Прокариот геномының ұйымдасуы

Лекция 5. Прокариот геномының ұйымдасуы

Прокариоттар, геном, лактозды оперон.

 

Прокариоттар – клеткасында ядросы жоқ организмдер. Оның функциясын нуклеоид («ядроға» ұқсас құрылым); ядродан айырмашылығы – нуклеоидта өзінің қабаты жоқ..

Прокариот денесі, әдетте, бір  клеткадан тұрады. Бірақ клетка бөлінгенде, клеткалар толық ажырамай, жіп  тәрізді, колониальді және полинуклеоидты формалар (бактероидтер) түзіледі. Прокариоттық клеткаларда бір және екі мембранды тұрақты органоидтер: пластидалар, митохондриялар, эндоплазмалық торлар, Гольджи аппараты болмайды. Олардың функцияларын мезосомалар – плазмалық мембраналардың қатпарлары орындайды. Фотоавтотрофты прокариоттардың цитоплазмасында түрлі мембранды құрылыстар бар, солардың ішінде фотосинтез реакциялары жүреді. Кейде оларды бактериалды хроматофорлар деп атайды.

Прокариоттардың клеткалық қабаттыңда ерекше зат болады, ол муреиндеп аталады, кейбір клеткаларда ол зат жоқ. Клека қабатының бетінде сілекейлі капсула бар. Мембрана мен клетка қабатының арасындағы аралықта фотосинтезге және тыныс алуға қажетті протондар орналасады.

Прокариот клеткаларының өлшемі 0,1-0,15 мкм (микоплазмалар) - 30 мкм және одан да үлкен. Көптеген бактериялардың үлкендігі 0,2-10 мкм. Жылжымалы бактерияларда жгутиктер болады, олардың негізі -  флагеллин белоктары.

 

Прокариот геномының ұйымдасуы (E.coli)

Геномының негізінде – бактериалды хромосома, оның құрамына нуклеоид – ядротәрізді құрылым кіреді. Нуклеоидтың морфологиясы түсті капустаның гүліне ұқсайды, цитоплазма көлемінің 30% алады. Бактериалды хромосома – сақиналы, екітізбектен тұратын, оңға оралған ДНК молекула, ол екіншілік спиральға оралған. Бактериалды хромосоманың ұзындығы шамамен 4,7 млн. Нуклеотидтік жұп құрайды немесе ~ 1,6 мм. Хромосоманың екіншілік құрылысын гистонтәрізді (негіздік) белоктар және РНҚ-мен қамтамасыз етеді. Бактериалды хромосоманың мезосомаға (плазмалемма қатпары) байланысқан нүктесі – ДНҚ репликацияның басталатын нүктесі (бұл нүкте  OriC деп аталады). Бактериалды хромосома клетканың бөлінуінің алдында екі еселенеді, мезосома көмегімен көшірмелері екі жаңа клеткаға бірдей таратылады. ДНҚ репликациясы OriC нүктесінен екі жаққа жүреді және TerC нүктесінде бітеді. Репликация жолымен пайда болған ДНҚ молекулалары – репликон деп аталады.

Бір бактериалды хромосомада 1000-ге дейін белгілі гендерден тұрады. Әдетте бұл гендер «ұй шаруашылығының» гендері клетканың тіршілігін қамтамасыз етеді.

Барлық белгілі гендерді 10 топқа бөлуге болады, олар келесі процесстерді бақылайды:

1. түрлі иондарды және заттарды тасымалдайды (92 ген).

2. Энергия түзетін реакцияларды жүргізеді (табиғи қосылыстардың катаболизмі соның ішінде) (138 ген).

3. Амин қышқылдарының, нуклеотидтердің, витаминдердің, электрондарды тасымалдайтын тізбектердің компоненттері, май қышқылдардың, фосфолипидтердің және басқа да қосылыстардың синтез реакцияларын жүргізетін гендер (221).

4. электрондардың тасымалдануында АТФ генерациясы (15 ген).

