Έκφραση γονιδίου στους Προκαρυώτες

Οι προκαρυωτικοί είναι μικροί, μονοκύτταροι ζωντανοί οργανισμοί. Είναι ένας από τους δύο κοινούς τύπους κυττάρων: προκαρυωτικός και ευκαρυωτικός.

Από προκαρυωτικά κύτταρα δεν έχουν πυρήνα ή οργανίδια, η γονιδιακή έκφραση συμβαίνει στο ύπαιθρο κυτόπλασμα και όλα τα στάδια μπορούν να συμβούν ταυτόχρονα. Αν και τα προκαρυωτικά είναι απλούστερα από τα ευκαρυωτικά, ο έλεγχος της γονιδιακής έκφρασης εξακολουθεί να είναι ζωτικής σημασίας για την κυτταρική τους συμπεριφορά.

Οι δύο τομείς των προκαρυωτικών είναι Βακτήρια και Αρχαία. Και οι δύο δεν έχουν καθορισμένο πυρήνα, αλλά εξακολουθούν να έχουν γενετικό κώδικα και νουκλεϊκά οξέα. Αν και δεν υπάρχουν πολύπλοκα χρωμοσώματα όπως αυτά που θα δείτε στα ευκαρυωτικά κύτταρα, οι προκαρυωτικοί έχουν κυκλικά κομμάτια δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος (DNA) βρίσκεται στο νουκλεοειδές.

Ωστόσο, δεν υπάρχει μεμβράνη γύρω από το γενετικό υλικό. Γενικά, οι προκαρυώτες έχουν λιγότερες μη κωδικοποιητικές αλληλουχίες στο DNA τους σε σύγκριση με τους ευκαρυωτικούς. Αυτό μπορεί να οφείλεται στο ότι τα προκαρυωτικά κύτταρα είναι μικρότερα και έχουν λιγότερο χώρο για ένα μόριο DNA.

ο νουκλεοειδές είναι απλώς η περιοχή όπου ζει το DNA στο προκαρυωτικό κύτταρο. Έχει ακανόνιστο σχήμα και μπορεί να ποικίλει σε μέγεθος. Επιπλέον, το νουκλεοειδές συνδέεται με την κυτταρική μεμβράνη.

Τα προκαρυωτικά μπορούν επίσης να έχουν κυκλικό DNA πλασμίδια. Είναι πιθανό να έχουν ένα ή περισσότερα πλασμίδια σε ένα κύτταρο. Κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης, τα προκαρυωτικά μπορούν να περάσουν από τη σύνθεση DNA και τον διαχωρισμό των πλασμιδίων.

Σε σύγκριση με τα χρωμοσώματα των ευκαρυωτικών, τα πλασμίδια τείνουν να είναι μικρότερα και έχουν λιγότερο DNA. Επιπλέον, τα πλασμίδια μπορούν να αναπαραχθούν μόνα τους χωρίς άλλο κυτταρικό DNA. Ορισμένα πλασμίδια φέρουν τους κωδικούς για μη απαραίτητα γονίδια, όπως αυτά που δίνουν στα βακτήρια την αντοχή τους στα αντιβιοτικά.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα πλασμίδια μπορούν επίσης να μετακινούνται από το ένα κύτταρο στο άλλο κύτταρο και να μοιράζονται πληροφορίες όπως η αντοχή στα αντιβιοτικά.

Η γονιδιακή έκφραση είναι η διαδικασία μέσω της οποίας το κύτταρο μεταφράζει τον γενετικό κώδικα σε αμινοξέα για παραγωγή πρωτεϊνών. Σε αντίθεση με τους ευκαρυώτες, τα δύο κύρια στάδια, που είναι η μεταγραφή και η μετάφραση, μπορούν να συμβούν ταυτόχρονα στους προκαρυώτες.

Κατά τη μεταγραφή, το κύτταρο μεταφράζει το DNA σε α messenger RNA (mRNA) μόριο. Κατά τη διάρκεια της μετάφρασης, το κύτταρο παράγει τα αμινοξέα από το mRNA. Τα αμινοξέα θα συνθέσουν τις πρωτεΐνες.

