ביטוי גנים בפרוקריוטים

פרוקריוטים הם אורגניזמים חיים חד תאיים. הם אחד משני סוגי התאים הנפוצים: פרוקריוטי ו אוקריוטי.

מאז תאים פרוקריוטיים אין גרעין או אברונים, ביטוי גנים קורה בשטח פתוח ציטופלזמה וכל השלבים יכולים לקרות בו זמנית. למרות שפרוקריוטים פשוטים יותר מאאוקריוטים, השליטה בביטוי גנים עדיין חיונית להתנהגותם הסלולרית.

שני התחומים של פרוקריוטים הם בַּקטֶרִיָה ו ארכאה. לשניהם חסר גרעין מוגדר, אך עדיין יש להם קוד גנטי וחומצות גרעין. למרות שאין כרומוזומים מורכבים כמו אלה שתראו בתאים אוקריוטיים, לפרוקריוטים יש חלקים עגולים של חומצה דאוקסיריבונוקלאית (DNA) ממוקם בגרעין.

עם זאת, אין קרום סביב החומר הגנטי. באופן כללי, לפרוקריוטים יש פחות רצפים שאינם מקודדים ב- DNA שלהם בהשוואה לאוקריוטים. זה יכול להיות בגלל תאים פרוקריוטים קטנים יותר ויש להם פחות מקום למולקולת DNA.

ה נוקלאואיד הוא פשוט האזור שבו ה- DNA חי בתא הפרוקריוטי. יש לו צורה לא סדירה והוא יכול להשתנות בגודלו. בנוסף, הגרעין מחובר לקרום התא.

לפרוקריוטים יכול להיות גם DNA מעגלי שנקרא פלסמידים. ייתכן שיהיה להם פלסמיד אחד או יותר בתא. במהלך חלוקת התאים פרוקריוטים יכולים לעבור סינתזת DNA והפרדת פלסמידים.

בהשוואה לכרומוזומים באיקריוטים, פלסמידים נוטים להיות קטנים יותר ובעלי פחות DNA. בנוסף, פלסמידים יכולים להשתכפל בכוחות עצמם ללא DNA תאי אחר. חלק מהפלסמידים נושאים את הקודים של גנים שאינם בעלי חשיבות, כמו אלה המעניקים לחיידקים את עמידותם לאנטיביוטיקה.

במקרים מסוימים, פלסמידים מסוגלים גם לעבור מתא אחד לתא אחר ולשתף מידע כמו עמידות לאנטיביוטיקה.

ביטוי גנים הוא התהליך בו התא מתרגם את הקוד הגנטי לחומצות אמינו לייצור חלבונים. שלא כמו באיקריוטים, שני השלבים העיקריים, שהם תמלול ותרגום, יכולים לקרות במקביל בפרוקריוטים.

במהלך השעתוק התא מתרגם DNA ל- a שליח RNA (mRNA) מולקולה. במהלך התרגום, התא מייצר את חומצות האמינו מה- mRNA. חומצות האמינו ירכיבו את החלבונים.

שניהם תַעֲתוּק ו תִרגוּם לקרות בפרוקריוט ציטופלזמה. על ידי כך ששני התהליכים מתרחשים בו זמנית, התא יכול להכין כמות גדולה של חלבון מאותה תבנית DNA. אם התא אינו זקוק יותר לחלבון, הרי שעתוק יכול להיפסק.

מטרת התמלול היא ליצור משלים חומצה ריבונוקלאית גדיל (RNA) מתבנית DNA. לתהליך שלושה חלקים: התחלה, התארכות השרשרת והפסקה.

על מנת ששלב החניכה יתרחש, ה- DNA צריך להירגע תחילה והאזור בו זה קורה הוא ה- בועת תמלול.

בחיידקים תמצאו את אותו פולימראז RNA האחראי על כל התעתיק. לאנזים זה יש ארבע יחידות משנה. בניגוד לאקריוטים, לפרוקריוטים אין גורמי תעתיק.

תעתיק מתחיל כאשר ה- DNA מתפרק ו- RNA פולימראז נקשר ל- a מְקַדֵם. מקדם הוא רצף DNA מיוחד שקיים בתחילתו של גן ספציפי.

בחיידקים, האמרגן כולל שני רצפים: -10 ו -35 אלמנטים. האלמנט -10 הוא המקום שבו ה- DNA בדרך כלל מתפרק, והוא ממוקם 10 נוקלאוטידים מאתר ההתחלה. האלמנט -35 נמצא 35 נוקלאוטידים מהאתר.

RNA פולימראז מסתמך על גדיל DNA אחד כדי להיות התבנית שכן הוא בונה גדיל חדש של RNA הנקרא תעתיק RNA. גדיל ה- RNA שנוצר או תעתיק ראשוני כמעט זהה לגדיל ה- DNA שאינו תבנית או מקודד. ההבדל היחיד הוא שכל בסיסי התימין (T) הם בסיסי uracil (U) ב- RNA.

