Έκφραση γονιδίου σε προκαρυώτες

Περιεχόμενο

• Γενετικές πληροφορίες σε προκαρυώτες
• Στάδια έκφρασης γονιδίων
• Μεταγραφή σε Βακτηριακά Κύτταρα
• Μεταγραφή: Φάση έναρξης
• Μεταγραφή: Φάση επιμήκυνσης
• Μεταγραφή: Φάση τερματισμού
• Μετάφραση σε Βακτηριακά Κύτταρα
• Μετάφραση: Έναρξη
• Μετάφραση: Επιμήκυνση
• Μετάφραση: Τερματισμός
• Μετάφραση και Αντιβιοτικά
• Μετα-μεταφραστική επεξεργασία πρωτεϊνών
• Φωσφορυλίωση πρωτεϊνών
• Ακετυλίωση πρωτεϊνών και γλυκοσυλίωση
• Έκφραση γονιδίων στην Αρχαία

Οι προκαρυώτες είναι μικροί, μονοκύτταροι ζωντανοί οργανισμοί. Είναι ένας από τους δύο κοινούς τύπους κυττάρων: προκαρυωτικό και ευκαρυωτικό.

Δεδομένου ότι τα προκαρυωτικά κύτταρα δεν έχουν πυρήνα ή οργανίδια, η έκφραση γονιδίων συμβαίνει στο ανοικτό κυτταρόπλασμα και όλα τα στάδια μπορούν να συμβούν ταυτόχρονα. Αν και οι προκαρυώτες είναι απλούστεροι από τους ευκαρυώτες, ο έλεγχος της γονιδιακής έκφρασης εξακολουθεί να είναι κρίσιμος για την κυτταρική τους συμπεριφορά.

Γενετικές πληροφορίες σε προκαρυώτες

Οι δύο τομείς των προκαρυωτικών είναι τα Βακτήρια και τα Αρχαία. Και οι δύο στερούνται καθορισμένου πυρήνα, αλλά εξακολουθούν να έχουν γενετικό κώδικα και νουκλεϊνικά οξέα. Αν και δεν υπάρχουν σύνθετα χρωμοσώματα όπως αυτά που θα δείτε στα ευκαρυωτικά κύτταρα, οι προκαρυωτικοί έχουν κυκλικά τεμάχια δεοξυριβονουκλεϊνικού οξέος (DNA) που βρίσκονται στο νουκλεοειδές.

Ωστόσο, δεν υπάρχει μεμβράνη γύρω από το γενετικό υλικό. Γενικά, οι προκαρυώτες έχουν λιγότερες μη κωδικοποιητικές αλληλουχίες στο DNA τους σε σύγκριση με τους ευκαρυώτες. Αυτό μπορεί να οφείλεται στο ότι τα προκαρυωτικά κύτταρα είναι μικρότερα και έχουν λιγότερο χώρο για ένα μόριο ϋΝΑ.

ο νουκλεοειδές είναι απλά η περιοχή όπου ζει το DNA στο προκαρυωτικό κύτταρο. Έχει ακανόνιστο σχήμα και μπορεί να ποικίλει σε μέγεθος. Επιπλέον, το νουκλεοειδές συνδέεται με την κυτταρική μεμβράνη.

Οι προκαρυώτες μπορούν επίσης να αποκαλούνται κυκλικές ϋΝΑ πλασμίδια. Είναι δυνατόν να έχουν ένα ή περισσότερα πλασμίδια σε ένα κύτταρο. Κατά τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης, οι προκαρυώτες μπορούν να περάσουν από τη σύνθεση του DNA και τον διαχωρισμό των πλασμιδίων.

