Biokhimia_cheloveka_Marri_tom_2 (1123307), страница 33
Текст из файла (страница 33)
40.10. Сравнение структур антибиотика пуромицииа и 3'-коицевого участка тирозил-тРНК. Многие из вышеупомянутых соединений, например пуромицин и циклогексимид, не используются в клинической практике. Однако они оказались очень полезными в экспериментах по изучению роли синтеза белка в регуляции метаболических процессов, особенно индукции ферментов при действии гормонов.
ЛИТЕРАТУРА Вагге1! В.6. ет а1. 01ГГегепт рапегп оГ содоп гесо8п1!!оп Ьу гпапипа11ап пп!осЬопдда! тВ!чАя, Ргос. 1Чат!. Асад. Бей !3БА, 1980. 77, 3164. Сияйег С. Т. Рсрдде сЬегп тепп1пат1оп, Тгепдя В!осЬепт. Бст., 1980. 5, 234. 11аглеП Х ет а1. Мо!еси!аг СеИ Вю!о8у, Яс!епйк Агпепсап Воо1ся. 1986.
13га1 е Х И'., Ва!ге Я. и. ТЪе Ь1осЬе1п)в!гу оГ гни!а8епев1я, Аппп. Кеи. ВюсЬегп, 1975, 45, 11. 1Ьгяет В. б. Мо1сси!аг 8епейся оГ Ьигпап Ьепю8!оЬ)п яуп!Ьеи!я, Апп. 1птсгп. Мед., 1979, 91, 605. '1аблпца 40.2. Аитибиочики — ингибиторы трансляции Э;карио1ы Эукариоты !1рокириоти гиитоплвт- (митохоилмя! рии! ь ингибироваиис; иет иигибироваиия; стимуляция; ".
неизвестно образом. нстокси шы для эукариот ических организмов. Некоторые из них в табл. 40.2, суммирующей данные по влиянию антибиотиков на синтез белка, выделены жирным шрифтом. Су шествуют антибиотики, ингибирующие синтез белка или для всех ~ннов рибосом 1пуромицин). или только для зукариотических (циклогексимид).
Пуромицин. структура которо~о представлена на рис. 40.10„представляет собой структурный ана.чог тирозил-гРИК. Пуромицин включается через участок А рибосомы в С-концевое положение растущей полипсптидной пепи н вызывает ес преждевременную диссошпщию и соответственно терминацию синтеза белка. Пуромицип как аналог тирозил-тРНК эффективно ингибируег синтез белка как у прокариоч. так и у эукариот.
Днф терийный токсин -- это экзотоксин„продуцирусмый личо!енными по специфическому фигу клетками Согрлебастегшт йр1цег1ае. Этот токсин катализирует АВР-рибозилирование ФЭ-2 в клетках млекопитаюгцих. Такая модификация инактивирует ФЭ- 2 и,следовательно, интибирует синтез белка. Многие животные (например, мышь) устойчивы к дифтерий- ному ч оксину.
Эта устойчивость обусловлена неспособностью дифтерийного токсина проникать через клеточную мембрану, а не устойчивостью мышиного ФЭ-2 к катализируемому токсином А1?Р- рибозилированию. О ОН о=с -сн-сн, ~ ~ он ! ,Глава 4! 8 Ж Ф О с с $ з Время Сигнал >Х о В з Й Время Сиг <Х с о н о Б Ю Время Сигнал ь — ! Рне. 41.1. Диаграмма возможных типов ответа со стороны системы регуляции уровня экспрессия гена не действие ре- гуляторного сигнала (например„гормона). ответов изображены в виде диаграмм динамики экспрессии генов в ответ на индуцирующий сигнал на рис.
41.1. Тип А. Ответ характеризуется повышенным уровнем экспрессии гена при постоянном присутствии индуцирующего сигнала. Когда агент, выполняющий функцию индуцирующего сигнала, удаляется, экспрессия падает до исходного уровня н возрастает опять при повторном появлении индуцирующего сигнала. Этот тип ответа широко распространен у высших организмов при использовании таких индукторов, как стероидные гормоны (см. гл.