Και τα δυο μεταγραφή και μετάφραση συμβαίνει στους προκαρυώτες κυτόπλασμα. Με την πραγματοποίηση και των δύο διεργασιών ταυτόχρονα, το κύτταρο μπορεί να παράγει μεγάλη ποσότητα πρωτεΐνης από το ίδιο πρότυπο DNA. Εάν το κύτταρο δεν χρειάζεται πλέον την πρωτεΐνη, τότε η μεταγραφή μπορεί να σταματήσει.

Ο στόχος της μεταγραφής είναι να δημιουργήσει μια συμπληρωματική ριβονουκλεϊκό οξύ (RNA) κλώνος από ένα πρότυπο DNA. Η διαδικασία έχει τρία μέρη: έναρξη, επιμήκυνση της αλυσίδας και τερματισμός.

Για να συμβεί η φάση έναρξης, το DNA πρέπει να ξεκουραστεί πρώτα και η περιοχή όπου συμβαίνει αυτό είναι το φούσκα μεταγραφής.

Στα βακτήρια, θα βρείτε την ίδια πολυμεράση RNA υπεύθυνη για όλες τις μεταγραφές. Αυτό το ένζυμο έχει τέσσερις υπομονάδες. Σε αντίθεση με τους ευκαρυώτες, οι προκαρυωτικοί δεν έχουν μεταγραφικούς παράγοντες.

Η μεταγραφή ξεκινά όταν το DNA ξετυλίγεται και η πολυμεράση RNA συνδέεται με το α υποστηρικτής. Ένας προαγωγέας είναι μια ειδική αλληλουχία DNA που υπάρχει στην αρχή ενός συγκεκριμένου γονιδίου.

Στα βακτήρια, ο υποκινητής έχει δύο αλληλουχίες: -10 και -35 στοιχεία. Το στοιχείο -10 είναι όπου το DNA ξετυλίγεται συνήθως και βρίσκεται 10 νουκλεοτίδια από τη θέση έναρξης. Το στοιχείο -35 είναι 35 νουκλεοτίδια από την τοποθεσία.

Η πολυμεράση RNA βασίζεται σε έναν κλώνο DNA για να είναι το πρότυπο καθώς δημιουργεί ένα νέο κλώνο RNA που ονομάζεται μεταγραφή RNA. Το προκύπτον κλώνο RNA ή το πρωτεύον αντίγραφο είναι σχεδόν το ίδιο με το κλώνο DNA χωρίς πρότυπο ή κωδικοποίησης. Η μόνη διαφορά είναι ότι όλες οι βάσεις θυμίνης (Τ) είναι βάσεις ουρακίλης (U) στο RNA.

Κατά τη διάρκεια της φάσης επιμήκυνσης της αλυσίδας της μεταγραφής, η πολυμεράση RNA κινείται κατά μήκος του κλώνου DNA και δημιουργεί ένα μόριο mRNA. Το σκέλος RNA μεγαλώνει όσο περισσότερο νουκλεοτίδια προστίθενται.

Ουσιαστικά, η πολυμεράση RNA περπατά κατά μήκος της βάσης του DNA στην κατεύθυνση 3 'έως 5' για να το επιτύχει. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι τα βακτήρια μπορούν να δημιουργήσουν πολυιστρονικά mRNA που κωδικοποιεί πολλαπλές πρωτεΐνες.

•••Επιστήμη

Κατά τη φάση τερματισμού της μεταγραφής, η διαδικασία σταματά. Υπάρχουν δύο τύποι φάσεων τερματισμού στα προκαρυωτικά: τερματισμός εξαρτώμενος από Rho και τερματισμός ανεξάρτητος από Rho.

Σε Τερματισμός εξαρτώμενος από το Rho, ένας ειδικός πρωτεϊνικός παράγοντας που ονομάζεται Rho διακόπτει τη μεταγραφή και τερματίζει. Ο παράγοντας Rho πρωτεΐνης προσκολλάται στον κλώνο RNA σε συγκεκριμένη θέση σύνδεσης. Στη συνέχεια, κινείται κατά μήκος του κλώνου για να φθάσει στην πολυμεράση RNA στη φούσκα μεταγραφής.

Στη συνέχεια, ο Rho διαχωρίζει το νέο κλώνο RNA και το πρότυπο DNA, έτσι η μεταγραφή τελειώνει. Η πολυμεράση RNA σταματά να κινείται επειδή φθάνει σε μια κωδικοποιητική αλληλουχία που είναι το σημείο διακοπής της μεταγραφής.

