Génová expresia v prokaryotoch

Prokaryoty sú malé jednobunkové živé organizmy. Sú jedným z dvoch bežných typov buniek: prokaryotický a eukaryotický.

Odkedy prokaryotické bunky nemajú jadro alebo organely, expresia génov sa deje na otvorenom priestranstve cytoplazma a všetky fázy môžu prebiehať súčasne. Aj keď sú prokaryoty jednoduchšie ako eukaryoty, pre ich bunkové chovanie je stále dôležitá kontrola génovej expresie.

Dve domény prokaryotov sú Baktérie a Archaea. Obom chýba definované jadro, stále však majú genetický kód a nukleové kyseliny. Aj keď neexistujú žiadne zložité chromozómy ako tie, ktoré by ste videli v eukaryotických bunkách, prokaryoty majú kruhové kúsky deoxyribonukleovej kyseliny (DNA) nachádzajúci sa v nukleoide.

Okolo genetického materiálu však nie je žiadna membrána. Prokaryoty majú všeobecne vo svojej DNA menej nekódujúcich sekvencií v porovnaní s eukaryotmi. Môže to byť spôsobené tým, že prokaryotické bunky sú menšie a majú menší priestor pre molekulu DNA.

The nukleoid

Prokaryoty môžu mať aj kruhovú DNA tzv plazmidy. Je možné, že majú v bunke jeden alebo viac plazmidov. Počas bunkového delenia môžu prokaryoty prechádzať syntézou DNA a separáciou plazmidov.

V porovnaní s chromozómami u eukaryotov majú plazmidy tendenciu byť menšie a majú menej DNA. Plazmidy sa navyše môžu replikovať samy bez ďalšej bunkovej DNA. Niektoré plazmidy nesú kódy pre neesenciálne gény, ako sú napríklad tie, ktoré dodávajú baktériám odolnosť voči antibiotikám.

V určitých prípadoch sú plazmidy tiež schopné prechádzať z jednej bunky do druhej a zdieľať informácie, ako je rezistencia na antibiotiká.

Génová expresia je proces, prostredníctvom ktorého bunka prevádza genetický kód na aminokyseliny na produkciu bielkovín. Na rozdiel od eukaryotov sa môžu u prokaryotov vyskytnúť dva hlavné stupne, ktorými sú transkripcia a translácia.

Počas transkripcie bunka prekladá DNA do a messenger RNA (mRNA) molekula. Počas translácie bunka vytvára aminokyseliny z mRNA. Aminokyseliny budú tvoriť bielkoviny.

Oboje prepis a preklad stane sa u prokaryota cytoplazma. Tým, že oba procesy prebiehajú súčasne, môže bunka vyrobiť veľké množstvo bielkovín z rovnakého templátu DNA. Ak bunka dlhšie nepotrebuje proteín, transkripcia sa môže zastaviť.

Cieľom prepisu je vytvoriť doplnok ribonukleová kyselina (RNA) vlákno z DNA templátu. Proces má tri časti: iniciáciu, predĺženie reťazca a ukončenie.

Aby mohla nastať iniciačná fáza, musí sa najskôr rozmotať DNA a oblasťou, kde k tomu dôjde, je oblasť transkripčná bublina.

V baktériách nájdete rovnakú RNA polymerázu zodpovednú za celú transkripciu. Tento enzým má štyri podjednotky. Na rozdiel od eukaryotov prokaryoty nemajú transkripčné faktory.

Prepis sa začína, keď sa DNA rozvinie a RNA polymeráza sa naviaže na a promotér. Promótor je špeciálna sekvencia DNA, ktorá existuje na začiatku špecifického génu.

V baktériách má promótor dve sekvencie: -10 a -35 prvkov. Prvok -10 je miesto, kde sa DNA zvyčajne odvíja, a nachádza sa 10 nukleotidov od iniciačného miesta. Prvok -35 je 35 nukleotidov od miesta.

RNA polymeráza sa spolieha na to, že šablóna je jedným vláknom DNA, pretože vytvára nové vlákno RNA, ktoré sa nazýva transkript RNA. Výsledný reťazec RNA alebo primárny transkript je takmer rovnaký ako nešablónový alebo kódujúci reťazec DNA. Jediný rozdiel je v tom, že všetky tymínové (T) bázy sú bázami uracilu (U) v RNA.

Počas fázy transkripcie predlžovania reťazca sa RNA polymeráza pohybuje pozdĺž vlákna templátu DNA a vytvára molekulu mRNA. Vlákno RNA sa predlžuje o ďalšie nukleotidy sú pridané.

