Регуляция синтеза белков

Исходными материалами для формулирования гипотезы о механизме регуляции белкового синтеза послужили наблюдения за индукцией и репрессией ферментов в бактериальных клетках.

Концентрация некоторых бактериальных ферментов возрастает при добавлении в питательную среду субстратов этих ферментов.

Это явление получило название индукции ферментов, а вещества, индуцирующие синтез ферментов, назвали индукторами. Индуцированный синтез ферментных молекул начинается через 1-2 мин. после добавления индуктора. Если индуктор удалить, то синтез прекращается примерно через такое же время.

С другой стороны, концентрация некоторых ферментов может снижаться в результате прекращения их синтеза в присутствии в среде конечных продуктов реакций, катализируемых этими ферментами. Это явление стали обозначать как репрессию ферментов, а вещества, вызывающие репрессию, назвали репрессорами.

Молекулярные и генетические механизмы индукции и репрессии ферментов значительно прояснились благодаря исследованиям Жакоба, Моно и их сотрудников. Согласно Жакобу и Моно, в генетическом аппарате клетки следует различать сообщества структурных генов, названных опероном, каждый из которых ответственен за взаимосвязанный синтез ряда специфических белков. Деятельность структурных генов контролируется геном-оператором, который либо разрешает, либо запрещает образование на структурных генах и-РНК. К гену-оператору примыкает участок ДНК, к которому прикрепляется ДНК-зависимая РНК-полимераза, производящая сборку и-РНК. Этот участок получил название промотора, а вся совокупность описанных участков ДНК (промотор, оператор, структурные гены и примыкающий участок терминации) именуется транскриптоном.

Функция гена-оператора контролируется пространственно изолированным от него геном-регулятором, который транскрибирует и-РНК, необходимую для синтеза белка-репрессора на рибосомах. Белок-репрессор может специфически связаться с геном-оператором, тем самым регулируя характер его воздействия на структурные гены.

Белок-репрессор имеет участки связывания индуктора и корепрессора. Эти корепрессоры и индукторы через белок-репрессор сигнализируют о необходимости увеличить или ослабить синтез белков в клетке.

Согласно гипотезе Жакоба и Моно, в случае, если имеет место индуцирующая фермент система, молекула репрессора в отсутствии индуктора образует специфический комплекс с геном-оператором, что препятствует синтезу и‑РНК на структурных генах либо в результате невозможности присоединения ДНК-зависимой-РНК-полимеразы к промотору, либо в результате невозможности движения фермента вдоль нити ДНК. Нарушение синтеза и‑РНК блокирует образование на рибосоме соответствующего ферментного белка.

Если же молекулы белка-репрессора связываются молекулами индуктора, то образовавшийся неактивный комплекс репрессор-индуктор уже не может взаимодействовать с геном-оператором. Это приводит к активации транскрипции структурных генов, синтезу соответствующей и-РНК и последующему синтезу на рибосоме ферментов. Взаимодействие индуктора с репрессором обратимо и поэтому удаление индуктора или распад комплекса репрессор-индуктор восстанавливает активность репрессора.

Гипотеза Жакоба и Моно объясняет также репрессию ферментов конечными продуктами реакции, катализируемую этими ферментами. В этом случае принято считать, что в таких системах молекула репрессора в свободном состоянии мало активна и не способна подавлять транскрипцию структурного гена. Такая способность появляется после образования активного комплекса белка репрессора с конечным метаболитом, получившим название корепрессора. Активный комплекс репрессор-корепрессор связывается с геном-оператором, что вызывает блокирование транскрипции структурного гена и биосинтеза соответствующего ферментного белка.

Существенное место в регуляции транскрипции придается положительным регуляторам, помогающим РНК-полимеразе запустить транскрипцию. Такую роль положительного регулятора приписывают ц-АМФ и специальному белку-активатору катаболитного гена (БАК). Комплекс ц-АМФ-БАК, присоединяясь к промотору, облегчает ферменту транскрипцию структурных генов. Факторы, угнетающие образование ц-АМФ в клетке и комплекса ц-АМФ-БАК, способствуют репрессии, т.е. угнетению транскрипции.

