การแสดงออกของยีนในโปรคาริโอต

โปรคาริโอตเป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวขนาดเล็ก พวกเขาเป็นหนึ่งในสองประเภทเซลล์ทั่วไป: โปรคาริโอต และ ยูคาริโอต.

ตั้งแต่ เซลล์โปรคาริโอต ไม่มีนิวเคลียสหรือออร์แกเนลล์ การแสดงออกของยีนเกิดขึ้นในที่โล่ง ไซโตพลาสซึม และขั้นตอนทั้งหมดสามารถเกิดขึ้นได้พร้อมกัน แม้ว่าโปรคาริโอตจะง่ายกว่ายูคาริโอต แต่การควบคุมการแสดงออกของยีนยังคงมีความสำคัญต่อพฤติกรรมของเซลล์

โปรคาริโอตสองโดเมนคือ แบคทีเรีย และ อาร์เคีย. ทั้งสองไม่มีนิวเคลียสที่กำหนดไว้ แต่ก็ยังมีรหัสพันธุกรรมและกรดนิวคลีอิก แม้ว่าจะไม่มีโครโมโซมที่ซับซ้อนเหมือนที่คุณเห็นในเซลล์ยูคาริโอต แต่โปรคาริโอตก็มีกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิกเป็นชิ้นเป็นวงกลม (ดีเอ็นเอ) ตั้งอยู่ในนิวเคลียส

อย่างไรก็ตาม ไม่มีเมมเบรนรอบๆ สารพันธุกรรม โดยทั่วไป โปรคาริโอตมีลำดับที่ไม่เข้ารหัสใน DNA น้อยกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับยูคาริโอต อาจเป็นเพราะเซลล์โปรคาริโอตมีขนาดเล็กลงและมีพื้นที่สำหรับโมเลกุลดีเอ็นเอน้อยลง

นิวเคลียส เป็นเพียงบริเวณที่ DNA อาศัยอยู่ในเซลล์โปรคาริโอต มีรูปร่างไม่ปกติและสามารถเปลี่ยนแปลงขนาดได้ นอกจากนี้นิวเคลียสยังติดอยู่กับเยื่อหุ้มเซลล์

โปรคาริโอตยังสามารถมี DNA ทรงกลมที่เรียกว่า พลาสมิด. เป็นไปได้ที่พวกมันจะมีพลาสมิดตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไปในเซลล์ ในระหว่างการแบ่งเซลล์ โปรคาริโอตสามารถผ่านการสังเคราะห์ดีเอ็นเอและการแยกพลาสมิดได้

เมื่อเปรียบเทียบกับโครโมโซมในยูคาริโอต พลาสมิดมักจะมีขนาดเล็กกว่าและมี DNA น้อยกว่า นอกจากนี้ พลาสมิดสามารถทำซ้ำได้เองโดยไม่มี DNA ของเซลล์อื่น พลาสมิดบางชนิดมีรหัสสำหรับยีนที่ไม่จำเป็น เช่น ยีนที่ทำให้แบคทีเรียดื้อยาปฏิชีวนะ

ในบางกรณี พลาสมิดยังสามารถย้ายจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่ง และแบ่งปันข้อมูล เช่น การดื้อยาปฏิชีวนะ

การแสดงออกของยีนเป็นกระบวนการที่เซลล์แปลรหัสพันธุกรรมเป็นกรดอะมิโนเพื่อผลิตโปรตีน โพรคาริโอตต่างจากยูคาริโอต 2 ขั้นตอนหลัก คือ การถอดความและการแปล

ในระหว่างการถอดความ เซลล์แปล DNA เป็น a ผู้ส่งสาร RNA (mRNA) โมเลกุล ในระหว่างการแปล เซลล์จะสร้างกรดอะมิโนจาก mRNA กรดอะมิโนจะสร้างโปรตีน