44). Тип Б. Ответ проявляется лишь как временное усиление экспрессии даже при постоянном присутствии регуляторного сигнала. После удаления индуцирующего агента и по истечении времени, необходимого клеткам для возвращения в исходное физио- логическое состояние, в ответ на повторный сигнал может наблюдаться повторное временное усиление экспрессии в ответ на тот же агент.
Этот тип ответа наблюдается при развитии организма, когда необходимо лишь временное повышение уровня содержания продукта экспрессии определенного гена, несмотря на постоянное присутствие сигнала. Тип В. Ответ реализуется как повышение уровня экспрессии гена в ответ на регуляторный сигнал.
При этом достигнутое повышение уровня экспрессии остается неизменным в течение неопределенно длительного времени даже после полного прекращения воздействия самого сигнала. В данном случае сигнал действует по трип ерному механизму. После инициации в одной клетке экспрессия данного гена не может быть прекращена даже в дочерних клетках и потому является необратимым и наследуемым изменением. Модельные системы для изучения регуляции экспрессии генов В последние 20 лет были достигнуты большие успехи в понимании того, каким путем генетическая информация через матричную РНК воплощается в молекулу белка; кроме того, высокий уровень развития получили представления об основах регуляции экспрессии генов в прокариотических клетках.
К сожалению, до недавнего времени все важнейшие сведения о молекулярных механизмах регуляции ограничивались данными, полученными при изучении прокариотических н простейших эукариотических организмов. Это объясняется тем, что использованные методы генетического анализа эффективны лишь в применении к наиболее примитивным организмам. Последние достижения генной инженерии позволили начать изучение сложнейших механизмов регуляции экспрессии генов у млекопитающих. В этой главе мы сначала обсудим то, что характерно для прокариотических систем.
При этом мы не будем описывать генетические эксперименты, а сделаем акцент на том, что может быть названо физиологией экспрессии генов. Однако нужно подчеркнуть, что почти все важнейшие выводы основаны на результатах генетических исследований. Перед тем как обратиться к физиологии, необходимо остановиться на некоторых терминах, принятых для прокариотических систем. Цистрои — наименьшая единица генетической экспрессии.
Как показано в гл. 10, некоторые ферменты и белки состоят из нескольких неидентичных субъединиц. Таким образом, известная формула «один ген — один фермент» не является абсолютно строгой. Цистрон — это минимальная экспрессируемая генетическая единица, кодирующая одну субъединицу белковой молекулы. Поэтому вышеупомянутую формулу можно перефразировать как «одни цистрон — одна субъединица». 1"егтлниин экспрессии генов Д-гликозидиал слизь СН,ОН сн,он сн,он сн,он н н,о 11-галактозидаза н но Н НО Глюкоза н но н но Галактоза Рис. 41.2.
Гидро пы лдктазы ло ~илактозы и ~лтоклзы ферментом (1-галактозилазой. 1.ас-онерон Промотор Оператор 1 ас- оперон Иидуцибельный геп |ен, экспрессия которато усиливается в оз вез на действие иидуктора--- специфнческого рс~ у лаз орко| о си~ нала. Понятие клнсан~у дивной экспрессии используется в отношении 1снов. которые экспрсссируюгся на определенном постоянном уровне и не подвержены специфической регу ляпин. Некое орые инду цибельные гены мо1 ут стать консгиз утпвными в результате мупщии, Гоогветствуклцие мутации назывшот консз н гу гивнымп муггщиями. РЕГУЛЯЦИЯ ЭКСПРЕССИИ 1 "ЕНОВ У ПРОКЛРИОТ В 1961 г. Франсуа Жакоб и Жак Моно описали с~авшую теперь классической модель онерона. Их концепция в значительной мере была основана на изучении регуляции метаболизма лакзозы у кишечной палочки Е.
глл. Молекулярный механизм регуляции ~снов, участвующих в метаболизме лактозы, иа сегодняшний день наиболее изучен. Фермент ргалактозидаза гндролизует лактозу до галактозы и 1люкозы (рис. 41.2). Структурный геп галактозидазы (ген Еае К) локализован в одном кластере с геном„ответственным за синтез галактозидпермеазы, осуществляющей активный транспорт галактозы в клетку (геи у') и геном галактозидацстилазы (геп г(), функциональное значение которой неизвестно. Структурные ~ сны трех соответствующих фермен ров связаны физически и образуют так называемый (.ас-оперон (рис. 41.3). Такая генетическая компоновка структурных и соответствующих регуляторных генов обеспечивает скоординированную экспрессию всех трех ферментов метаболизма лактозы. Все зри ~ сна транскрибируются в виде обшей молекулы мРНК, содержащей независимые кодоны на- чала грансляции (А()Гз) н стоп-кодоны (()АА) для каждого пистропа.
