Genexpressie in prokaryoten

Prokaryoten zijn kleine eencellige levende organismen. Ze zijn een van de twee veelvoorkomende celtypen: prokaryotisch en eukaryoot.

Sinds prokaryotische cellen geen kern of organellen hebben, genexpressie gebeurt in de open lucht cytoplasma en alle fasen kunnen tegelijkertijd plaatsvinden. Hoewel prokaryoten eenvoudiger zijn dan eukaryoten, is het beheersen van genexpressie nog steeds cruciaal voor hun cellulaire gedrag.

De twee domeinen van prokaryoten zijn: bacteriën en Archaea. Beide missen een gedefinieerde kern, maar ze hebben nog steeds een genetische code en nucleïnezuren. Hoewel er geen complexe chromosomen zijn zoals je zou zien in eukaryote cellen, hebben prokaryoten ronde stukjes desoxyribonucleïnezuur (DNA) in de nucleoïde.

Er zit echter geen membraan om het genetisch materiaal. Over het algemeen hebben prokaryoten minder niet-coderende sequenties in hun DNA in vergelijking met eukaryoten. Dit kan te wijten zijn aan het feit dat prokaryotische cellen kleiner zijn en minder ruimte hebben voor een DNA-molecuul.

De nucleoïde is gewoon het gebied waar het DNA in de prokaryotische cel leeft. Het heeft een onregelmatige vorm en kan in grootte variëren. Bovendien is de nucleoïde gehecht aan het celmembraan.

Prokaryoten kunnen ook circulair DNA hebben, genaamd plasmiden. Het is mogelijk dat ze een of meer plasmiden in een cel hebben. Tijdens celdeling kunnen prokaryoten door DNA-synthese en de scheiding van plasmiden gaan.

Vergeleken met de chromosomen in eukaryoten, zijn plasmiden meestal kleiner en hebben ze minder DNA. Bovendien kunnen plasmiden zichzelf repliceren zonder ander cellulair DNA. Sommige plasmiden dragen de codes voor niet-essentiële genen, zoals genen die bacteriën hun antibioticaresistentie geven.

In bepaalde gevallen kunnen plasmiden ook van de ene cel naar de andere cel gaan en informatie delen, zoals antibioticaresistentie.

Genexpressie is het proces waardoor de cel de genetische code vertaalt in aminozuren voor eiwitproductie. Anders dan bij eukaryoten, kunnen de twee hoofdfasen, namelijk transcriptie en translatie, in prokaryoten tegelijkertijd plaatsvinden.

Tijdens transcriptie vertaalt de cel DNA in a boodschapper-RNA (mRNA) molecuul. Tijdens translatie maakt de cel de aminozuren uit het mRNA. De aminozuren zullen de eiwitten vormen.

Beide transcriptie en vertaling gebeuren in de prokaryoten cytoplasma. Door beide processen tegelijkertijd te laten plaatsvinden, kan de cel een grote hoeveelheid eiwit maken van hetzelfde DNA-template. Als de cel het eiwit niet meer nodig heeft, kan de transcriptie stoppen.

Het doel van transcriptie is het creëren van een complementaire ribonucleïnezuur (RNA) streng van een DNA-matrijs. Het proces bestaat uit drie delen: initiatie, ketenverlenging en beëindiging.

Om de initiatiefase te laten plaatsvinden, moet het DNA zich eerst afwikkelen en het gebied waar dit gebeurt is de transcriptie bubbel.

In bacteriën vind je hetzelfde RNA-polymerase dat verantwoordelijk is voor alle transcriptie. Dit enzym heeft vier subeenheden. In tegenstelling tot eukaryoten hebben prokaryoten geen transcriptiefactoren.

Transcriptie begint wanneer het DNA zich afwikkelt en RNA-polymerase bindt aan a promotor. Een promotor is een speciale DNA-sequentie die aan het begin van een specifiek gen bestaat.

In bacteriën heeft de promotor twee sequenties: -10 en -35 elementen. Het -10-element is waar het DNA zich gewoonlijk afwikkelt en het bevindt zich op 10 nucleotiden van de initiatieplaats. Het -35 element is 35 nucleotiden verwijderd van de plaats.

RNA-polymerase vertrouwt op één DNA-streng om de sjabloon te zijn, omdat het een nieuwe RNA-streng bouwt, het RNA-transcript. De resulterende RNA-streng of primaire transcript is bijna hetzelfde als de niet-sjabloon of coderende DNA-streng. Het enige verschil is dat alle thymine (T)-basen uracil (U)-basen in RNA zijn.

