Ana içerik

Trp Operonu

trp represörünün gen ifadesini kontrol etmesi. Son ürün inhibisyonu& azalımı.

Önemli noktalar:

E. coli bakterilerinde bulunan trp operonu, bir amino asit olan triptofan ile ilgili biyosentetik enzimleri kodlayan bir gen grubudur.
trp opeonu, triptofan seviyesi düşükken ifade edilirken (aktive olurken); triptofan seviyesi yüksekken baskılanır (deaktive olur).
trp operonu, trp repressörü (baskılayıcısı) tarafından regüle edilir. trp operonu triptofana bağlandığında, operonun ifadesi engellenir.
Triptofan biyosentezi, atenüasyon adı verilen, transkripsiyon ve translasyonun eşleşmesine dayalı bir mekanizma tarafından da regüle edilir.

trp operonu nedir?

Bağırsaklarımızın dost canlısı sakinlerinden olan Escherichia coli gibi bakteriler, hayatta kalmak için amino asitlere ihtiyaç duyarlar. Çünkü onlar da, aynen bizler gibi, protein sentezlemek zorundadırlar. İhtiyaçları olan amino asitlerden biri ise triptofandır.

Ortamda bulunması durumunda, E. coli triptofanı kullanarak protein sentezler. Ancak, E. coli'nin, beş geni tarafından kodlanan enzimleri kullanarak triptofan sentezlemesi de mümkündür. Bu beş gen, yan yana, trp operonunun üzerinde bulunurlar.

Kısaca cevaplamak gerekirse, operonların, transkripsiyonları tek bir promotör kontrolü altında gerçekleşen bir gen dizisi olduğunu ve bu transkripsiyon sonucunda da, birden fazla geni kodlayan diziler içeren uzun bir mRNA elde edildiğini söyleyebiliriz. Operon genlerin yanı sıra, ifadesini kontrol eden, promotör ve represör ya da aktivatör proteinlerin bağlanma bölgelerini de kapsayan regülatör DNA dizilerini de içerir.

Operonların temel özelliklerini tek tek gözden geçirmek isterseniz bakterilerde gen regülasyonuna genel bakış makalesine göz atmanızı öneririz.

Ortamda bulunması durumunda ise, E. coli bakterilerinin triptofan sentezlemesine gerek olmadığı için, trp operonu üzerindeki genlerin transkripsiyonu "deaktive" edilir. Triptofan konsantrasyonunun düşük olması durumunda, operon "aktif" hale getirilir, genlerin transkripsiyonu gerçekleşir, üretilen biyosentetik enzimler sayesinde daha fazla triptofan elde edilir.

trp operonun yapısı

trp operon, triptofan biyosentezi için gerekli enzimleri kodlayan beş genin yanı sıra, bir promotör yani RNA polimeraz için bağlanma bölgesi ve bir de operatör yani represör protein için bağlanma bölgesi içerir. trp operonun genlerinin transkripsiyonları sonucunda, tek bir mRNA elde edilir.

Operonu "aktive" ve "deaktive" etmek

Operatör ne işe yarar? DNA'nın bu kısmı, trp represör adı verilen bir regülatör protein tarafından algılanır. Represör protein, operatörün DNA'sına bağlandığında, transkripsiyon enzimi olan RNA polimerazın yoluna çıkarak operonun transkripsiyonunu engeller.

trp represörü her zaman DNA'ya bağlanmaz. Bir başka deyişle, ortamda triptofan bulunması durumunda bağlanır ve transkripsiyonu engeller. Ortamda bulunması durumunda, triptofan represör moleküllere bağlanır, şekillerini değiştirerek onları aktive eder. Triptofan gibi, represörleri aktive edebilen küçük bir molekül, korepresör olarak adlandırılır.

Öte yandan, hücredeki triptofan miktarı az olduğunda, trp represörü, ortamda kendisine bağlanıp aktive edecek triptofan bulunmadığı için deaktive durumdadır. Bu durumda, DNA'ya bağlanıp, transkripsiyonu engellemeyeceğinden, RNA polimeraz, trp operonun transkripsiyonunu gerçekleştirir.

Bu sistemde, trp represörü hem bir sensör hem de bir şalter gibi davranmaktadır. Triptofanın yüksek konsantrasyonlarda bulunduğunu hisseder ve bu durumda operonu "deaktive" ederek, fazla biyosentetik enzim üretimini durdurur.

trp operon regülasyonu hakkında daha fazlası: Atenüasyon

Bulunduğunuz sınıfa ya da ilgi alanlarınıza bağlı olarak, trp operon regülasyonu ile ilgili atenüasyon kavramını da duymuş olabilirsiniz.

trp represörü regülasyonu gibi, atenüasyon da, triptofan konsantrasyonu yüksek olduğunda, trp operonun ifadesini azaltan bir mekanizmadır. Ancak bu durumda, transkripsiyonun başlaması engellenmez, atenüasyon, transkripsiyonun tamamlanmasını engeller.

