Регуляция синтеза белка

Синтез белка — сложный, многостадийный процесс, зависящий от функционального состояния ДНК, РНК и непосредственно белок-синтезируюшей системы. Поэтому механизмы регуляции скорости образования белка реализуются как в ядре, так и в цитоплазме. Из рассмотренного понятно, что в образовании полипсптидной цепи участвуют все три типа РНК. Таким образом, транскрипция является одним из факторов, определяющих скорость белкового синтеза. Экспрессия генов увеличивает скорость транскрипции, репрессия — снижает. Первоначально рассмотрим, как это реализуется на примере прокариот.

Регуляция синтеза белка у прокариот.

В 1961 г. французские исследователи Ф. Жакоб и Ж. Моно впервые провели фундаментальные исследования индукции генов, кодирующих р-галактозидазу и связанные с ней ферменты в клетках кишечной палочки Е. coli. Эти исследования помогли им сформулировать гипотезу об опероне и регуляции синтеза белка в клетках прокариот.

Опероном называется совокупность генов, способных включаться и выключаться в зависимости от метаболических потребностей клетки. Авторами впервые были оценены регуляторные механизмы на примере лактозного или Lac-оперона, строение которого представлено на рис. 29.5.

На участке ДНК, соответствующем оперону, находятся три структурных гена (z, у и а). Эти гены кодируют р-галактозидазу, гидролизующую лактозу до глюкозы и галактозы, галактозидпермеазу, переносящую лактозу через клеточную мембрану, а также галактозидтрансацетилазу, переносящую ацетильный остаток с ацетил-КоА на галактозу. Кроме структурных генов, оперон содержит регуляторные последовательности: ген-оператор, примыкающий к З'-последовательности структурного гена, и ген-регулятор, кодирующий белок-репрессор. К гену-оператору примыкает промотор — начальный сайт инициации транскрипции. Белок-репрессор, взаимодействуя с геном-оператором, частично блокирует область промотора. Это препятствует присоединению РНК-поли;

Рис. 29.5. Строение Lac-оперона меразы к промотору, и транскрипция отменяется. При росте Е. coli на среде с глюкозой лактозный оперон выключен. Его функционирование и регуляция имеют место при выращивании клеток на лактозной среде. Даже в отсутствие галактозидилпермсазы определенное число молекул лактозы поступает в клетку и вступает во взаимодействие с белком-репрессором, находящимся не только в свободном состоянии, но и ассоциированным с геном-оператором. В результате происходит деблокирование промотора и транскрипция становится возможной. Образование р-галактозидазы приводит к гидролизу лактозы и появлению в клетке глюкозы, источника энергии. В результате интенсификации транскрипции и синтеза р-галактозидазы уменьшается количество индуктора (лактозы) и функционирование Lac-оперона репрессируется. Таким образом реализуется регуляция по принципу обратной связи. Центральную роль здесь играет белок-репрессор. Он состоит из четырех субъединиц и имеет два центра связывания: с индуктором-лактозой и геном-оператором. Попеременно (но не одновременно) связываясь с индуктором или с геном-оператором, он включает индукцию или репрессию Lac-оперона.

Имеется еще один механизм регуляции функционирования оперона. Если бактерии культивировать на среде с глюкозой, то лактозный оперон не функционирует. Это обусловлено тем, что какой-то продукт расщепления глюкозы (катаболит) репрессирует данный процесс. Каков же механизм этой репрессии? Оказалось, что РНК-полимсраза присоединяется к промотору при помощи специального белка CAP (catabolite gene activation protein), комплекс которого с цАМФ активирует катаболитные гены. Катаболит глюкозы ингибирует фермент аденилатциклазу, катализирующую образование цАМФ, комплекс не образуется, и индукции лактозного оперона не происходит. Таким образом, скорость транскрипции определяется образованием комплексов САР—цАМФ и их связыванием с промотором.

В случае лактозного оперона лактоза — субстрат для р-галактозидазы — индуцирует синтез фермента за счет инактивации белка-репрессора и восстановления функционирования оперона. Иное явление наблюдается в процессе регуляции синтеза ферментов, осуществляющих образование аминокислоты триптофана в той же клетке Е. coli.

Рис. 29.6. Строение триптофанового оперона.

Механизм регуляции транскрипции заключается в следующем. Белокрепрессор синтезируется в неактивном состоянии в виде прорепрессора. Конечный продукт деятельности ферментов — триптофан — является активатором белка-репрессора, который после активации взаимодействует с геном-оператором и останавливает транскрипцию (рис. 29.6).

Имеется еще один механизм регуляции, связанный со снижением скорости транскрипции, так называемая аттенуация. В клетках Е. coli, как и в других бактериях, между первым структурным геном и геном-оператором расположена лидерная последовательность порядка 140—150 нуклеотидов, так называемый аттснуатор. Даже небольшой избыток конечного продукта того же триптофана приводит к тому, что РНК-полимераза, достигнув аттснуатора, перестает транскрибировать опсрон. Уменьшение конечного продукта вновь включает транскрипцию.

Что касается трансляции, то у прокариот она играет значительно меньшую роль в регуляторных процессах, чем транскрипция.