Впервые схема регуляции биосинтеза белков у прокариот была предложена французскими учеными Ф.Жакоб и Ж.Моно в 1961 г. Она была разработана на примере лактозного оперона кишечной палочки (/ вс-оперона). В настоящее время полностью известна первичная структура лактозного оперона - число и порядок чередования нуклеотидов в каждой функциональной области, по его синтез, доказано принцип работы. Кишечная палочка как источник энергии и углерода при отсутствии глюкозы в среде может использовать дисахарид лактозу. Если выращивать бактерии кишечной палочки E.coli в среде, где отсутствует лактоза (?-галактозид), то ее клетки содержат всего лишь от одной до десяти молекул фермента галактозидазы (лактазы). При добавлении в питательную среду лактозы, количество фермента увеличивается за несколько минут в сотни и тысячи раз, то есть под влиянием субстрата (индуктора) стимулируется появление большого количества фермента лактазы, который гидролитически расщепляет лактозу на D-глюкозу и D-галактозу. Согласно концепцеию Ф.Жакоба и Ж.Моно в / вс-оперона различают неоднородны по функции гена (рис. 81).

 

1. Структурные гены (СГ) несут информацию о структуре трех ферментов: ?-галактозидазы (а), которая гидролизует лактозу до глюкозы и галактозы; ?-галактозидпермеазы (б), которая обеспечивает транспорт лактозы через мембрану в клетку; ?-галактозидацетилазы (в), функция которой неизвестна. При перемещении фермента РНК-полимеразы по ДНК, СГ испытывают транскрипции, образуется полицистрон-на мРНК, которая, попадая в рибосом, начинает синтез трех вышеупомянутых ферментов (рис. 81, б).

 

2. Ген-оператор (ГО) располагается между геном-промотором (ГП) и СГ. Это пусковой механизм, который в зависимости от условий запускает или тормозит процесс транскрипции, а следовательно - и образование мРНК. Если ГО свободен, т.е. не связан с белком-репрессор (см. ниже), то СГ транскрибируется (рис. 81, б). Если же он связан с белком-репрессор, транскрипция СГ прекращается (рис. 81, а).

 

3. Ген-промотор (ГП) состоит из двух частей. Одна из них служит местом прикрепления РНК-полимеразы. Вторая часть ГП служит местом фиксации комплекса, который образуется присоединением цАМФ (см. ниже) до специального белка, который обозначается либо БАК (белок-активатор катаболитного гена), или САР (ката-болитний ген-активирующий белок). Это является обязательным условием образования открытого комплекса РНК-полимеразы с промотором и началом ее работы. Образование комплекса БАК-цАМФ определяется концентрацией цАМФ, которая, в свою очередь, зависит от наличия глюкозы. При отсутствии последней содержание цАМФ в клетке значительно повышается, что способствует образованию комплекса. Комплекс, связываясь с промотором, меняет пространственную структуру данного участка ДНК таким образом, что становится возможным присоединение к нему РНК-полимеразы. Это увеличивает скорость транскрипции опе-рону (рис. 81, б). В присутствии глюкозы содержание цАМФ уменьшается, комплекс БАК-цАМФ не образуется и РНК-полимераза не может соединиться с промотором; поэтому транскрипция lac-генов не происходит. Следовательно, в клетке есть еще один, дополнительный БАК-цАМФ регулятор, который действует как положительный регулятор, поскольку его присутствие является необходимым для начала работы гена. Содержание самого цАМФ также регулируется состоянием активности ферментов аденилатциклазы и фосфодиэстеразы, разрушающего цАМФ (см. Гормоны).

