הומאוסטזיס ברמה מולקולריתמפת האתרעל האתרעקרונותספריהאאוקריוטיםפרוקריוטים?מוכנים  
*

פרוקריוטים

רקע תיאורטי

תיאורית מודל האופרון
ג'קוב (Jacob) ומונו (Monod) היו המדענים שהסבירו בקרת ביטוי גנים בתא. הם חקרו את חילוף חומרים של סוכרים בחיידקי E. coli .
כאשר מגדלים חיידקי E. coli במצע מזון המכיל גלוקוז ולקטוז החיידק מנצל את הגלוקוז כמקור סוכר מועדף. הגלוקוז בטבע הוא סוכר זמין יותר מלקטוז, והחלבונים האחראים לניצול גלוקוז מבוטאים ברציפות בתא החיידק.
בהעדר גלוקוז ובנוכחות לקטוז במצע הגידול ,חלבונים הקשורים לחילוף חומרים של לקטוז מבוטאים בחיידק והוא מנצל לקטוז למחייתו.
בתוך תא החיידק קיים המידע התורשתי הנחוץ לחילוף חומרים, גדילה והתרבות. חלק מהמידע התורשתי מבוטא בקביעות וחלקו מבוטא רק עם שינוי התנאים בהם חי החיידק, תופעה זו נקראת הסתגלות.
חיידקים מגיבים במהירות על שינויים בתנאי הסביבה, ומבטאים חלק מהחלבונים לפי השינוי בתנאים והמידע התורשתי שלהם.
בקרת ביטוי גנים מאפשרת התאמה ושרידות החיידק בסביבה משתנה.
גרף גידול חיידקים בגלוקוז ולקטוז
הדנ"א היא המולקולה הנושאת את המטען התורשתי, ומעורבת בשני תהליכים מרכזים של העברת מידע: שכפול ותעתוק.
שכפול הדנ"א מאפשר את העברת המטען התורשתי מדור לדור.
תעתוק הדנ"א הוא השלב הראשון בהעברת המידע התורשתי מדנ"א לחלבון . תוצר התעתוק מכונה רנ"א שליח ה-רנ"א עובר תרגום לחלבון.
החלבונים מוציאים לפועל את המידע הנמצא בדנ"א.
פעולת השכפול מתבצעת לאורך כל מולקולות הדנ"א .
פעולת התעתוק מוגבלת למקטעים מסוימים לאורך הדנ"א. מקטעים אלו הם גנים פעילים.
כאשר גן מתועתק ומתורגם לתוצר חלבוני, הוא גן פעיל העובר תהליך של ביטוי (expression).

הגנים בדנ"א מתחלקים לשתי קבוצות עיקריות:
גנים מבניים (structural gene) - הם גנים המקודדים לחלבונים או לתוצרי רנ"א.
גנים מווסתים (regulator gene) - גנים המקודדים לחלבונים השותפים בבקרת גנים אחרים, תוצרי גנים אלו נקראים חלבונים מווסתים (regulatory protein) .
החלבונים המתבטאים באופן קבוע בתא ללא קשר לפעילות התא נקראים חלבוני קבע (constitutive protein) , וחלבונים שקצב ייצורם בתא משתנה בהתאם לצרוף תנאים מסוים נקראים חלבונים בני- השראה (inducible proteins) .

אופרון (operon)
צבר גנים (cluster genes) שביטויים מבוקר ע"י רצפי בקרה משותפים. (כל הגנים באופרון נמצאים בשכנות, ומתועתקים כיחידת mRNA אחת) .
תוצרי הגנים באופרון מעורבים בדרך כלל בתהליך מטבולי מסוים.
היסודות להבנת הבקרה על ביטוי גנים הונחו לראשונה ב- 1961 ע"י החוקרים ז'אקוב (Jacob) ומונו (Monod), שקבלו על הגילוי פרס נובל.

"מרכיב" במודל האופרון וביצועו

  • אתר מקדם (Promotor)
    (Lac P), אתר הקישור לרנ"א פולמראז. מכאן מתחיל התעתוק של הגנים המבניים.
  • חלבון דכאן (Repressor), נקשר לאתר מפעיל (Operator) , ועל ידי כך חוסם את התחלת התעתוק ע"י האנזים רנ"א פולימראז.
  • אתר מפעיל- אתרי קישור לחלבון הדכאן
  • גן מווסת Lac I מייצר חלבון דכאן (Repressor) בקצב קבוע .
  • גנים מבנים:
    • Lac Z -מקודד לאנזים β גלקטוזידאז, המפרק את נגזרת הלקטוז לגלוקוז ולגלקטוז.
    • Lac Y -חלבון נשא ממברנלי פירמאז , המאפשר את כניסת נגזרת הלקטוז לתא.
    • Lac A - מקודד לאנזים β - galactoside transacetylase ,
      מעביר קבוצת אצטיל מאצטיל CoA ל- β - galactosides .
      מוטציה בגן Lac A אינה פוגעת בקליטת לקטוז ופירוקו , לכן חשיבתו בתוך מערך אופרון הלקטוז עדין לא ברורה.

