Genexpression in Prokaryoten

Prokaryoten sind kleine, einzellige Lebewesen. Sie sind einer von zwei gängigen Zelltypen: prokaryotisch und eukaryotische.

Schon seit Prokaryotische Zellen keinen Kern oder Organellen haben, die Genexpression findet im Freien statt Zytoplasma und alle Phasen können gleichzeitig passieren. Obwohl Prokaryoten einfacher sind als Eukaryoten, ist die Kontrolle der Genexpression für ihr zelluläres Verhalten immer noch entscheidend.

Die beiden Domänen von Prokaryoten sind Bakterien und Archaeen. Beiden fehlt ein definierter Kern, aber sie haben noch einen genetischen Code und Nukleinsäuren. Obwohl es keine komplexen Chromosomen gibt, wie man sie in eukaryotischen Zellen sehen würde, haben Prokaryonten kreisförmige Stücke von Desoxyribonukleinsäure (DNA) befindet sich im Nukleoid.

Es gibt jedoch keine Membran um das genetische Material. Im Allgemeinen haben Prokaryonten im Vergleich zu Eukaryonten weniger nicht-kodierende Sequenzen in ihrer DNA. Dies kann daran liegen, dass prokaryontische Zellen kleiner sind und weniger Platz für ein DNA-Molekül haben.

Das Nukleoid ist einfach die Region, in der die DNA in der prokaryontischen Zelle lebt. Es hat eine unregelmäßige Form und kann in der Größe variieren. Außerdem ist das Nukleoid an der Zellmembran befestigt.

Prokaryoten können auch zirkuläre DNA namens. haben Plasmide. Es ist möglich, dass sie ein oder mehrere Plasmide in einer Zelle haben. Während der Zellteilung können Prokaryonten eine DNA-Synthese und die Trennung von Plasmiden durchlaufen.

Im Vergleich zu den Chromosomen in Eukaryoten sind Plasmide tendenziell kleiner und haben weniger DNA. Darüber hinaus können sich Plasmide ohne andere zelluläre DNA selbst replizieren. Einige Plasmide tragen die Codes für nicht-essentielle Gene, beispielsweise solche, die Bakterien ihre Antibiotikaresistenz verleihen.

In bestimmten Fällen können sich Plasmide auch von einer Zelle zur anderen bewegen und Informationen wie Antibiotikaresistenzen austauschen.

Genexpression ist der Prozess, bei dem die Zelle den genetischen Code in Aminosäuren für die Proteinproduktion übersetzt. Anders als bei Eukaryoten können bei Prokaryoten die beiden Hauptstadien Transkription und Translation gleichzeitig ablaufen.

Während der Transkription übersetzt die Zelle DNA in a Boten-RNA (mRNA) Molekül. Während der Translation stellt die Zelle die Aminosäuren aus der mRNA her. Die Aminosäuren bilden die Proteine.

Beide Transkription und Übersetzung passieren in den prokaryoten Zytoplasma. Indem beide Prozesse gleichzeitig ablaufen, kann die Zelle eine große Menge Protein aus derselben DNA-Matrize herstellen. Wenn die Zelle das Protein nicht mehr benötigt, kann die Transkription gestoppt werden.

Das Ziel der Transkription ist es, ein komplementäres Ribonukleinsäure (RNA)-Strang aus einer DNA-Vorlage. Der Prozess besteht aus drei Teilen: Initiierung, Kettenverlängerung und Beendigung.

Damit die Initiationsphase stattfinden kann, muss sich die DNA zuerst abwickeln und der Bereich, in dem dies geschieht, ist der Transkriptionsblase.

In Bakterien finden Sie dieselbe RNA-Polymerase, die für die gesamte Transkription verantwortlich ist. Dieses Enzym hat vier Untereinheiten. Im Gegensatz zu Eukaryoten besitzen Prokaryoten keine Transkriptionsfaktoren.

Die Transkription beginnt, wenn sich die DNA abwickelt und die RNA-Polymerase an a. bindet Promoter. Ein Promotor ist eine spezielle DNA-Sequenz, die am Anfang eines bestimmten Gens steht.

In Bakterien hat der Promotor zwei Sequenzen: -10 und -35 Elemente. Das -10-Element ist der Ort, an dem sich die DNA normalerweise abwickelt, und befindet sich 10 Nukleotide von der Initiationsstelle entfernt. Das Element -35 ist 35 Nukleotide von der Stelle entfernt.

Die RNA-Polymerase verlässt sich auf einen DNA-Strang als Matrize, während sie einen neuen RNA-Strang bildet, der als RNA-Transkript bezeichnet wird. Der resultierende RNA-Strang oder das primäre Transkript ist fast das gleiche wie der Nicht-Templat- oder kodierende DNA-Strang. Der einzige Unterschied besteht darin, dass alle Thymin(T)-Basen in der RNA Uracil(U)-Basen sind.

Während der Kettenverlängerungsphase der Transkription bewegt sich die RNA-Polymerase entlang des DNA-Matrizenstrangs und bildet ein mRNA-Molekül. Der RNA-Strang wird länger, je mehr Nukleotide sind hinzugefügt.