Σε Τερματισμός ανεξάρτητος από Rho, το μόριο RNA δημιουργεί έναν βρόχο και αποσπάται. Η πολυμεράση RNA φθάνει σε μια αλληλουχία DNA στον κλώνο μήτρας που είναι ο τερματιστής και έχει πολλά νουκλεοτίδια κυτοσίνης (C) και γουανίνης (G). Το νέο σκέλος RNA αρχίζει να αναδιπλώνεται σε σχήμα φουρκέτας. Τα νουκλεοτίδια C και G δεσμεύονται. Αυτή η διαδικασία εμποδίζει την κίνηση της πολυμεράσης RNA.

Η μετάφραση δημιουργεί ένα μόριο πρωτεΐνης ή πολυπεπτίδιο με βάση το πρότυπο RNA που δημιουργήθηκε κατά τη μεταγραφή. Στα βακτήρια, η μετάφραση μπορεί να συμβεί αμέσως και μερικές φορές ξεκινά κατά τη μεταγραφή. Αυτό είναι δυνατό επειδή τα προκαρυωτικά δεν έχουν πυρηνικές μεμβράνες ή οργανίδια για να διαχωρίσουν τις διαδικασίες.

Στα ευκαρυωτικά, τα πράγματα είναι διαφορετικά επειδή η μεταγραφή συμβαίνει στον πυρήνα και η μετάφραση γίνεται στο κυτοσόληή ενδοκυτταρικό υγρό του κυττάρου. Ένας ευκαρυώτης χρησιμοποιεί επίσης ώριμο mRNA, το οποίο υποβάλλεται σε επεξεργασία πριν από τη μετάφραση.

Ένας άλλος λόγος για τον οποίο η μετάφραση και η μεταγραφή μπορούν να συμβούν ταυτόχρονα στα βακτήρια είναι ότι το RNA δεν χρειάζεται την ειδική επεξεργασία που παρατηρείται στα ευκαρυωτικά. Το βακτηριακό RNA είναι έτοιμο για μετάφραση αμέσως.

Ο κλώνος mRNA έχει ομάδες νουκλεοτιδίων που ονομάζονται κωδικόνια. Κάθε κωδικόνιο έχει τρία νουκλεοτίδια και κωδικοποιεί μια συγκεκριμένη αλληλουχία αμινοξέων. Αν και υπάρχουν μόνο 20 αμινοξέα, τα κύτταρα έχουν 61 κωδικόνια για αμινοξέα και τρία κωδικόνια διακοπής. Το AUG είναι το κωδικόνιο έναρξης και ξεκινά τη μετάφραση. Επίσης κωδικοποιεί το αμινοξύ μεθειονίνη.

Κατά τη διάρκεια της μετάφρασης, ο κλώνος mRNA δρα ως πρότυπο για την παραγωγή αμινοξέων που γίνονται πρωτεΐνες. Το κελί αποκωδικοποιεί το mRNA για να το επιτύχει.

Η έναρξη απαιτεί μεταφορά RNA (tRNA), ένα ριβόσωμα και mRNA. Κάθε μόριο tRNA έχει ένα αντίκωδο για ένα αμινοξύ. Το αντίκωτο είναι συμπληρωματικό του κωδικονίου. Στα βακτήρια, η διαδικασία ξεκινά όταν μια μικρή ριβοσωμική μονάδα προσκολλάται στο mRNA στο a Shine-Dalgarno ακολουθία.

Η ακολουθία Shine-Dalgarno είναι μια ειδική περιοχή δέσμευσης ριβοσωμάτων τόσο στα βακτήρια όσο και στην αρχαία. Συνήθως το βλέπετε περίπου οκτώ νουκλεοτίδια από το κωδικόνιο έναρξης AUG.

Εφόσον τα βακτηριακά γονίδια μπορεί να έχουν μεταγραφή σε ομάδες, ένα mRNA μπορεί να κωδικοποιεί πολλά γονίδια. Η ακολουθία Shine-Dalgarno διευκολύνει την εύρεση του κωδικού έναρξης.