ทั้งคู่ การถอดความ และ การแปล เกิดขึ้นในโปรคาริโอต ไซโตพลาสซึม. โดยการให้กระบวนการทั้งสองเกิดขึ้นพร้อมกัน เซลล์สามารถสร้างโปรตีนจำนวนมากจากแม่แบบ DNA เดียวกันได้ หากเซลล์ไม่ต้องการโปรตีนอีกต่อไป การถอดรหัสก็สามารถหยุดได้

เป้าหมายของการถอดความคือการสร้างเสริม กรดไรโบนิวคลีอิก (RNA) สาระจากแม่แบบดีเอ็นเอ กระบวนการนี้มีสามส่วน: การเริ่มต้น การยืดตัวของโซ่ และการสิ้นสุดของโซ่

เพื่อให้ระยะเริ่มต้นเกิดขึ้น DNA จะต้องคลายตัวก่อนและบริเวณที่เกิดสิ่งนี้คือ ฟองการถอดความ.

ในแบคทีเรีย คุณจะพบ RNA polymerase ตัวเดียวกันที่รับผิดชอบการถอดรหัสทั้งหมด เอนไซม์นี้มีสี่หน่วยย่อย โปรคาริโอตไม่มีปัจจัยการถอดรหัสต่างจากยูคาริโอต

การถอดความเริ่มต้นเมื่อ DNA คลายตัวและ RNA polymerase จับกับ a โปรโมเตอร์. โปรโมเตอร์คือลำดับดีเอ็นเอพิเศษที่มีอยู่ที่จุดเริ่มต้นของยีนเฉพาะ

ในแบคทีเรีย โปรโมเตอร์มีสองลำดับ: -10 และ -35 องค์ประกอบ องค์ประกอบ -10 คือตำแหน่งที่ DNA มักจะคลายตัว และตั้งอยู่ 10 นิวคลีโอไทด์จากตำแหน่งเริ่มต้น องค์ประกอบ -35 คือ 35 นิวคลีโอไทด์จากไซต์

RNA polymerase อาศัยสาย DNA หนึ่งเส้นเพื่อเป็นแม่แบบในขณะที่มันสร้างสายใหม่ของ RNA ที่เรียกว่าการถอดเสียง RNA เอ็นอาร์เอ็นเอที่เป็นผลลัพธ์หรือทรานสคริปต์ปฐมภูมินั้นเกือบจะเหมือนกับสายดีเอ็นเอที่ไม่ใช่แม่แบบหรือการเข้ารหัส ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือฐานของไทมีน (T) ทั้งหมดเป็นเบสยูราซิล (U) ในอาร์เอ็นเอ

ในระหว่างขั้นตอนการยืดตัวของสายโซ่ของการถอดรหัส RNA polymerase จะเคลื่อนที่ไปตามสายแม่แบบ DNA และสร้างโมเลกุล mRNA เอ็นเอ็นเอจะยาวขึ้นอีกเท่าตัว นิวคลีโอไทด์ จะถูกเพิ่ม

โดยพื้นฐานแล้ว RNA polymerase จะเดินไปตามจุดยืนของ DNA ในทิศทาง 3 ถึง 5' เพื่อทำสิ่งนี้ให้สำเร็จ สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าแบคทีเรียสามารถสร้างได้ polycistronic mRNAsRNA รหัสนั้นสำหรับโปรตีนหลายชนิด

•••วิทยาศาสตร์

ในช่วงสิ้นสุดของการถอดความ กระบวนการจะหยุดลง ระยะการสิ้นสุดในโปรคาริโอตมีสองประเภท: การสิ้นสุดที่ขึ้นกับ Rho และการสิ้นสุดการสิ้นสุดของ Rho

ใน การยกเลิกขึ้นอยู่กับ Rhoปัจจัยโปรตีนพิเศษที่เรียกว่า Rho ขัดจังหวะการถอดรหัสและยุติการถอดรหัส ปัจจัยโปรตีน Rho ยึดติดกับสาย RNA ที่บริเวณจับเฉพาะ จากนั้น มันจะเคลื่อนที่ไปตามเกลียวเพื่อไปถึง RNA polymerase ในฟองการถอดรหัส