  • חלבון מפעיל CAP , חלבון ה- CAP נקשר למולקולת cAMP . התצמיד CAP-cAMP נקשר לאתר המקדם ומסייע להגביר את תהליך התעתוק.
    תרשים בקרת מודל אופרון הלקטוז בנוכחות גלוקוז במצע ובהעדר לקטוז


    בקרה שלילית במודל האופרון
    בנוכחות גלוקוז בהעדר לקטוז במצע הגידול, נקשר חלבון דכאן אלהאתר המפעיל הנמצא בצמוד לאתר המקדם.
    הקישור גורם לחסימת מולקולת הדנ"א שבאזור האתר המקדם של אופרון הלקטוז.
    החסימה אינה מאפשרת התחלת תעתוק של קטע הדנ"א המקודד לשלושת החלבונים המבניים.
    בתנאים של שפע לקטוז והעדר גלוקוז, הלקטוז הוא מקור הסוכר הזמין. בתא נוצרת מהלקטוז נגזרת כימית (β - galactoside). מולקולה זו נקשרת לדכאן באזור קישור מיוחד, וגורמת לשינוי המבנה המרחבי שלו וירידה בזיקתו לאתר המפעיל על הדנ"א.
    אחיזתו של הדכאן בדנ"א נחלשת ומתאפשר תעתוק הגנים המבניים של מודל האופרון על ידי רנ"א פולמראז, אלו יתורגמו לשלושה חלבונים הפעילים בקליטה וניצול של הלקטוז.
    למעשה נגזרת הלקטוז פועלת כמשרן (Inducer)
    תרשים בקרת מודל אופרון הלקטוז, בנוכחות גלוקוז ולקטוז  במצע הגידול


    בנוכחות גלוקוז ובהעדר לקטוז

    בקרה חיובית במודל האופרון
    בתאים מורעבים לגלוקוז יש תגובה של הפיכת ATP ל- cAMP . עליה בריכוז cAMP מהווה אות למצוקה תזונתית בתא.
    בתא קיים חלבון מסוג (Catabolite Activator Protein) CAP, הנקשר ל - cAMP ,הקישור גורם לשינוי מבנה מרחבי בחלבון CAP ומאפשר לו להקשר לרצף קרוב לאתר המקדם.
    כנראה שכתוצאה מכך נחשף אתר קישור נוסף עם זיקה חזקה יותר ל- רנ"א פולמראז בנוסף לאתר הקישור הקיים.
    לכן מוגבר קצב התעתוק ע"י רנ"א פולמראז פי 20.
    תרשים בקרת מודל אופרון הלקטוז, בנוכחות לקטוז בלבד במצע 
              הגידול

    לתא יכולת מורשת לנצל מקורות פחמן ואנרגיה שונים. השימוש במקורות שונים אפשרי תוך ניתוב מסלולים מטבולים הקשורים לטיפול במקורות אלו. הפעלת בקרות על הדרכים לניצול מקורות פחמן ואנרגיה על-ידי התא מאפשרת שמירה על סביבה פנימית יציבה בתא לאורך זמן גם כאשר קיים שינוי במשאבים הקיימים בסביבה החיצונית.

    לדוגמא, מקור האנרגיה אשר חימצונו מאפשר קיומם של תהליכים ליצור אנרגיה זמינה בתא עשוי להשתנות מגלוקוז ללקטוז. רמת ה-ATP בתא לאורך זמן נשארת יציבה למרות השינוי במקור האנרגיה ובעקבות מסלולים מטבולים מתאימים המופעלים בתא בהתאם לסוג הסוכר.
    מנגנונים השומרים על סביבה פנימית יציבה למרות השינויים בסביבה החיצונית בייצור חיי נקראים מנגנונים הומיאוסטאטיים.


 
חזרה

מוכנים? | פרוקריוטים | אאוקריוטים | ספריה | עקרונות | על האתר | מפת האתר | לדף הראשי


כל הזכויות שמורות © 2002, משרד החינוך
האתר נבנה בידי סנונית