Hoofdstuk 7 Metabolic Regulation
Constitutief = Eiwitten of RNA die (bijna) altijd nodig zijn in de cel komen op deze manier tot expressie.
Reguleren functie van eiwitten
-Manieren
1. Activiteit van een enzym of eiwit Kan alleen worden gereguleerd nadat het eiwit is
gesynthetiseerd. Gaat langzamer.
2. Hoeveelheid van een enzym of eiwit Gaat erg sneller.
Transcriptie bacteriën = DNA RNA, gaat met behulp van RNA-polymerase.
-Stappen
1. Het Sigma factor herkent de promotor en bindt hier samen met het RNA-polymerase.
-RNA-polymerase
o Bestaat in bacteriën uit 5 subunits (β, β’, α, ω en σ). Subunits vormen samen het
active enzym, maar σ (sigma) is niet zo strak gebonden en kan makkelijk loslaten om
zo het core enzym te vormen. Dit core enzym zorgt voor de synthese van RNA en
het σ deel herkent het juiste deel van het DNA om hier te binden.
-Promotor
o Na binding van RNA-polymerase wordt de dubbele helix van het DNA geopend en
ontstaat er een transcription bubble. Bevat consensussequentie wat wordt herkend
door het sigmafactor.
2. Het Sigma factor laat los en transcriptie begint en de RNA-keten groeit.
3. Wanneer de terminatie site is bereikt stopt de RNA-keten met groeien en laten het RNA-
polymerase en nieuwgevormde RNA-keten los.
-Terminatie
o Afhankelijk van specifieke sequenties op het DNA.
Deze sequenties bevatten een regio met veel GC en
een inverted repeat.
o Wordt deze regio bereikt dan vormt het RNA een stem-
loop waarbij de inverted repeats naast elkaar komen te
liggen.
o Na deze stem loop volgt er een reeks uridine bases.
o Door de zwakke verbinding tussen U-A pauzeert het
RNA-polymerase en de DNA- en RNA-streng scheiden
van elkaar waardoor RNA-polymerase eraf “valt”.
Operon = Een groep van gerelateerde genen die samen worden
afgeschreven.
UTR = Untranslated region, wordt niet afgeschreven tot een eiwit.
DNA-bindingseiwitten = Transcriptiefactoren
-Kenmerken
Binden het DNA-sequentie specifiek. Binden in de major groove van het DNA (door de
grootte).
Binden in prokaryoten over het algemeen langere DNA-sequenties.
Vaak dimeren (= opgebouwd uit twee identieke polypeptideketens welke zijn opgedeeld in
domeinen).
Herkennen vaak inverted repeats. Elke subunit van het dimeer bindt aan een inverted repeat.
Zijketens van aminozuren Interactie met specifieke basenvolgorde.
-Domeinen
Helix-turn-helix = Twee polypeptideketens die bestaan uit een α-helix in de secondaire
structuur. Ketens zijn gekoppeld via de turn.
-Opbouw
o Recognition helix. Heeft specifieke interactie met DNA.
o Stabilizing helix. Stabiliseert eerste helix door hydrofobe interacties te vormen.
o Turn. Verbindt de twee helixen en bestaat uit drie aminozuurresiduen.
Zinc finger = Wordt vaak gevonden in regulatie eiwitten in eukaryoten. Bindt een zink-ion.
-Opbouw
o Zink-ion wordt “vastgehouden” door twee cysteïnes.
o Finger bestaat uit een α-helix.
Leucine zipper = Bevat leucineresiduen die de twee recognition helixen goed oriënteert zodat
deze het DNA kan binden.
,-Na binding DNA
Stimulatie van transcriptie = transcriptionele activator.
Remming van transcriptie = repressor.
Transcriptionele regulatie
-Vormen
Negatieve controle = voorkomt transcriptie.
-Manieren
o Repressie. Het enzym dat nodig is om de reactie te katalyseren waarbij een specifiek
product ontstaat wordt alleen gemaakt wanneer er behoefte is aan het product.
Meestal het geval bij anabole reacties.
-Voorbeeld
Arginine operon.
> Geen corepressor (arginine) aanwezig Operon wordt afgeschreven
doordat repressor niet kan binden aan operator.
> Wel corepressor (arginine) aanwezig Operon wordt niet
afgeschreven doordat repressor + corepressor kunnen binden aan
operator.
o Inductie. Het enzym dat nodig is om een bepaalde reactie te katalyseren wordt alleen
gemaakt als het substraat aanwezig is. Meestal het geval bij katabole reacties.
-Voorbeeld
Lac operon.
> Geen corepressor (allolactose) aanwezig Operon wordt niet
afgeschreven doordat repressor kan binden aan operator.