ต่อไป Rho ดึงสาย RNA ใหม่และแม่แบบ DNA ออกจากกัน ดังนั้นการถอดความจึงสิ้นสุดลง RNA polymerase หยุดเคลื่อนที่เพราะมันมาถึงลำดับการเข้ารหัสซึ่งเป็นจุดหยุดการถอดรหัส

ใน การยกเลิก Rho อิสระโมเลกุลอาร์เอ็นเอจะสร้างลูปและแยกออก RNA polymerase ไปถึงลำดับ DNA บนสายแม่แบบที่เป็นเทอร์มิเนเตอร์และมีนิวคลีโอไทด์ของ cytosine (C) และ guanine (G) จำนวนมาก RNA strand ใหม่เริ่มพับเป็นกิ๊บติดผม นิวคลีโอไทด์ C และ G ของมันจับกัน กระบวนการนี้จะหยุดไม่ให้ RNA polymerase เคลื่อนที่

การแปลสร้าง a โมเลกุลโปรตีน หรือโพลีเปปไทด์ตามเทมเพลต RNA ที่สร้างขึ้นระหว่างการถอดรหัส ในแบคทีเรีย การแปลสามารถเกิดขึ้นได้ในทันที และบางครั้งก็เริ่มในระหว่างการถอดความ เป็นไปได้เนื่องจากโปรคาริโอตไม่มีเยื่อหุ้มนิวเคลียสหรือออร์แกเนลล์ใดๆ ที่จะแยกกระบวนการ

ในยูคาริโอต สิ่งต่าง ๆ ต่างกันเนื่องจากการถอดความเกิดขึ้นในนิวเคลียส และการแปลอยู่ใน ไซโตซอลหรือของเหลวภายในเซลล์ของเซลล์ ยูคาริโอตยังใช้ mRNA ที่โตเต็มที่ ซึ่งประมวลผลก่อนการแปล

อีกเหตุผลหนึ่งที่การแปลและการถอดความสามารถเกิดขึ้นได้ในเวลาเดียวกันในแบคทีเรียก็คือ RNA ไม่ต้องการการประมวลผลพิเศษที่เห็นในยูคาริโอต RNA ของแบคทีเรียพร้อมสำหรับการแปลทันที

เกลียว mRNA มีหมู่นิวคลีโอไทด์เรียกว่า codons. โคดอนแต่ละตัวมีสามนิวคลีโอไทด์และรหัสสำหรับลำดับกรดอะมิโนจำเพาะ แม้ว่าจะมีกรดอะมิโนเพียง 20 ตัว แต่เซลล์มี 61 codon สำหรับกรดอะมิโนและ codon สามตัว AUG เป็น codon เริ่มต้นและเริ่มการแปล นอกจากนี้ยังรหัสสำหรับกรดอะมิโนเมไทโอนีน

ในระหว่างการแปล เกลียว mRNA ทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับสร้างกรดอะมิโนที่กลายเป็นโปรตีน เซลล์ถอดรหัส mRNA เพื่อทำสิ่งนี้ให้สำเร็จ

การเริ่มต้นต้องการ โอน RNA (tRNA), ไรโบโซมและ mRNA โมเลกุล tRNA แต่ละตัวมี แอนติโคดอน สำหรับกรดอะมิโน แอนติโคดอนเป็นส่วนเสริมของโคดอน ในแบคทีเรีย กระบวนการเริ่มต้นเมื่อไรโบโซมยูนิตเล็กๆ ยึดติดกับ mRNA ที่a ซีเควนซ์ไชน์-ดัลการ์โน.

ลำดับ Shine-Dalgarno เป็นพื้นที่จับไรโบโซมพิเศษทั้งในแบคทีเรียและอาร์เคีย คุณมักจะเห็นมันประมาณแปดนิวคลีโอไทด์จาก codon เริ่มต้น AUG

เนื่องจากยีนของแบคทีเรียอาจมีการถอดรหัสเกิดขึ้นเป็นกลุ่ม mRNA หนึ่งตัวจึงอาจสร้างรหัสสำหรับยีนจำนวนมาก ลำดับ Shine-Dalgarno ช่วยให้ค้นหา codon เริ่มต้นได้ง่ายขึ้น

ในระหว่างการยืดตัว สายของกรดอะมิโนจะยาวขึ้น tRNAs เพิ่มกรดอะมิโนเพื่อสร้างสายโซ่โพลีเปปไทด์ tRNA เริ่มทำงานใน พีไซต์ซึ่งเป็นส่วนตรงกลางของ ไรโบโซม.

