Регуляция биосинтеза белка.

В 64 хромосомах человека число закодированных белков составляет до 3*10 в 5 степени. Но ведь не все эти белки постоянно синтезируются. То есть живая клетка обладает способностью контролировать синтез белков, причем некоторые белки синтезируются при возникновении определенных условий (например, белки острой фазы восстановления). В том же 1961г. Жакоб и Моно предложили теорию индукции – репрессии активности генов. Их идеи в ходе дальнейших иследований полностью подтвердились. Жакоб и Моно установили, что экспрессия (активация) структурного гена (то есть гена, отвечающего за синтез белка) контролируется путем экспрессии регуляторного гена, который контролирует синтез репрессора, функция которого состоит в блокировании активности структурного гена. В присутствии индуктора репрессор инактивируется, образуя с ним комплекс, то есть устраняется влияние регуляторного гена на структурный ген, начинается экспрессия (активация) структурного гена – идет синтез белка.

 

 

Регуляторный ген структурный ген Регуляторный ген структурный ген

 

блок

Активный репрессор активный репрессор

 

белок

индуктор

комплекс белок

 

В качестве индуктора часто выступает субстрат белка-фермента. Дальнейшие исследования показали: 1) репрессор представляет собой белковую молекулу; 2) репрессор связывается с определенным сегментом структурного гена (оперона); 3) это препятствует связыванию РНК-полимеразы с промотором.

Существует 2 важные особенности такого механизма контроля: 1) биосинтез белка осуществляется путем регуляции биосинтеза мРНК, то есть под непосредственным контролем находится процесс транскрипции; 2) контроль осуществляется путем взаимопревращения активного и не активного белка – репрессора, под действием индуктора. Это пример проявления аллостерии. При этом регуляторный ген может находится в любом месте той или даже другой хромосомы и контролировать от одного до 3 структурных генов. Так структурный ген активируется. В случае репрессии структурного гена блок-репрессор первоначально синтезируется в неактивном состоянии. В этом случае присоединие к нему индуктора активирует белок-репрессор и структурный ген ингибируется. Индуктор в таком случае называется ко-репрессором. В качестве индуктора обычно выступает в этом случае продукт реакции. Например гистидиновый структурный ген кодирует синтез 10 различных ферментов, отвечающих за синтез гистидина, и для него ко-репрессором является сам гистидин. Регуляция экспрессии генов происходит не только на уровне транскрипции. Она осуществляется во время процессинга РНК, в ядре и в поддержании стабильности мРНК.

Биологическое значение индукции – репрессии – позволяет организму приспособится к изменением внешней и внутренней среды. Контроль транскрипции генов путем индукции – репрессии – это один из двух основных механизмов, посредством которых живая клетка может регулировать биохимические процессы. Второй механизм – регуляция активности белков после завершения синтеза.

 

3. Химический состав: Мембраны состоят их липидных и белковых молекул. Относительное их количество существенно отличается для разных мембран, варьируя от 20% белка + 80% липидов до 75% белка + 25% липидов. Углеводы в форме гликопротеидов и гликолипидов составляют 0,5 – 10% вещества мембраны.

Липидный двойной слой. Липиды биомембран расположены двумя слоями. Каждый монослой состоит из сложных липидов (и иногда холестерина), расположенных таким образом, что неполярные гидрофобные хвосты молекул находятся в тесном контакте друг с другом; в таком же контакте - полярные гидрофильные элементы. Все эти взаимодействия носят исключительно нековалентный характер. Два монослоя совмещаются, ориентируясь “хвост” к “хвосту” так, что образуется структура двойного слоя, имеющего неполярную внутреннюю часть и две полярные поверхности. Толщина каждого бислоя ≈ 3,5 - 4,0 нм. Липидный состав монослоев отличается. Например, цереброзиды и ганглиозиды обычно располагаются во внешнем монослое клеточной мембраны. Степень такого различия липидного состава монослоев различна для разных мембран и может меняться по мере участия клетки в разных процессах и по мере ее старения. Липидные молекулы могут переходить из одного монослоя в другой. Подвижность (жесткость) и текучесть липидного бислоя определяется типом и длиной углеводородных группировок, входящих в состав ЖК и сфингозинов, а также содержанием холестерина. Повышенная жесткость определяется увеличенным соотношением насыщенных и ненасыщенных цепей и повышенным содержанием холестерина. Физические свойства мембран зависит также от типа и расположения белков, связанных с липидным бислоем.