Σε σύγκριση με τα χρωμοσώματα σε ευκαρυωτικά, τα πλασμίδια τείνουν να είναι μικρότερα και έχουν μικρότερο DNA. Επιπλέον, τα πλασμίδια μπορούν να αναδιπλασιαστούν μόνα τους χωρίς άλλο κυτταρικό DNA. Ορισμένα πλασμίδια φέρουν τους κώδικες για μη απαραίτητα γονίδια, όπως αυτά που δίνουν στα βακτηρίδια την αντοχή τους στα αντιβιοτικά.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα πλασμίδια είναι επίσης ικανά να μετακινούνται από ένα κύτταρο σε άλλο κύτταρο και να μοιράζονται πληροφορίες όπως η αντοχή στα αντιβιοτικά.

Στάδια έκφρασης γονιδίων

Η γονιδιακή έκφραση είναι η διαδικασία μέσω της οποίας το κύτταρο μεταφράζει τον γενετικό κώδικα σε αμινοξέα για την παραγωγή πρωτεϊνών. Σε αντίθεση με τους ευκαρυώτες, τα δύο κύρια στάδια, τα οποία είναι μεταγραφή και μετάφραση, μπορούν να συμβούν ταυτοχρόνως σε προκαρυωτικά.

Κατά τη διάρκεια της μεταγραφής, το κύτταρο μεταφράζει το DNA σε ένα μόριο RNA αγγελιαφόρου (mRNA). Κατά τη διάρκεια της μετάφρασης, το κύτταρο καθιστά τα αμινοξέα από το mRNA. Τα αμινοξέα θα συνθέτουν τις πρωτεΐνες.

Τόσο η μεταγραφή όσο και η μετάφραση συμβαίνουν στους προκαρυώτες κυτόπλασμα. Με την πραγματοποίηση και των δύο διεργασιών ταυτόχρονα, το κύτταρο μπορεί να δημιουργήσει μια μεγάλη ποσότητα πρωτεΐνης από το ίδιο πρότυπο DNA. Εάν το κύτταρο δεν χρειάζεται πλέον την πρωτεΐνη, τότε η μεταγραφή μπορεί να σταματήσει.

Μεταγραφή σε Βακτηριακά Κύτταρα

Ο στόχος της μεταγραφής είναι να δημιουργηθεί ένας συμπληρωματικός κλώνος ριβονουκλεϊκού οξέος (RNA) από ένα πρότυπο ϋΝΑ. Η διαδικασία έχει τρία μέρη: την έναρξη, την επιμήκυνση της αλυσίδας και τον τερματισμό.

Για να συμβεί η φάση έναρξης, το DNA πρέπει πρώτα να χαλαρώσει και η περιοχή όπου συμβαίνει αυτό είναι η φούσκα μεταγραφής.

Στα βακτήρια, θα βρείτε την ίδια πολυμεράση RNA υπεύθυνη για όλη τη μεταγραφή. Αυτό το ένζυμο έχει τέσσερις υπομονάδες. Σε αντίθεση με τους ευκαρυώτες, οι προκαρυώτες δεν έχουν παράγοντες μεταγραφής.

Μεταγραφή: Φάση έναρξης

Η μεταγραφή ξεκινά όταν το DNA ξετυλιχθεί και η πολυμεράση του RNA δεσμεύεται σε έναν προαγωγό. Ένας προαγωγός είναι μια ειδική αλληλουχία DNA που υπάρχει στην αρχή ενός συγκεκριμένου γονιδίου.

Στα βακτήρια, ο προαγωγός έχει δύο αλληλουχίες: -10 και -35 στοιχεία. Το στοιχείο -10 είναι όπου το DNA ξετυλίγεται συνήθως και βρίσκεται 10 νουκλεοτίδια από τον τόπο έναρξης. Το στοιχείο -35 είναι 35 νουκλεοτίδια από την περιοχή.