Triptofan konsantrasyonu yüksek olduğunda, atenüasyon, RNA polimerazın trp operonun transkripsiyonunu gerçekleştirirken prematüre bir şekilde durmasına sebep olur. Bunun sonucu olarak yalnızca kısa bir mRNA elde edilir ve bu mRNA, triptofan biyosentezi için gerekli olan enzimleri kodlayamaz. Atenüasyon, eşlenmeye (mRNA translasyonunun hala transkripsiyon sürecinde olduğu) bağlı bir mekanizma ile çalışır.

Atenüasyonu anlayabilmek için, trp operonun yukarıda incelediğimiz bölümlerinden birini biraz daha yakından inceleyelim. Bu bölüm, operatör ve operonun ilk geni arasında bulunur ve lider olarak adlandırılır. Lider kısa bir polipeptidi kodlar ve aynı zamanda atenüatör adı verilen bir dizi içerir. Atenüatör bir polipeptit kodlamaz ancak mRNA'ya transkripsiyonu gerçekleştiğinde, kendi kendini tamamlayan bölümleri sayesinde farklı firkete yapıları oluşturabilir.

RNA polimeraz operonun transkripsiyonuna başladığında, bir ribozom oluşmakta olan transkripte bağlanır ve lider bölgenin translasyonuna başlar. Liderin kodladığı polipeptit, yalnızca

14

amino asit uzunluğunda ve iki triptofan (Trp) kalıntısı içeren kısa bir polipeptittir

^{1}

. Triptofanların önemli olmasının iki sebebi bulunur.

Ortamdaki triptofan konsantrasyonu yüksekse, ribozomun triptofan taşıyan bir tRNA'yı uzun süre beklemesine gerek kalmaz ve lider polipeptidi kısa bir süre içerisinde tamamlayabilir.
Ortamdaki triptofan konsantrasyonu düşükse, ribozom, Trp taşıyan bir tRNA beklemesi gerektiği için Trp kodonlarında takılı kalır ve liderin translasyonunu tamamlaması uzun sürer.

Ribozomun liderin translasyonunu kısa ya da uzun sürede tamamlamasının ne önemi olabilir? Yukarıda da belirttiğimiz üzere, liderden sonra, atenüatör adı verilen bir bölge yer almaktadır ve bu bölge, mRNA formunda, farklı firkete formları oluşturmak için kendine yapışabilir. Bu yapılardan biri, transkripsiyonu sonlandıran bir sinyal içerirken, diğerleri transkripsiyonu sonlandırmaz ancak terminatör firkete yapısının oluşumunu engeller

^{2}

Ribozomun translasyonu yavaş gerçekleştirmesi durumunda, duraklama olur ve bu da antiterminatör yani sonlanmayı engelleyen firkete yapısının oluşumuna sebep olur. Bu firkete yapısı, terminatörün oluşmasını engeller ve transkripsiyonun devam etmesini sağlar.
Düşük Trp seviyeleri: Hücre içindeki triptofan yeterli seviyede olmadığında, ribozom, liderin başlangıcındaki kısa polipeptidin translasyonunu gerçekleştirirken Trp kodonlarında duraklar. Bu duraklama, bölge 2 ve 3'ün bir araya gelerek bir firkete yapısı oluşturmasına sebep olur. Antiterminatör firkete yapısı adı verilen bu yapı, bölge 3 ve 4'ün bir araya gelmesiyle oluşan terminatör firkete yapısının oluşmasını engelle. Bu şekilde, sonlanma gerçekleşmez ve RNA polimeraz, transkripsiyona devam ederek trpE-trpA genlerini de içeren bir transkript oluşturur.
Ribozomun translasyonu hızlı gerçekleştirmesi durumunda ise, lider peptidin translasyonunu gerçekleştirdikten sonra mRNA'dan ayrılır. Bu terminatör firkete yapısının ve buna bağlı bir başka firkete yapısının oluşumuna sebebiyet vererek, RNA polimerazın ayrılmasını ve transkripsiyonun sonlanmasını sağlar.
Yüksek Trp seviyeleri: Trp seviyesi yüksek olduğu ve hücre içinde Trp taşıyan birçok tRNA olduğu için ribozom, lider polipeptidi sentezlerken Trp kodonlarında duraklamaz. Ribozom bunun yerine lider polipeptidin sentezini hızlı bir şekilde gerçekleştirir, stop kodonuna ulaşır ve mRNA'dan ayrılır. Bu durum, bölge 1 ve 2'yi bir araya gelmeleri için serbest bırakır, bunun üzerine bölge 3 ve 4 de bir araya gelerek terminatör firkete yapısını oluştururlar. Terminatör firkete yapısı, RNA polimerazın DNA'dan ve transkriptten ayrılarak translasyonu sonlandırmasına sebep olur. Bunun sonucunda ise yalnızca lider bölge içeren bir mRNA elde edilmiş olur, trpE-trpA genlerinin transkripsiyonu ise gerçekleşmez.

