1
KOMMENTARER TILL KAPITEL 7 OCH 8
Den centrala dogmen är gemensam för eukaryoter och prokaryoter.
DNA transkriberas till RNA som i sin tur translateras till proteiner.
Genetiska skillnader mellan prokaryoter och eukaryoter.
1.
Den genetiska informationen hos prokaryoter finns samlad i en
ringsluten DNA-molekyl - kärnekvivalenten
2.
Eftersom prokaryoter inte har någon kärna så sker det en kontinuerlig
transkription och translation hos prokaryoter. Hos eukaryoter sker
transkriptionen i kärnan, därefter transporteras mRNA till cytoplasman
där translationen sker.
3.
Introner saknas hos de flesta prokaryoter, jfr fig.7.2
4.
Två st DNA polymeraser: DNA polymeras I och DNA polymeras III
deltar vid replikationen hos prokaryoter
5.
Prokaryoter har en enda typ av RNA polymeras
6.
Hos prokaryoter kan flera gener vara samlade i ett operon som
transkriberas samtidigt - det bildas då ett polycistroniskt mRNA
Operon: en samling gener som har en gemensam promotor
KOORDINERING AV METABOLISMEN
Det krävs ca 2000 kemiska reaktioner för att en bakteriecell skall kunna tillväxa
och föröka sig. Det finns inte en chans att var och en av dessa 2000 oberoende
kemiska reaktioner automatiskt kan samarbeta med varandra för att ge en ordnad
och effektiv tillväxt. Vi skall nu se hur en cell kan undvika kaos och i stället
koordinera sina metaboliska reaktioner.
Koordinering av biosyntesen
Syntesen av byggstenar matchar deras användning i syntesen av
makromolekyler och flödet av kol genom en reaktionsväg är koordinerat med
flödet genom andra reaktionsvägar.
2
Koordinering av katabola förlopp
Många bakterier kan utnyttja flera olika substrat som ger olika mängder av
precursorer, energi och reducerande kraft. Men en cell behöver lika stora
mängder av dessa produkter så det måste finnas mekanismer som justerar
proportionerna av dessa produkter från de olika energigivande reaktionerna.
Koordinering vid polymerisering
En cells innehåll av makromolekyler beror inte i någon större utsträckning av
tillväxtmediets sammansättning. Celler som växer på en blandning av
aminosyror har t ex inte mer proteiner, på nukleosider inte mer nukleotider, på
socker inte mer kolhydrater osv. Media med olika kemisk sammansättning
producerar celler med identisk makromolekylär sammansättning. Dock kan
tillväxthastigheten variera.
Katabola förlopp, anabola förlopp samt polymeriseringar är utsatta för kraftfull
kontroll för att bringa reda i allt kaos.
En cell uttrycker ofta enbart de gener som den behöver i en speciell omgivning.
En cell stänger ofta av de gener vars produkter stör andra processer som äger
rum i cellen vid det tillfället.
Celler reglerar också expressionen av sina gener som svar på
differentieringsprocesser t ex sporulering.
Den metaboliska kontrollen av reaktionerna i en cell sker främst på två
plan:
1.
Kontroll av enzymaktiviteten
2.
Kontroll av genexpressionen (genuttrycket)- reglering av
transkriptionen
Båda typerna av regleringsmekanismer involverar allosteriska proteiner och
effektorer - lågmolekylära föreningar. Effektorerna kan antingen vara
metaboliska intermediärer eller komponenter i omgivningen.
Allosteriska proteiner är antingen regulatoriska - saknar enzymatisk aktivitet,
modulerar syntes av olika enzymer eller sk allosteriska enzymer, jfr fig. 8.3.
3
Koncentrationen av effektormolekyler styr de allosteriska proteinernas
egenskaper.
1.
Kontroll av enzymaktiviteten
a.
Kovalent modifiering (fosforylering, adenylering ..)
b.
Allosteri (olika form)
Vanligast vid anabola förlopp.
