Регуляция функций клеток. Генетическая регуляция - промоутеры
Все факты, изложенные в этой статье, указывают, что и химические, и физические функции клетки регулируются генами. Однако активность самих генов также должна находиться под контролем, в противном случае накопление какого-либо компонента клетки или какая-либо биохимическая реакция будут продолжаться до тех пор, пока не погубят клетку. Каждая клетка обладает мощными регуляторными механизмами обратной связи, координирующими разнообразные внутриклеточные процессы. Для каждого гена (их в клетке более 30000) предусмотрен как минимум один такой механизм.
В принципе для контроля биохимических функций клетки используют всего два способа: генетическую регуляцию (т.е. регуляции активности самих генов) и ферментативную регуляцию (т.е. регуляции активности синтезированных клеткой ферментов).
Оперон и его значение в биохимических реакциях синтеза. Функции промоутера. Процессы биохимического синтеза в клетке обычно идут с участием целых серий реакций, каждая из которых катализируется специальным ферментом. В свою очередь, все ферменты, необходимые для синтеза какого-либо вещества, часто кодируются последовательностью генов, лежащих единой группой на одной хромосоме. Участок ДНК, несущий такую группу генов, называется опероном, а гены, отвечающие за синтез определенных ферментов, — структурными генами.
На этом же рисунке можно увидеть участок ДНК, называемый промоутером. Как уже упоминалось, он представляет собой последовательность нуклеотидов, обладающих сродством к определенным участкам РНК-полимеразы. Чтобы начался синтез матричной РНК, РНК-полимераза должна прикрепиться к промоутеру перед тем как начать движение вдоль ДНК. Таким образом, промоутер необходим для активации оперона.
Регуляция функции оперона репрессором оператора. Это участок связывания с белком, называемым репрессором оператора. Такое название он получил потому, что его связывание с промоутером предотвращает прикрепление к последнему РНК-полимеразы и, как следствие, подавляет транскрипцию генов данного оперона. Другое название этого белка — белок-репрессор.
Роль оперона в регуляции синтеза небелковых продуктов клеток.
Небелковый внутриклеточный продукт запускает механизм отрицательной обратной связи для ингибирования оперона и таким образом автоматически регулирует свою концентрацию.
Регуляция функции оперона активатором оператора. Он примыкает к промоутеру спереди и связывается с белком, называемым активатором оператора. Связываясь с этим оператором, активатор оператора способствует прикреплению РНК-полимеразы к промоутеру и активирует оперон. Другое название этого белка — белок-активатор.
Механизмы отрицательной обратной связи в регуляции функции оперона. На рисунке показано, что при накоплении в клетке избыточного количества какого-либо продукта может включаться механизм отрицательной обратной связи для ингибирования функции оперона, отвечающего за синтез этого продукта. В основе этого механизма может лежать связывание белка-репрессора с оператором или разрыв связи между белком-активатором и оператором. В обоих случаях функция оперона будет подавляться. Как только синтезируемый продукт накапливается в количестве, достаточном для нормального функционирования клетки, деятельность оперона прекращается. Напротив, при разрушении этого продукта и снижении его концентрации в клетке оперон вновь активируется. Таким образом, клетка автоматически поддерживает необходимую ей концентрацию продукта.
Другие механизмы регуляции транскрипции оперона. За последние 20 лет было открыто много вариантов основных механизмов регуляции функции оперона. Не вдаваясь в подробности, опишем некоторые из них.
1. Регуляция функции оперона часто бывает опосредована регуляторныи геном, который может локализоваться в любой хромосоме. Этот ген отвечает за синтез белка-регулятора, контролирующего функцию оперона, действуя как белок-репрессор или белок-активатор.
2. В ряде случаев один и тот же белок-регулятор одновременно контролирует несколько разных оперонов. При этом некоторые белки действуют как репрессоры одних и активаторы других оперонов. Если таким способом одновременно регулируется функция нескольких синхронно действующих оперонов, то их вместе называют регулоном.
3. Белки-регуляторы некоторых оперонов прикрепляются к ДНК не в точке начала их транскрипции, а в более отдаленных участках. В некоторых случаях регуляция оперона осуществляется не на уровне ДНК, а при процес-синге РНК до ее выхода из ядра в цитоплазму. Иногда регуляция оперона происходит в цитоплазме во время трансляции РНК на рибосоме.
4. В ядросодержащих клетках ядерная ДНК «упакована» в структуры, называемые хромосомами. В каждой хромосоме спираль ДНК обвивается вокруг мелких белков (гистонов), которые с помощью других белков связываются воедино, образуя компактные структуры. Пока ДНК находится в таком компактном состоянии, она не может участвовать в синтезе РНК. Сейчас выясняются некоторые механизмы, посредством которых отдельные участки хромосом на время утрачивают компактную структуру, что делает возможным локальный синтез РНК. Однако даже в таких случаях некоторые факторы транскрипции регулируют скорость транскрипции отдельного оперона на хромосоме. Таким образом, в поддержании клеточных функций участвуют еще более сложные, чем считалось раньше, регуляторные механизмы. Наконец, внешние сигналы, включая некоторые гормоны, могут активировать отдельные области хромосом и некоторые факторы транскрипции, регулируя таким способом биохимические процессы, необходимые для функционирования клетки.
Каждая клетка несет более 30000 разных генов, а это значит, что и способов регуляции их активности тоже должно быть очень много. Механизмы генетической регуляции играют особенно важную роль в контроле внутриклеточной концентрации аминокислот и их производных, а также промежуточных субстратов и продуктов метаболизма углеводов, жиров и белков.
