Регуляция синтеза белка

Клеточная ДНК несет в себе генетическую программу, необходимую для синтеза сотен различных белков, однако в каждый данный момент клетка синтезирует только те белки, которые нужны ей в это время. Представим себе колонию бактерий, растущую в лаборатории.

Бактерии могут иногда расти на питательной среде, содержащей одни только минеральные соли и какой-нибудь один источник органического углерода, например глюкозу. В таких условиях клеткам приходится синтезировать все ферменты, необходимые для того, чтобы образовать из глюкозы многие требующиеся им органические соединения. Перенесем теперь часть этих бактерий на обогащенную среду (содержащую помимо неорганических соединений ряд сахаров, аминокислот, витаминов и других малых органических молекул). Клетки начнут поглощать из среды готовые питательные вещества, так что ферменты, катализирующие образование этих веществ, станут ненужными. Гены, ответственные за синтез ненужных ферментов, выключатся, т. е. перестанут транскрибироваться в мРНК. Клетки, которым не надо будет расходовать энергию и время на образование этих ферментов, смогут расти гораздо быстрее.
Выше мы отметили, что среднее время жизни молекулы бактериальной мРНК составляет около двух минут. После этого она расщепляется до нуклеотидов, которые используются для образования новых молекул мРНК. Разрушая старые молекулы мРНК и образуя новые, клетка может довольно строго регулировать как тип продуцируемых белков, так и их количество. Это - регуляция на уровне транскрипции. Возможна также регуляция на уровне трансляции, главным образом у эукариот. В этом случае регуляция опреде-




ляет, какие мРНК транслируются рибосомами и как часто они транслируются. Что, однако, определяет, какие именно белки должна производить клетка?
Регуляции у бактерий. В 1961 г. Франсуа Жакоб (Francois Jacob) и Жак Моно (Jacques Monod) опубликовали результаты своих исследований по регуляции белкового синтеза у бактерий; за эту работу, признанную теперь классической, они были удостоены впоследствии Нобелевской премии. У бактерий имеется ряд регуляторных генов, кодирующих белки, которые регулируют активность других генов. Белок-репрессор может связываться с определенным участком ДНК и тем самым препятствовать связыванию РНК-синтезирую- щих ферментов. Репрессор выключает определенный ген или группу смежных генов, потому что транскрипция закодированной в них генетической информации становится при этом невозможной. Конечно, при этом клетка не может синтезировать и соответствующие белки.
Что происходит, когда клетке требуется перевести гены из положения «выключено» в положение «включено»? Жакоб и Моно изучили группу генов, кодирующих белки, которые участвуют в превращениях сахара лактозы у бакге-

рии Escherichia coli (эта бактерия-постоянный обитатель кишечника человека и в то же время классический экспериментальный объект). Если Е. coli получает в качестве источника углерода глюкозу или сахарозу, то она не нуждается в белках, кодируемых генами, ответственными за превращения лактозы, и эти гены выключаются белком-репрессором. Но если перенести бактериальные клетки на среду, содержащую лактозу, то часть молекул лактозы проникает в клетки и соединяется здесь с репрессором.

Это вызовет в репрессоре изменение, вследствие которого он уже не сможет оставаться связанным с ДНК, а значит, и не сможет блокировать синтез РНК. Теперь к ДНК смогут присоединиться РНК-сингезирующие ферменты и начнется транскрипция генов в мРНК (рис. 15.8). В рибосомах на этих мРНК будут синтезироваться соответствующие белки, которые позволят клетке поглощать лактозу из среды и использовать ее, как только она окажется в клетке.
В этом случае, следовательно, присутствие определенного вещества (лактозы) обусловливает удаление репрессорного белка и делает возможным образование ферментов, необходимых для использования этого вещества. Такой механизм позволяет в случае необходимости «включать» (транскрибировать) ген, который в обычное время «выключен».



У прокариотических клеток имеются также механизмы, выключающие гены, если их продукты становятся почему-либо ненужными. В обычное время, например, гены ферментов, синтезирующих аминокислоту гистидин, «включены». Если же гистидин накапливается в клетке, то часть его связывается с неактивным белком-репрессором и изменяет его гем самым так, что он превращается в полноценный репрессор и выключает гены ферментов, катализирующих синтез гистидина. Впрочем, многое в регуляции белкового синтеза у прокариот все еще остается неясным.

Регуляция у высших организмов. У эукариот регуляция белкового синтеза еще сложнее и еще менее понятна. Ясно, что регуляция должна осуществляться на многих этапах, ведущих от ДНК к белку. Некоторые белки усиливают транскрипцию определенных генов и тем самым противостоят влиянию других белков, которые удерживают молекулы ДНК в свернутом виде, т.е. препятствуют синтезу РНК.
В эукариотических клетках, так же как и в прокариотических, образование определенных ферментов индуцируется присутствием их субстратов. В качестве примера такой индукции укажем, что наличие в крови алкоголя индуцирует в клетках печени усиленный синтез фермента, разрушающего алкоголь. Для этого, однако, может потребоваться несколько часов или даже несколько суток (тогда как у бактерий для индукции синтеза фермента достаточно нескольких минут). Именно по этой причине одна и та же доза алкоголя может вызвать у непьющего человека более тяжелую интоксикацию, нежели у того, кто пьет регулярно.
Действие стероидных гормонов также основано на усилении транскрипции определенных генов. У позвоночных, например, стероидные половые гормоны необходимы для полового созревания. Эти гормоны присоединяются к особым рецепторным белкам в клеточной мембране. Рецептор переносит гормон в клеточное ядро, где он стимулирует активность определенных генов (рис. 15.9). Не все клетки тела чувствительны к данному гормону. Мужской гормон тестостерон влияет, например, на репродуктивные органы и на клетки, от которых зависит рост бороды, но не оказывает никакого влияния на клетки кишечника или почек. Это объясняется тем, что только у чувствительных клеток имеются рецепторы для тестостерона. Почему у одних клеток есть рецепторы, а у других их нет, мы пока не знаем. 

Еще по теме Регуляция синтеза белка:

1. Биосинтез белка
2. Процессы регуляции в клетке
3. 3.6.6.3. Регуляция экспрессии генов у прокариот
4. Пептидная теория строения белка
5. О СКОРОСТИ ОБНОВЛЕНИЯ БЕЛКА И ХЛОРОФИЛЛА В ВЫСШИХ РАСТЕНИЯХ [24]
6. Генетический контроль синтеза белков
7. Регуляция активности генов и белков
8. Белка
9. Белка
10. 8.3.2. Эмбриональная регуляция
11. СИНТЕЗ И РАЗЛОЖЕНИЕ ГУМУСОВЫХ ВЕЩЕСТВ
12. АМИНОКИСЛОТНЫЙ СОСТАВ БЕЛКА В ЗДОРОВЫХ И ПОРАЖЕННЫХ ФИЛЛОКСЕРОЙ КОРНЯХ ВИНОГРАДА
13. Эпигенетическая регуляция онтогенеза
14. 5.1.3. Кормовые добавки микробного синтеза