The lac operon adalah sekumpulan gen struktur yang berfungsi untuk kod untuk protein yang terlibat dalam metabolisme laktosa. Mereka adalah gen yang disusun secara berurutan dalam genom hampir semua bakteria dan telah dikaji dengan usaha khas dalam bakteria "model" Escherichia coli.
Opera lac adalah model yang digunakan oleh Jacob dan Monod pada tahun 1961 untuk mencadangkan susunan genetik dalam bentuk operon. Dalam karya mereka, penulis ini menerangkan bagaimana ekspresi satu atau lebih gen dapat "dihidupkan" atau "dimatikan" sebagai akibat dari adanya molekul (laktosa, misalnya) dalam medium pertumbuhan.
Skema am operasi lac. Tereseik. Hasil turunan gambar G3pro. Terjemahan Sepanyol oleh Alejandro Porto.
Bakteria yang tumbuh dalam media pertumbuhan kaya dengan sebatian karbon atau gula selain laktosa, seperti glukosa dan galaktosa, mempunyai jumlah protein yang sangat rendah yang diperlukan untuk metabolisme laktosa.
Kemudian, dengan ketiadaan laktosa, operon "dimatikan", menghalang polimerase RNA daripada mentranskripsikan segmen gen yang sesuai dengan operon lac. Ketika sel "merasakan" kehadiran laktosa, operon diaktifkan dan gen ini ditranskripsikan secara normal, yang dikenal sebagai "menghidupkan" operon.
Semua gen operon diterjemahkan ke dalam satu molekul RNA pemesejan dan, oleh itu, sebarang faktor yang mengatur transkripsi RNA pemesejan operon lac ini secara langsung akan mengatur transkripsi mana-mana gen yang menjadi miliknya.
Penemuan
Teori Jacob dan Monod berkembang dalam konteks di mana sangat sedikit yang diketahui mengenai struktur DNA. Dan hanya lapan tahun sebelum Watson dan Crick membuat cadangan mereka mengenai struktur DNA dan RNA, sehingga RNA utusan hampir tidak diketahui.
Jacob dan Monod pada tahun 1950-an telah menunjukkan bahawa metabolisme laktosa bakteria diatur secara genetik oleh dua keadaan yang sangat spesifik: kehadiran dan ketiadaan laktosa.
Kedua-dua saintis telah mengamati bahawa protein dengan ciri-ciri yang serupa dengan enzim alosterik dapat mengesan kehadiran laktosa dalam medium dan bahawa setelah gula dikesan, transkripsi dua enzim dirangsang: permease laktosa dan galaktosidase.
Hari ini diketahui bahawa permease berperanan dalam pengangkutan laktosa ke dalam sel dan galaktosidase diperlukan untuk "memecahkan" atau "memotong" molekul laktosa menjadi glukosa dan galaktosa, sehingga sel dapat memanfaatkan disakarida ini di bahagian penyusunnya.
Pada tahun 1960-an telah ditentukan bahawa permetase laktosa dan galaktosidase dikodekan oleh dua urutan genetik yang bersebelahan, wilayah Z dan wilayah Y, masing-masing.
Lac operon adalah sebahagian daripada genom bakteria Escherichia coli. Sumber: NIAID, melalui Wikimedia Commons
Akhirnya, pada tahun 1961, Jacob dan Monod mengemukakan model genetik yang terdiri daripada lima unsur genetik:
- Seorang penganjur
- Pengendali dan
- gen Z, Y dan A.
Semua segmen ini diterjemahkan ke dalam RNA utusan tunggal dan merangkumi bahagian-bahagian penting untuk menentukan praktikal mana-mana operon bakteria.
Analisis dan eksperimen genetik
Jacob, Monod, dan kolaborator mereka melakukan banyak eksperimen dengan sel bakteria yang mempunyai mutasi yang menyebabkan strain tidak dapat memetabolisme laktosa. Strain seperti itu dikenal pasti dengan nama strain dan mutasi yang sesuai yang mereka miliki.
Dengan cara ini, para penyelidik dapat mengenal pasti bahawa mutasi pada gen lacZ, yang memberi kod untuk β-galactosidase, dan lacY, yang memberi kod untuk permetase laktosa, menghasilkan bakteria jenis lac, iaitu bakteria yang tidak mampu memetabolisme laktosa. .
