Ana içerik
Konu: 12. Sınıf Biyoloji (Uluslararası Müfredat) > Ünite 6
Ders 6: Gen İfadesinin RegülasyonuLac (lak) Operonu
Laktoz kullanımında genlerin regülasyonu. lac (lak) represörü, katabolit aktivatör protein ve siklik adenozin monofosfat (cAMP) hakkında bilgi edinelim.
Önemli noktalar:
- E. coli 'nin lac operonu, laktoz metabolizmasında rol alan genleri içerir. Sadece laktozun olup glikozun olmadığı zamanlarda ifade edilir.
- lac represör ve katabolit aktivatör protein (CAP) adı verilen iki regülatör, operonu laktoz ve glikoz düzeyine göre açar ve kapatır.
- Lac represör laktoz sensörü olarak davranır. Normalde operonun transkripsiyonunu engeller ancak laktoz varlığında baskılayıcı etkisi ortadan kalkar. Lac represör, izomeri olan allolaktoz aracılığıyla dolaylı olarak laktozu algılar.
- Katabolit aktivatör protein (CAP) glikoz sensörü olarak davranır. Operonun transkripsiyonunu aktive eder ancak bunu sadece glikoz seviyesi düşük olduğunda yapar. CAP, "açlık sinyali molekülü" olarak da bilinen cAMP aracılığıyla dolaylı olarak glikozu algılar.
Giriş
Laktoz: Akşam yemekte laktoz var! Bizim kulağımıza lezzetli gelmeyebilirken (laktoz sütteki başlıca şekerdir, ve muhtemelen sade olarak yemek istemezsiniz), laktoz, E. coli bakterisi için mükemmel bir yemek olabilir. Ancak, sadece glikoz gibi daha iyi şekerlerin mevcut olmadığı zamanlarda laktozu silip süpürürler.
Bu bağlamda, lac operon tam olarak nedir? Lac operon, tek bir promotöre sahip olan (tek bir mRNA olarak transkripsiyona uğrayan) bir operon veya gen grubudur. Operondaki genler bakterinin laktozu enerji kaynağı olarak kullanmasını sağlayan proteinleri kodlar.
Lac operonu açan nedir?
E. coli bakterisi laktozu parçalayabilir ama bu onların favori yakıtı değildir. Başka bir deyişle, glikoz bulunan ortamlarda laktoz yerine glikozu kullanmayı tercih ederler. Ancak, eğer ortamdaki tek şeker laktozsa, E. coli hiç durmaz ve laktozu enerji kaynağı olarak kullanır.
Bakteri laktozu kullanmak için laktoz alımı ve metabolizması için gerekli enzimleri kodlayan lac operon genlerini ifade etmek zorundadır. Mümkün olduğunca etkili olması için, E. coli'nin lac operonu sadece iki koşul sağlandığında ifade etmesi gerekir:
- Laktoz mevcutken ve
- glikoz mevcut değilken
Laktoz ve glikoz seviyesi nasıl tespit edilir ve bu seviyelerdeki değişiklikler lac operon transkripsiyonunu nasıl etkiler? Burada iki regülatör protein sahneye çıkar:
- Bunlardan ilki olan lac represör, laktoz sensörü olarak davranır.
- Diğeri olan katabolit aktivatör protein (CAP) ise glikoz sensörü olarak davranır.
Bu proteinler lac operonun DNA'sına bağlanarak glikoz ve laktoz seviyesine bağlı olarak transkripsiyonunu düzenler.
Lac operonun yapısı
Lac operon üç gen içerir: lacZ, lacY ve lacA. Bu genlerin bir promotörün kontrolü altında tek bir mRNA olarak transkripsiyonları gerçekleşir.
Lac operondaki genler hücrenin laktozdan yararlanmasını sağlayan proteinleri belirler. LacZ, laktozu glikolize dahil edilebilecek monosakkaritlere (tek birimli şekerler) parçalayan bir enzimi kodlar. Benzer şekilde, lacY laktozun hücreye girişine yardım eden zara gömülü bir taşıyıcıyı kodlar.