Tijdens de ketenverlengingsfase van transcriptie beweegt RNA-polymerase langs de DNA-matrijsstreng en maakt een mRNA-molecuul. De RNA-streng wordt langer naarmate meer nucleotiden zijn toegevoegd.

In wezen loopt RNA-polymerase langs de DNA-standaard in de richting van 3' naar 5' om dit te bereiken. Het is belangrijk op te merken dat bacteriën kunnen creëren polycistronische mRNA's die coderen voor meerdere eiwitten.

•••Wetenschap

Tijdens de beëindigingsfase van transcriptie stopt het proces. Er zijn twee soorten beëindigingsfasen in prokaryoten: Rho-afhankelijke beëindiging en Rho-onafhankelijke beëindiging.

In Rho-afhankelijke beëindiging, een speciale eiwitfactor genaamd Rho onderbreekt de transcriptie en beëindigt deze. De Rho-eiwitfactor hecht aan de RNA-streng op een specifieke bindingsplaats. Vervolgens beweegt het langs de streng om het RNA-polymerase in de transcriptiebel te bereiken.

Vervolgens trekt Rho de nieuwe RNA-streng en DNA-sjabloon uit elkaar, zodat de transcriptie stopt. RNA-polymerase stopt met bewegen omdat het een coderende sequentie bereikt die het transcriptiestoppunt is.

In Rho-onafhankelijke beëindiging, het RNA-molecuul maakt een lus en komt los. De RNA-polymerase bereikt een DNA-sequentie op de matrijsstreng die de terminator is en heeft veel cytosine (C) en guanine (G) nucleotiden. De nieuwe RNA-streng begint zich op te vouwen tot een haarspeldvorm. De C- en G-nucleotiden binden. Dit proces zorgt ervoor dat het RNA-polymerase niet meer beweegt.

Vertaling creëert een eiwit molecuul of polypeptide gebaseerd op de RNA-matrijs die tijdens transcriptie is gecreëerd. Bij bacteriën kan de translatie meteen gebeuren, en soms begint het al tijdens de transcriptie. Dit is mogelijk omdat prokaryoten geen kernmembranen of organellen hebben om de processen te scheiden.

Bij eukaryoten zijn de dingen anders omdat transcriptie plaatsvindt in de kern en translatie in de cytosolof intracellulaire vloeistof van de cel. Een eukaryoot gebruikt ook rijp mRNA, dat vóór translatie wordt verwerkt.

Een andere reden waarom translatie en transcriptie tegelijkertijd in bacteriën kunnen plaatsvinden, is dat het RNA niet de speciale verwerking nodig heeft die wordt gezien in eukaryoten. Het bacteriële RNA is direct klaar voor translatie.

De mRNA-streng heeft groepen nucleotiden genaamd codons. Elk codon heeft drie nucleotiden en codeert voor een specifieke aminozuursequentie. Hoewel er slechts 20 aminozuren zijn, hebben cellen 61 codons voor aminozuren en drie stopcodons. AUG is het startcodon en begint met translatie. Het codeert ook voor het aminozuur methionine.

Tijdens translatie fungeert de mRNA-streng als een sjabloon voor het maken van aminozuren die eiwitten worden. De cel decodeert het mRNA om dit te bereiken.

Initiatie vereist: overdracht RNA (tRNA), een ribosoom en mRNA. Elk tRNA-molecuul heeft een anticodon voor een aminozuur. Het anticodon is complementair aan het codon. In bacteriën begint het proces wanneer een kleine ribosomale eenheid aan het mRNA hecht op a Shine-Dalgarno-reeks.

De Shine-Dalgarno-sequentie is een speciaal ribosomaal bindingsgebied in zowel bacteriën als archaea. Je ziet het meestal ongeveer acht nucleotiden vanaf het startcodon AUG.

Omdat bacteriële genen transcriptie in groepen kunnen laten plaatsvinden, kan één mRNA voor veel genen coderen. De Shine-Dalgarno-reeks maakt het gemakkelijker om het startcodon te vinden.

Tijdens elongatie wordt de keten van aminozuren langer. De tRNA's voegen aminozuren toe om de polypeptideketen te maken. Een tRNA begint te werken in de P-site, wat een middendeel is van de ribosoom.

Naast de P-site staat de Een site. Een tRNA dat overeenkomt met het codon kan naar de A-site gaan. Dan kan er een peptidebinding ontstaan ​​tussen de aminozuren. Het ribosoom beweegt langs het mRNA en de aminozuren vormen een keten.

Beëindiging gebeurt vanwege een stopcodon. Wanneer een stopcodon de A-plaats binnengaat, stopt het translatieproces omdat het stopcodon geen complementair tRNA heeft. Eiwitten genaamd release factoren die in de P-site passen, kunnen de stopcodons herkennen en voorkomen dat peptidebindingen worden gevormd.

