Страница 17 из 84
Синтез белков требует затрат большого количества энергии. Только на присоединение каждой аминокислоты к тРНК расходуется энергия одной молекулы АТФ, а в белке средней длины содержится 400—500 аминокислот. Общее количество затрачиваемой энергии существенно превышает суммарную химическую энергию образующихся пептидных связей между аминокислотами. По этой причине белки редко используются клеткой в качестве топлива: слишком велики затраты на их изготовление.
Регуляция транскрипции и трансляции. Клетки различных тканей сильно различаются между собой по строению и функциям, но все они произошли от единственной зиготы (оплодотворенной яйцеклетки) в результате многократного деления. Перед каждым актом деления ДНК реплицируется в две точные копии. Ученым удалось экспериментально доказать, что дифференцированные клетки организма имеют, как правило, одинаковый набор ДНК.
В 1945 г. Г. В. Лопашев разработал метод пересадки ядер в яйцеклетку. В 1958 г. Ф. Стюарт впервые вырастил из единственной клетки взрослой моркови целое растение, а в 1968 г. Дж. Гордону удалось пересадить ядра из клеток кишечника головастика в яйцеклетки лягушки, лишенные собственных ядер, и вырастить из них нормальных лягушек (клонов). Следовательно, клетки всех тканей организма имеют один и тот же набор генов, одну и ту же информацию о строении белков.
Однако клетки каждой ткани производят свои белки, свои ферменты. Белковый гормон роста синтезируется только в клетках гипофиза, зрительный белок опсин — в клетках сетчатки глаза, а инсулин — в клетках поджелудочной железы.
Такое разнообразие существует потому, что клетки каждой ткани реализуют только свою часть информации ДНК. В клетках разных тканей происходит транскрипция разных генов, синтезируются разные мРНК, по которым воспроизводятся разные белки. Набор активно работающих генов зависит не только от тканевой принадлежности клетки, но и от периода ее жизненного цикла. Так, за интенсивное деление и рост клеток в период развития эмбриона отвечают определенные гены, в большинстве клеток взрослых существ эти гены молчат (их включение может привести к появлению опухолей). В эукариотической клетке многоклеточного организма функционирует около 5 % имеющихся у нее генов, остальные находятся в репрессированом состоянии (не активны). Эти факты свидетельствуют о том, что активность генов регулируется.
Основным механизмом регуляции активности генов (экспрессии) служит затруднение или стимуляция присоединения РНК-полимеразы к промотору для начала транскрипции. Различают два вида регуляторных белков.
Белки-репрессоры, связываясь с оператором (регулирующий участок ДНК, расположенный в промоторе или между ним и геном), препятствуют присоединению полимеразы к промотору. Белки-активаторы, напротив, облегчают присоединение полимеразы и стимулируют таким образом транскрипцию. Деятельностью регуляторных белков управляют вещества-эффекторы. Связываясь с белками-регуляторами, эффекторы изменяют их биологическую активность, «включая» и «выключая» транскрипцию. Эффекторами часто служат гормоны. Самые активные промоторы у бактериофагов, поэтому они и побеждают генетический механизм клетки-хозяина, заставляя ее синтезировать преимущественно свои белки.
У прокариот гены, кодирующие синтез ферментов, участвующих в одной цепи биохимических превращений (например, осуществляющих расщепление глюкозы), зачастую собраны под одним промотором (с него начинается транскрипция). Такую группу структурных генов (определяющих структуру ферментов) вместе с промотором, оператором, последовательностями начала и конца транскрипции называют опероном. По мере необходимости опероны «включаются» и «выключаются». Так, кишечная палочка использует для жизнедеятельности и глюкозу и лактозу (молочный сахар), но если она находится в среде, содержащей только глюкозу, то не растрачивает энергию АТФ на синтез белков, расщепляющих лактозу. Ген-регулятор лактозного оперона синтезирует белок-репрессор, который, взаимодействуя с оператором, препятствует присоединению РНК-полимеразы к промотору и «выключает» транскрипцию генов, в которых закодированы ферменты, необходимые для усвоения лактозы. Если же бактерии переместить в среду, содержащую только лактозу, то лактоза, попадая в клетки, инактивирует белок-репрессор и начинается транскрипция оперона, отвечающего за усвоение лактозы.
