Espressione genica nei procarioti

I procarioti sono piccoli organismi viventi unicellulari. Sono uno dei due tipi di cellule comuni: procariote e eucariotico.

Da cellule procariotiche non hanno un nucleo o organelli, l'espressione genica avviene all'aperto citoplasma e tutte le fasi possono avvenire contemporaneamente. Sebbene i procarioti siano più semplici degli eucarioti, il controllo dell'espressione genica è ancora cruciale per il loro comportamento cellulare.

I due domini dei procarioti sono batteri e Archea. Entrambi mancano di un nucleo definito, ma hanno ancora un codice genetico e acidi nucleici. Sebbene non ci siano cromosomi complessi come quelli che vedresti nelle cellule eucariotiche, i procarioti hanno pezzi circolari di acido desossiribonucleico (DNA) situato nel nucleoide.

Tuttavia, non vi è alcuna membrana attorno al materiale genetico. In generale, i procarioti hanno meno sequenze non codificanti nel loro DNA rispetto agli eucarioti. Ciò può essere dovuto al fatto che le cellule procariotiche sono più piccole e hanno meno spazio per una molecola di DNA.

Il nucleoide è semplicemente la regione in cui il DNA vive nella cellula procariotica. Ha una forma irregolare e può variare di dimensioni. Inoltre, il nucleoide è attaccato alla membrana cellulare.

I procarioti possono anche avere DNA circolare chiamato plasmidi. È possibile che abbiano uno o più plasmidi in una cellula. Durante la divisione cellulare, i procarioti possono passare attraverso la sintesi del DNA e la separazione dei plasmidi.

Rispetto ai cromosomi negli eucarioti, i plasmidi tendono ad essere più piccoli e hanno meno DNA. Inoltre, i plasmidi possono replicarsi da soli senza altro DNA cellulare. Alcuni plasmidi portano i codici per geni non essenziali, come quelli che conferiscono ai batteri la loro resistenza agli antibiotici.

In alcuni casi, i plasmidi sono anche in grado di spostarsi da una cellula all'altra e condividere informazioni come la resistenza agli antibiotici.

L'espressione genica è il processo attraverso il quale la cellula traduce il codice genetico in amminoacidi per la produzione di proteine. A differenza degli eucarioti, i due stadi principali, che sono la trascrizione e la traduzione, possono avvenire contemporaneamente nei procarioti.

Durante la trascrizione, la cellula traduce il DNA in a RNA messaggero (mRNA) molecola. Durante la traduzione, la cellula produce gli amminoacidi dall'mRNA. Gli amminoacidi costituiranno le proteine.

Tutti e due trascrizione e traduzione succede nei procarioti citoplasma. Avendo entrambi i processi che avvengono contemporaneamente, la cellula può produrre una grande quantità di proteine ​​dallo stesso modello di DNA. Se la cellula non ha più bisogno della proteina, la trascrizione può interrompersi.

L'obiettivo della trascrizione è creare un complemento acido ribonucleico (RNA) da uno stampo di DNA. Il processo ha tre parti: inizio, allungamento della catena e terminazione.

Affinché si verifichi la fase di iniziazione, il DNA deve prima svolgersi e l'area in cui ciò accade è il bolla di trascrizione.

Nei batteri troverai la stessa RNA polimerasi responsabile di tutta la trascrizione. Questo enzima ha quattro subunità. A differenza degli eucarioti, i procarioti non hanno fattori di trascrizione.

La trascrizione inizia quando il DNA si svolge e la RNA polimerasi si lega ad a promotore. Un promotore è una sequenza di DNA speciale che esiste all'inizio di un gene specifico.

Nei batteri, il promotore ha due sequenze: -10 e -35 elementi. L'elemento -10 è dove il DNA di solito si svolge e si trova a 10 nucleotidi dal sito di inizio. L'elemento -35 è 35 nucleotidi dal sito.

L'RNA polimerasi si basa su un filamento di DNA come modello mentre costruisce un nuovo filamento di RNA chiamato trascritto dell'RNA. Il filamento di RNA risultante o il trascritto primario è quasi lo stesso del filamento di DNA non modello o codificante. L'unica differenza è che tutte le basi di timina (T) sono basi di uracile (U) nell'RNA.