Гены, входящие в состав данного оперона, активируются или репрессируются одновременно.

Картина регуляции генов в клетках высокоорганизованных организмов значительно усложняется.

У эукариотов ДНК связана с белками– основными белками гистонами, негистоновыми кислыми белками, фосфопротеинами, РНК, образуя нуклеопротеидный комплекс, называемый хроматином. Полагают, что связывание определенных участков ДНК гистонами, несущими положительный заряд, препятствует их транскрибированию РНК-полимеразой. Негистоновые кислые белки, имеющие большой отрицательный заряд, препятствуют ингибированию синтеза и-РНК гистонами. Их рассматривают в качестве специфических позитивных регуляторов транскрипции, так как они облегчают транскрипцию в месте своего связывания с ДНК.

Гистоны могут утрачивать свою ингибирующую способность в результате своей химической модификации, в частности, фосфорилирования за счет АТФ под влиянием ферментов протеинкиназ, а также в результате ацетилирования и метилирования. Фосфорилирование кислых белков, наоборот, усиливает их позитивный эффект на транскрипцию.

У эукариот выделены и охарактеризованы также пять регуляторных белков, получивших название транскрипционных факторов (А, B, D, E, F). Изучена также группа белков-активаторов транскрипции.

Таким образом, регуляция процесса транскрипции может осуществляться: а) наличием дополнительных регуляторных белков; б) локализацией связывающихся с ДНК белков в хроматине; в) активностью протеинкиназы. Последняя активируется циклической АМФ, количество которой в клетке может меняться под воздействием гормонов.

Стероидные гормоны проявляют свое действие на уровне генома. Регуляторное влияние на транскрипцию оказывают также молекулы низкомолекулярной ядерной РНК, находящейся в ядре в виде РНП. Предполагается, что такой рибонуклеопротеид может комплементарно взаимодействовать с транскриптоном и избирательно включать транскрибирование генов.

Регуляция синтеза белка на уровне трансляции возможна путем действия регуляторов на белковые факторы, контролирующие в рибосомах инициацию, элонгацию и терминацию трансляции и на различные функциональные участки рибосом.

Предполагается (Г.П. Георгиев), что структура транскриптона в клетках эукариотов в большей части занята участком, выполняющим служебные функции (зона управления), а меньшая часть принадлежит структурным генам. Если последняя зона кодирует белки, то первая зона взаимодействует с белками-регуляторами и через этот механизм управляет транскрипцией структурных генов.

Полагают, что такое строение транскриптона расширяет возможности для регуляции генов, так как одним транскриптоном могут управлять разные регуляторные белки, а с другой стороны, один белок-регулятор может одновременно регулировать функцию нескольких транскриптонов, имеющих общую зону управления.

Следует еще раз сказать, что механизм регуляции генов, и в том числе генов, связанных с процессом индукции и репрессии ферментных систем у высших организмов, остаются в значительной мере неясным.

Описанная молекулярная система регуляции синтеза белков, естественно, является лишь частью сложной системы регуляции биосинтеза белков сложно организованных организмов. В организме регуляция осуществляется не только на уровне макромолекул, но и на уровне субклеточных структур (формирование полисом, роль мембран), на уровне клетки (ядерно-цитоплазменные отношения), на уровне органа и организма (нейро-гуморальная регуляция).

На процесс биосинтеза белка могут оказывать влияние и внешние факторы. В качестве регуляторов белкового синтеза разработан ряд фармацевтических препаратов. В числе индукторов, усиливающих синтез белка, следует назвать анаболические стероиды (метандростенол, феноболин, ретаболил), инсулин, а из негормональных – оротат калия, инозин. Более обширна группа препаратов, оказывающих ингибирующее действие на синтез белка, при этом различают:

1) ингибиторы транскрипции (альфа-аманитин, антибиотики рифамицины, актиномицин Д, оливомицин, дактиномицин, алкалоиды винбластин и винкристин, а также 5’–фторурацил),

2) ингибиторы процессинга и транспорта и-РНК (кордицетин);

3) ингибиторы трансляции (антибиотики хлорамфеникол, линкомицин, эритромицин, тетрациклины, стрептомицин, пуромицин).

Дата добавления: 2014-01-05