Lenindzher Основы биохимии т.3 (1128697), страница 63
Текст из файла (страница 63)
что гвв В рвсполож*в виутри гена А, ио лля этих двух гепов используются разные рвмьи считы- ввиия. Апвлогичиым образом, геи Е лежит внутри гена О и также имеет другую рамку считывания (см. рис. 29-24). «Виутреикиев гены обозначены крвсиым цветом: серым цветом поквэвиы иетрвислируемые спейссрвые учесгки ДНК. Кроме генов В и Е. Рвсположепиых япут- ри генов А и О, в ДНК фага фХ174 имеются короткие учвстки перекрывания между другими генами. В пяти случаях ипициируюший сигнал одного гана переярыввег гермипируюший сиг- иел предыдушсго; при этом сигивлы исполь.
эуют резвые рамки считывания, ГЛ. 29. СИНТЕЗ БЕЛКА И ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ 29.22. Синтез белка Регул!и руетеа Рис 29-2А Учвстак иумжапщиой иаслеловетельиосзи трвискриптв мРНК зеив О в ДНК фх174. Вилио, каким образом зси Е, лежащий виузри гена Р, колируегся рамкой считывания, отличкой от рамки считыееиив геив О. Рамки счигывяиия генов абозяячеяы разным ивезем. Начало гена Е 1 Рамка очятыввияй гвив Е Мвг Чи! Агй Тгр Тьг у,ви Направление ачигыввиив— б* -С-СЛ ЬС-А-С-СС-12-С-С-С-С-С-Гуц ЬА-С-С-СИ ЬА-С-С-С-С-С-С-А-С-Ц.СИ ЬС- 3' ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! Чв! С!и А!в Сув Чв! Туг С!у ТЬг !.вп Авр Р(зв Рамка считывания гена Р следовательностей.
На рис. 29-23 показано, что гены В и Е расположены внутри соответственно генов А и О и что в пяти случаях стартовый кодон одного гена перекрывает термннирующий кодон другого. Рнс. 29-24 поясняет, каким образом гены О н Е занимают один и тот же участок ДНК, но используют разные рамки считывания; аналогичная ситуация имеет место в случае генов А и В. Протяженносп перекрывающихся последовательностей и внутренних генов полноспю компенсирует нехватку нуклеотидов в ДНК фХ174, если учесть общее число аминокислотных остатков, содержащихся в девяти кодируемых ею белках. За этим открытием вскоре последовалн подобные наблюдения и на других вирусных ДНК, в том числе на ДНК фага 2., онкогенного обезьяньего вируса 40(БЧ40) и фага О4- близкого родственника фага фХ174.
Фаг. С4 замечателен тем, что у него есть по крайней мере один кодов, который используется гремя различными генами. Было высказано предположение. что перекрывающиеся гены или тены внутри генов существуют только в геномах вирусов. Фиксированный размер вирусного капсида обуслонливает экономное использование ограниченного количества ДНК, которая должна кодировать белки, нужные для обеспечения инфекционности вирусной частицы и для поддержания ее способности к репликации. Живые клетки имеют точно запрограммированные механизмы, регулирующие синтез различных белков таким образом, что в любой клетке присутствует определенное количество молекул юждого белкгх позволяющее ей осуществлять свои метаболические процессы плавно и с максимальной эффективностью. Мы уже знаем, что ДНК Е.
со1! содержит гены для более чем 3000 разных белков. Однако 3000 белков Е. сой присутствуют в клепсе не в одинаковых количествах. Реально число копий отдельных белков может быть различным; более того, число копий некоторых из них постоянно, тогда как число копий других может варьнронать. Одна клетка Е. сей содержит около 15000 рибосом; значит, каждый из 50 (или большего числа) рибосомных белков присутствует в клетке в 15000 копий. Число копий гликоли.гнческих ферментов также, по-видимому, поддерживается в клетке на постоянном и очень высоком уровне. Вместе с тем 0-галактозидвза обычно присутствует в клетке Е со!1 в очень малых количествах-нсего около пяти молекул. Однако, как мы увидим ниже, число молекул этого фермента может резко увеличиваться в ответ на изменения в доступности определенных питательных веществ в окружающей среде.
Благодаря регуляции синтеза ферментов в клетках любого типа создается «правильный» набор ферментов, обеспечивающий нормальное протекание основных клеточных процессов. Регуляция позволяет также бактериям экономно использовать аминокислоты для синтеза тех белков, которые нужны им лишь 954 ЧАСТЬ НА МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ в очень малых количествах илн только изредка У высших организмов процессы биосинтеза белка регулируются значительно сложнее. Хотя каждая клетка позвоночного содержит полный геном данного организма, в клетке данного типа экспрессируется только часть структурных генов. Почти во всех клетках высших животных присутствуют наборы основных ферментов, необходимые для реализации главных путей метаболизма.