Мембранные белки. В общую структуру мембраны включены белки, присоединенные к липидному бислою одним из двух способов:

1.связаны с гидрофильной поверхностью бислоя - (поверхностные мембранные белки);

2.погруженные в гидрофобную зону бислоя липидов - (интегральные мембранные белки).

Каждая мембрана содержит оба вида белков, однако, разным типам мембран присуще различные соотношения этих белков. Поверхностные белки своими полярными боковыми группами аминокислотных остатков, расположенных на поверхности белковой молекулы, связаны нековалентными связями с гидрофильной поверхностью липидного бислоя. Интегральные белки различают по степени погруженности в гидрофобную область бислоя. С обеих сторон мембраны некоторые белки могут лишь не очень глубоко проникать внутрь двойного слоя, достигая примерно половины слоя, а другие белки как бы прошивают своей структурой двойной слой. Белки, также как и липиды, могут менять свое местоположение в мембране. Это движение может быть направлено вдоль монослоя, может быть вращательным в пределах монослоя или даже бислоя, может быть направлено от одной поверхности бислоя к другой. Белки могут претерпевать изменения своей конформации, что, возможно, влияет на конформацию соседних белков.

Функции белков мембран: Все мембранные белки (и поверхностные и интегральные) можно разделить на 2 большие группы на основании их роли в составе мембран:

1. структурные белки;

2. динамические белки.

Структурные белки помогают поддерживать структуру всей мембраны. Часто белки этого типа имеют удлиненную форму и располагаются на гидрофильной поверхности липидного слоя, выступая в роли молекулярного бандажа. Динамическими называются белки, которые непосредственно участвуют в клеточных процессах, происходящих на мембране. Во всех типах клеток обычно выделяют три класса таких белков:

1.транспортные белки(участвуют в транспорте соединений внутрь и наружу клеток;

2.каталитические белки (играют роль ферментов в реакцииях, происходящих на мембране);

3.белки - рецепторы (специфически связывают определенные соединения - гормоны, токсины, нейромедиаторы на наружной стороне мембраны, что служит сигналом для изменения химических процессов в мембране или внутри клетки).

Мембранный транспорт.

Перенос (транспорт) соединений внутрь или наружу клетки, а также их транспорт между цитоплазмой и различными субклеточными органеллами (митохондриями, ядром и т.д.) определяется мембранами. Транспортные свойства мембраны определяет ее полупроницаемость - некоторые соединения могут проникать через нее, а другие нет. В зависимости от конкретного соединения и вида мембраны имеет место либо пассивный, либо активный транспорт.

1. Пассивный транспорт - это транспорт по градиенту концентрации без затрат энергии клеткой. Такой транспорт иногда называют диффузией. Различают простую и облегченную диффузию.

Простая диффузия происходит без какого-либо взаимодействия с мембранным белком. В облегченной диффузии участвуют молекулы носителя, обычно мембранного белка.

2. Активный транспорт - это тот случай, когда перенос требует затраты энергии клеткой. Используется и энергия АТФ и другие источники энергии.Одна из наиболее важных систем - К⁺, Na⁺ - насос. Насос представляет собой единственный белок, называемый Na⁺, К⁺ - АТФаза. Молекула этого белка пронизывает всю мембрану и представляет собой олигомер с молекулярной массой 250.000. механизм действия включает несколько стадий:

1.молекула АТФ из цитоплазмы связывается с активным центром на одной из субъединец АТФазы. Связывание АТФ сопровождается связыванием 3 Na⁺ из цитоплазмы.

2.Фосфорирование АТФазы (за счет АТФ) вызывает конформационный переход в структуре белка, приводящий к переориентации его таким образом, что связанный Na⁺ выводится через канал, открытый на наружную сторону мембраны.

3.После выведения Na⁺, 2К⁺ снаружи присоединяются к ионсвязывающим центрам фосфорированного белка.

4.Удаление фосфатной группы путем гидролиза, вызывает вновь конформационный переход, восстанавливающий исходную конформацию, которая освобождает 2К⁺ в канал, открытый теперь внутрь клетки.

Таким образом, на каждую затраченную молекулу АТФ АТФаза переносит 3Na⁺ и 2К⁺ (соответственно из клетки и внутрь клетки).

Клетки мышц содержат Са⁺⁺ - АТФазный насос, контролирующий сокращение мышц, причем, освобождение Са⁺⁺ вызывает сокращение мышц.