Η πολυμεράση RNA βασίζεται σε έναν κλώνο DNA που είναι το πρότυπο καθώς δημιουργεί ένα νέο κλώνο του RNA που ονομάζεται μεταγραφή RNA. Ο προκύπτων κλώνος RNA ή πρωτογενής μεταγραφή είναι σχεδόν ο ίδιος με τον κλώνο μη κλωνοποιημένου ϋΝΑ ή κώδικα. Η μόνη διαφορά είναι ότι όλες οι βάσεις θυμίνης (Τ) είναι βάσεις ουρακίλης (U) στο RNA.

Μεταγραφή: Φάση επιμήκυνσης

Κατά τη διάρκεια της φάσης επιμήκυνσης της αλυσίδας της μεταγραφής, η RNA πολυμεράση κινείται κατά μήκος της αλυσίδας μήτρας DNA και δημιουργεί ένα μόριο mRNA. Ο κλώνος RNA παίρνει περισσότερο χρόνο καθώς προστίθενται περισσότερα νουκλεοτίδια.

Ουσιαστικά, η πολυμεράση RNA περνά κατά μήκος της στάσης του DNA στην κατεύθυνση 3 έως 5 για να επιτευχθεί αυτό. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι τα βακτήρια μπορούν να δημιουργήσουν πολυκιστρονικά mRNAs αυτόν τον κώδικα για πολλές πρωτεΐνες.

••• Sciencing

Μεταγραφή: Φάση τερματισμού

Κατά τη διάρκεια της φάσης τερματισμού της μεταγραφής, η διαδικασία σταματά. Υπάρχουν δύο τύποι φάσεων τερματισμού σε προκαρυώτες: Rho-εξαρτώμενος τερματισμός και Rho-ανεξάρτητος τερματισμός.

Σε Rho-εξαρτώμενο τερματισμό, ένας ειδικός πρωτεϊνικός παράγοντας που ονομάζεται Rho διακόπτει τη μεταγραφή και τον τερματίζει. Ο πρωτεϊνικός παράγοντας Rho συνδέεται με τον κλώνο RNA σε μια ειδική θέση πρόσδεσης. Στη συνέχεια, κινείται κατά μήκος του κλώνου για να φτάσει στην πολυμεράση RNA στη φούσκα μεταγραφής.

Στη συνέχεια, ο Rho απομακρύνει το νέο RNA κλώνο και το πρότυπο DNA, έτσι η μεταγραφή τελειώνει. Η RNA πολυμεράση σταματάει να κινείται επειδή φθάνει σε μια ακολουθία κωδικοποίησης που είναι το σημείο διακοπής της μεταγραφής.

Σε Rho-ανεξάρτητο τερματισμό, το μόριο RNA κάνει ένα βρόχο και αποσπάται. Η πολυμεράση RNA φθάνει σε μια αλληλουχία ϋΝΑ στον κλώνο εκμαγείου που είναι ο τερματιστής και έχει πολλά νουκλεοτίδια κυτοσίνης (C) και γουανίνης (G). Το νέο σκέλος του RNA αρχίζει να διπλώνεται σε σχήμα φουρκέτας. Τα νουκλεοτίδια C και G δεσμεύονται. Αυτή η διαδικασία εμποδίζει την κίνηση της RNA πολυμεράσης.

Μετάφραση σε Βακτηριακά Κύτταρα

Η μετάφραση δημιουργεί ένα πρωτεϊνικό μόριο ή πολυπεπτίδιο με βάση το πρότυπο RNA που δημιουργήθηκε κατά τη διάρκεια της μεταγραφής. Στα βακτήρια, η μετάφραση μπορεί να συμβεί αμέσως, και μερικές φορές αρχίζει κατά τη διάρκεια της μεταγραφής. Αυτό είναι δυνατό επειδή οι προκαρυώτες δεν έχουν καμία πυρηνική μεμβράνη ή οργανίδια για να διαχωρίσουν τις διαδικασίες.

Σε ευκαρυωτικά, τα πράγματα είναι διαφορετικά επειδή η μεταγραφή λαμβάνει χώρα στον πυρήνα, και η μετάφραση είναι στο κυτοσόλης, ή ενδοκυτταρικό υγρό, του κυττάρου. Ένας ευκαρυώτης χρησιμοποιεί επίσης ώριμο mRNA, το οποίο επεξεργάζεται πριν από τη μετάφραση.