Um dies zu erreichen, läuft die RNA-Polymerase im Wesentlichen entlang des DNA-Ständers in 3' bis 5'-Richtung. Es ist wichtig zu beachten, dass Bakterien produzieren können polycistronische mRNAs die für mehrere Proteine ​​kodieren.

•••Wissenschaft

Während der Terminationsphase der Transkription stoppt der Prozess. Bei Prokaryoten gibt es zwei Arten von Terminationsphasen: Rho-abhängige Termination und Rho-unabhängige Termination.

Im Rho-abhängige Kündigung, ein spezieller Proteinfaktor namens Rho unterbricht die Transkription und beendet sie. Der Rho-Proteinfaktor bindet an einer spezifischen Bindungsstelle an den RNA-Strang. Dann bewegt es sich entlang des Strangs, um die RNA-Polymerase in der Transkriptionsblase zu erreichen.

Als nächstes zieht Rho den neuen RNA-Strang und die DNA-Matrize auseinander, sodass die Transkription endet. Die RNA-Polymerase hört auf, sich zu bewegen, weil sie eine kodierende Sequenz erreicht, die der Transkriptionsstopppunkt ist.

Im Rho-unabhängige Terminierung, bildet das RNA-Molekül eine Schleife und löst sich. Die RNA-Polymerase erreicht eine DNA-Sequenz auf dem Matrizenstrang, die den Terminator darstellt und viele Cytosin (C)- und Guanin (G)-Nukleotide aufweist. Der neue RNA-Strang beginnt sich in eine Haarnadelform zu falten. Seine C- und G-Nukleotide binden. Dieser Prozess stoppt die RNA-Polymerase an der Bewegung.

Übersetzung erzeugt a Proteinmolekül oder Polypeptid basierend auf der während der Transkription erzeugten RNA-Matrize. Bei Bakterien kann die Translation sofort erfolgen, und manchmal beginnt sie während der Transkription. Dies ist möglich, weil Prokaryonten keine Kernmembranen oder Organellen besitzen, um die Prozesse zu trennen.

Bei Eukaryoten sind die Dinge anders, weil die Transkription im Zellkern stattfindet und die Translation im Zytosoloder intrazelluläre Flüssigkeit der Zelle. Ein Eukaryont verwendet auch reife mRNA, die vor der Translation prozessiert wird.

Ein weiterer Grund, warum Translation und Transkription in Bakterien gleichzeitig stattfinden können, ist, dass die RNA nicht die spezielle Verarbeitung wie bei Eukaryoten benötigt. Die bakterielle RNA ist sofort zur Translation bereit.

Der mRNA-Strang weist Nukleotidgruppen auf, die als bezeichnet werden Codons. Jedes Codon hat drei Nukleotide und kodiert für eine spezifische Aminosäuresequenz. Obwohl es nur 20 Aminosäuren gibt, haben Zellen 61 Codons für Aminosäuren und drei Stoppcodons. AUG ist das Startcodon und beginnt mit der Translation. Es kodiert auch für die Aminosäure Methionin.

Während der Translation fungiert der mRNA-Strang als Vorlage für die Herstellung von Aminosäuren, die zu Proteinen werden. Dazu entschlüsselt die Zelle die mRNA.

Initiierung erfordert Transfer-RNA (tRNA), ein Ribosom und mRNA. Jedes tRNA-Molekül hat einen Anticodon für eine Aminosäure. Das Anticodon ist komplementär zum Codon. In Bakterien beginnt der Prozess, wenn sich eine kleine ribosomale Einheit an der mRNA an einer Shine-Dalgarno-Sequenz.

Die Shine-Dalgarno-Sequenz ist ein spezieller ribosomaler Bindungsbereich sowohl in Bakterien als auch in Archaeen. Sie sehen es normalerweise etwa acht Nukleotide vom Startcodon AUG entfernt.

Da bakterielle Gene in Gruppen transkribiert werden können, kann eine mRNA für viele Gene kodieren. Die Shine-Dalgarno-Sequenz erleichtert das Auffinden des Startcodons.

Während der Elongation wird die Aminosäurekette länger. Die tRNAs fügen Aminosäuren hinzu, um die Polypeptidkette zu bilden. Eine tRNA beginnt im in P-Site, das ist ein mittlerer Teil der Ribosom.

Neben der P-Site befindet sich die Eine Seite. Eine tRNA, die dem Codon entspricht, kann zur A-Stelle gehen. Zwischen den Aminosäuren kann sich dann eine Peptidbindung ausbilden. Das Ribosom bewegt sich entlang der mRNA und die Aminosäuren bilden eine Kette.

Die Termination erfolgt aufgrund eines Stoppcodons. Wenn ein Stopcodon in die A-Stelle eintritt, stoppt der Translationsprozess, da das Stopcodon keine komplementäre tRNA besitzt. Proteine ​​genannt Freisetzungsfaktoren die in die P-Stelle passen, können die Stoppcodons erkennen und die Bildung von Peptidbindungen verhindern.

