| Головна |
| «« | ЗМІСТ | »» |
|---|
Синтез білка - складний, багатоступінчастий процес, який залежить від функціонального стану ДНК, РНК і безпосередньо білок-сінтезіруюшей системи. Тому механізми регуляції швидкості утворення білка реалізуються як в ядрі, так і в цитоплазмі. З розглянутого зрозуміло, що в освіті поліпсптідной ланцюга беруть участь всі три типи РНК. Таким чином, транскрипція є одним з факторів, що визначають швидкість білкового синтезу. Експресія генів збільшує швидкість транскрипції, репресія - знижує. Спочатку розглянемо, як це реалізується на прикладі прокаріотів.
У 1961 р французькі дослідники Ф. Жакоб і Ж. Моно вперше провели фундаментальні дослідження індукції генів, що кодують р-галактозидазу і пов'язані з нею ферменти в клітинах кишкової палички Е. coli. Ці дослідження допомогли їм сформулювати гіпотезу про оперон і регуляції синтезу білка в клітинах прокаріотів.
Опероном називається сукупність генів, здатних включатися і вимикатися в залежності від метаболічних потреб клітини. Авторами вперше були оцінені регуляторні механізми на прикладі лактозного або Lac-оперону, будова якого представлено на рис. 29.5.
На ділянці ДНК, що відповідає оперон, знаходяться три структурних гена (z, у і а). Ці гени кодують р-галактозидазу, гідроліз лактозу до глюкози та галактози, галактозідпермеазу, переносить лактозу через клітинну мембрану, а також галактозідтрансацетілазу, переносить ацетильную залишок з ацетил-КоА на галактозу. Крім структурних генів, оперон містить регуляторні послідовності: ген-оператор, примикає до З'-по- послідовності структурного гена, і ген-регулятор, кодує білок-репрессор. До гену-оператору примикає промотор - початковий сайт ініціації транскрипції. Білок-репрессор, взаємодіючи з геном-оператором, частково блокує область промотора. Це перешкоджає приєднанню РНК-полі-
Мал. 29.5. Будова Lac-оперону Мераз до промотор, і транскрипція скасовується. при зростанні Е. coli на середовищі з глюкозою лактозна оперон вимкнений. Його функціонування і регуляція мають місце при вирощуванні клітин на лактозной середовищі. Навіть за відсутності галактозіділпермсази певне число молекул лактози надходить в клітку і вступає у взаємодію з білком-репрессором, які перебувають не тільки у вільному стані, а й асоційованим з геном-оператором. В результаті відбувається деблокування промотора і транскрипція стає можливою. Освіта р-галактозидази призводить до гідролізу лактози і появи в клітці глюкози, джерела енергії. В результаті інтенсифікації транскрипції і синтезу р-галактозидази зменшується кількість індуктора (лактози) і функціонування Lac-оперону репресує. Таким чином реалізується регуляція за принципом зворотного зв'язку. Центральну роль тут відіграє білок-репрессор. Він складається з чотирьох субодиниць і має два центри зв'язування: з індуктором-лактозою і геном-оператором. По черзі (але не одночасно) зв'язуючись з індуктором або з геном-оператором, він включає індукцію або репресію Lac-оперону.
Є ще один механізм регуляції функціонування оперона. Якщо бактерії культивувати на середовищі з глюкозою, то лактозна оперон не функціонує. Це обумовлено тим, що якийсь продукт розщеплення глюкози (катаболіт) репресує даний процес. Який же механізм цієї репресії? Виявилося, що РНК-полімсраза приєднується до промотор за допомогою спеціального білка CAP (Catabolite gene activation protein), Комплекс якого з цАМФ активує катаболітной гени. Катаболіт глюкози пригнічує фермент аденілатциклазу, каталізують утворення цАМФ, комплекс не утворюється, і індукції лактозного оперона не відбувається. Таким чином, швидкість транскрипції визначається утворенням комплексів САР-цАМФ і їх зв'язуванням з промотором.
У разі лактозного оперона лактоза - субстрат для р-галактозидази - індукує синтез ферменту за рахунок інактивації білка-репрессора і відновлення функціонування оперона. Інше явище спостерігається в процесі регуляції синтезу ферментів, які здійснюють освіту амінокислоти триптофану в тій же клітині Е. coli.
Мал. 29.6. Будова триптофанового оперона
Механізм регуляції транскрипції полягає в наступному. Білок-репрессор синтезується в неактивному стані у вигляді прорепрессора. Кінцевий продукт діяльності ферментів - триптофан - є активатором білка-репрессора, який після активації взаємодіє з геном-оператором і зупиняє транскрипцію (рис. 29.6).
Є ще один механізм регуляції, пов'язаний зі зниженням швидкості транскрипції, так звана аттенуація. У клітинах Е. coli, як і в інших бактеріях, між першим структурним геном і геном-оператором розташована лідерних послідовність порядку 140-150 нуклеотидів, так званий аттснуатор. Навіть невеликий надлишок кінцевого продукту того ж триптофану приводить до того, що РНК-полімераза, досягнувши аттснуатора, перестає транскрибувати опсрон. Зменшення кінцевого продукту знову включає транскрипцію.
Що стосується трансляції, то у прокаріотів вона грає значно меншу роль в регуляторних процесах, ніж транскрипція.