ถัดจากไซต์ P คือ เว็บไซต์. tRNA ที่ตรงกับ codon สามารถไปที่ไซต์ A ได้ จากนั้นพันธะเปปไทด์สามารถเกิดขึ้นได้ระหว่างกรดอะมิโน ไรโบโซมเคลื่อนที่ไปตาม mRNA และกรดอะมิโนจะสร้างสายโซ่

การสิ้นสุดเกิดขึ้นเนื่องจาก codon หยุด เมื่อโคดอนหยุดเข้าสู่ไซต์ A กระบวนการแปลจะหยุดลงเนื่องจากโคดอนหยุดไม่มี tRNA เสริม โปรตีนที่เรียกว่า ปัจจัยปลดปล่อย ที่พอดีกับไซต์ P สามารถรับรู้ codons หยุดและป้องกันไม่ให้เกิดพันธะเปปไทด์

สิ่งนี้เกิดขึ้นเพราะปัจจัยการปลดปล่อยสามารถทำให้ เอนไซม์ เพิ่มโมเลกุลของน้ำซึ่งทำให้สายโซ่แยกออกจาก tRNA

เมื่อคุณใช้ยาปฏิชีวนะเพื่อรักษาการติดเชื้อ ยาปฏิชีวนะอาจทำงานโดยขัดขวางกระบวนการแปลในแบคทีเรีย เป้าหมายของยาปฏิชีวนะคือการฆ่าเชื้อแบคทีเรียและหยุดยั้งไม่ให้มีการแพร่พันธุ์

วิธีหนึ่งที่พวกเขาทำสิ่งนี้สำเร็จคือส่งผลต่อไรโบโซมในเซลล์แบคทีเรีย ยาสามารถรบกวนการแปล mRNA หรือปิดกั้นความสามารถของเซลล์ในการสร้างพันธะเปปไทด์ ยาปฏิชีวนะสามารถจับกับไรโบโซมได้

ตัวอย่างเช่น ยาปฏิชีวนะชนิดหนึ่งที่เรียกว่าเตตราไซคลินสามารถเข้าสู่เซลล์แบคทีเรียได้โดยการข้ามเยื่อหุ้มพลาสมาและสร้างขึ้นภายในไซโตพลาสซึม จากนั้นยาปฏิชีวนะสามารถจับกับไรโบโซมและบล็อกการแปล

ยาปฏิชีวนะอีกชนิดหนึ่งที่เรียกว่า ciprofloxacin มีผลต่อเซลล์แบคทีเรียโดยการกำหนดเป้าหมายของเอนไซม์ที่มีหน้าที่ในการคลายดีเอ็นเอเพื่อให้สามารถทำซ้ำได้ ในทั้งสองกรณี เซลล์ของมนุษย์ได้รับการยกเว้น ซึ่งช่วยให้ผู้คนสามารถใช้ยาปฏิชีวนะได้โดยไม่ต้องฆ่าเซลล์ของตนเอง

หัวข้อที่เกี่ยวข้อง:สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์

หลังจากการแปลเสร็จสิ้น บางเซลล์ยังคงประมวลผลโปรตีนต่อไป การแก้ไขหลังการแปล (PTM) ของโปรตีนช่วยให้แบคทีเรียปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมและควบคุมพฤติกรรมของเซลล์ได้

โดยทั่วไป PTM จะพบได้น้อยกว่าในโปรคาริโอตมากกว่ายูคาริโอต แต่สิ่งมีชีวิตบางชนิดก็มีพวกมัน แบคทีเรียสามารถปรับเปลี่ยนโปรตีนและย้อนกลับกระบวนการได้เช่นกัน สิ่งนี้ทำให้พวกเขามีความเก่งกาจมากขึ้นและช่วยให้พวกเขาใช้การดัดแปลงโปรตีนเพื่อควบคุม