Na dosiahnutie tohto cieľa v podstate RNA polymeráza prechádza pozdĺž stojana DNA v smere 3 'až 5'. Je dôležité si uvedomiť, že môžu vytvárať baktérie polycistronické mRNA ten kód pre viac proteínov.

•••Vedenie

Počas fázy ukončenia prepisu sa proces zastaví. U prokaryotov existujú dva typy ukončovacích fáz: ukončenie závislé od Rho a ukončenie nezávislé od Rho.

V Rho závislé ukončenie, špeciálny proteínový faktor nazývaný Rho prerušuje transkripciu a ukončuje ju. Faktor proteínu Rho sa pripája k reťazcu RNA na špecifickom väzbovom mieste. Potom sa pohybuje pozdĺž vlákna, aby sa dostala do RNA polymerázy v transkripčnej bubline.

Ďalej Rho oddeľuje nový reťazec RNA a DNA templát, takže transkripcia končí. RNA polymeráza sa prestane pohybovať, pretože dosiahne kódujúcu sekvenciu, ktorá je bodom zastavenia transkripcie.

V Rho-nezávislé ukončenie, molekula RNA vytvorí slučku a odpojí sa. RNA polymeráza dosahuje DNA sekvenciu na templátovom vlákne, ktoré je terminátorom a má veľa cytozínových (C) a guanínových (G) nukleotidov. Nové vlákno RNA sa začína skladať do tvaru vlásenky. Jeho nukleotidy C a G sa viažu. Tento proces zastavuje pohyb polymerázy RNA.

Preklad vytvorí a molekula proteínu alebo polypeptid založený na templáte RNA vytvorenom počas transkripcie. V prípade baktérií sa preklad môže uskutočniť okamžite a niekedy sa začne počas prepisu. To je možné, pretože prokaryoty nemajú žiadne jadrové membrány ani žiadne organely, ktoré by procesy oddeľovali.

U eukaryotov sa veci líšia, pretože transkripcia sa vyskytuje v jadre a preklad je v cytosolalebo intracelulárna tekutina bunky. Eukaryot tiež používa zrelú mRNA, ktorá sa spracuje pred prekladom.

Ďalším dôvodom, prečo môže dôjsť k translácii a transkripcii súčasne u baktérií, je to, že RNA nepotrebuje špeciálne spracovanie, ktoré sa pozoruje u eukaryotov. Bakteriálna RNA je okamžite pripravená na preklad.

Vlákno mRNA má skupiny nukleotidov, ktoré sa nazývajú kodóny. Každý kodón má tri nukleotidy a kóduje špecifickú aminokyselinovú sekvenciu. Aj keď existuje iba 20 aminokyselín, bunky majú 61 kodónov pre aminokyseliny a tri stop kodóny. AUG je štartovací kodón a začína preklad. Tiež kóduje aminokyselinu metionín.

Počas translácie pôsobí mRNA vlákno ako templát na výrobu aminokyselín, ktoré sa stávajú proteínmi. Bunka na tento účel dekóduje mRNA.

Iniciácia si vyžaduje prenosová RNA (tRNA)ribozóm a mRNA. Každá molekula tRNA má antikodón pre aminokyselinu. Antikodón je komplementárny s kodónom. V baktériách proces začína, keď sa malá ribozomálna jednotka pripojí k mRNA v a Sekvencia Shine-Dalgarno.

Sekvencia Shine-Dalgarno je špeciálnou oblasťou viazania ribozómov tak v baktériách, ako aj v archeách. Zvyčajne to vidíte asi osem nukleotidov od štartovacieho kodónu AUG.

Pretože bakteriálne gény môžu mať transkripciu uskutočňovanú v skupinách, môže jedna mRNA kódovať mnoho génov. Sekvencia Shine-Dalgarno uľahčuje nájdenie štartovacieho kodónu.

Počas predĺženia sa reťazec aminokyselín predlžuje. TRNA pridávajú aminokyseliny, aby vytvorili polypeptidový reťazec. TRNA začne pracovať v Stránka P., ktorá je strednou časťou ribozóm.

Vedľa stránky P je Stránka. TRNA, ktorá sa zhoduje s kodónom, môže ísť na miesto A. Potom sa môže vytvoriť aminokyselinová väzba medzi aminokyselinami. Ribozóm sa pohybuje pozdĺž mRNA a aminokyseliny tvoria reťazec.

K ukončeniu dôjde kvôli stop kodónu. Keď stop kodón vstúpi do miesta A, proces translácie sa zastaví, pretože stop kodón nemá komplementárnu tRNA. Bielkoviny tzv faktory uvoľnenia ktoré zapadajú do miesta P, dokážu rozpoznať stop kodóny a zabrániť tvorbe peptidových väzieb.