במהלך שלב התארכות השרשרת של תעתיק, RNA פולימראז נע לאורך גדיל תבנית ה- DNA ויוצר מולקולת mRNA. גדיל ה- RNA מתארך ככל שיותר נוקלאוטידים מתווספים.

בעיקרו של דבר, RNA פולימראז הולך לאורך דוכן ה- DNA בכיוון 3 'עד 5' כדי להשיג זאת. חשוב לציין שחיידקים יכולים ליצור mRNAs פוליסיסטרוניים קוד זה למספר חלבונים.

•••מדע

בשלב סיום התמלול, התהליך נעצר. ישנם שני סוגים של שלבי סיום בפרוקריוטים: סיום תלוי ב- Rho וסיום עצמאי ב- Rho.

ב סיום תלוי רו, גורם חלבון מיוחד הנקרא Rho קוטע את התעתיק ומסיים אותו. גורם החלבון Rho מתחבר לחוט ה- RNA באתר קשירה ספציפי. לאחר מכן, הוא נע לאורך הגדיל כדי להגיע לפולימראז RNA בבועת התעתיק.

לאחר מכן, רו מפרק את הקו החדש של ה- RNA ואת תבנית ה- DNA, כך שהשיעתוק מסתיים. RNA פולימראז מפסיק לנוע מכיוון שהוא מגיע לרצף קידוד שהוא נקודת העצירה של התעתיק.

ב סיום בלתי תלוי ב- Rho, מולקולת ה- RNA יוצרת לולאה ומתנתקת. פולימראז ה- RNA מגיע לרצף DNA בגדיל התבנית המהווה את הטרמינאטור ובו נוקלאוטידים רבים של ציטוזין (C) וגואנין (G) גדיל ה- RNA החדש מתחיל להתקפל לצורת סיכת ראש. נוקלאוטידים C ו- G נקשרים. תהליך זה מונע את תנועת הפולימראז של ה- RNA.

תרגום יוצר a מולקולת חלבון או פוליפפטיד המבוסס על תבנית ה- RNA שנוצרה במהלך השעתוק. אצל חיידקים, התרגום יכול לקרות מיד, ולפעמים זה מתחיל במהלך תמלול. זה אפשרי מכיוון שלפרוקריוטים אין קרומים גרעיניים או אברונים כלשהם כדי להפריד בין התהליכים.

באיקריוטים הדברים שונים מכיוון שתעתיק מתרחש בגרעין, והתרגום הוא ב ציטוזול, או נוזל תוך-תאי, של התא. אוקריוטה משתמש גם ב- mRNA בוגר, אשר מעובד לפני התרגום.

סיבה נוספת מדוע תרגום ושעתוק יכולים להתרחש במקביל בחיידקים היא שה- RNA אינו זקוק לעיבוד המיוחד הנראה באאוקריוטים. ה- RNA החיידקי מוכן לתרגום באופן מיידי.

בחוט ה- mRNA יש קבוצות של נוקלאוטידים הנקראים קודונים. לכל קודון שלושה נוקלאוטידים וקודים לרצף חומצות אמינו ספציפי. למרות שיש רק 20 חומצות אמינו, בתאים יש 61 קודונים לחומצות אמינו ושלוש קודונים להפסיק. AUG הוא קודון ההתחלה ומתחיל בתרגום. זה גם מקודד לחומצת האמינו מתיונין.

במהלך התרגום, גדיל ה- mRNA משמש כתבנית לייצור חומצות אמינו שהופכות לחלבונים. התא מפענח את ה- mRNA כדי להשיג זאת.

חניכה מחייבת העברת RNA (tRNA), ריבוזום ו- mRNA. לכל מולקולת tRNA יש אנטיקודון לחומצת אמינו. האנטיקודון משלים לקודון. בחיידקים, התהליך מתחיל כאשר יחידה ריבוזומלית קטנה מתחברת ל- mRNA ב- a רצף שיין-דלגרנו.

רצף הברק-דלגרנו הוא אזור קשירה ריבוזומלי מיוחד הן בחיידקים והן בארכיאאה. בדרך כלל אתה רואה את זה כשמונה נוקלאוטידים מקודון ההתחלה AUG.

מאחר וגנים חיידקיים עשויים לקיים תעתיק בקבוצות, mRNA אחד עשוי לקודד גנים רבים. הרצף Shine-Dalgarno מקל על מציאת קודון ההתחלה.

במהלך ההתארכות, שרשרת חומצות האמינו מתארכת. ה- tRNAs מוסיפים חומצות אמינו ליצירת שרשרת הפוליפפטיד. TRNA מתחיל לעבוד ב אתר P, שהוא חלק אמצעי של ריבוזום.

ליד אתר P נמצא ה- אתר. TRNA המתאים לקודון יכול לעבור לאתר A. ואז יכול להיווצר קשר פפטיד בין חומצות האמינו. הריבוזום נע לאורך ה- mRNA, וחומצות האמינו יוצרות שרשרת.