> Wel corepressor (allolactose) aanwezig Operon wordt
afgeschreven doordat repressor + corepressor kunnen binden aan
operator.
> Zowel allolactose als cAMP moeten aanwezig zijn voor transcriptie.
Positieve controle = Activatie van binding RNA-polymerase aan DNA. Transcriptie hangt af
van de binding van een activator eiwit aan het DNA.
-Voorbeeld
o Maltose operon.
Geen inducer (maltose) aanwezig Operon wordt niet afgeschreven doordat
activator eiwit en RNA-polymerase niet kunnen binden aan DNA.
Wel inducer (maltose) aanwezig Operon wordt afgeschreven doordat
maltose bindt aan activator eiwit welke bindt aan activator binding site.
Hierdoor kan RNA-polymerase binden aan de promotor.
-Activator eiwit
-Functie
Helpt RNA-polymerase de promotor te herkennen en transcriptie te beginnen
door:
> DNA-structuur te wijzigen door dit te verbuigen.
> Directe interactie met RNA-polymerase.
-Interactie met RNA-polymerase
> Activator binding site ligt naast de promotor.
> Activator binding site ligt ver van de promotor. DNA vormt een loop zodat de
het activator eiwit en het RNA-polymerase kunnen binden.
Globale controle = Mechanismes die reageren op signalen uit de omgeving door de expressie
van verschillende genen te reguleren. Global doordat er heel veel operons en genen bij
betrokken zijn.
o Cataboliet repressie Reguleert het gebruik van koolstofbronnen wanneer er
meerdere aanwezig zijn. Wanneer glucose aanwezig is wordt de afbraak van andere
koolstofbronnen onderdrukt. Positieve controle.
-Kan leiden tot
o Diauxic growth Groei – Lag fase – Groei. Ontstaat door het gebruik van een
koolstofbron – koolstofbron raakt op – gebruik van nieuwe koolstofbron die eerst nog
moet worden aangebroken/afgebroken.
, -Werking
1. Cyclisch AMP (cAMP, regulerend nucleotide) bindt aan cyclisch AMP-receptor eiwit
en bindt samen met RNA-polymerase aan promotor op DNA.
a) Glucose inhibeert de vorming van cAMP dus, veel glucose weinig cAMP.
2. DNA-streng wordt afgelezen en er ontstaat lacI, lacZ, lacY en lacA.
3. LacI is een actieve repressor die kan binden aan de operator en zo de transcriptie
blokkeert. De blokkeren van transcriptie kan worden verholpen door een bijpassende
inducer.
Inducer = Een substantie die enzymsynthese in gang zet.
Corepressor = Een substantie die enzymsynthese onderdrukt.
Effectors = Substanties die een effect hebben op de enzymsynthese.
Operon
1 mRNA codeert voor meerdere genen.
1 Promotor sequentie.
Regulon
Meerdere operons
Operons worden gereguleerd door een enkel
regulatory protein.
Twee componenten regulatie systemen = Eenvoudige signaaltransductie route (niet in archaea en
eukaryoten).
-Componenten
Sensor kinase eiwit
-Kenmerken
o Membraaneiwit.
o Histidine kinase.
o Ontvangen een signaal en fosforyleren zichzelf bij een histidineresidu. Hierbij wordt
vaak het fosfaat van ATP gebruikt.
Respons regulator eiwit
-Kenmerken
o Vaak DNA-bindingseiwit (positieve of negatieve regulatie).
o In cytoplasma.
o Fosfaat van sensor kinase eiwit wordt hierop overgebracht.
-Voorbeelden
Regulatie buitenmembraan eiwitten.
-Onderdelen
o EnvZ (histidine kinase) neemt veranderingen waar in osmotische druk.
o OmpF (grote porie) en OmpC (kleine porie) zijn porines. Dit zijn eiwitten die ervoor
zorgen dat metabolieten het buitenmembraan van gram-negatieve bacteriën kunnen
oversteken.
o OmpR zorgt voor transcriptie van OmpF of OmpC en door signalen van EnvZ.
-Werking
o Verandering in osmotische druk EnvZ autofosforyleert en geeft fosfaatgroep aan
OmpR OmpR-P
o Lage osmotische druk OmpR-P onderdrukt transcriptie van OmpC activeert
transcriptie van OmpF gen.
o Hoge osmotische druk OmpR-P onderdrukt transcriptie van OmpF en activeert
transcriptie van OmpC.
Chemotaxis = Beweging in reactie op chemicaliën. Regulatie van activiteit van flagellen i.p.v.
transcriptie. Counter clock wise = vooruit bewegen.
-Hypothese
o Geen attracktent Random bewegen.