Bu mekanizma, her ne kadar karmaşık olsa da, elde edilen sonuç son derece açıktır. Triptofan konsantrasyonu yüksek olduğunda, ribozom lider üzerinde hızlıca hareket eder, terminatör firkete yapısı oluşur ve trp operon transkripsiyonu sonlanır. Triptofan konsantrasyonu düşük olduğunda ise, ribozom lider üzerinde yavaşça hareket eder, terminatör olmayan firkete yapısı oluşur ve trp operon transkripsiyonu devam eder.

Başka bir deyişle, atenüasyonun mantığı da, trp represör regülasyonu ile benzerdir. İki durumda da, hücre içindeki yüksek triptofan konsantrasyonu, operonun ifadesini kapatmaktadır. Bunun mantıklı olmasının sebebi, triptofan konsantrasyonu yüksek olduğunda hücrenin, triptofan üretimi için biyosentetik enzim yapmasına ihtiyacı olmamasıdır.

Açıklama:

Bu makalenin uyarlandığı kaynak: "Prokaryotic gene regulation," OpenStax College, Biology, CC BY 4,0. Orijinal makaleyi ücretsiz olarak bu adresten indirebilirsiniz: http://cnx.org/contents/76b4a074-d223-4ad9-8d9e-4114c74f492c@5.

Uyarlanmış makale CC-BY-NC-SA 4.0 lisansıyla lisanslanmıştır.

Alıntı yapılan çalışmalar:

Yanofsky, C. (2007). RNA-based regulation of genes of tryptophan synthesis and degradation, in bacteria. RNA, 13(8), 1143. http://dx.doi.org/10,1261/rna.620507.
Yanofsky, C. (2007). RNA-based regulation of genes of tryptophan synthesis and degradation, in bacteria. RNA, 13(8), 1144. http://dx.doi.org/10,1261/rna.620507.

Referanslar:

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J. Raff, M., Roberts, K. ve Walter, P. (2002). How genetic switches work. Molecular biology of the cell (4.baskı). New York, NY: Garland Science. Alıntı yapılan kaynak: www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26872/

Berg, J. M., Tymoczko, J. L. ve Stryer, L. (2002). Prokaryotic DNA-binding proteins bind specifically to regulatory sites in operons. Biochemistry (5. baskı, bölüm 31,1). New York, NY: W. H. Freeman. Alıntı yapılan kaynak: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22512/.

Bergmann, D. C. (2011). Gene regulation: How to only make RNA (and protein) at the right time and place. BIO41: 2011 Molecular biology lectures on DNA, RNA and biotechnology (sayfa 9-13).

Griffiths, A. J. F., Miller, J. H., Suzuki, D. T., Lewontin, R. C. ve Gelbart, W. M. (2000). Additional examples of control: Attenuation. An introduction to genetic analysis. New York, NY: W. H. Freeman. Alıntı yapılan kaynak: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22103/.

Gutierrez, R. (2009). Bio41 week 9 — Molecular biology Lectures 4-6. Stanford Bio41.

Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., Matsudaira, P., Baltimore, D. ve Darnell, J. (2000). Bacterial transcription initiation. Molecular Cell Biology (4. baskı, bölüm 10,2). New York, NY: W. H. Freeman. Alıntı yapılan kaynak: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21612/.

McClean, P. (1997). The trp operon - A repressible system. Prokaryotic gene expression. Alıntı yapılan kaynak: https://www.ndsu.edu/pubweb/~mcclean/plsc431/prokaryo/prokaryo3.htm.

OpenStax College, Biology. (29 Eylül 2015). Prokaryotic gene regulation. OpenStax CNX. Alıntı yapılan kaynak: http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@9,87:drSgdNIj@5/Prokaryotic-Gene-Regulation.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B. ve Singer, S. R. (2014). The trp operon is controlled by the trp repressor. Biology (10. baskı, sayfa 311-312). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. ve Jackson, R. B. (2011). Bacteria often respond to environmental change by regulating transcription. Campbell biology (10. baskı, sayfa 361-365). San Francisco, CA: Pearson.

Szouter, P. (2013). Lecture 17 - Prokaryotic regulation. BIOL 202 Genetics. Alıntı yapılan kaynak: http://www.discoveryandinnovation.com/BIOL202/notes/lecture17.html.

Tryptophan synthase. (31 Ocak 2016). Alıntı yapılan tarih ve kaynak: 17 Nisan 2016, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Tryptophan_synthase.

Trp operon. (11 Şubat 2016). Alıntı yapılan tarih ve kaynak: 17 Nisan 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Trp_operon.

Yanofsky, C. (2007). RNA-based regulation of genes of tryptophan synthesis and degradation, in bacteria. RNA, 13(8), 1141-1154. http://dx.doi.org/10,1261/rna.620507.

Tartışmaya katılmak ister misiniz?

Giriş Yap

Sıralama ölçütü:

Henüz gönderi yok.

İngilizce biliyor musunuz? Khan Academy'nin İngilizce sitesinde neler olduğunu görmek için buraya tıklayın.

AP®︎/Üniversite Biyoloji

Konu: AP®︎/Üniversite Biyoloji > Ünite 6