Регуляция транскрипции и трансляции в клетке и организме

Активность генов. Известно, что набор хромосом, т. е. набор молекул ДНК[BЭ120] , одинаков во всех клетках одного организма. Это значит, что каждая клетка содержит весь набор генов (геном), характерных для организмов данного вида. Следовательно, каждая клетка тела способна синтезировать любое количество каждого белка, свойственного данному организму. На самом деле, этого никогда не происходит, так как клетки той или иной ткани должны иметь определенный необходимый набор белков, и ни в коем случае не синтезировать «посторонних» белков, которые свойственны клеткам других тканей.

Так, например, в клетках корня необходимо синтезировать растительные гормоны, а в клетках листа — ферменты для обеспечения фотосинтеза. Почему же в одной клетке не синтезируются сразу все белки, информация о которых имеется в ее хромосомах? Это происходит потому, что на разных этапах развития многоклеточного организма и в клетках разных тканей активируются различные для каждого случая гены или группы генов, а все остальные остаются неактивными. Такие механизмы лучше изучены в клетках прокариот.

Организация генома и регуляция генной активности у прокариот. Организация генома и структура бактериальных генов была установлена французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно [BЭ121] в 1961 году. Гены, несущие информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции, в геноме бактерий расположены рядом и составляют так называемый оперон. В геноме имеются также гены-регуляторы, кодирующие белки-репрессоры для каждого оперона. Они в состав оперона не входят, но могут располагаться рядом с ним.

Оперон начинается спромотора — посадочной площадки для фермента РНК-полимеразы. За промотором идет участок, называемый оператором,— с него [VV122] начинается синтез и-РНК.

С оператором взаимодействует регуляторный белок-репрессор. Пока он связан с оператором, РНК-полимераза не может начать считывание. При появлении в питательной среде субстрата (это вещество называется индуктором), соответствующего данному оперону, белок-репрессор связывается с этим веществом и освобождает оператор. РНК-полимераза начинает перемещаться по ДНК. Идет транскрипция группы структурных генов, следующих в опероне сразу за оператором. Завершается считывание на участке, называемом терминатором. Когда субстрат из среды исчезает, белок-репрессор вновь связывается с оператором и транскрипция структурных генов прекращается. Число структурных генов в опероне зависит от сложности биохимических превращений субстрата. Может быть и один структурный ген.

Таким образом, у бактерий регуляция генной активности достаточно проста и определяется в основном субстратом (рис. ).

Структура генов эукариотических организмов. У эукариот регуляции генной активности намного сложнее, а структурные гены, кодирующие белки, необходимые для выполнения одной функции, могут быть расположены в разных хромосомах. Структура самих генов эукариот также более сложная. Гены разделены участками «молчащей», нетранскрибируемой ДНК — спейсерами[VV123] . Они играют важную роль в регуляции транскрипции. На них, в частности, расположены последовательности нуклеотидов, усиливающие[VV124] или угнетающие ее (например, при связывании гормонов).

Функции промотора выполняет так называемый блок ТАТА[VV125] , обогащенный последовательностями аденина и тимина (иногда встречаются и другие последовательности). Затем идет собственно ген, а затем участок-терминатор. После чего вновь идет спейсерный участок.

Внутри самого структурного гена также имеются различные участки: смысловые (экзоны) и несмысловые, «молчащие» (интроны),

т. е. ген имеет прерывистую, мозаичную структуру. На матрице структурного гена синтезируется так называемая про-иРНК — копия всего гена. Там же, в ядре все несмысловые участки вырезаются, а концы кодирующих последовательностей соединяются. Этот процесс называется сплайсингом (рис. ).

[VV126] Механизм регуляции синтеза белка у эукариот. Регуляция работы генов у эукариот, особенно если речь идет о многоклеточном организме, гораздо сложнее, чем у прокариот. В многоклеточном организме необходимо точно регулировать и координировать работу генов в клетках разных тканей. Эта координация осуществляется на уровне целого организма и главным образом при помощи гормонов. Они вырабатываются как в клетках желез внутренней секреции, так и в клетках многих других тканей, например нервной. Эти гормоны связываются с особыми рецепторами, расположенными или на клеточной мембране, или внутри клетки. В результате взаимодействия рецептора с гормоном в клетке активируются или, наоборот, репрессируются те или иные гены, и синтез белков в данной клетке меняет свой характер.

Конечно, полностью понять механизмы регуляции генов даже в относительно просто организованных живых существах мы пока не в силах. А если учесть, что организм человека состоит из более чем 200 млрд клеток[VV127] и в каждой из них, по последним подсчетам исследователей, содержится до 30 тыс. генов, то становятся очевидными трудности, возникающие при изучении координации работы генов организма человека. Следует также учесть, что 99,9% ДНК у всех людей одинаковы и только оставшиеся 0,1% определяют неповторимую индивидуальность каждого человека: внешний вид, особенности характера, обмена веществ, склонность к тем или иным заболеваниям, индивидуальная реакция на лекарства и многое другое.

s1. Что такое оперон? 2. Какова структура гена эукариот? 3. Какие вещества в многоклеточном организме играют важнейшую роль в координации работы тысяч генов? 4.Какую роль играют рецепторы в регуляторных механизме клетки? 5. Сколько генов приблизительно содержится в каждой клетке человека?

Глава 5. Структурная организация и регуляция функций живых организмов

Дата добавления: 2014-01-04; просмотров: 8734; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!