Ένας άλλος λόγος για τον οποίο η μετάφραση και η μεταγραφή μπορεί να συμβεί ταυτόχρονα στα βακτήρια είναι ότι το RNA δεν χρειάζεται την ειδική επεξεργασία που παρατηρείται στα ευκαρυωτικά. Το βακτηριακό RNA είναι έτοιμο για μετάφραση αμέσως.

Ο κλώνος mRNA έχει ονομασθεί ομάδες νουκλεοτιδίων κωδικόνια. Κάθε κωδικόνιο έχει τρία νουκλεοτίδια και κωδικοποιεί μία ειδική αλληλουχία αμινοξέων. Αν και υπάρχουν μόνο 20 αμινοξέα, τα κύτταρα έχουν 61 κωδικόνια για αμινοξέα και τρία κωδικόνια σταματήματος. Το AUG είναι το κωδικόνιο εκκίνησης και αρχίζει μετάφραση. Επίσης κωδικοποιεί το αμινοξύ μεθειονίνη.

Μετάφραση: Έναρξη

Κατά τη διάρκεια της μετάφρασης, ο κλώνος mRNA δρα ως πρότυπο για την παρασκευή αμινοξέων που γίνονται πρωτεΐνες. Το κύτταρο αποκωδικοποιεί το mRNA για να το επιτύχει αυτό.

Η εκκίνηση απαιτεί μεταφορά RNA (tRNA), ριβόσωμα και mRNA. Κάθε μόριο tRNA έχει ένα αντισκόνιο για ένα αμινοξύ. Το αντικωδικό είναι συμπληρωματικό του κωδικονίου. Στα βακτήρια, η διαδικασία ξεκινά όταν μια μικρή ριβοσωμική μονάδα προσκολλάται στο mRNA σε ένα Σειρά Shine-Dalgarno.

Η αλληλουχία Shine-Dalgarno είναι μια ειδική ριβοσωμική περιοχή δέσμευσης τόσο στα βακτηρίδια όσο και στα αρχαία. Το βλέπετε συνήθως περίπου οκτώ νουκλεοτίδια από το κωδικόνιο έναρξης AUG.

Δεδομένου ότι τα βακτηριακά γονίδια μπορούν να έχουν μεταγραφή σε ομάδες, ένα mRNA μπορεί να κωδικοποιεί πολλά γονίδια. Η ακολουθία Shine-Dalgarno διευκολύνει την εύρεση του κωδικονίου έναρξης.

Μετάφραση: Επιμήκυνση

Κατά τη διάρκεια της επιμήκυνσης, η αλυσίδα των αμινοξέων γίνεται μεγαλύτερη. Τα tRNAs προσθέτουν αμινοξέα για να κάνουν την πολυπεπτιδική αλυσίδα. Ένα tRNA αρχίζει να λειτουργεί στο P site, το οποίο είναι ένα μεσαίο τμήμα του ριβοσώματος.

Δίπλα στην τοποθεσία Ρ είναι η Μία ιστοσελίδα. Ένα tRNA που ταιριάζει με το κωδικόνιο μπορεί να μεταβεί στην τοποθεσία Α. Στη συνέχεια, ένας πεπτιδικός δεσμός μπορεί να σχηματιστεί μεταξύ των αμινοξέων. Το ριβόσωμα κινείται κατά μήκος του mRNA, και τα αμινοξέα σχηματίζουν μια αλυσίδα.