Κατά την επιμήκυνση, η αλυσίδα των αμινοξέων γίνεται μεγαλύτερη. Τα tRNAs προσθέτουν αμινοξέα για να φτιάξουν την πολυπεπτιδική αλυσίδα. Ένα tRNA αρχίζει να λειτουργεί στο Ιστοσελίδα P, το οποίο είναι ένα μεσαίο τμήμα του ριβόσωμα.

Δίπλα στον ιστότοπο P βρίσκεται το Μία ιστοσελίδα. Ένα tRNA που ταιριάζει με το κωδικόνιο μπορεί να μεταβεί στον ιστότοπο Α. Στη συνέχεια, ένας πεπτιδικός δεσμός μπορεί να σχηματιστεί μεταξύ των αμινοξέων. Το ριβόσωμα κινείται κατά μήκος του mRNA και τα αμινοξέα σχηματίζουν μια αλυσίδα.

Ο τερματισμός συμβαίνει εξαιτίας ενός κωδικονίου διακοπής. Όταν ένα κωδικόνιο διακοπής εισέρχεται στην τοποθεσία Α, η διαδικασία μετάφρασης σταματά επειδή το κωδικόνιο διακοπής δεν έχει συμπληρωματικό tRNA. Οι πρωτεΐνες κάλεσαν παράγοντες απελευθέρωσης που ταιριάζουν στην τοποθεσία Ρ μπορούν να αναγνωρίσουν τα κωδικόνια διακοπής και να αποτρέψουν το σχηματισμό πεπτιδικών δεσμών.

Αυτό συμβαίνει επειδή μπορούν να δημιουργήσουν οι παράγοντες απελευθέρωσης ένζυμα Προσθέστε ένα μόριο νερού, το οποίο καθιστά την αλυσίδα ξεχωριστή από το tRNA.

Όταν παίρνετε μερικά αντιβιοτικά για τη θεραπεία μιας λοίμωξης, μπορεί να λειτουργούν διακόπτοντας τη διαδικασία μετάφρασης στα βακτήρια. Ο στόχος των αντιβιοτικών είναι να σκοτώσουν τα βακτήρια και να τα εμποδίσουν να αναπαραχθούν.

Ένας τρόπος για να το επιτύχουν αυτό είναι να επηρεάσουν τα ριβοσώματα στα βακτηριακά κύτταρα. Τα φάρμακα μπορούν να επηρεάσουν τη μετάφραση του mRNA ή να εμποδίσουν την ικανότητα του κυττάρου να δημιουργεί πεπτιδικούς δεσμούς. Τα αντιβιοτικά μπορούν να συνδεθούν με τα ριβοσώματα.

Για παράδειγμα, ένας τύπος αντιβιοτικού που ονομάζεται τετρακυκλίνη μπορεί να εισέλθει στο βακτηριακό κύτταρο διασχίζοντας τη μεμβράνη του πλάσματος και συσσωρεύοντας μέσα στο κυτταρόπλασμα. Στη συνέχεια, το αντιβιοτικό μπορεί να συνδεθεί με ένα ριβόσωμα και να εμποδίσει τη μετάφραση.

Ένα άλλο αντιβιοτικό που ονομάζεται σιπροφλοξασίνη επηρεάζει το βακτηριακό κύτταρο στοχεύοντας ένα ένζυμο που είναι υπεύθυνο για το ξετύλιγμα του DNA για να επιτρέψει την αντιγραφή. Και στις δύο περιπτώσεις, τα ανθρώπινα κύτταρα γλιτώνονται, κάτι που επιτρέπει στους ανθρώπους να χρησιμοποιούν αντιβιοτικά χωρίς να σκοτώνουν τα δικά τους κύτταρα.

Σχετικό θέμα:πολυκυτταρικοί οργανισμοί

Αφού τελειώσει η μετάφραση, ορισμένα κύτταρα συνεχίζουν την επεξεργασία των πρωτεϊνών. Μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις (PTM) πρωτεϊνών επιτρέπουν στα βακτήρια να προσαρμοστούν στο περιβάλλον τους και να ελέγξουν την κυτταρική συμπεριφορά.

Σε γενικές γραμμές, τα PTM είναι λιγότερο κοινά στα προκαρυωτικά από τα ευκαρυωτικά, αλλά ορισμένοι οργανισμοί τα έχουν. Τα βακτήρια μπορούν επίσης να τροποποιήσουν τις πρωτεΐνες και να αντιστρέψουν τις διαδικασίες. Αυτό τους δίνει μεγαλύτερη ευελιξία και τους επιτρέπει να χρησιμοποιούν τροποποίηση πρωτεϊνών για ρύθμιση.

