olulise kontrolli.

Geeniekspressioon Archaeas

Archaea kasutab geeniekspressioonimehhanisme, mis sarnanevad eukarüootidega. Ehkki arhaea on prokarüootid, on neil eukarüootidega mõnda ühist, näiteks geeniekspressioon ja geeniregulatsioon. Arhaea transkriptsiooni ja translatsiooni protsessidel on ka teatud sarnasusi bakteritega.

Näiteks nii arhaea kui ka bakterites on esimese aminohappena metioniin ja stardikoodonina AUG. Teisest küljest on nii arhaea kui ka eukarüootidel a TATA lahter, mis on promootori piirkonnas DNA järjestus, mis näitab, kus DNA dekodeerida.

Tõlge arhaas meenutab bakterites täheldatud protsessi. Mõlemat tüüpi organismidel on ribosoomid, mis koosnevad kahest ühikust: 30S ja 50S subühikud. Lisaks on neil mõlemal polütsüstroonseid mRNA-sid ja Shine-Dalgarno järjestusi.

Bakterite, arhaea ja eukarüootide vahel on mitmeid sarnasusi ja erinevusi. Kuid nad kõik sõltuvad ellujäämiseks geeniekspressioonist ja geeniregulatsioonist.