Регуляция транскрипции и трансляции

На прошлом уроке мы говорили, что перенос генетической информации с ДНК на информационную (матричную) РНК, называется транскрипцией.

А перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка, называется трансляцией.

В организме благодаря белкам все процессы скоординированы. Для выполнения своих определённых функций клетки той или иной ткани должны иметь определённый набор белков.

Например, в клетках листа находятся белки, которые необходимы для обеспечения процессов фотосинтеза.

В клетках слюнных желёз – фермент амилаза, который расщепляет крахмал. 

В клетках поджелудочной железы человека вырабатывается белковый гормон инсулин. В эритроцитах образуется гемоглобин, сложный железосодержащий белок животных, способный связываться с кислородом и обеспечивать его перенос в ткани.

Почему же клетки, содержащие в своём ядре одинаковую генетическую информацию, производят различные белки?

Дело в том, что в разных клетках транскрибируются разные участки ДНК, то есть образуются разные и-РНК, по которым синтезируются разные белки.

Итак, в каждой клетке реализуется не вся, а только часть генетической информации.

Синтез того или иного белка в клетке регулируется, то есть контролируется другими белками-ферментами.

Имеется ряд дополнительных структур зон или участков, которые включают и выключают гены на разных этапах жизни клетки.

К таким структурам относится множество разнообразных последовательностей ДНК.

В настоящее время большинство учёных приходит к мнению, что наименьшей функциональной областью в ДНК является совокупность, состоящая из регуляторных зон, регуляторных генов и кодирующего участка, который содержит несколько структурных генов.

Гены вместе с регуляторными элементами носят название оперон. Он является функциональной единицей транскрипции у прокариот.

Рассмотрим подробнее структуру оперона.

Оперон состоит из регуляторной зоны и кодирующего участка. В кодирующий участок входят структурные гены. Структурные гены несут информацию о структуре иРНК.

Не каждый оперон имеет несколько структурных генов, есть опероны, которые содержат лишь один ген.

Регуляторная зона — это участок ДНК, на котором синтеза РНК не происходит, но которые служит местом связывания различных белков.

Регуляторная зона состоит из регуляторных генов.

Перед структурными генами, в начале оперона, расположен промотор – это посадочная площадка для фермента РНК-полимеразы.

Благодаря промотору синтез иРНК начинается с нужного участка цепи ДНК.

С промотора РНК-полимераза расплетает двуспиральную ДНК и синтезирует по принципу комплементарности информационную РНК по матрице ДНК.

Напротив цитозина гуанин, против аденина урацил, а напротив тимина–аденин.

Между промотором и структурными генами в опероне располагается участок ДНК, который называется оператором.

Оператор — это последовательность ДНК, принимающая участие в регуляции активности генов. Он так называется потому, что именно с него начинается операция - синтез и-РНК.

С оператором взаимодействует специальный белок репрессор (подавитель).

Репрессор блокирует работу одного или нескольких генов (то есть перенос генетической информации) путём связывания с оператором.

Пока репрессор сидит на операторе, РНК-полимераза не может сдвинуться с места и начать синтез иРНК.

Французские учёные Франсуа Жакоб, Андре́ Львов и Жак Моно́ в 1961 г. опубликовали результаты своих исследований по регуляции белкового синтеза у бактерий.

За эту работу, признанную теперь классической, они были удостоены Нобелевской премии.

Известно, что пока в питательную среду, в которой живут бактерии, не добавлен сахар, в клетке не обнаруживается ферментов, необходимых для его расщепления.

Бактерия не тратит энергию АТФ на синтез белков, ненужных ей в данный момент.

Однако через несколько секунд после добавления сахара в клетке синтезируются все белки-ферменты, которые превращают сахар в продукт, необходимый для жизнедеятельности бактерии.

Вместо сахара может быть другое вещество, появление которого в клетке "включает" синтез ферментов, расщепляющих его до конечного продукта.

Посмотрим на процесс работы оперона при таком случае.

Механизм регуляции синтеза белка у прокариот

Итак, в бактериальную клетку проникло пищевое вещество, в данном случае это сахар. Для того что бы усвоить этот сахар бактерии необходимо расщепить его ферментом на более мелкие части.

Информация о данном ферменте закодирована в структурном гене оперона. Однако оператор этого оперона заблокирован репрессором и поэтому информационная РНК не синтезируется.

На следующем этапе одна из молекул вещества (в данном случае сахара), проникшего в клетку, связывается с молекулой репрессора. При этом репрессор отсоединяется от оперона. Как только он отсоединился РНК-полимераза тут же начинает синтез иРНК.

И начинает она синтез с сайта инициации стартового кодона кодирующей области. 

Это точка начала репликации, фрагмент молекулы нуклеиновой кислоты, с которого начинается её репликация.

Кодирующая область заканчивается участком, который называется терминатором.