Constitutief = Eiwitten of RNA die (bijna) altijd nodig zijn in de cel komen op deze manier tot expressie.
Reguleren functie van eiwitten
-Manieren
1. Activiteit van een enzym of eiwit Kan alleen worden gereguleerd nadat het eiwit is
gesynthetiseerd. Gaat langzamer.
2. Hoeveelheid van een enzym of eiwit Gaat erg sneller.
Transcriptie bacteriën = DNA RNA, gaat met behulp van RNA-polymerase.
-Stappen
1. Het Sigma factor herkent de promotor en bindt hier samen met het RNA-polymerase.
-RNA-polymerase
o Bestaat in bacteriën uit 5 subunits (β, β’, α, ω en σ). Subunits vormen samen het
active enzym, maar σ (sigma) is niet zo strak gebonden en kan makkelijk loslaten om
zo het core enzym te vormen. Dit core enzym zorgt voor de synthese van RNA en
het σ deel herkent het juiste deel van het DNA om hier te binden.
-Promotor
o Na binding van RNA-polymerase wordt de dubbele helix van het DNA geopend en
ontstaat er een transcription bubble. Bevat consensussequentie wat wordt herkend
door het sigmafactor.
2. Het Sigma factor laat los en transcriptie begint en de RNA-keten groeit.
3. Wanneer de terminatie site is bereikt stopt de RNA-keten met groeien en laten het RNA-
polymerase en nieuwgevormde RNA-keten los.
-Terminatie
o Afhankelijk van specifieke sequenties op het DNA.
Deze sequenties bevatten een regio met veel GC en
een inverted repeat.
o Wordt deze regio bereikt dan vormt het RNA een stem-
loop waarbij de inverted repeats naast elkaar komen te
liggen.
o Na deze stem loop volgt er een reeks uridine bases.
o Door de zwakke verbinding tussen U-A pauzeert het
RNA-polymerase en de DNA- en RNA-streng scheiden
van elkaar waardoor RNA-polymerase eraf “valt”.
Operon = Een groep van gerelateerde genen die samen worden
afgeschreven.
UTR = Untranslated region, wordt niet afgeschreven tot een eiwit.
DNA-bindingseiwitten = Transcriptiefactoren
-Kenmerken
Binden het DNA-sequentie specifiek. Binden in de major groove van het DNA (door de
grootte).
Binden in prokaryoten over het algemeen langere DNA-sequenties.
Vaak dimeren (= opgebouwd uit twee identieke polypeptideketens welke zijn opgedeeld in
domeinen).
Herkennen vaak inverted repeats. Elke subunit van het dimeer bindt aan een inverted repeat.
Zijketens van aminozuren Interactie met specifieke basenvolgorde.
-Domeinen
Helix-turn-helix = Twee polypeptideketens die bestaan uit een α-helix in de secondaire
structuur. Ketens zijn gekoppeld via de turn.
-Opbouw
o Recognition helix. Heeft specifieke interactie met DNA.
o Stabilizing helix. Stabiliseert eerste helix door hydrofobe interacties te vormen.
o Turn. Verbindt de twee helixen en bestaat uit drie aminozuurresiduen.
Zinc finger = Wordt vaak gevonden in regulatie eiwitten in eukaryoten. Bindt een zink-ion.
-Opbouw
o Zink-ion wordt “vastgehouden” door twee cysteïnes.
o Finger bestaat uit een α-helix.
Leucine zipper = Bevat leucineresiduen die de twee recognition helixen goed oriënteert zodat
deze het DNA kan binden.
,-Na binding DNA
Stimulatie van transcriptie = transcriptionele activator.
Remming van transcriptie = repressor.
Transcriptionele regulatie
-Vormen
Negatieve controle = voorkomt transcriptie.
-Manieren
o Repressie. Het enzym dat nodig is om de reactie te katalyseren waarbij een specifiek
product ontstaat wordt alleen gemaakt wanneer er behoefte is aan het product.
Meestal het geval bij anabole reacties.
-Voorbeeld
Arginine operon.
> Geen corepressor (arginine) aanwezig Operon wordt afgeschreven
doordat repressor niet kan binden aan operator.
> Wel corepressor (arginine) aanwezig Operon wordt niet
afgeschreven doordat repressor + corepressor kunnen binden aan
operator.
o Inductie. Het enzym dat nodig is om een bepaalde reactie te katalyseren wordt alleen
gemaakt als het substraat aanwezig is. Meestal het geval bij katabole reacties.
-Voorbeeld
Lac operon.
> Geen corepressor (allolactose) aanwezig Operon wordt niet
afgeschreven doordat repressor kan binden aan operator.