Генетический аппарат эукариот устроен намного сложнее, чем у прокариот, именно вследствие большей сложности ре-
Оперон — участок ДНК у прокариот для транскрипции на одну мРНК
Промотор Оператор ГЕН 1 ГЕН 2 ГЕН 3 Терминатор
гуляции генетических процессов. У человека генов в 2 раза больше, чем у дрозофилы, и в 5 раз больше, чем у дрожжей. У высших животных и человека не более 5 % ДНК кодируют собственно гены (у прокариот — более 50 %). Значительно больше места в ДНК занимают разнообразные регуляторные элементы. Основную же часть генома (набора генов организма) эукариот составляет молчащая ДНК — многократно повторяющиеся короткие последовательности нуклеотидов, не кодирующие макромолекулы.
Матричные РНК большинства генов эукариот кроме участков, непосредственно кодирующих белки (экзонов), содержат фрагменты, подлежащие удалению (интроны). Специальные ферменты в ядре вырезают интроны и сшивают между собой экзоны. Этот процесс называют сплайсингом (<англ. splice сращивать канаты без узлов, морской термин). После сплайсинга и некоторых других операций мРНК называют зрелой, далее она поступает в цитоплазму к рибосомам.
Ферменты не всегда сшивают экзоны в том порядке, в каком они были считаны с ДНК. Измененный порядок сшивки экзонов называют альтернативным сплайсингом. Во многих случаях альтернативный сплайсинг имеет тканеспецифичный характер: в созревших мРНК разных тканей и органов порядок экзонов может несколько различаться, соответственно отличаются и транслируемые белки. У человека и высших животных около 40 % генов подвергаются альтернативному сплайсингу. Так экономно устроена ДНК: ген один, а белков получается несколько. Функции этих белков обычно очень сходны, поэтому их называют изоформами, но в ряде случаев такие белки-ферменты обеспечивают разные процессы метаболизма.
У растений и многоклеточных животных некоторые интроны содержат гены особых микроРНК (миРНК), включающие всего лишь 20—28 нуклеотидов. Эти миРНК играют важную роль в регуляции сотен генов. Нуклеотидная последовательность миРНК комплементарна участку мРНК, трансляцию которой она регулирует. Связываясь с таким участком, миРНК либо подавляет трансляцию, либо вызывает разрушение мРНК.
Подготовка кодирующего участка мРНК к трансляции у эукариот
Экзон 1 Экзон 2 Экзон 3 Экзон 4
мРНК после транскрипции
Экзон 1 Интрон 1 Экзон 2 Интрон 2 Экзон 3 Интрон 3 Экзон 4
Подготовка мРНК к трансляции: вырезание интронов и сшивка (сплайсинг) экзонов
Зрелая мРНК (готовая к трансляции)Варианты альтернативного сплайсинга (наиболее распространено отсутствие какого-то экзона)
і/ \і
Экзон 1 Экзон 2 Экзон 4 Экзон 1 Экзон 3 Экзон 4
Существуют системы, регулирующие синтез веществ в организме как едином целом. В клетках желез внутренней секреции вырабатываются соответствующие гормоны, которые разносятся с кровью по всему телу. Они регулируют процессы синтеза мРНК и трансляцию именно в тех клетках, для которых они предназначены. На поверхности клеток есть рецепторы для «своих» гормонов. Связываясь с рецепторами, гормоны управляют активностью различных систем клетки, регулирующих обмен. В результате может включаться-выключаться как транскрипция конкретных генов, так и синтез белков на рибосомах.
Даже синтезированные мРНК могут долгое время не транслироваться, если нет команды от гормонов. Каждый гормон через определенные системы клеток активирует свои гены. Ускорение синтеза необходимого белка достигается более активным присоединением рибосом к мРНК — созданием полисомного комплекса (нескольких рибосом, перемещающихся друг за другом).
Как транскрипция, так и трансляция могут подавляться различными химическими веществами, относящимися к классу антибиотиков (<греч. anti против +bios жизнь). Например, эритромицин и стрептомицин подавляют синтез белка на рибосомах бактерий. Бледная поганка содержит вещество, подавляющее функционирование РНК-полимеразы человека. Прекращение полимеразой синтеза мРНК приводит к тяжелейшим последствиям.