En viktig mekanism för kontroll av enzymaktiviteten är feedback inhibering
(slutproduktinhibering), jfr fig. 8.2, 8.3, 8.4 och 8.5. ). En slutprodukt inhiberar
aktiviteten av ett tidigt enzym (ofta första enzymet) i dess biosyntes. De
efterföljande enzymen blir då utan substrat och syntesen av slutprodukten
upphör. Snabb regleringsmekanism.
Katabola förlopp
Det finns inga unika tidiga reaktioner men ändå förekommer både positiva och
negativa allostera interaktioner.
2.
Reglering av transkriptionen
Inbegriper både anabola och katabola förlopp.
Katabola förlopp: Närvaron av ett specifikt substrat inducerar ofta enzymer
som kan omsätta detta.
Anabola förlopp: Åtskilliga kontrollmekanismer som reglerar
synteshastigheten ⇒ överskott av enzymer eller slutprodukter undviks.
Transkriptionen av ett bakteriellt operon regleras genom produkterna av sk
regulatorgener - ofta repressorer och aktivatorer (allosteriska proteiner). Dessa
binder nära operonets promotor (bindningssäte för RNA-polymeras) och reglerar
transkriptionen från promotorn.
Repressorer och aktivatorer arbetar på olika sätt.
Repressorer binder till operatorn (en DNA sekvens i direkt anslutning till
promotorn) och stänger av promotorn ⇒ transkriptionen förhindras.
4
Aktivatorer binder till ett aktivatorsäte (uppströms från promotorn) och slår på
promotorn ⇒ transkriptionen underlättas.
Negativ kontroll: Om ett regulatorprotein stänger av expressionen av ett operon
står operonet under negativ kontroll av det regulatorproteinet.
Ett operon som regleras av en repressor är därför negativt reglerat.
Positiv kontroll: Om ett regulatorprotein slår på operonet står operonet under
positiv kontroll av det regulatorproteinet.
Ett operon som regleras av en aktivator är positivt reglerat.
Operoner som ofta behövs brukar vara positivt reglerade.
En effektor som binder till en repressor eller aktivator och därmed initierar
transkription av ett operon kallas induktor (inducer), jfr fig. 8.14 och 8.15.
En effektor som binder till en repressor och orsakar att den blockerar
transkriptionen kallas corepressor, jfr fig. 8.13.
Enzymer som är inblandade i bruket av kol- och energikällor kodas ofta av
operoner som för det mesta är avstängda och kontrolleras genom induktion.
Substratet eller en närbesläktad substans fungerar som inducer = en effektor som
binder till det regulatoriska proteinet och antingen hindrar det från att binda eller
hjälper det att binda till ett aktivatorsäte.
Operoner som kodar för biosyntetiska enzymer är oftast påslagna såvida
slutprodukten inte finns närvarande.
Allmänt kan man säga att en effektivare kontroll kan upprätthållas om det är
olika reaktionsvägar och olika enzymer i anabolism och katabolism.
Katabolitrepression: En bakterie utnyttjar den kolkälla, kvävekälla etc först
som är lättast att omsätta. Glukos är en viktig kolkälla och för nedbrytning av
glukos finns alla enzymer tillgängliga (konstitutiva enzymer). För nedbrytning
av laktos krävs att vissa enzymer nysyntetiseras (inducerbara enzymer).
Laktos står under katabolitrepression av glukos, jfr fig. 8.18. Detta är en typ av
global regleringsmekanism.
Allmänt: Substrat som utnyttjas lätt av konstitutiva enzymer orsakar
katabolitrepression av inducerbara vägar.
5
Reglering av laktos-operonet används ofta som ett exempel vid beskrivning av
katabolitrepression. Detta operon är både positivt och negativt reglerat, jfr fig.
8.20.
Lacoperonet
Regleras både positivt och negativt.
Jacob och Monod, 1961, operonmodellen.
Tre strukturella gener som kodar för β -galaktosidas, permeas och
transacetylas.