Dari "pemetaan genetik" menggunakan enzim sekatan, lokasi gen pada strain yang berbeza kemudiannya ditentukan, yang memungkinkan untuk membuktikan bahawa ketiga-tiga gen lacZ, lacY dan lacA dijumpai (dalam urutan itu) pada kromosom bakteria dalam kumpulan gen bersebelahan.
Keberadaan protein lain, yang disebut protein penekan, yang tidak semestinya dianggap sebagai "bahagian" operon, dijelaskan melalui mutasi dalam gen yang disebut lacI-. Ini mengekodkan protein yang mengikat ke wilayah "operator" dalam operon dan mencegah transkripsi gen untuk permease β-galactosidase dan laktosa.
Dikatakan bahawa protein ini bukan sebahagian daripada gen yang membentuk opera lac, kerana ia sebenarnya terletak "hulu" yang terakhir dan ditranskripsikan ke dalam RNA utusan yang berbeza.
Skema operan lac (Sumber: Barbarossa di Wikipedia Belanda melalui Wikimedia Commons)
Strain bakteria yang memiliki mutasi lacI "konstitutif" mengekspresikan gen lacZ, lacY dan lacA, yang berlaku tanpa mengira kehadiran atau ketiadaan laktosa di persekitaran ekstraselular.
Sebilangan besar pemerhatian ini disahkan dengan memindahkan gen lacI + dan lacZ + ke sel bakteria yang tidak menghasilkan protein yang dikodkan oleh gen ini dalam medium bebas laktosa.
Oleh kerana bakteria "berubah" dengan cara ini hanya menghasilkan enzim β-galactosidase dengan adanya laktosa, eksperimen mengesahkan bahawa gen lacI penting untuk pengaturan ekspresi lac operon.
Fungsi
Opera lac mengatur transkripsi gen yang diperlukan oleh bakteria untuk mengasimilasi laktosa sebagai sumber karbon dan tenaga. Walau bagaimanapun, transkripsi gen ini hanya berlaku apabila sumber tenaga utama sesuai dengan karbohidrat jenis galaktosida.
Dalam sel bakteria, ada mekanisme yang mengatur ekspresi gen lac operon ketika mereka berada di hadapan glukosa atau gula lain yang lebih mudah dimetabolisme.
Metabolisme gula ini melibatkan pengangkutan mereka ke bahagian dalam sel dan pemecahan atau pemprosesan berikutnya.
Laktosa digunakan sebagai sumber tenaga alternatif untuk bakteria, membantu mereka bertahan walaupun sumber tenaga lain di persekitaran seperti glukosa habis.
Model lac operon adalah sistem genetik pertama seumpamanya yang dijelaskan dan dijadikan asas untuk menerangkan banyak operon lain dalam genom pelbagai jenis mikroorganisma.
Dengan kajian sistem ini, banyak kemajuan yang dicapai dalam memahami fungsi protein jenis "penekan" yang mengikat DNA. Terdapat juga kemajuan dalam pemahaman tentang enzim alosterik dan bagaimana mereka bertindak selektif ketika mengenali satu atau substrat yang lain.
Kemajuan penting lain yang timbul dari kajian opera lac adalah pembentukan peranan penting yang dimainkan oleh RNA utusan dalam menterjemahkan petunjuk yang terdapat dalam DNA dan juga sebagai langkah awal untuk sintesis protein.
Rujukan
- Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Pengenalan kepada analisis genetik. Macmillan.
- Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE, & Aquadro, CF (2008). Genetik: dari gen ke genom (hlm. 978-0073227382). New York: McGraw-Hill.
- Lewis, M. (2013). Allostery and the lac Operon. Jurnal biologi molekul, 425 (13), 2309-2316.
- Müller-Hill, B., & Oehler, S. (1996). Opera lac (ms 66-67). New York :: Walter de Gruyter.
- Parker, J. (2001). Operasi lac.
- Yildirim, N., & Kazanci, C. (2011). Simulasi dan analisis determinisme dan stokastik rangkaian tindak balas biokimia: Contoh operon laktosa. Dalam Kaedah dalam enzimologi (Jilid 487, hlm. 371-395). Akhbar Akademik.