47. Регуляция синтеза белка на уровне транскрипции

1. Структурные гены (СГ)несут информацию о структуре трех ферментов: ß-галактозидазы (а), которая гидролизует лактозу до глюкозы и галактозы; ß-галактозидпермеазы (б), которая обеспечивает транспорт лактозы через мембрану в клетку; ß-галактозидацетилазы (в), функция которой неизвестна. При перемещении фермента РНК-полимеразы по ДНК, СГ испытывают транскрипции, образуется полицистрон-на мРНК, которая, попадая в рибосом, начинает синтез трех вышеупомянутых ферментов (рис. 81, б).

2. Ген-оператор (ГО)располагается между геном-промотором (ГП) и СГ. Это пусковой механизм, который в зависимости от условий запускает или тормозит процесс транскрипции, а следовательно - и образование мРНК. Если ГО свободен, т.е. не связан с белком-репрессор (см. ниже), то СГ транскрибируется (рис. 81, б). Если же он связан с белком-репрессор, транскрипция СГ прекращается (рис. 81, а).

3. Ген-промотор (ГП)состоит из двух частей. Одна из них служит местом прикрепления РНК-полимеразы. Вторая часть ГП служит местом фиксации комплекса, который образуется присоединением цАМФ (см. ниже) до специального белка, который обозначается либо БАК (белок-активатор катаболитного гена), или САР (ката-болитний ген-активирующий белок). Это является обязательным условием образования открытого комплекса РНК-полимеразы с промотором и началом ее работы. Образование комплекса БАК-цАМФ определяется концентрацией цАМФ, которая, в свою очередь, зависит от наличия глюкозы. При отсутствии последней содержание цАМФ в клетке значительно повышается, что способствует образованию комплекса. Комплекс, связываясь с промотором, меняет пространственную структуру данного участка ДНК таким образом, что становится возможным присоединение к нему РНК-полимеразы. Это увеличивает скорость транскрипции опе-рону (рис. 81, б). В присутствии глюкозы содержание цАМФ уменьшается, комплекс БАК-цАМФ не образуется и РНК-полимераза не может соединиться с промотором; поэтому транскрипция lac-генов не происходит. Следовательно, в клетке есть еще один, дополнительный БАК-цАМФ регулятор, который действует как положительный регулятор, поскольку его присутствие является необходимым для начала работы гена. Содержание самого цАМФ также регулируется состоянием активности ферментов аденилатциклазы и фосфодиэстеразы, разрушающего цАМФ (см. Гормоны).

4. Ген-регулятор (ГР)обеспечивает синтез особого белка-репрессор. Свое название он получил благодаря тому, что его действие на ген-оператор тормозит (репрессирует) функционирования последнего, в результате чего останавливается транскрипция. Белок-репрессор при отсутствии индуктора очень родственный геном-оператором и может легко присоединяться к нему. С другой стороны, белок-репрессор способен к специфического взаимодействия с определенными низкомолекулярными веществами (индукторами), в частности для ИАС-оперона - с лактозой. При отсутствии лактозы оператор блокируется за счет присоединения к нему белка-репрессор, то есть процесс транскрипции не происходит. Белок-репрессор находится в связанном состоянии с оператором до тех пор, пока не появится лактоза, и он вступит во взаимодействие с ней. Лактоза, связываясь с белком-репрессор, изменяет его конформацию, в результате чего он теряет способность присоединяться к оператору. Оператор высвобождается и начинается транскрипция и синтез ферментов катаболизма лактозы (рис. 81). Таким образом, при участии белка-репрессор, который образуется первоначально в активной, то есть способной к связыванию с оператором форме, и индуктора, который переводит белок-репрессор в неактивную форму, происходит регуляция синтеза индуцибельной ферментов. Обязательным условием этого механизма регуляции является нестабильность мРНК, то есть после исчерпания всей лактозы в среде, мРНК должна быть разрушена, чтобы остановить биосинтез ненужных уже ферментов метаболизма лактозы. Это происходит вследствие гидролиза мРНК под действием ферментов рибонуклеаз (см. выше схему). мРНК у бактерий синтезируется быстро, и время ее полужизни измеряется минутами. У многоклеточных организмов мРНК может существовать в течение часов, дней, также мРНК и с большим сроком существования.

Как уже было сказано, кроме индукции генов в клетках происходит их репрессия. Действие этих оперона также контролируется с помощью би-лкив-репрессор, но в отличие от индукции, они синтезируются изначально в неактивной форме. И только присоединение к ним накопленного продукта ферментативной реакции - корепресора переводит их в активную форму, что сопровождается связыванием их с оператором и прекращением синтеза белка.

Как пример регуляции путем репрессии синтеза белков-ферментов можно взять гистидиновий оперонбактерий. Этот оперон содержит 10 структурных цистрона, которые кодируют 10 ферментов, необходимых для синтеза гистидина. Ферменты образуются только в том случае, когда в среде нет гистидина и клетки вынуждены сами синтезировать его из других веществ. Добавление в среду гистидина прекращает синтез ферментов (рис. 82).

Несмотря на противоположный результат индукции и репрессии синтеза белков, их молекулярные механизмы очень похожи. В большинстве изученных случаев индуцибельной является оперона, ответственные за синтез ферментов, которые катализируют катаболические реакции (распад аминокислот, дисахаридов, сбраживания сахаров и др..). Индукторами таких оперона, которые переводят активный репрессор в неактивную форму, является субстраты этих катаболических ферментов. Чаще репрессированы оперона - это системы синтеза анаболических ферментов, которые катализируют реакции синтеза аминокислот, азотистых оснований и т.д.Корепресором, активирующий белок-репрессор, могут выступать продукты, синтезируемые ферментами данного оперона. Если ген-регулятор располагается спереди группы оперона, кодирующих ферменты, ответственные за различные промежуточные реакции синтеза одного и того же соединения, то он контролирует работу всех оперона с участием единого репрессор.