Dies geschieht, weil die Freisetzungsfaktoren dazu führen können Enzyme fügen Sie ein Wassermolekül hinzu, das die Kette von der tRNA trennt.

Wenn Sie Antibiotika zur Behandlung einer Infektion einnehmen, können sie den Translationsprozess in Bakterien stören. Das Ziel von Antibiotika ist es, die Bakterien abzutöten und ihre Vermehrung zu stoppen.

Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, die Ribosomen in Bakterienzellen zu beeinflussen. Die Medikamente können die mRNA-Translation stören oder die Fähigkeit der Zelle blockieren, Peptidbindungen einzugehen. Antibiotika können an die Ribosomen binden.

Zum Beispiel kann eine Art von Antibiotikum namens Tetracyclin in die Bakterienzelle eindringen, indem es die Plasmamembran durchquert und sich im Zytoplasma ansammelt. Dann kann das Antibiotikum an ein Ribosom binden und die Translation blockieren.

Ein anderes Antibiotikum namens Ciprofloxacin beeinflusst die Bakterienzelle, indem es auf ein Enzym abzielt, das für das Abwickeln der DNA verantwortlich ist, um die Replikation zu ermöglichen. In beiden Fällen werden menschliche Zellen geschont, was es den Menschen ermöglicht, Antibiotika zu verwenden, ohne ihre eigenen Zellen abzutöten.

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Nachdem die Translation beendet ist, verarbeiten einige Zellen die Proteine ​​weiter. Posttranslationale Modifikationen (PTMs) von Proteinen ermöglichen es Bakterien, sich an ihre Umgebung anzupassen und das Zellverhalten zu kontrollieren.

Im Allgemeinen sind PTMs bei Prokaryoten weniger verbreitet als bei Eukaryoten, aber einige Organismen haben sie. Bakterien können Proteine ​​modifizieren und die Prozesse auch umkehren. Dies gibt ihnen mehr Vielseitigkeit und ermöglicht es ihnen, Proteinmodifikationen zur Regulierung zu nutzen.

Proteinphosphorylierung ist eine häufige Modifikation bei Bakterien. Bei diesem Prozess wird dem Protein, das Phosphor- und Sauerstoffatome enthält, eine Phosphatgruppe hinzugefügt. Phosphorylierung ist essentiell für die Proteinfunktion.

Die Phosphorylierung kann jedoch vorübergehend sein, da sie reversibel ist. Einige Bakterien können Phosphorylierung als Teil des Prozesses verwenden, um andere Organismen zu infizieren.

Phosphorylierung, die an den Aminosäureseitenketten von Serin, Threonin und Tyrosin auftritt, wird als. bezeichnet Ser/Thr/Tyr-Phosphorylierung.

Neben phosphorylierten Proteinen können Bakterien acetyliert und glykosyliert Proteine. Sie können auch Methylierung, Carboxylierung und andere Modifikationen aufweisen. Diese Modifikationen spielen eine wichtige Rolle bei der Zellsignalübertragung, -regulation und anderen Prozessen in Bakterien.

Beispielsweise hilft die Ser/Thr/Tyr-Phosphorylierung Bakterien, auf Veränderungen in ihrer Umgebung zu reagieren und die Überlebenschancen zu erhöhen.

Die Forschung zeigt, dass metabolische Veränderungen in der Zelle mit der Ser/Thr/Tyr-Phosphorylierung verbunden sind, was darauf hindeutet, dass Bakterien auf ihre Umgebung reagieren können, indem sie ihre zellulären Prozesse verändern. Darüber hinaus helfen ihnen posttranslationale Modifikationen, schnell und effizient zu reagieren. Die Möglichkeit, Änderungen rückgängig zu machen, bietet auch eine erhebliche Kontrolle.

Archaea verwenden Genexpressionsmechanismen, die Eukaryoten ähnlicher sind. Obwohl Archaeen Prokaryoten sind, haben sie einige Gemeinsamkeiten mit Eukaryoten, wie Genexpression und Genregulation. Die Transkriptions- und Translationsprozesse bei Archaeen haben auch einige Ähnlichkeiten mit Bakterien.

Sowohl Archaeen als auch Bakterien haben beispielsweise Methionin als erste Aminosäure und AUG als Startcodon. Auf der anderen Seite haben sowohl Archaeen als auch Eukaryoten a TATA-Box, das ist eine DNA-Sequenz im Promotorbereich, die zeigt, wo die DNA zu entschlüsseln ist.

Die Translation in Archaeen ähnelt dem Prozess, der bei Bakterien beobachtet wird. Beide Arten von Organismen haben Ribosomen, die aus zwei Einheiten bestehen: den Untereinheiten 30S und 50S. Darüber hinaus weisen sie beide polycistronische mRNAs und Shine-Dalgarno-Sequenzen auf.

Es gibt zahlreiche Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Bakterien, Archaeen und Eukaryoten. Sie alle verlassen sich jedoch auf Genexpression und Genregulation, um zu überleben.