Durante la fase di allungamento della catena della trascrizione, l'RNA polimerasi si muove lungo il filamento stampo del DNA e forma una molecola di mRNA. Il filamento di RNA si allunga man mano che più nucleotidi sono aggiunti.

In sostanza, l'RNA polimerasi cammina lungo il supporto del DNA nella direzione da 3' a 5' per ottenere ciò. È importante notare che i batteri possono creare mRNA policistronici quel codice per più proteine.

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Durante la fase di conclusione della trascrizione, il processo si interrompe. Esistono due tipi di fasi di terminazione nei procarioti: terminazione Rho-dipendente e terminazione Rho-indipendente.

Nel Terminazione Rho-dipendente, uno speciale fattore proteico chiamato Rho interrompe la trascrizione e la interrompe. Il fattore proteico Rho si lega al filamento di RNA in uno specifico sito di legame. Quindi, si muove lungo il filamento per raggiungere la RNA polimerasi nella bolla di trascrizione.

Successivamente, Rho separa il nuovo filamento di RNA e il modello di DNA, quindi la trascrizione termina. L'RNA polimerasi smette di muoversi perché raggiunge una sequenza codificante che è il punto di arresto della trascrizione.

Nel Terminazione Rho-indipendente, la molecola di RNA fa un'ansa e si stacca. L'RNA polimerasi raggiunge una sequenza di DNA sul filamento stampo che è il terminatore e ha molti nucleotidi di citosina (C) e guanina (G). Il nuovo filamento di RNA inizia a piegarsi a forma di forcina. I suoi nucleotidi C e G si legano. Questo processo impedisce alla RNA polimerasi di muoversi.

La traduzione crea a molecola proteica o polipeptide basato sul modello di RNA creato durante la trascrizione. Nei batteri, la traduzione può avvenire immediatamente e talvolta inizia durante la trascrizione. Ciò è possibile perché i procarioti non hanno membrane nucleari o organelli per separare i processi.

Negli eucarioti le cose sono diverse perché la trascrizione avviene nel nucleo e la traduzione è nel citosol, o fluido intracellulare, della cellula. Un eucariote utilizza anche mRNA maturo, che viene elaborato prima della traduzione.

Un altro motivo per cui la traduzione e la trascrizione possono avvenire contemporaneamente nei batteri è che l'RNA non ha bisogno dell'elaborazione speciale osservata negli eucarioti. L'RNA batterico è pronto per la traduzione immediatamente.

Il filamento di mRNA ha gruppi di nucleotidi chiamati codoni. Ogni codone ha tre nucleotidi e codici per una specifica sequenza di amminoacidi. Sebbene ci siano solo 20 amminoacidi, le cellule hanno 61 codoni per gli amminoacidi e tre codoni di stop. AUG è il codone di inizio e inizia la traduzione. Codifica anche per l'aminoacido metionina.

Durante la traduzione, il filamento di mRNA funge da modello per la produzione di amminoacidi che diventano proteine. La cellula decodifica l'mRNA per farlo.

L'iniziazione richiede trasferimento di RNA (tRNA), un ribosoma e mRNA. Ogni molecola di tRNA ha un anticodone per un amminoacido. L'anticodone è complementare al codone. Nei batteri, il processo inizia quando una piccola unità ribosomiale si attacca all'mRNA a Sequenza Shine-Dalgarno.

La sequenza Shine-Dalgarno è una speciale area di legame ribosomiale sia nei batteri che negli archei. Di solito lo vedi a circa otto nucleotidi dal codone di inizio AUG.

Poiché i geni batterici possono avere la trascrizione in gruppi, un mRNA può codificare per molti geni. La sequenza Shine-Dalgarno rende più facile trovare il codone di inizio.

Durante l'allungamento, la catena degli amminoacidi si allunga. I tRNA aggiungono amminoacidi per formare la catena polipeptidica. Un tRNA inizia a lavorare nel P sito, che è una parte centrale di ribosoma.

Accanto al sito P c'è il Un sito. Un tRNA che corrisponde al codone può andare al sito A. Quindi, si può formare un legame peptidico tra gli amminoacidi. Il ribosoma si muove lungo l'mRNA e gli amminoacidi formano una catena.

La terminazione avviene a causa di un codone di stop. Quando un codone di stop entra nel sito A, il processo di traduzione si interrompe perché il codone di stop non ha un tRNA complementare. proteine ​​chiamate fattori di rilascio che si inseriscono nel sito P possono riconoscere i codoni di stop e prevenire la formazione di legami peptidici.