Inducer: Allolaktos – en laktosisomer
Repressor: Lac-repressor – tetramer med identiska monomerer – syntetiseras
konstitutivt.
Cykliskt AMP (cAMP) – central molekyl
E.coli innehåller ett cykliskt AMP receptor protein – CAP-proteinet (CRPproteinet) som bildar ett komplex med cAMP. cAMP-CAP ⇒ aktivator för
lacoperonet.
ATP
→
cAMP + PPi
Adenylatcyklas
⇓
Hög glukoshalt ⇒ låg halt cAMP
Låg glukoshalt ⇒ hög halt cAMP
Adenylatcyklas har hög aktivitet endast om komponenterna i
sockertransportsystemet är fosforylerade, vilket de är i frånvaro av transportabla
socker t ex glukos.
I närvaro av både laktos och glukos så binder lac-repressorn till laktos
(allolaktos) men trots detta transkriberas inte lac-operonet effektivt då det kräver
en aktivator, cAMP-CAP. Denna fungerar inte förrän halten glukos har sjunkit
och därmed halten cAMP stigit.
Galaktos, maltos, arabinos mfl är socker som är utsatta för katabolitrepression
av glukos.
6
Glukos förhindrar intransport av inducerbara substrat.
Attenuering
Uppträder då cellerna svälts m.a.p. t ex tryptofan. Under normala förhållanden
stoppas 9 av 10 transkript innan de når strukturgenerna. Hur styrs detta?
Inga specifika proteiner är inblandade istället finns en interaktion mellan nygjort
transkript, ribosomer, tRNA, tryptofan och tryptofanyl-tRNA-syntetas.
Promotorn i try-operonet är separerad från de första strukturgenerna genom en
sk. leader-sekvens (trpL) – 162 bp. Dennea leader-peptidsekvens innehåller 14
aminosyrakodon. Två av dessa är try-kodon (ovanligt). Dessutom finns också
AUG-startkodon och bindningssäte för ribosomen jfr fig. 8.24.
Det finns också segment 1- 4 som kan ge olika basparningsstrukturer – olika
stam-ögla-strukturer. 1:2 pausögla, 3:4 terminatorögla eller 2:3
antiterminatorögla. Vid position 140 finns ett terminatorsäte med en sekvens av
8U (3:4). Utom vid svält stoppar 9 av 10 transkript här.
Ett RNA-polymeras initierar transkriptionen vid promotorn. En ribosom som
translaterar det korta trpL-transkriptet bestämmer om RNA-polymeraset –
downstream - skall passera terminatorsätet eller inte.
Den första specialstrukturen som bildas är 1:2-öglan. Den ser till att polymeraset
stannar upp. Ribosomen binder och startar translationen, komplexet löses upp
och transkriptionen fortsätter till position 140 och 3:4-öglan bildas –
karakteristisk ρ-oberoende terminator.
Men! Leaderpeptiden kan modulera termineringen genom att det finns två trykodon (ovanligt 1 aminosyra/100 är tryptofan). Ribosomen träffar på dessa
try
trykodon. Om det finns ont om tryptofan finns det ont om laddade tRNA och
då stannar ribosomen. I detta fall har den stam som bildats av segmenten 1:2
lösts upp, vilket tillåter att en stam mellan segmenten 2:3 bildas. Detta i sin tur
förhindrar en bildning av en terminatorstruktur mellan segmenten 3 och 4 ⇒
RNA-P kan fortsätta transkriptionen ⇒ strukturgenerna uttrycks jfr fig. 8.25.
Om det är gott om tryptofan så finns det gott om laddade tRNA
terminering.
try
⇒ 3:4-ögla ⇒
Vad tjänar en cell på att öka potentialen av try-operonet 1000 ggr istf 100 ggr?
Osäkert – kan ha evolutionär betydelse.
7
Det finns aminosyraoperoner som enbart kontrolleras genom attenuering.