Μετάφραση: Τερματισμός

Ο τερματισμός συμβαίνει εξαιτίας ενός κωδικονίου διακοπής. Όταν ένα κωδικόνιο τερματισμού εισέρχεται στη θέση Α, η διαδικασία μετάφρασης σταματά επειδή το κωδικόνιο λήξης δεν έχει συμπληρωματικό tRNA. Οι πρωτεΐνες κάλεσαν παράγοντες απελευθέρωσης που ταιριάζουν στη θέση Ρ μπορούν να αναγνωρίσουν τα κωδικόνια λήξης και να αποτρέψουν τη δημιουργία πεπτιδικών δεσμών.

Αυτό συμβαίνει επειδή οι παράγοντες απελευθέρωσης μπορούν να κάνουν τα ένζυμα να προσθέσουν ένα μόριο νερού, το οποίο καθιστά την αλυσίδα χωριστή από tRNA.

Μετάφραση και Αντιβιοτικά

Όταν παίρνετε μερικά αντιβιοτικά για να θεραπεύσετε μια λοίμωξη, μπορεί να λειτουργούν διαταράσσοντας τη διαδικασία μετάφρασης σε βακτήρια. Ο στόχος των αντιβιοτικών είναι να σκοτώσουν τα βακτήρια και να τα σταματήσουν να αναπαραχθούν.

Ένας τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνεται αυτό είναι να επηρεάσει τα ριβοσώματα στα βακτηριακά κύτταρα. Τα φάρμακα μπορούν να παρεμβαίνουν στην μετάφραση mRNA ή να εμποδίζουν την ικανότητα του κυττάρου να δημιουργεί πεπτιδικούς δεσμούς. Τα αντιβιοτικά μπορούν να προσδεθούν στα ριβοσώματα.

Για παράδειγμα, ένας τύπος αντιβιοτικού που ονομάζεται τετρακυκλίνη μπορεί να εισέλθει στο βακτηριακό κύτταρο με διέλευση της μεμβράνης του πλάσματος και δημιουργία στο εσωτερικό του κυτταροπλάσματος. Στη συνέχεια, το αντιβιοτικό μπορεί να δεσμεύεται σε ένα ριβόσωμα και να παρεμποδίζει τη μετάφραση.

Ένα άλλο αντιβιοτικό που ονομάζεται σιπροφλοξασίνη επηρεάζει το βακτηριακό κύτταρο με στόχο ένα ένζυμο υπεύθυνο για το ξετύλιγμα του ϋΝΑ ώστε να επιτρέπει την αντιγραφή. Και στις δύο περιπτώσεις, τα ανθρώπινα κύτταρα εξοικονομούνται, γεγονός που επιτρέπει στους ανθρώπους να χρησιμοποιούν αντιβιοτικά χωρίς να σκοτώνουν τα κύτταρα τους.

Σχετικό θέμα: πολυκύτταρους οργανισμούς

Μετα-μεταφραστική επεξεργασία πρωτεϊνών

Μετά την ολοκλήρωση της μετάφρασης, ορισμένα κύτταρα συνεχίζουν να επεξεργάζονται τις πρωτεΐνες. Μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις (PTM) πρωτεϊνών επιτρέπουν στα βακτηρίδια να προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους και να ελέγχουν την κυτταρική συμπεριφορά.

Γενικά, τα PTM είναι λιγότερο κοινά στους προκαρυώτες από τους ευκαρυώτες, αλλά μερικοί οργανισμοί τα έχουν. Τα βακτήρια μπορούν να τροποποιήσουν τις πρωτεΐνες και να αντιστρέψουν τις διαδικασίες. Αυτό τους δίνει μεγαλύτερη ευελιξία και τους επιτρέπει να χρησιμοποιούν τροποποίηση πρωτεΐνης για ρύθμιση.

Φωσφορυλίωση πρωτεϊνών

Φωσφορυλίωση πρωτεϊνών είναι μια κοινή τροποποίηση στα βακτήρια. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει την προσθήκη μιας φωσφορικής ομάδας στην πρωτεΐνη, η οποία έχει άτομα φωσφόρου και οξυγόνου. Η φωσφορυλίωση είναι απαραίτητη για τη λειτουργία των πρωτεϊνών.