Questo accade perché i fattori di rilascio possono rendere enzimi aggiungere una molecola d'acqua, che separa la catena dal tRNA.

Quando prendi degli antibiotici per curare un'infezione, potrebbero funzionare interrompendo il processo di traduzione nei batteri. L'obiettivo degli antibiotici è uccidere i batteri e impedire loro di riprodursi.

Un modo per farlo è influenzare i ribosomi nelle cellule batteriche. I farmaci possono interferire con la traduzione dell'mRNA o bloccare la capacità della cellula di creare legami peptidici. Gli antibiotici possono legarsi ai ribosomi.

Ad esempio, un tipo di antibiotico chiamato tetraciclina può entrare nella cellula batterica attraversando la membrana plasmatica e accumulandosi all'interno del citoplasma. Quindi, l'antibiotico può legarsi a un ribosoma e bloccare la traduzione.

Un altro antibiotico chiamato ciprofloxacina colpisce la cellula batterica prendendo di mira un enzima responsabile dello svolgimento del DNA per consentire la replicazione. In entrambi i casi, le cellule umane vengono risparmiate, il che consente alle persone di usare gli antibiotici senza uccidere le proprie cellule.

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Al termine della traduzione, alcune cellule continuano a elaborare le proteine. Modifiche post-traduzionali (PTM) delle proteine ​​consentono ai batteri di adattarsi al loro ambiente e di controllare il comportamento cellulare.

In generale, i PTM sono meno comuni nei procarioti rispetto agli eucarioti, ma alcuni organismi li hanno. I batteri possono modificare le proteine ​​e anche invertire i processi. Ciò conferisce loro una maggiore versatilità e consente loro di utilizzare la modifica delle proteine ​​per la regolazione.

Fosforilazione proteica è una modificazione comune nei batteri. Questo processo comporta l'aggiunta di un gruppo fosfato alla proteina, che ha atomi di fosforo e ossigeno. La fosforilazione è essenziale per la funzione delle proteine.

Tuttavia, la fosforilazione può essere temporanea perché è reversibile. Alcuni batteri possono utilizzare la fosforilazione come parte del processo per infettare altri organismi.

La fosforilazione che avviene sulle catene laterali degli amminoacidi serina, treonina e tirosina è chiamata Fosforilazione Ser/Thr/Tyr.

Oltre alle proteine ​​fosforilate, i batteri possono avere acetilato e glicosilata proteine. Possono anche avere metilazione, carbossilazione e altre modifiche. Queste modifiche svolgono un ruolo importante nella segnalazione cellulare, nella regolazione e in altri processi nei batteri.

Ad esempio, la fosforilazione Ser/Thr/Tyr aiuta i batteri a rispondere ai cambiamenti nel loro ambiente e ad aumentare le possibilità di sopravvivenza.

La ricerca mostra che i cambiamenti metabolici nella cellula sono associati alla fosforilazione Ser/Thr/Tyr, il che indica che i batteri possono rispondere al loro ambiente modificando i loro processi cellulari. Inoltre, le modifiche post-traduzionali li aiutano a reagire in modo rapido ed efficiente. La capacità di invertire qualsiasi modifica fornisce anche un controllo significativo.

Gli archaea utilizzano meccanismi di espressione genica più simili agli eucarioti. Sebbene gli archaea siano procarioti, hanno alcune cose in comune con gli eucarioti, come l'espressione genica e la regolazione genica. I processi di trascrizione e traduzione negli archaea hanno anche alcune somiglianze con i batteri.

Ad esempio, sia gli archaea che i batteri hanno la metionina come primo amminoacido e AUG come codone di inizio. D'altra parte, sia gli archaea che gli eucarioti hanno a scatola TATA, che è una sequenza di DNA nell'area del promotore che mostra dove decodificare il DNA.

La traduzione nell'archaea assomiglia al processo osservato nei batteri. Entrambi i tipi di organismi hanno ribosomi costituiti da due unità: le subunità 30S e 50S. Inoltre, entrambi hanno mRNA policistronici e sequenze Shine-Dalgarno.

Esistono molteplici somiglianze e differenze tra batteri, archaea ed eucarioti. Tuttavia, tutti si affidano a espressione genica e la regolazione genica per sopravvivere.