โปรตีนฟอสโฟรีเลชั่น เป็นการดัดแปลงทั่วไปในแบคทีเรีย กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการเพิ่มกลุ่มฟอสเฟตให้กับโปรตีน ซึ่งมีอะตอมของฟอสฟอรัสและออกซิเจน ฟอสฟอรีเลชันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการทำงานของโปรตีน

อย่างไรก็ตาม ฟอสโฟรีเลชั่นสามารถเกิดขึ้นได้ชั่วคราวเพราะสามารถย้อนกลับได้ แบคทีเรียบางชนิดสามารถใช้ฟอสโฟรีเลชั่นเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการในการแพร่เชื้อสู่สิ่งมีชีวิตอื่นๆ

ฟอสฟอรีเลชันที่เกิดขึ้นบนสายโซ่ด้านข้างของกรดอะมิโนซีรีน ทรีโอนีน และไทโรซีน เรียกว่า Ser/Thr/Tyr ฟอสโฟรีเลชั่น.

นอกจากโปรตีนฟอสโฟรีเลตแล้ว แบคทีเรียยังสามารถมี acetylated และ ไกลโคซิเลต โปรตีน พวกเขายังอาจมีเมทิเลชัน คาร์บอกซิเลชันและการดัดแปลงอื่นๆ การปรับเปลี่ยนเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการส่งสัญญาณของเซลล์ การควบคุม และกระบวนการอื่นๆ ในแบคทีเรีย

ตัวอย่างเช่น Ser/Thr/Tyr phosphorylation ช่วยให้แบคทีเรียตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อมและเพิ่มโอกาสในการอยู่รอด

การวิจัยแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงเมตาบอลิซึมในเซลล์สัมพันธ์กับฟอสโฟรีเลชั่น Ser/Thr/Tyr ซึ่งบ่งชี้ว่าแบคทีเรียสามารถตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมของพวกมันโดยการเปลี่ยนกระบวนการในเซลล์ของพวกมัน นอกจากนี้ การปรับเปลี่ยนหลังการแปลช่วยให้ตอบสนองได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ ความสามารถในการย้อนกลับการเปลี่ยนแปลงยังให้การควบคุมที่สำคัญอีกด้วย

Archaea ใช้กลไกการแสดงออกของยีนที่คล้ายกับยูคาริโอตมากขึ้น แม้ว่าอาร์เคียจะเป็นโปรคาริโอต แต่ก็มีบางอย่างที่เหมือนกันกับยูคาริโอต เช่น การแสดงออกของยีนและการควบคุมยีน กระบวนการถอดความและการแปลในอาร์เคียมีความคล้ายคลึงกันบางประการกับแบคทีเรีย

ตัวอย่างเช่น อาร์เคียและแบคทีเรียมีเมไทโอนีนเป็นกรดอะมิโนตัวแรกและ AUG เป็นโคดอนเริ่มต้น ในทางกลับกัน ทั้งอาร์เคียและยูคาริโอตมี กล่องทาทาซึ่งเป็นลำดับดีเอ็นเอในบริเวณโปรโมเตอร์ที่แสดงตำแหน่งที่จะถอดรหัสดีเอ็นเอ

การแปลในภาษาอาร์เคียคล้ายกับกระบวนการที่พบในแบคทีเรีย สิ่งมีชีวิตทั้งสองประเภทมีไรโบโซมที่ประกอบด้วยสองหน่วย: หน่วยย่อย 30S และ 50S นอกจากนี้ พวกมันทั้งคู่มี polycistronic mRNAs และลำดับ Shine-Dalgarno

มีความเหมือนและความแตกต่างหลายประการระหว่างแบคทีเรีย อาร์เคีย และยูคาริโอต อย่างไรก็ตามพวกเขาทั้งหมดพึ่งพา การแสดงออกของยีน และการควบคุมยีนเพื่อความอยู่รอด