> Wel corepressor (allolactose) aanwezig Operon wordt
afgeschreven doordat repressor + corepressor kunnen binden aan
operator.
> Zowel allolactose als cAMP moeten aanwezig zijn voor transcriptie.
Positieve controle = Activatie van binding RNA-polymerase aan DNA. Transcriptie hangt af
van de binding van een activator eiwit aan het DNA.
-Voorbeeld
o Maltose operon.
Geen inducer (maltose) aanwezig Operon wordt niet afgeschreven doordat
activator eiwit en RNA-polymerase niet kunnen binden aan DNA.
Wel inducer (maltose) aanwezig Operon wordt afgeschreven doordat
maltose bindt aan activator eiwit welke bindt aan activator binding site.
Hierdoor kan RNA-polymerase binden aan de promotor.
-Activator eiwit
-Functie
Helpt RNA-polymerase de promotor te herkennen en transcriptie te beginnen
door:
> DNA-structuur te wijzigen door dit te verbuigen.
> Directe interactie met RNA-polymerase.
-Interactie met RNA-polymerase
> Activator binding site ligt naast de promotor.
> Activator binding site ligt ver van de promotor. DNA vormt een loop zodat de
het activator eiwit en het RNA-polymerase kunnen binden.
Globale controle = Mechanismes die reageren op signalen uit de omgeving door de expressie
van verschillende genen te reguleren. Global doordat er heel veel operons en genen bij
betrokken zijn.
o Cataboliet repressie Reguleert het gebruik van koolstofbronnen wanneer er
meerdere aanwezig zijn. Wanneer glucose aanwezig is wordt de afbraak van andere
koolstofbronnen onderdrukt. Positieve controle.
-Kan leiden tot
o Diauxic growth Groei – Lag fase – Groei. Ontstaat door het gebruik van een
koolstofbron – koolstofbron raakt op – gebruik van nieuwe koolstofbron die eerst nog
moet worden aangebroken/afgebroken.
, -Werking
1. Cyclisch AMP (cAMP, regulerend nucleotide) bindt aan cyclisch AMP-receptor eiwit
en bindt samen met RNA-polymerase aan promotor op DNA.
a) Glucose inhibeert de vorming van cAMP dus, veel glucose weinig cAMP.
2. DNA-streng wordt afgelezen en er ontstaat lacI, lacZ, lacY en lacA.
3. LacI is een actieve repressor die kan binden aan de operator en zo de transcriptie
blokkeert. De blokkeren van transcriptie kan worden verholpen door een bijpassende
inducer.
Inducer = Een substantie die enzymsynthese in gang zet.
Corepressor = Een substantie die enzymsynthese onderdrukt.
Effectors = Substanties die een effect hebben op de enzymsynthese.
Operon
1 mRNA codeert voor meerdere genen.
1 Promotor sequentie.
Regulon
Meerdere operons
Operons worden gereguleerd door een enkel
regulatory protein.
Twee componenten regulatie systemen = Eenvoudige signaaltransductie route (niet in archaea en
eukaryoten).
-Componenten
Sensor kinase eiwit
-Kenmerken
o Membraaneiwit.
o Histidine kinase.
o Ontvangen een signaal en fosforyleren zichzelf bij een histidineresidu. Hierbij wordt
vaak het fosfaat van ATP gebruikt.
Respons regulator eiwit
-Kenmerken
o Vaak DNA-bindingseiwit (positieve of negatieve regulatie).
o In cytoplasma.
o Fosfaat van sensor kinase eiwit wordt hierop overgebracht.
-Voorbeelden
Regulatie buitenmembraan eiwitten.
-Onderdelen
o EnvZ (histidine kinase) neemt veranderingen waar in osmotische druk.
o OmpF (grote porie) en OmpC (kleine porie) zijn porines. Dit zijn eiwitten die ervoor
zorgen dat metabolieten het buitenmembraan van gram-negatieve bacteriën kunnen
oversteken.
o OmpR zorgt voor transcriptie van OmpF of OmpC en door signalen van EnvZ.
-Werking
o Verandering in osmotische druk EnvZ autofosforyleert en geeft fosfaatgroep aan
OmpR OmpR-P
o Lage osmotische druk OmpR-P onderdrukt transcriptie van OmpC activeert
transcriptie van OmpF gen.
o Hoge osmotische druk OmpR-P onderdrukt transcriptie van OmpF en activeert
transcriptie van OmpC.
Chemotaxis = Beweging in reactie op chemicaliën. Regulatie van activiteit van flagellen i.p.v.
transcriptie. Counter clock wise = vooruit bewegen.
-Hypothese
o Geen attracktent Random bewegen.