Такой тнп мРНК называется полцциетроиной мРНК. Образование полицистронных мРНК характерно главным образом для прокариогических организмов. Когда в растущую культуру клеток Е. сой добавлякп лактозу или некоторые ее аналоги, экспрессия активностей 1)-галактозидазы, галактозидпермеазы и галактозидацетилазы возрастает в 10 †1 раз.
Индукция лактозного оперона по вышеприведенной классификации ответов относится к типу А (рис. 41.1). После удаления индуктора (сигнала) интенсивность наработки всех трех ферментов падает. Поскольку сами ферменты в клетках Е. сой не подвергаются существенной деградации, уровень активности 13-галактозидазы и двух других ферментов остается на прежнем уровне и падает лишь в связи с «разбавленисм» в результате клеточного деления.
Когда клетки Е. сой выращивают в среде, содержащей смесь лактозы и глюкозы, в качестве единственных источников углерода, то в первую очередь метаболизируется глюкоза. После исчерпания глюкозы в среде рост клеток временно приостанавливается, пока не пройдет индукция лактозного оперона, в результате которой достигается уровень экспрессии соответствующих ферментов, достаточный для обеспечения метаболизма лактозы. Несмотря на то, что лактоза присутствует с самого начала, 1.ас-оперон не Рис.
4$.3. Взаимное расположение структурных н регуляр- ных генов в Вас-опероне. регчляция экспрессии гснов ИЗ Минимальный эффективный размер оператора, с которым может связаться молекула 1.асрепрессора, составляет 17 пар оснований (выделены жирным шрифтом). В каждый данный момент времени с оператором связаны две субъединицы репрессора. Внутри последовательности в 17 пар оснований по крайней мере одно основание каждой пары принимает участие в узнавании и связывании репрессора.
Связывание происходит в основном в большой бороздке ДНК без нарушения нормальной двухспиральной структуры области оператора. Участок молекулы репрессора, включающий первые 52 аминокислотных остатка, связывается с ДНК, не проявляя, судя по всему, специфичности к какой-то определенной последовательности. Другая область репрессора (остатки с 53 по 58) строго специфично связывается с 17-звенным фрагментом операторной области протяженностью б — 7 нм. Аминокислотные остатки в положении 74 — 75 особенно важны для связывания индуктора с молекулой репрессора.
Операторный локус находится между промотором, к которому перед началом транскрипции присоединяется ДНК- зависимая РНК-полимераза, и началом гена У— структурного гена р-галактозидазы (рис. 41.3). Присоединившись к оператору, репрессор препятствует транскрипции операторного локуса и дистальных структурных генов У, 1' и А. Таким образом, репрессор является негативным регулятором; в его присутствии подавляется экспрессия У, У' и А-генов. Обычно на клетку приходится 20 — 40 тетрамерных молекул репрессора и 1 — 2 операторных локуса.
Аналог лактозы, способный индуцировать экспрессию Ьас-оперона и не являющийся в то же время истинным субстратом р-галактозидазы, можно назвать иерасходуемым индуктором. Добавление лактозы или нерасходуемого индуктора к культуре бактерий, вырашиваемой на плохо утилизируемом источнике углерода (например, сукцинате), вызывает незамедлительную индукцию ферментов 1.ас-оперона. Небольшие количества лактозы или индуктора способны проникать в бактериальную клетку и в отсутствие пермеазы. Молекулы репрессора, как связанные с операторным локусом, так и находящиеся в свободном виде в цитоплазме, обладают сродством к молекулам индуктора. Связывание индуктора с молекулой репрессора, прикрепленной к операторному локусу, вызывает конформационные изменения структуры репрессора и приводит к диссоциации комплекса с ДНК. Если к этому моменту ДНК-зависимая РНК-полимераза уже связана с кодирующей цепью в промоторной области, то начинается транскрипция.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