Πρωτεϊνική φωσφορυλίωση είναι μια κοινή τροποποίηση στα βακτήρια. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει την προσθήκη μιας φωσφορικής ομάδας στην πρωτεΐνη, η οποία έχει άτομα φωσφόρου και οξυγόνου. Η φωσφορυλίωση είναι απαραίτητη για τη λειτουργία των πρωτεϊνών.

Ωστόσο, η φωσφορυλίωση μπορεί να είναι προσωρινή επειδή είναι αναστρέψιμη. Ορισμένα βακτήρια μπορούν να χρησιμοποιήσουν τη φωσφορυλίωση ως μέρος της διαδικασίας για τη μόλυνση άλλων οργανισμών.

Η φωσφορυλίωση που εμφανίζεται στις πλευρικές αλυσίδες σερίνης, θρεονίνης και τυροσίνης αμινοξέων ονομάζεται Φωσφορυλίωση Ser / Thr / Tyr.

Εκτός από τις φωσφορυλιωμένες πρωτεΐνες, τα βακτήρια μπορούν να έχουν ακετυλιωμένο και γλυκοσυλιωμένο πρωτεΐνες. Μπορούν επίσης να έχουν μεθυλίωση, καρβοξυλίωση και άλλες τροποποιήσεις. Αυτές οι τροποποιήσεις παίζουν σημαντικό ρόλο στην κυτταρική σηματοδότηση, ρύθμιση και άλλες διαδικασίες στα βακτήρια.

Για παράδειγμα, η φωσφορυλίωση Ser / Thr / Tyr βοηθά τα βακτήρια να ανταποκριθούν στις αλλαγές στο περιβάλλον τους και να αυξήσουν τις πιθανότητες επιβίωσης.

Η έρευνα δείχνει ότι οι μεταβολικές αλλαγές στο κύτταρο σχετίζονται με τη φωσφορυλίωση Ser / Thr / Tyr, η οποία δείχνει ότι τα βακτήρια μπορούν να ανταποκριθούν στο περιβάλλον τους αλλάζοντας τις κυτταρικές διαδικασίες τους. Επιπλέον, οι μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις τους βοηθούν να αντιδρούν γρήγορα και αποτελεσματικά. Η ικανότητα αντιστροφής οποιωνδήποτε αλλαγών παρέχει επίσης σημαντικό έλεγχο.

Η Archaea χρησιμοποιεί μηχανισμούς έκφρασης γονιδίων που μοιάζουν περισσότερο με τους ευκαρυωτικούς. Αν και τα αρχαία είναι προκαρυωτικά, έχουν κάποια κοινά πράγματα με τους ευκαρυωτικούς, όπως η γονιδιακή έκφραση και η γονιδιακή ρύθμιση. Οι διαδικασίες μεταγραφής και μετάφρασης στην αρχαία έχουν επίσης κάποιες ομοιότητες με τα βακτήρια.

Για παράδειγμα, τόσο η αρχαία όσο και τα βακτήρια έχουν μεθειονίνη ως το πρώτο αμινοξύ και AUG ως κωδικόνιο έναρξης. Από την άλλη πλευρά, τόσο η αρχαία όσο και η ευκαρυωτική έχουν Κουτί TATA, η οποία είναι μια αλληλουχία DNA στην περιοχή του υποκινητή που δείχνει πού να αποκωδικοποιήσει το DNA.

Η μετάφραση στην αρχαία μοιάζει με τη διαδικασία που παρατηρείται στα βακτήρια. Και οι δύο τύποι οργανισμών έχουν ριβοσώματα που αποτελούνται από δύο μονάδες: τις υπομονάδες 30S και 50S. Επιπλέον, και οι δύο έχουν πολυκιστρονικά mRNA και Shine-Dalgarno αλληλουχίες.

Υπάρχουν πολλές ομοιότητες και διαφορές μεταξύ βακτηρίων, αρχαίων και ευκαρυωτικών. Ωστόσο, όλοι βασίζονται γονιδιακή έκφραση και γονιδιακή ρύθμιση για να επιβιώσει.