Bu üç gene ek olarak, lac operon ayrıca bir grup regülatör DNA dizisi de içerir. DNA'nın bu bölgeleri, operonun transkripsiyonunu kontrol eden belirli regülatör proteinlerin bağlandığı bölgelerdir.
- Promotör, transkripsiyonu gerçekleştiren enzim olan RNA polimeraz için bağlanma bölgesidir.
- Operatör, lac represör proteinin bağlandığı negatif regülatör bölgedir. Operatör promotörle örtüşür ve lac represör bağlandığında, RNA polimeraz promotöre bağlanamaz ve transkripsiyon başlar.
- CAP bağlanma bölgesi katabolit aktivatör proteinin (CAP) bağlandığı pozitif regülatör bölgedir. CAP buraya bağlandığında, RNA polimerazın promotöre bağlanmasına yardımcı olarak transkripsiyonu sağlar.
Şimdi lac represör ve CAP'in, lac operonun düzenlenmesindeki rollerini yakından inceleyelim.
Lac represör
Lac represör, lac operonun transkripsiyonunu baskılayan bir proteindir. Bunu kısmen promotörle örtüşen operatöre bağlanarak yapar. Bağlandığında, lac represör RNA polimerazın önüne çıkar ve operonun transkripsiyonunu engeller.
Laktoz mevcut değilken, lac represör operatöre sıkıca bağlanır, RNA polimerazın transkripsiyon yapmasını engeller. Ancak, laktoz varken, lac represör DNA'ya bağlanma yeteneğini kaybeder. Operatör serbest kalır, RNA polimerazın, operonun transkripsiyonunu gerçekleştirmesinin yolu açılmış olur.
Lac represördeki bu değişime küçük bir molekül olan allolaktoz sebep olur; allolaktoz, laktozun bir izomeridir (yeniden düzenlenmiş versiyonudur). Laktoz mevcutken, bazı moleküller hücre içinde allolaktoza dönüştürülür. Allolaktoz lac represöre bağlanarak şeklini değiştirir ve bu şekilde de DNA'ya bağlanmasını engeller.
Allolaktoz bir indükleyici örneğidir, bir genin veya operonun ifadesini tetikleyen küçük bir moleküldür. Lac operon, indüklenebilir bir operon olarak düşünülür çünkü genellikle kapatılmış durumdadır (baskılanmıştır), ama indükleyici allolaktoz varlığında açılabilir.
Katabolit aktivatör protein (CAP)
Laktoz mevcutken, lac represör DNA 'ya bağlanma yeteneğini kaybeder. Bu RNA polimerazın promotöre bağlanma yolunu temizler ve lac operonun transkripsiyonunu gerçekleştirebilir. Bu, hikayenin sonu gibi geliyor, öyle değil mi?
Tam olarak değil! Anlaşılan o ki, RNA polimeraz tek başına lac operon promotöre iyi bağlanamaz. Birkaç transkripsiyon yapabilir, ama eğer katabolit aktivatör proteinden (CAP) ekstra yardım almazsa bundan fazlasını yapamaz. CAP, lac operon promotörden hemen önce DNA'nın bir bölgesine bağlanır ve RNA polimerazın promotöre bağlanmasına yardım ederek transkripsiyonun yüksek düzeylerde gerçekleşmesini sağlar.
CAP her zaman aktif değildir (DNA'ya bağlanamaz). Bunun yerine, siklik AMP (cAMP) denilen küçük bir molekül tarafından düzenlenir. cAMP, glikoz seviyeleri düşükken E. coli tarafından oluşturulan bir "açlık sinyalidir". cAMP, CAP'a bağlanır, şeklini değiştirir ve DNA 'ya bağlanmasını mümkün kılarak transkripsiyonu promote eder. cAMP olmadan, CAP, DNA 'ya bağlanamaz ve inaktiftir.