סיום קורה בגלל קודון עצירה. כאשר קודון עצירה נכנס לאתר A, תהליך התרגום נעצר מכיוון שבקודון העצירה אין tRNA משלים. חלבונים נקראים גורמי שחרור המתאימים לאתר P יכולים לזהות את קודני העצירה ולמנוע יצירת קשרי פפטיד.

זה קורה מכיוון שגורמי השחרור יכולים לגרום אנזימים הוסף מולקולת מים, מה שמבדיל את השרשרת מ- tRNA.

כאשר אתה לוקח כמה אנטיביוטיקה לטיפול בזיהום, הם עשויים לעבוד על ידי שיבוש תהליך התרגום לחיידקים. מטרת האנטיביוטיקה היא להרוג את החיידקים ולמנוע מהם להתרבות.

אחת הדרכים שהם משיגים זאת היא להשפיע על הריבוזומים בתאי החיידק. התרופות יכולות להפריע לתרגום ה- mRNA או לחסום את יכולתו של התא ליצור קשרי פפטיד. אנטיביוטיקה יכולה להיקשר לריבוזומים.

למשל, סוג אחד של אנטיביוטיקה בשם טטרציקלין יכול להיכנס לתא החיידקים על ידי חציית קרום הפלזמה והצטברות בתוך הציטופלזמה. לאחר מכן, האנטיביוטיקה יכולה להיקשר לריבוזום ולחסום תרגום.

אנטיביוטיקה אחרת בשם ציפרלקס משפיעה על תא החיידקים בכך שהיא מכוונת לאנזים האחראי על פירוק ה- DNA כדי לאפשר שכפול. בשני המקרים התאים האנושיים נחסכים מה שמאפשר לאנשים להשתמש באנטיביוטיקה מבלי להרוג את התאים שלהם.

נושא קשור:אורגניזמים רב תאיים

לאחר סיום התרגום, ישנם תאים הממשיכים לעבד את החלבונים. שינויים שלאחר התרגום (PTM) של חלבונים מאפשרים לחיידקים להסתגל לסביבתם ולשלוט בהתנהגות התאית.

באופן כללי, כספומטים נפוצים פחות בפרוקריוטים מאשר אוקריוטים, אך יש אורגניזמים שיש להם. חיידקים יכולים לשנות חלבונים ולהפוך גם את התהליכים. זה נותן להם יותר צדדיות ומאפשר להם להשתמש בשינוי חלבונים לצורך ויסות.

זרחון חלבונים הוא שינוי נפוץ בחיידקים. תהליך זה כולל הוספת קבוצת פוספט לחלבון, שיש בו אטומי זרחן וחמצן. זרחון חיוני לתפקוד החלבון.

עם זאת, זרחון יכול להיות זמני מכיוון שהוא הפיך. ישנם חיידקים שיכולים להשתמש בזרחן כחלק מהתהליך להדבקת אורגניזמים אחרים.

זרחון המתרחש על שרשראות הצד של חומצות אמינו בסרין, תראונין וטירוזין זרחון Ser / Thr / Tyr.

בנוסף לחלבונים זרחניים, חיידקים יכולים להיות מחומצן ו מסוכרר חלבונים. הם עשויים גם להיות מתילציה, קרבוקסילציה ושינויים אחרים. שינויים אלה ממלאים תפקיד חשוב באיתות תאים, ויסות ותהליכים אחרים בחיידקים.

למשל, זרחון Ser / Thr / Tyr מסייע לחיידקים להגיב לשינויים בסביבתם ולהגדיל את סיכויי ההישרדות.

מחקרים מראים כי שינויים מטבוליים בתא קשורים לזרחן Ser / Thr / Tyr, מה שמעיד על כך שחיידקים יכולים להגיב לסביבתם על ידי שינוי התהליכים הסלולריים שלהם. יתר על כן, שינויים שלאחר התרגום עוזרים להם להגיב במהירות וביעילות. היכולת להפוך כל שינוי מספקת גם שליטה משמעותית.

ארכיאה משתמשת במנגנוני ביטוי גנים הדומים יותר לאאוקריוטים. אף על פי שארכאים הם פרוקריוטים, יש להם דברים משותפים לאקריוטים, כמו ביטוי גנים ויסות גנים. לתהליכי התעתיק והתרגום בארכאה יש גם קווי דמיון עם חיידקים.

לדוגמא, גם בארכיאאה וגם לחיידקים יש מתיונין כחומצת האמינו הראשונה ו- AUG כקודון ההתחלה. מצד שני, גם לארכיאאה וגם לאיקריוטים יש תיבת TATA, שהוא רצף DNA באזור היזם שמראה היכן לפענח את ה- DNA.

תרגום בארכיא דומה לתהליך שנראה בחיידקים. לשני סוגי האורגניזמים ריבוזומים המורכבים משתי יחידות: יחידות ה- 30S ו- 50S. בנוסף, לשניהם יש mRNAs פוליציסטרוניים ורצפי שיין-דלגרנו.

ישנם דמיון והבדלים מרובים בין חיידקים, ארכיאות ואוקריוטים. עם זאת, כולם מסתמכים על ביטוי גנים ויסות גנים כדי לשרוד.