Dit gebeurt omdat de release-factoren kunnen maken: enzymen voeg een watermolecuul toe, waardoor de keten gescheiden wordt van tRNA.

Wanneer u antibiotica gebruikt om een ​​infectie te behandelen, kunnen deze werken door het translatieproces in bacteriën te verstoren. Het doel van antibiotica is om de bacteriën te doden en te voorkomen dat ze zich voortplanten.

Een manier waarop ze dit bereiken, is door de ribosomen in bacteriële cellen te beïnvloeden. De medicijnen kunnen interfereren met mRNA-translatie of het vermogen van de cel om peptidebindingen te maken blokkeren. Antibiotica kunnen binden aan de ribosomen.

Eén type antibioticum, tetracycline genaamd, kan bijvoorbeeld de bacteriecel binnendringen door het plasmamembraan te passeren en zich op te bouwen in het cytoplasma. Vervolgens kan het antibioticum binden aan een ribosoom en translatie blokkeren.

Een ander antibioticum, ciprofloxacine genaamd, beïnvloedt de bacteriële cel door zich te richten op een enzym dat verantwoordelijk is voor het afwikkelen van het DNA om replicatie mogelijk te maken. In beide gevallen worden menselijke cellen gespaard, waardoor mensen antibiotica kunnen gebruiken zonder hun eigen cellen te doden.

Gerelateerd onderwerp:meercellige organismen

Nadat de translatie voorbij is, gaan sommige cellen door met het verwerken van de eiwitten. Post-translationele modificaties (PTM's) van eiwitten stellen bacteriën in staat zich aan te passen aan hun omgeving en cellulair gedrag te beheersen.

Over het algemeen komen PTM's minder vaak voor bij prokaryoten dan bij eukaryoten, maar sommige organismen hebben ze. Bacteriën kunnen eiwitten wijzigen en de processen ook omkeren. Dit geeft hen meer veelzijdigheid en stelt hen in staat om eiwitmodificatie te gebruiken voor regulering.

Eiwitfosforylering is een veel voorkomende modificatie in bacteriën. Dit proces omvat het toevoegen van een fosfaatgroep aan het eiwit, dat fosfor- en zuurstofatomen heeft. Fosforylering is essentieel voor de eiwitfunctie.

Fosforylering kan echter tijdelijk zijn omdat het omkeerbaar is. Sommige bacteriën kunnen fosforylering gebruiken als onderdeel van het proces om andere organismen te infecteren.

Fosforylering die optreedt op de aminozuurzijketens van serine, threonine en tyrosine wordt genoemd Ser/Thr/Tyr-fosforylering.

Naast gefosforyleerde eiwitten kunnen bacteriën geacetyleerd en geglycosyleerd eiwitten. Ze kunnen ook methylering, carboxylatie en andere modificaties hebben. Deze modificaties spelen een belangrijke rol bij celsignalering, regulatie en andere processen in bacteriën.

Zo helpt Ser/Thr/Tyr-fosforylering bacteriën te reageren op veranderingen in hun omgeving en de overlevingskansen te vergroten.

Onderzoek toont aan dat metabolische veranderingen in de cel geassocieerd zijn met Ser/Thr/Tyr-fosforylering, wat aangeeft dat bacteriën op hun omgeving kunnen reageren door hun cellulaire processen te veranderen. Bovendien helpen post-translationele modificaties hen snel en efficiënt te reageren. De mogelijkheid om eventuele wijzigingen ongedaan te maken, biedt ook aanzienlijke controle.

Archaea gebruikt genexpressiemechanismen die meer lijken op eukaryoten. Hoewel archaea prokaryoten zijn, hebben ze enkele dingen gemeen met eukaryoten, zoals genexpressie en genregulatie. De processen van transcriptie en translatie in archaea hebben ook enkele overeenkomsten met bacteriën.

Zowel archaea als bacteriën hebben bijvoorbeeld methionine als het eerste aminozuur en AUG als het startcodon. Aan de andere kant hebben zowel archaea als eukaryoten a TATA-box, wat een DNA-sequentie is in het promotorgebied die laat zien waar het DNA moet worden gedecodeerd.

Translatie in archaea lijkt op het proces dat wordt gezien in bacteriën. Beide soorten organismen hebben ribosomen die uit twee eenheden bestaan: de 30S- en 50S-subeenheden. Bovendien hebben ze allebei polycistronische mRNA's en Shine-Dalgarno-sequenties.

Er zijn meerdere overeenkomsten en verschillen tussen bacteriën, archaea en eukaryoten. Ze vertrouwen echter allemaal op genexpressie en genregulatie om te overleven.