Регуляция деятельности клетки PDF Печать E-mail

Все проявления жизни клетки связаны с белками. ДНК бактерии кишечной палочки несет информацию о синтезе примерно трех тысяч разных белков (у эукариот — во много раз большего их числа). Некоторые из этих белков присутствуют в клетке постоянно, другие появляются в ответ на специальные сигналы, когда возникает необходимость в их работе. Это так называемые адаптивные (лат. adapto -приспосабливать) белки.

Регуляция синтеза адаптивных белков у прокариот осуществляется на уровне транскрипции информационных РНК — на уровне генной активности.
Деятельность эукариотической клетки, более крупной и имеющей ядерную оболочку, регулируется сложнее. В ответ на внешний сигнал клетка эукариот также может отвечать включением транскрипции. Для этого в клетке существуют специальные белки, которые после взаимодействия с сигнальной молекулой попадают в ядро и включают синтез иРНК. Это — медленный ответ. Кроме этого, клетка эукариот способна давать быстрый ответ на внешний сигнал. Он осуществляется в результате активации или инактивации тех белков, которые заранее синтезированы в клетке.

Как осуществляется регуляция синтеза адаптивных белков у бактерий, впервые было установлено при изучении синтеза β-галактозидазы — фермента, расщепляющего дисахарид лактозу на глюкозу и галактозу. Он отсутствует в клетке, если бактерия не получает лактозу, но начинает синтезироваться через несколько секунд после добавления этого сахара в питательную среду, где содержатся бактерии.

Результаты исследований по регуляции белкового синтеза у бактерий были опубликованы в 1961 году французскими учеными Франсуа Жакобом, Андре Львовым и Жаком Моно. За эту работу они были удостоены Нобелевской премии. β-галактозидаза, вместе с двумя другими белками, участвующими в усвоении лактозы, закодированы в расположенных друг за другом последовательностях ДНК. Эти последовательности назвали структурными генами, так как они определяют структуру белков. Перед структурными генами расположен промотор (англ. promoter — стимулятор) — посадочная площадка для РНК-полимеразы.

Между структурными генами и промотором есть особый участок ДНК — оператор (от лат. operor — работаю). С оператором взаимодействует специальный белок — репрессор (лат. repressor — ограничивающий, сдерживающий). Репрессор относится к постоянно синтезируемым белкам. Пока репрессор "сидит" на операторе, РНК-полимераза не может начать синтез иРНК.

Когда в клетку попадает лактоза, она связывается с репрессором. В таком состоянии репрессор не способен взаимодействовать с оператором и освобождает дорогу РНК-полимеразе. РНК-полимераза синтезирует иРНК, иРНК транслируется, β-галактозидаза расщепляет лактозу. Как только последняя молекула лактозы будет преобразована в конечный продукт, освобожденный репрессор возвратится на оператор и закроет путь РНК-полимеразе. Транскрипция прекратится. Молекулы иРНК очень быстро расщепляются (их количество уменьшается на половину уже через 2 минуты). Прекращается и трансляция. Ферменты, выполнив свои функции, также расщепляются.

Система, включающая структурные гены, промотор, оператор и терминатор (участок ДНК, на котором РНК-полимераза прекращает синтез РНК), получила название оперона — единицы регуляции транскрипции. Таким образом, синтез белков у прокариот регулируется на уровне образования иРНК, или на уровне генной активности.

Количество структурных генов в опероне зависит от сложности биохимических превращений того или иного субстрата в конечный продукт. Есть опероны, содержащие лишь один ген, есть такие, в составе которых более 10 структурных генов.
Бывают опероны другого типа. В них транскрипция не начинается при появлении в клетке какого-то вещества, а наоборот, прекращается. Так регулируется наличие в клетке ферментов, необходимых для синтеза веществ, например, аминокислот. Отсутствие аминокислоты включает транскрипцию иРНК для синтеза нужных ферментов.

Интересные статьи по биологии:

1) Динамика популяции

2) Абиогенные потоки