Механизм регуляции биосинтеза белка

Клетки живых организмов обладают способностью синтезировать огромное количество разнообразных белков. Синтез белка регулируется внешними и внутренними факторами и условиями, которые диктуют клетке синтез такого количества белка и такого набора белков, которые необходимы для выполнения физиологических функций.

Общую теорию регуляции синтеза белка разработали французские ученые, лауреаты Нобелевской премии Ф. Жакоб и Ж. Моно. Сущность этой теории сводится к «выключению» или «включению» генов как функционирующих единиц, к возможности или невозможности проявления их способности передавать закодированную в структурных генах ДНК генетическую информацию на синтез специфических белков. Эта теория, доказанная в опытах на бактериях, получила широкое признание, хотя в эукариотических клетках механизмы регуляции синтеза белка, вероятнее всего, являются более сложными. У бактерий доказана индукция ферментов при добавлении в питательную среду субстратов этих ферментов. Добавление конечных продуктов реакции, образование которых катализируется этими же ферментами, напротив, вызывает уменьшение количества синтезируемых ферментов. Это последнее явление получило название репрессии синтеза ферментов. Оба явления - индукция и репрессия - взаимосвязаны.

Согласно теории Ф. Жакоба и Ж. Моно, в биосинтезе белка у бактерий участвуют по крайней мере 3 типа генов: структурные гены, ген-регулятор и ген-оператор. Структурные гены определяют первичную структуру синтезируемого белка. Именно эти гены в цепи ДНК являются основой для биосинтеза мРНК, которая затем поступает в рибосому и, как было указано, служит матрицей для биосинтеза белка. Регуляция синтеза белка путем индукции представлена на рисунке 5.

Регуляция синтеза белка путем индукции (схема) ГР - ген-регулятор; П - промотор; ГО - ген-оператор

Рис. 5. Регуляция синтеза белка путем индукции (схема) ГР - ген-регулятор; П - промотор; ГО - ген-оператор

Синтез мРНК на структурных генах молекулы ДНК непосредственно контролируется определенным участком, называемым геном-оператором. Он служит как бы пусковым механизмом для функционирования структурных генов. Ген-оператор локализован на крайнем отрезке структурного гена или структурных генов, регулируемых им. «Считывание» генетического кода начинается с промотора-участка ДНК, расположенного рядом с геном-оператором и являющегося точкой инициации для синтеза мРНК. Синтезированную молекулу мРНК, кодирующую синтез нескольких разных белков, принято называть полигенным транскриптом. Одиночный ген или группа структурных генов образует оперон.

В свою очередь деятельность оперона находится под контролирующим влиянием другого участка цепи ДНК, получившего название гена-регулятора. Структурные гены и ген-регулятор расположены в разных участках цепи ДНК, поэтому связь между ними по Ф. Жакоб и Ж. Моно осуществляется при помощи белка-репрессора. Репрессор имеет сродство к гену-оператору и обратимо соединяется с ним в комплекс. Образование такого комплекса приводит к блокированию синтеза мРНК и, следовательно, синтеза белка (рис. 6).

Регуляция синтеза белка путем репрессии (схема)

Рис. 6. Регуляция синтеза белка путем репрессии (схема)

Механизм описанной регуляции синтеза белка и взаимоотношения репрессора со структурными генами были доказаны в опытах с Е. coli на примере синтеза р-галактозидазы (лактазы) -фермента, расщепляющего молочный сахар на глюкозу и галактозу. Дикий штамм Е. coli обычно растет на глюкозе. Если вместо глюкозы в питательную среду добавить лактозу (новый источник энергии и углерода), то штамм не будет расти, пока не будут синтезированы соответствующие ферменты (адаптивный синтез). При поступлении в клетку лактозы (индуктор) молекулы ее связываются с белком-репрессором и блокируют связь между репрессором и геном-оператором. Ген-оператор и структурные гены при этом начинают снова функционировать и синтезировать необходимую мРНК, которая «дает команду» рибосомам синтезировать р-галактозидазу. Одновременно ген-регулятор продолжает вырабатывать репрессор, но последний блокируется новыми молекулами лактозы, поэтому синтез фермента не продолжается. Как только молекулы лактозы будут полностью расщеплены, репрессор освобождается и, поступив в ДНК, связывает ген-оператор и блокирует синтез мРНК, а следовательно, синтез Р-га-лактозидазы в рибосомах.

Регуляция генной активности у высших организмов намного сложнее, чем у бактерий. У эукариот наряду с регуляторными процессами существуют системы регуляции организма как целого. В отличие от прокариот, у которых процессы транскрипции и трансляции не разобщены во времени и пространстве, у эукариот синтез РНК происходит в ядре клетки, а синтез белков - на рибосомах в цитоплазме.

Таким образом, в живых организмах существует единая бело-ксинтезирующая система. В нее входят: система нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), ферментативная система, полный набор - аминокислот, рибосомы, образующие полисому, макроэргические соединения (АТФ, ГТФ). Наследственная информация, содержащаяся в ДНК, транскрибируется на молекулу иРНК, которая, перемещаясь через ядерную мембрану, выходит из ядра в цитоплазму, перенося генетическую информацию к полисоме для синтеза белковых молекул, выполняющих самые разнообразные функции.

Знания о нуклеиновых кислотах и биосинтезе белка используются для разработки научно обоснованных рекомендаций по содержанию домашних животных, профилактики и лечения различных болезней.

Селекция, гибридизация, выведение новых пород животных - все это базируется на теоретических сведениях о нуклеиновых кислотах и биосинтезе белка.

Появилось новое направление науки - генная инженерия, которая дает возможность непосредственно вмешаться в генетический аппарат клетки и эффективно на него влиять.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >