Регуляция биосинтеза белка

В каждой клетке синтезируются специфические белки, и с неодинаковой скоростью. Благодаря регуляции синтеза в конкретных условиях среды образуется лишь необходимое число молекул данного белка. Все соматические клетки многоклеточных организмов содержат в ДНК одинаковую генетическую информацию, однако отличаются друг от друга по составу белков. Так, клетки эритроцитов содержат большое количество гемоглобина, клетки кожи – коллагена, скелетных мышц – актина и миозина, клетки печени содержат ферменты синтеза мочевины, которые отсутствуют у всех других клеток. Таким образом, в клетках каждого типа экспрессируется только часть структурных генов.

Большая часть генома находится в неактивном, репрессированном, состоянии. Спектр функционирующих генов зависит от типа клетки, периода ее жизненного цикла, стадии индивидуального развития организма. У большинства организмов активно транскрибируются только 2-10% генов.

Гены, которые транскрибируются постоянно, не подчиняясь каким-либо регуляторным воздействиям, называются конститутивными. Обычно это гены, обеспечивающие синтез белков общего назначения (белки рибосом, гистоны, тубулины и др.), а также тРНК и рРНК. Включение и выключение других генов зависит от различных метаболитов, эти гены называются регулируемыми.

Регуляция генной активности у прокариот

Схема регуляции активности генов на уровне транскрипции была впервые разработана Ф. Жакобом и Ж. Моно (1961) на примере лактозного (lac)-оперона кишечной палочки (E. coli). Единица регуляции транскрипции была названа опероном. Оперон – это последовательность структурных генов, определяющих синтез группы белков, участвующих в одной метаболической цепи, имеющих общий промотор и оператор.

E. coli быстро растет на питательной среде, содержащей в качестве источника углерода глюкозу. Глюкоза – самый доступный и выгодный для E. coli источник углерода и энергии. Пока глюкоза имеется в достаточном количестве, клетка не нуждается в получении и переработке других сахаров.

После переноса клеток на среду, содержащую вместо глюкозы лактозу, рост сначала замедляется, а затем возобновляется с высокой скоростью. При этом бактерии синтезируют три необходимых для усвоения лактозы фермента:

· β-галактозидазу, которая расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу;

· пермеазу, необходимую для проникновения лактозы через клеточную мембрану;

· тиогалактозидазу.

Эти ферменты кодируются тремя структурными генами (соответственно Z, Y и А) лактозного оперона. Кроме структурных генов в состав оперона входят промотор и оператор. В схеме оперонной регуляции присутствует также ген-регулятор, кодирующий белок-репрессор. Однако ген-регулятор не входит в состав оперона и может находиться на расстоянии от него.

При отсутствии в среде лактозы активный белок-репрессор связывается с оператором, блокируя транскрипцию структурных генов. Хотя РНК-полимераза может связаться с промотором, она не перемещается дальше «выключенного» оператора (рис. 45А). При добавлении в среду лактозы ее молекулы связываются со специфическим участком репрессора, инактивируя его. У инактивированного репрессора резко снижается сродство к зоне оператора, в результате чего он отсоединяется, и РНК-полимераза начинает транскрипцию структурных генов (рис. 45Б).

 

Снижение концентрации субстрата – лактозы – вновь является сигналом к соединению белка-репрессора с оператором и прекращению транскрипции генов lac-оперона. Таким образом, синтез ферментов происходит только в том случае, если в них возникает необходимость. Данная схема регуляции называется «негативной», так как контролирующим транскрипцию фактором является негативный фактор, «выключатель» – белок-репрессор. Индукция (включение) происходит при потере сродства белка-репрессора к оператору.

Наряду с негативной системой регуляции, для lac -оперона существует и позитивная регуляция. Промотор лактозного оперона способен связывать не только РНК-полимеразу, но и особый белок-активатор катаболизма (САР) в комплексе с циклическим АМФ (рис. 46А).

Присутствие САР и цАМФ вызывает не репрессию, а напротив, активирование транскрипции. Без САР РНК-полимераза не может связаться с промотором  и начать транскрипцию.  САР, образовав  комплекс  с цАМФ,

активизируется и только после этого присоединяется к своему сайту (САР-участку) на промоторе, многократно (почти в 50 раз) усиливая транскрипцию генов lac -оперона. При этом транскрипция возможна только в присутствии лактозы, когда оператор не блокирован репрессором (рис. 46Б). В случае присутствия в среде глюкозы, концентрация цАМФ в клетке резко снижается, и не образуется комплекса цАМФ с САР. В результате этого РНК-полимераза не может связаться с промотором и lac-гены не транскрибируются.

 

 

Особенности регуляции синтеза белка у эукариот

Механизмы регуляции биосинтеза белков у эукариот более разнообразны и осуществляются на разных уровнях. Так, стойкую репрессию генов вызывает компактная упаковка хроматина, включая взаимодействие с гистонами, образование нуклеосом и хроматиновых фибрилл. В гетерохроматине для транскрипции доступно менее 1% генов, в эухроматине, имеющем более рыхлую укладку, − значительно больше. В разных типах клеток в область эухроматина попадают неодинаковые гены, что обеспечивает стабильную репрессию одних генов и дерепрессию других на протяжении всей жизни клетки.

Большинство генов эукариот подвергается адаптивной регуляции, осуществляющейся на уровне транскрипции. Вследствие огромной протяженности и сложности эукариотической ДНК специфические регуляторные участки ДНК и взаимодействующие с ними белки-регуляторы весьма многочисленны. Выявлено более 100 различных белков, способных взаимодействовать с регуляторными последовательностями ДНК и тем самым влиять на сборку транскрипционного комплекса и скорость транскрипции. Эти белки содержат ДНК-связывающие домены, отвечавшие за узнавание специфических участков в молекуле ДНК, а также домены, активирующие транскрипцию. Последние связываются с транскрипционными факторами либо с РНК-полимеразой. Регуляторные белки могут иметь в своем составе антирепрессорные домены, которые взаимодействуют с гистонами нуклеосом, освобождая от них участки ДНК. Эти белки могут содержать в себе также домены, связывающие лиганды – индукторы транскрипции (стероидные гормоны, гормоны щитовидной железы, производные витаминов). После связывания лиганда конформация белка изменяется, и он образует участок, узнающий в регуляторной зоне ДНК специфическую последовательность и индуцирующий транскрипцию определенного гена.

Важную роль в регуляции активности генов играют участки ДНК, расположенные на значительном (1000 и более пар оснований) расстоянии от промотора.

Энхансеры («усилители») – последовательности ДНК, служащие в качестве специфических участков связывания регуляторных белков, активизирующих процесс транскрипции.

Сайленсеры («глушители») – участки ДНК, которые, связываясь с белками, обеспечивают замедление транскрипции. Вероятно, влияние этих элементов на транскрипцию связано с изменением топологии цепей ДНК, в частности с образованием петель (рис. 47), что приближает регуляторные последовательности к промоторам, с которыми они взаимодействуют с помощью белковых факторов.

Регуляция на уровне транскрипции наиболее экономична, но она осуществляется недостаточно быстро. Поэтому важное значение имеет регуляция на других этапах реализации генетической информации.

На многих эукариотических генах, имеющих полиэкзонное строение, после транскрипции и процессинга образуется несколько вариантов зрелой мРНК, когда зкзон одного варианта сплайсинга может оказаться интроном в другом. Это приводит к образованию разных мРНК и, соответственно, разных белков с одного первичного транскрипта. Так, в парафолликулярных клетках щитовидной железы в ходе транскрипции гена гормона кальцитонина образуется первичный транскрипт мРНК, который имеет в своем составе шесть экзонов. мРНК кальцитонина образуется путем сплайсинга первых четырех зкзонов. Этот же первичный транскрипт в клетках головного мозга в ходе альтернативного сплайсинга образует другую мРНК, кодирующую белок, не обладающий гормональной активностью.

На состав белков клетки оказывает влияние также неодинаковая стабильность мРНК. Время жизни эукариотических мРНК составляет от нескольких часов до нескольких дней. Расположенный на 3'-конце фрагмент поли-(А) увеличивает продолжительность жизни молекул мРНК и, соответственно, количество белка.

Регуляция синтеза белка осуществляется и на уровне трансляции. Разные мРНК имеют неодинаковое сродство к рибосомным субчастицам, поэтому полирибосома может содержать различное количество рибосом. Так определяется соотношение белков в клетке. Наконец, может происходить подавление инициации трансляции всех мРНК клетки (например, при действии теплового шока, стрессах, недостатке железа, вирусной инфекции и т. п.). Стрессовый фактор индуцирует фосфорилирование второго фактора инициации (IF-2), тем самым инактивирует его и, следовательно, трансляцию.

Контрольные вопросы

1. Почему белковую молекулу называют полимером? Что является ее мономером?

2. Как образуется пептидная связь? Назовите ее основные характеристики.

3. Чем характеризуются первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка?

4. Опишите основные типы вторичной структуры белков.

5. Охарактеризуйте фибриллярные и глобулярные белки.

6. Что такое денатурация и ренатурация белка?

7. Какие функции белков вам известны?

8. Какие типы нуклеиновых кислот вы знаете? Назовите их функции.

9. Опишите строение ДНК. Какова общая конфигурация молекулы ДНК?

10. Что представляет собой мономер ДНК? Назовите компоненты нуклеотида.

11. Что такое комплементарность азотистых оснований?

12. Дайте сравнительную характеристику ДНК и РНК.

13. Какие виды РНК имеются в клетке?

14. Опишите общий план строения зрелой матричной РНК. Какова ее функция?

15. Каковы строение и функции транспортной и рибосомной РНК?

16. Что подразумевает концепция «Мир РНК»?

17. Что такое репликация? В какой период клеточного цикла происходит самоудвоение ДНК?

18. Перечислите основные принципы репликации.

19. Опишите основные этапы репликации ДНК.

20. Какие ферменты участвуют в репликации ДНК?

21. Как осуществляется репликация концевых участков линейной ДНК? Какова роль теломеразы?

22. Что такое транскрипция? Назовите основные принципы транскрипции.

23. Какие ферменты участвуют в транскрипции? Каково строение РНК-полимеразы? Какие типы РНК-полимераз вам известны?

24. Перечислите основные этапы транскрипции.

25. Что такое процессинг? Опишите процесс сплайсинга.

26. Назовите основные свойства генетического кода.

27. В чем заключаются подготовительные стадии трансляции?

28. Охарактеризуйте основные фазы трансляции.

29. Какие стадии включает цикл элонгации?

30. Как осуществляется терминация трансляции?

31. Что такое фолдинг? Каковы его основные стадии?

32. Каковы механизмы регуляции генной активности у про- и эукариот?

Библиографический список

Основная литература

1. Коничев А.С. Молекулярная биология: учебник для вузов по специальности «Биология» / А.С. Коничев, Г.А. Севастьянова. – М.: Академия, 2003. – 400 с.

2. Молекулярная биология клетки: в 3 т. / Б. Альбертс и др. – М.: Мир, 1994.

3. Молекулярная биология: Структура и биосинтез нуклеиновых кислот: учебник для биологических специальностей вузов / В.И. Агол и др.; под ред. А.С. Спирина. – М.: Высш. шк., 1990. – 352 с.

4. Мушкамбаров Н.Н. Молекулярная биология: учеб. пособие для мед. вузов / Н.Н. Мушкамбаров, С.Л. Кузнецов. – М.: МИА, 2003. – 535 с.

5. Спирин А.С. Молекулярная биология: Структура рибосомы и биосинтез белка: учебник для студентов биологических вузов / А.С. Спирин. – М.: Высш. шк., 1986. – 303 с.

6. Степанов В.М. Молекулярная биология. Структура и функции белков: учебник для биологических специальностей вузов / В.М. Степанов; под ред. А.С. Спирина. – М.: Высш. шк., 1996. – 335 с.

Дополнительная литература

1. Айала Ф. Современная генетика: в 3 т.: пер. с англ. / Ф. Айала,
Дж. Кайгер. – М.: Мир, 1987-1988.

2. Дымшиц Г.М. Проблема репликации концов линейных молекул ДНК и теломераза / Г.М. Дымшиц // Соросовский образовательный журнал. – 2000. – Т. 6, № 5. – С. 8-13.

3. Наградова Н.К. Внутриклеточная регуляция формирования нативной пространственной структуры белков / Н.К. Наградова // Соросовский образовательный журнал. – 1996. – № 7. – С. 10-18.

4. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика: учеб. пособие /
И.Ф. Жимулев. – Новосибирск: Изд-во Новосибирского ун-та, 2002. – 459 с.

5. Льюин Б. Гены: пер. с англ. / Б. Льюин. – М.: Мир, 1987. – 544 с.

6. Спирин А.С. Биосинтез белков, мир РНК и происхождение жизни /
А.С. Спирин // Вестник Российской академии наук. – 2001. – Т. 71,
№ 4. – С. 320-328.

7. Чек Томас Р. РНК-фермент / Томас Р. Чек // В мире науки (Scientific American) (изд. на русс. языке). – 1987. – № 1.

8. Щелкунов С.Н. Генетическая инженерия: учеб.-справ. пособие /
С.Н. Щелкунов. – 2-е изд., испр. и доп. – Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2004. – 496 с.

 

 

Учебное издание

 

В.Ф. Сыч, Н.А. Курносова, Е.П. Дрождина