Ωστόσο, η φωσφορυλίωση μπορεί να είναι προσωρινή επειδή είναι αντιστρεπτή. Ορισμένα βακτήρια μπορούν να χρησιμοποιήσουν φωσφορυλίωση ως μέρος της διαδικασίας για να μολύνουν άλλους οργανισμούς.

Εμφανίζεται η φωσφορυλίωση που εμφανίζεται στις πλευρικές αλυσίδες αμινοξέων σερίνης, θρεονίνης και τυροσίνης Ser / Thr / Tyr φωσφορυλίωση.

Ακετυλίωση πρωτεϊνών και γλυκοσυλίωση

Εκτός από τις φωσφορυλιωμένες πρωτεΐνες, τα βακτηρίδια μπορούν να έχουν ακετυλιωμένο και γλυκοζυλιωμένο πρωτεΐνες. Μπορούν επίσης να έχουν μεθυλίωση, καρβοξυλίωση και άλλες τροποποιήσεις. Αυτές οι τροποποιήσεις παίζουν σημαντικό ρόλο στην κυτταρική σηματοδότηση, ρύθμιση και άλλες διεργασίες στα βακτήρια.

Για παράδειγμα, η φωσφορυλίωση Ser / Thr / Tyr βοηθά τα βακτήρια να ανταποκριθούν στις αλλαγές στο περιβάλλον τους και να αυξήσουν τις πιθανότητες επιβίωσης.

Η έρευνα δείχνει ότι οι μεταβολικές μεταβολές στο κύτταρο συνδέονται με τη φωσφορυλίωση Ser / Thr / Tyr, γεγονός που δείχνει ότι τα βακτήρια μπορούν να αποκριθούν στο περιβάλλον τους αλλάζοντας τις κυτταρικές διεργασίες τους. Επιπλέον, μετα-μεταφραστικές τροποποιήσεις τους βοηθούν να αντιδράσουν γρήγορα και αποτελεσματικά. Η δυνατότητα αντιστροφής των αλλαγών παρέχει επίσης σημαντικό έλεγχο.

Έκφραση γονιδίων στην Αρχαία

Τα Archaea χρησιμοποιούν μηχανισμούς γονιδιακής έκφρασης που είναι περισσότερο παρόμοιοι με τους ευκαρυώτες. Αν και τα αρχάδια είναι προκαρυωτικά, έχουν κάποια κοινά πράγματα με τους ευκαρυώτες, όπως η γονιδιακή έκφραση και η ρύθμιση των γονιδίων. Οι διαδικασίες μεταγραφής και μετάφρασης στην αρχαία έχουν επίσης ομοιότητες με βακτήρια.

Για παράδειγμα, τόσο τα αρχαία όσο και τα βακτηρίδια έχουν μεθειονίνη ως πρώτο αμινοξύ και AUG ως κωδικόνιο έναρξης. Από την άλλη πλευρά, τόσο οι αρχάοι όσο και οι ευκαρυώτες έχουν α Κουτί TATA, η οποία είναι μια αλληλουχία DNA στην περιοχή προαγωγού που δείχνει πού να αποκωδικοποιήσει το DNA.

Η μετάφραση στην αρχαία μοιάζει με τη διαδικασία που παρατηρείται στα βακτήρια. Και οι δύο τύποι οργανισμών έχουν ριβοσώματα που αποτελούνται από δύο μονάδες: τις υπομονάδες 30S και 50S. Επιπλέον, και οι δύο έχουν πολυιστρονικό mRNAs και αλληλουχίες Shine-Dalgarno.

Υπάρχουν πολλές ομοιότητες και διαφορές μεταξύ των βακτηρίων, των αρχαίων και των ευκαρυωτών. Ωστόσο, όλοι βασίζονται στην έκφραση των γονιδίων και τη ρύθμιση των γονιδίων για να επιβιώσουν.