 

4. Ген-регулятор (ГР) обеспечивает синтез особого белка-репрессор. Свое название он получил благодаря тому, что его действие на ген-оператор тормозит (репрессирует) функционирования последнего, в результате чего останавливается транскрипция. Белок-репрессор при отсутствии индуктора очень родственный геном-оператором и может легко присоединяться к нему. С другой стороны, белок-репрессор способен к специфического взаимодействия с определенными низкомолекулярными веществами (индукторами), в частности для ИАС-оперона - с лактозой. При отсутствии лактозы оператор блокируется за счет присоединения к нему белка-репрессор, то есть процесс транскрипции не происходит. Белок-репрессор находится в связанном состоянии с оператором до тех пор, пока не появится лактоза, и он вступит во взаимодействие с ней. Лактоза, связываясь с белком-репрессор, изменяет его конформацию, в результате чего он теряет способность присоединяться к оператору. Оператор высвобождается и начинается транскрипция и синтез ферментов катаболизма лактозы (рис. 81). Таким образом, при участии белка-репрессор, который образуется первоначально в активной, то есть способной к связыванию с оператором форме, и индуктора, который переводит белок-репрессор в неактивную форму, происходит регуляция синтеза индуцибельной ферментов. Обязательным условием этого механизма регуляции является нестабильность мРНК, то есть после исчерпания всей лактозы в среде, мРНК должна быть разрушена, чтобы остановить биосинтез ненужных уже ферментов метаболизма лактозы. Это происходит вследствие гидролиза мРНК под действием ферментов рибонуклеаз (см. выше схему). мРНК у бактерий синтезируется быстро, и время ее полужизни измеряется минутами. У многоклеточных организмов мРНК может существовать в течение часов, дней, также мРНК и с большим сроком существования.

 

Как уже было сказано, кроме индукции генов в клетках происходит их репрессия. Действие этих оперона также контролируется с помощью би-лкив-репрессор, но в отличие от индукции, они синтезируются изначально в неактивной форме. И только присоединение к ним накопленного продукта ферментативной реакции - корепресора переводит их в активную форму, что сопровождается связыванием их с оператором и прекращением синтеза белка.

 

Как пример регуляции путем репрессии синтеза белков-ферментов можно взять гистидиновий оперон бактерий. Этот оперон содержит 10 структурных цистрона, которые кодируют 10 ферментов, необходимых для синтеза гистидина. Ферменты образуются только в том случае, когда в среде нет гистидина и клетки вынуждены сами синтезировать его из других веществ. Добавление в среду гистидина прекращает синтез ферментов (рис. 82).

 

Несмотря на противоположный результат индукции и репрессии синтеза белков, их молекулярные механизмы очень похожи. В большинстве изученных случаев индуцибельной является оперона, ответственные за синтез ферментов, которые катализируют катаболические реакции (распад аминокислот, дисахаридов, сбраживания сахаров и др..). Индукторами таких оперона, которые переводят активный репрессор в неактивную форму, является субстраты этих катаболических ферментов. Чаще репрессированы оперона - это системы синтеза анаболических ферментов, которые катализируют реакции синтеза аминокислот, азотистых оснований и т.д. Корепресором, активирующий белок-репрессор, могут выступать продукты, синтезируемые ферментами данного оперона. Если ген-регулятор располагается спереди группы оперона, кодирующих ферменты, ответственные за различные промежуточные реакции синтеза одного и того же соединения, то он контролирует работу всех оперона с участием единого репрессор.

 

Приведенные выше механизмы регуляции скорости белкового синтеза на уровне транскрипции не исчерпывают все известные на сегодня данные в этой области исследований. Существуют механизмы регуляции биосинтеза белка и на уровне трансляции. Регуляторную роль здесь выполняют главным образом тРНК. Активация подавления синтеза тРНК, нарушение их структуры являются факторами регуляции биосинтеза белка на этом уровне.

 

Важнейшим достижением в области регуляции биосинтеза белка стало выделение белка-репрессор и изучения его химического строения. В последние годы выделен ряд репрессор: репрессор синтеза аргинина, триптофана, lac-оперона и др.. Репрессор lac-оперона кишечной палочки представляет собой термолабильный белок с молекулярной массой 150000, который состоит из четырех субъединиц.

 

Функционирование lac-оперона из кишечной палочки были воспроизведены in vitro: при введении в структуру lac-оперона РНК-полимеразы, индуктора (лактозы), предшественников синтеза РНК и других факторов происходил процесс биосинтеза мРНК.

 

Концепция Жакоба и Моно о механизме проявления активности генов стала логическим развитием многочисленных исследований, проведенных генетиками и биохимиками в прошлые десятилетия.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+