Чаще всего в терминирующей области располагается один из бессмысленных кодонов (УАА, УАГ, УГА), не кодирующий ни одну аминокислоту. Обнаружив эту последовательность РНК-полимераза прекращает синтез РНК.

На информационной РНК рибосомы синтезируют белок.

Множество синтезированных белков проходят существенную модификацию - изменение.

Полипептидная цепь, первичный продукт трансляции, скручивается и складывается в специфическую трехмерную структуру, определяемую аминокислотной последовательностью цепи.

В результате чего образуется белковая глобула – фермент, который обладает уникальными свойствами.

Фермент начнёт работать и разрушать молекулу вещества. Когда все молекулы вещества будут разрушены, репрессор снова связывается с оператором. Транскрипция и трансляция прекращаются. Выполнив свои функции иРНК распадается до нуклеотидов, а ферменты до аминокислот.

У эукариот механизмы синтеза белка намного сложнее чем у прокариот.

Рассмотрим механизм регуляции синтеза белка у эукариот

В общих чертах строение гена про- и эукариот в принципе одинаково.

Ген эукариот так же, как и у прокариот функционирует только совместно с регуляторными зонами. Однако их совместное действие не называют опероном.

Единицей транскрипции у эукариот является транскриптон, фрагмент молекулы ДНК, состоящий из промотора, транскрибируемой части и терминатора.

Ген эукариот представляет собой в основном кодирующую часть ДНК, а регуляторные зоны – не кодирующую ДНК.

Кодирующая часть гена эукариот имеет несколько существенных отличий от аналогичной области прокариот. Отметим два из них.

Первое отличие. Кодирующая область гена эукариот представлена не несколькими генами, а одним.

Второе отличие. Если в генах прокариот не кодирующие участки практически отсутствуют, то ген эукариот имеет мозаичное строение – в нём чередуются участки, несущие информацию о последовательности аминокислот в белке и не несущие её.

Особенность эукариотических генов — это прерывистость.

Участки гена, несущие информацию, носят название экзоны, не несущие называются интроны.

Синтез информационной РНК у эукариот происходит также при помощи фермента РНК-полимеразы.

Процесс синтеза РНК протекает в направлении от 5'- к 3'- концу, то есть по матричной цепи ДНК РНК-полимераза движется в направлении от 3' к 5'.

Так во время транскрипции информация с интронов и экзонов переписывается на информационную РНК.

После синтеза информационной РНК происходит вырезание интронов, так как они не содержат нужной информации они не нужны. Этот процесс называется сплайсингом.

Сплайсинг − это процесс вырезания определённых нуклеотидных последовательностей из молекул РНК и последующее соединение экзонов. Так незрелая иРНК превращается в зрелую иРНК.

Она перемещается из ядра в цитоплазму клетки, где транслируется в аминокислотную последовательность закодированного полипептида.

Работа генов в любом организме — прокариотическом или эукариотическом — контролируется и координируется. В многоклеточном организме необходимо точно регулировать работу генов в клетках разных тканей. Это регуляция осуществляется при помощи гормонов.

Гормоны как вы знаете вырабатываются как в клетках желёз внутренней и смешанной секреции, так и в клетках многих других тканей.

Гормональная регуляция работы генов

Гормон связывается с рецептором, который находиться на клеточной мембране или внутри клетки. Так гормон подаёт сигнал клетке.

Благодаря сигналу клетка узнает какие белки требуются в настоящий момент.

Сигнал передаётся от одного белка другому благодаря присоединению фосфатной группы от АТФ. Последний белок проникает в ядро, так как транкрипция протекает только внутри ядра.

Здесь он активирует транскрипционный фактор, который ответственен за активацию синтеза информационной РНК.

Транскрипционный фактор — это комплекс белков, которые активируют РНК-полимеразу и помогают ей соединиться с промотором.

Дело в том, что в отличие от прокариот без транскрипционного фактора РНК-полимераза соединиться с промотором не может.

В результате присоединения РНК-полимеразы с факторами транскрипции, образуется комплекс, который называется комплексом транскрипции (или транскрипционным комплексом).

Когда формирование транскрипционного комплекса завершено, начинается процесс транскрипции и синтез информационной РНК.

Таким образом в результате взаимодействия рецептора с гормоном в клетке активируется или, наоборот, репрессируются (подавляются) те или иные гены, и синтез белков в данной клетке меняет свой характер.

Например, гормон надпочечников адреналин активирует распад гликогена до глюкозы в клетках мышц, благодаря чему клетки получают энергию.

Инсулин, выделяется поджелудочной железой, способствует образованию гликогена из глюкозы и запасанию его в клетках печени.

Разнообразие форм и функций клеток разных органов зависит от сложного взаимодействия различных генов между собой и с многочисленными веществами, попадающими в клетку извне или образующимися внутри неё.

Конечно, полностью понять механизм 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 и в каждой из них, по последним подсчётам исследователей, содержится до 120 тыс. генов, то становиться очевидными трудности, возникающие при изучении координации работы генов организма человека.