CAP sadece glikoz seviyeleri düşükken aktiftir (cAMP seviyeleri yüksektir). Böylece, lac operonun transkripsiyonu sadece glikoz yokken yüksek düzeylerde gerçekleştirilir. Bu strateji, bakterinin sadece tercih edilen enerji kaynağının (glikoz) tamamını tükettikten sonra lac operonu açtığını ve laktozu kullanmaya başladığını kesinleştirir.
Peki, lac operon tam olarak ne zaman açılır?
Lac operon iki koşulun sağlanması halinde yüksek düzeylerde ifade edilir:
- Glikoz mevcut olmamalıdır: Glikoz mevcut değilken, cAMP CAP'a bağlanır, CAP'ın DNA'ya bağlanmasını mümkün kılar. Bağlı CAP RNA polimerazın lac operon promotöre tutunmasına yardım eder.
- Laktoz mevcut olmalıdır: Eğer laktoz mevcutsa, lac represör operatörden salınır (allolaktozun bağlanmasıyla). Bu, RNA polimerazın DNA üzerinde ilerlemesini ve operonun transkripsiyonunu gerçekleştirmesini sağlar.
Bu iki olayın kombinasyonu -aktivatörün bağlanması ve represörün salınması- RNA polimerazın promotöre sıkıca bağlanmasını sağlar ve transkripsiyon için açık bir yol gösterir. Lac operonun güçlü
transkripsiyonuna ve laktoz kullanımı için ihtiyaç duyulan enzimlerin üretimine neden olur.
Tümünü birleştirirsek
Lac operonun tüm hareketli parçalarını gördük, şimdi operonun farklı koşullara (glikoz ve laktoz varlığında veya yokluğunda) nasıl tepki gösterdiğini anlamak için öğrendiklerimizi toparlayalım.
- Glikoz mevcut, laktoz mevcut değil: Lac operon transkripsiyonu gerçekleşmez. Bunun sebebi lac represörün operatöre bağlı kalması ve RNA polimerazın transkripsiyonu gerçekleştirmesini engellemesidir. Ayrıca, cAMP seviyeleri düşüktür çünkü glikoz seviyeleri yüksektir, bu yüzden CAP inaktiftir ve DNA'ya bağlanamaz.
- Glikoz mevcut, laktoz mevcut: Düşük seviyede lac operon transkripsiyonu gerçekleşir. Lac represör operatörden salınır çünkü indükleyici (allolaktoz) mevcuttur. Ancak, cAMP seviyeleri düşüktür çünkü glikoz mevcuttur. Böylece, CAP inaktif kalır ve DNA'ya bağlanamaz, bu yüzden transkripsiyon sadece düşük bir düzeyde gerçekleşir.
- Glikoz mevcut değil, laktoz mevcut değil: Lac operon transkripsiyonu gerçekleşmez. cAMP seviyeleri yüksektir çünkü glikoz seviyeleri düşüktür, yani CAP aktiftir ve DNA'ya bağlı kalır. Ancak, lac represör de operatöre bağlı kalır (allolaktoz mevcut olmadığı için), RNA polimeraza karşı barikat olarak davranır ve transkripsiyonu engeller.
- Glikoz mevcut değil, laktoz mevcut: Güçlü lac operon transkripsiyonu gerçekleşir. Lac represör operatörden salınır çünkü indükleyici (allolaktoz) mevcuttur. cAMP seviyeleri yüksektir çünkü glikoz yoktur, bu yüzden CAP aktiftir ve DNA'ya bağlıdır. CAP, RNA polimerazın promotöre bağlanmasına yardım eder, yüksek düzeyde transkripsiyona izin verir.
Lac operon yanıtlarının özeti
| Glikoz | Laktoz | CAP bağlanır | Represör bağlanır | Transkripsiyon seviyesi |
|---|---|---|---|---|
| + | - | - | + | Transkripsiyon yok |
| + | + | - | - | Düşük düzey transkripsiyon |
| - | - | + | + | Transkripsiyon yok |
| - | + | + | - | Kuvvetli transkripsiyon |
Tartışmaya katılmak ister misiniz?
Henüz gönderi yok.