5. макромолекулалар катаболизмі (22).

6. Белоктың синтезін жүргізетін аппарат  (164).

7. Нуклеин қышқылдардың синтезін жүргізетін, рекомбинацию мен репарацияны қадағалайтын гендердің синтезі (49).

8. Клетка қабығының синтезі (42).

9. Хемотаксис және жылжымалдық (39).

10. Белгісіз функциялары бар гендер (110).

Лаг–фазада клеткада бір бактериалды хромосома болады, бірақ экспоненциональді өсу фазасында ДНҚ репликацияланып, клетка кешігіп бөлінеді; онда бактериалды хромосоманың саны клеткада 2...4...8 есе өседі. Генетикалық аппараттың ондай күйі полигаплоидтық деп аталады.

Клетка бөлінгенде жаңа бактериалды  хромосомалардың көшірмелері мезосома көмегімен таратылады.

Прокариоттардың генетикалық аппаратының құрамына бактериалды хромосомадан басқа көптеген ұсақ репликондар – плазмидалар кіреді. Олар – ұзындығы мың н.ж. сақиналы ДНҚ молекулалары. Плазмидаларда бірнеше ондық гендер болады. Оларды «байлық гендер» деп атайды, олар антибиотиктерге, ауыр металлдарға тұрақтылықты қамтамасыз етеді, ерекше арнайы токсиндерді кодтайды, сонымен қатар, қонъюгация және басқа бактериялармен генетикалық ақпаратымен алмасуды қадағалайтын гендерден тұрады. Ұзындығы 2...3 мың н.ж. тұратын ұсақ плазмидалар белгілі, олар 2 белокты ғана кодтайды. Көптеген бактерияларда үлкен мегаплазмидалар табылды, ұзындықтары - шамамен миллиона н.ж. тұрады, сәл ғана бактериалды хромосомадан қысқа. Плазмидалар - мезасомаларға біріккен, бос күйінде және бактериалды хромосомаларға attB нүктелерінде интеграцияланған күйде болады. Яғни, бір плазмида хромосомада да болуы мүмкін және одан кесіліп жеке болуы да мүмкін. Кейбір плазмида бір ғана данада болады, ол хромосомамен бірге репликацияланады, ал кейбір плазмидалар – бірнеше көшірмеде болады да, олардың репликациясы бактериалды хромосомадан тыс жүреді. Бос плазмидалардың репликациясы «домалаған сақина» принципімен жүреді, бір ДНҚ матрицасынан «шексіз» көшірме жасалады.

Клетка бөлінгенде, плазмидалар  жаңа клеткаларға тепе-тең таралады.

Молекулярлы-генетикалық басқару жүйесі

Ішек таяқшасының  лактозды оперонының мысалында)

Организмның барлық гендерін екі топқа бөлуге болады: конститутивті және индуцибельді.

Конститутивті гендер әрқашанда тұрақты жұмыс істейтін гендер, олар онтогенездің барлық сатыларында және барлық тканьдерде қызметтерін атқарады. Конститутивті гендерге тРНК, рРНК, ДНК-полимеразаларды, РНК-полимеразаларды, белок-гистондарды, рибосома белоктарын және т.б. кодтайтын гендер жатады. Қысқаша айтқанда, олар - «ұй шаруашылығының гендері», немесе клетка оларсыз тіршілік етпейтін, негізгі гендер.

Индуцибельді гендер – түрлі тканьдерде, онтогенездің белгілі сатыларында қызмет атқаратын гендер, олар «өшіп, жанатын» гендер, активтіліктері «көп немесе аз» принципы бойынша реттеледі. Бұл арнайы тканьдердің гендері, немесе «байлық гендері», клекаға аса қажетті емес гендер. Индуцибельді гендердің жұмыс істеуі индукция, ал өшуі – репрессия деп аталады. Гендердің активтілігін реттейтін - молекулярлы-генетикалық басқару жүйесі.