Однако клетки разных типоа например клспси мьшш. мозга, печени, содержат свойственные только нм структуры и выполняют только им присущие биологические функции, реализация которых обеспечивается наборами специализированных белков. Например, клетки скелетных мышц содержат огромное количество ориентированных миозиновых н вагиновых нитей (разд. 14 143:, тогда как в печени миозина и актина очень мало. Точно так же клетки мозга содержат ферменты, необходимые для синтеза болыпого числа различных веществ — мсднаторов нервных импульсов, в то время как клетки печени этих ферментов вообще не содержат. Вместе с тем в печени млекопитающих присутствуют все ферменты, необходимые для образования мочевииы, тогда как в других тканях этих ферментов нет и они не обладают способностью синтезировать мочевину (разд.
19.15). Кроме того, биосинтез разных наборов специализированных белков должен быть точно запрограммирован в последовательности и времени их появления в ходе строго упорядоченной дифференцировки и роста высших организмов. Пока нам сравнительно мало что известно о регуляции экспрессии генов в эукариотических организмах с их многочисленными хромосомами. Однако сегодня мы располагаем значительной информацией о регуляции синтеза белка у прокариот. К ней мы сейчас и перейдем. 29.23.
Бантернн содержат нонстнтугнвные и нндуцнруемые ферменты Конститутивными называются такие ферменты, которые присутствуют а бактериальных клетках в постоянных количествах независимо от метаболического состояния организма. Примерами конститутивных ферментов служат ферменты, участвующие в главных путях катаболизма, таких, как гликолиз. Напротив, концентрация индунируемых ферментов в клетке меняется.
Обычно индуцируемый фермент содержится в бактериальной клетке лишь в слсдовых количествах, однако если в среду добавить его субстрат, особенно если этот субстрат представляет собой единственный источник углерода клетки, то концентрация такого фермента может быстро возрасти в тысячу раз илн даже больше.
В этих условиях нндуцируемые ферменты могут потребоваться для транспортировки субстрата внутрь клетки и превращения его в метаболит, который клетка способна использовать. Таким индуцируемым ферментом является, например, (3-галактозидаза которая катализирует первую стадию процесса утилизации лактозы, а именно ее гндролитическое расшепление до О-глюкозы и О-галактозы (разд. 15.10]. В обычных условиях, если в среде присутствует много глюкозы, Е сой лактозу не усваивает, поскольку в каждой клетке содержится всего около пяти молекул (3-галактозндазы.
Однако если поместить клетки Е. со(1 в среду с лактозой в качестве единственного источника энергии и углерода, то уже через 1-2 мин клетки начинают синтезировать (3-галактозидазу в больших количествах, достигая уровня, превышающего 1000 молекул на клетку. Индуцируемая (3-галактозидаза гидролизует лактозу до О-глюкозы и О-галактозы, которые затем могут использоваться как источник энергии и углерода.
Если теперь индуцированные лактозой клетки Е. сой перенести на свежую среду, содержащую вместо лактозы глюкозу, то дальнейший синтез (3-галактозидазы немедленно прекращается. Таким образом, ГЛ. За СИНТЕЗ БЕЛКА И ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ мы видим, что индукция ферментов-это экономичный процесс; иидуцируемые ферменты синтезируются лишь тогда, когда в них возникает потребность. Вещество, способное индуцировать синтез фермента или группы ферментов, называется индуктором. Если к клеткам Е. со!1 добавить в отсутствие глюкозы какой-нибудь 9-галактозид типа лактозы, то они начнут синтезировать в больших количествах не только ~3-галактозидазу, но и два других функционально связанных с ней белка- ~3-галактозидпврмеазу и белок А.
Пермевэа-мембранный белок, способствующий транспорту 9-галактозцдов из внешней среды в клетку. Функция белка А не совсем ясна, однако не исключено, что он и~рвет важную роль в процессе метаболической утилизации галактозидов. Если один индукгор вызывает синтез группы связанных между собой ферментов или белков, как это имеет место в данном случае, такой процесс называют координированной индукцией.
Сегодня мы знаем, что Е. сой и другие бактерии способны в ответ на различные специфические индукторы синтезировать большое число разных связанных друг с другом ферментов или групп ферментов. Такая способносп позволяет бактериям быстро приспосабливаться к новым условиям и экономно использовать самые разнообразные питательные вещества, которые появляются в окружающей среде. 29.24. У прокариот существует также репрессия ферментов Другой важный тип изменения концентрации фермента в бактериальной клетке, противоположный по своему проявлению индукции ферментов; это репрессия ферментов.
Когда клетки Е. сой растут на среде, содержащей в качестве единственного источника азота соль аммония, им приходится синтезировать все азотсодержашие соединения из иона ХН4 и источника углерода Такие клетки, очевидно, должны содержать все ферментные системы для синтеза Ю различных аминокислот. Однако если доба- вить в среду одну из аминокислот, скажем гистидин, то клетка перестанет вырабатывать весь набор ферментов, н~ь обхолимых для синтеза гистидина из аммиака и источника углерода, в то время как для остальных 19 аминокислот она продолжает синтезировать ферментные наборы.
Поскольку популяция клеток продолжает расти и делиться, удельная активность оставшихся гистидинсинтезируюших ферментов снижается. Выключение синтеза ферментов, ответственных за образование гистидииа, вызванное добавлением гистидина, называется репрессией ферментов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