Stáva sa to preto, lebo môžu nastať faktory uvoľnenia enzýmy pridajte molekulu vody, čím sa reťaz oddelí od tRNA.

Ak na liečbu infekcie užívate niektoré antibiotiká, môžu pôsobiť narušením procesu translácie v baktériách. Cieľom antibiotík je zabiť baktérie a zabrániť im v množení.

Jedným zo spôsobov, ako to dosahujú, je ovplyvnenie ribozómov v bakteriálnych bunkách. Lieky môžu interferovať s transláciou mRNA alebo blokovať schopnosť bunky vytvárať peptidové väzby. Antibiotiká sa môžu viazať na ribozómy.

Napríklad jeden typ antibiotika nazývaný tetracyklín môže vstúpiť do bakteriálnej bunky prechodom cez plazmatickú membránu a hromadením vo vnútri cytoplazmy. Potom sa antibiotikum môže naviazať na ribozóm a blokovať preklad.

Ďalšie antibiotikum nazývané ciprofloxacín ovplyvňuje bakteriálnu bunku zameraním na enzým zodpovedný za odvíjanie DNA, aby sa umožnila replikácia. V oboch prípadoch sú ľudské bunky ušetrené, čo umožňuje ľuďom užívať antibiotiká bez toho, aby zabíjali svoje vlastné bunky.

Súvisiaca téma:mnohobunkové organizmy

Po ukončení translácie niektoré bunky pokračujú v spracovaní proteínov. Posttranslačné úpravy (PTM) proteínov umožňujú baktériám prispôsobiť sa ich prostrediu a riadiť bunkové správanie.

Všeobecne sú PTM u prokaryotov menej časté ako eukaryoty, ale niektoré organizmy ich majú. Baktérie môžu modifikovať bielkoviny a tiež zvrátiť procesy. To im dáva väčšiu univerzálnosť a umožňuje im to používať na reguláciu modifikáciu proteínu.

Fosforylácia bielkovín je bežná modifikácia baktérií. Tento proces spočíva v pridaní fosfátovej skupiny k proteínu, ktorý má atómy fosforu a kyslíka. Fosforylácia je nevyhnutná pre funkciu bielkovín.

Fosforylácia však môže byť dočasná, pretože je reverzibilná. Niektoré baktérie môžu použiť fosforyláciu ako súčasť procesu infikovania iných organizmov.

Fosforylácia, ktorá sa vyskytuje na postranných reťazcoch aminokyselín serínu, treonínu a tyrozínu, sa nazýva Ser / Thr / Tyr fosforylácia.

Okrem fosforylovaných proteínov môžu mať aj baktérie acetylovaný a glykozylovaný bielkoviny. Môžu tiež obsahovať metyláciu, karboxyláciu a ďalšie modifikácie. Tieto modifikácie hrajú dôležitú úlohu v bunkovej signalizácii, regulácii a iných procesoch v baktériách.

Napríklad fosforylácia Ser / Thr / Tyr pomáha baktériám reagovať na zmeny v ich prostredí a zvyšuje šance na prežitie.

Výskum ukazuje, že metabolické zmeny v bunke súvisia s fosforyláciou Ser / Thr / Tyr, čo naznačuje, že baktérie môžu reagovať na svoje prostredie zmenou svojich bunkových procesov. Posttranslačné úpravy im navyše pomáhajú rýchlo a efektívne reagovať. Schopnosť zvrátiť akékoľvek zmeny tiež poskytuje významnú kontrolu.

Archaea používa mechanizmy génovej expresie, ktoré sú viac podobné eukaryotom. Aj keď sú archaea prokaryoty, majú spoločné niektoré veci s eukaryotmi, napríklad génovú expresiu a génovú reguláciu. Procesy transkripcie a translácie v archaeách majú tiež niektoré podobnosti s baktériami.

Napríklad archea a baktérie majú metionín ako prvú aminokyselinu a AUG ako štartovací kodón. Na druhej strane, archaea aj eukaryoty majú a TATA box, čo je sekvencia DNA v oblasti promótora, ktorá ukazuje, kde sa má DNA dekódovať.

Preklad v archaei pripomína proces pozorovaný v baktériách. Oba typy organizmov majú ribozómy, ktoré pozostávajú z dvoch jednotiek: podjednotiek 30S a 50S. Okrem toho majú obidve polycistronické mRNA a Shine-Dalgarno sekvencie.

Existuje veľa podobností a rozdielov medzi baktériami, archeami a eukaryotmi. Všetci sa však spoliehajú génová expresia a regulácia génov na prežitie.