Гендердің «қосылуы» (переключение генов) бірклеткалы организмдерде, бактерияларда жақсы зерттелген.  Гендердің активтілігін реттейтін механизмды, мысалы, ішек таяқшасының лактозды оперонын қарастырайық.

Оперон – бактериалды хромосоманың участкісі, оған ДНҚ-ның келесі участкілері кіреді: Р – промотор, О – оператор, Z, Y, А – құрылымдық гендер, Т – терминатор. (Басқа оперондардың құрамына 10-шақты құрылыс гендері кіреді.)

Промотор - РНҚ-полимеразаларды ДНҚ молекуласына CAP-цАМФ комплексі көмегімен қосады. CAP-цАМФ комплексі (CAP – арнайы белок; бос күйінде белсенді емес активатор; цАМФ – циклоаденозинмонофосфат – аденозинмонофосфор қышқылының циклдық формасы).

Оператор – белок-репрессорды қосады (сәйкес генмен кодталады). Егер, репрессор операторға қосылса, РНҚ-полимераза ДНҚ молекуласы бойымен жылжи алмайды және иРНҚ синтезделмейді.

Құрылымдық гендер – лактозаны (сүт қанты) глюкоза мен галактозаға ыдырататын үш ферментті кодтайды.  Сүт қанты лактоза – глюкозаға қарағанда аса бағалы тағам өнімі емес, сондықтан глюкоза тұрғанда, лактозаны ашыту бактерияға аса тиімді процесс болмайды. Бірақ, бактерияда глюкоза болмаған жағдайда, бактерия лактозамен қоректенеді, ол үшін сәйкес үш фермент Z, Y, А синтезделеді.

Терминатор – Z, Y, А ферменттерін синтездейтін иРНҚ синтезделгеннен соң РНК-полимеразаны үзеді.

Оперон жұмысын реттеу үшін тағы екі ген қажет: белок-репрессорды кодтайтын ген және СYА белокты кодтайтын ген. Белок СYА АТФ-тен цАМФ-тың түзілуін катализдейді. Егер клеткада глюкоза болса, онда белок СYА глюкозамен реакцияға түсіп, активті емес күйіне айналады. Сонымен, глюкоза цАМФ синтезін тежейді (блокирует) және РНК-полимеразаның промоторға қосылуына қарсы тұрады. Яғни, глюкоза бұл жерде – репрессор болады.

Егер клеткада лактоза болса, ол белок–репрессормен әрекеттесіп, оны активті емес формасына келтіреді. Белок–репрессор лактозамен байланысып, оператормен байланыса алмайды және РНҚ-полимеразаның жолын бөгемейді (не преграждает путь РНК-полимеразе). Яғни, лактоза - индуктор болады.

Мысалы, клеткада бастапқыда глюкоза болсын делік. Онда белок–репрессор оператормен байланысады, ал РНК-полимераза промоторға байланыса алмайды. Оперон жұмыс істемейді, құрылымдық гендер «өшірілген».

Клеткада лактоза пайда  болса, глюкоза болған жағдайда, белок–репрессор оператордан бөлінеді және РНК-полимеразаның жолын ашады. Бірақ, РНК-полимераза промотормен байланыса алмайды, өйткені глюкоза цАМФ синтезін тежейді. Оперон баяғыдай жұмыс істемейді, құрылымдық гендер «өшірілген».

Егер клеткада тек лактоза болса, онда белок–репрессор лактозамен байланысады, опероннан бөлінеді және РНК-полимеразаның жолын ашады.  Глюкоза жоқта белок СYА цАМФ синтезін катализдейді, РНК-полимераза промоторға қосылады. Құрылымдық гендер қосылады, РНК-полимераза синтезирует лактозаны ыдырататын ферменттерді трансляциялайтын иРНҚ-ны синтездейді.

 

 

 

Яғнр, лактозды оперон екі жақтан да қадағаланады: индуктор (лактоза) және репрессор (глюкоза).