Lenindzher Основы биохимии т.3 (1128697), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Репрессия, так же как и индукция, представляет собой отражение принципа клеточной экономии: как только ферменты биосинтеза гистидина больше не требуются, оии перестают вырабатываться. В большинстве случаев репрессия ферментов затрагивает ферменты, участвующие в биосинтезе, особенно в биосинтезе аминокислот. Репрессия цело~о набора ферментов, катализируюших последовательность биосинтетических реакций, конечным продуктом этой цепи, как это имеет место в случае ферментов, синтезирующих гистидин, называется координированной репрессией. или репрессией конечным продуктом. 29.25.
Гипотеза оперона Молекулярные и генетические связи между индукцией и репрессией ферментов прояснились в результате генетических исследований Франсуа Жакоба и Жака Моно из Пастеровского института в Париже. Их классическая работа по индукции 9-галактозцдазиой активности в клетках Е. со11 привела авторов к формулированию гипотезы оперона для объяснения генетического контроля синтеза белка у прокариот. С тех пор эта гипотеза получила полное подтверждение в прямых биохимических экспериментах. Тип регуляции белкового синтеза, рассматриваемьш в гипотезе оперона,представляет собой контроль на уровне транскрипции, поскольку регуляция здесь осуществляется главным образом за счет изменения скорости транскрипции генов, т.е.
на стадии образования мРНК. Дру- 95б чАСтЬ )ц МБХАННЗМЫ г)БРВдАЧН Гбнбтнчбекой Ииеорыдцнн Направление транскрипции Структурные гены участки Регуляторный ген к р я ! Р е г у ЛНК мРНК репросс Полигепиая 1)РНК Р~ЛР~ Рибосомы Болокрепрессор (активный) ), ) ь л Кодируемые белки Ицдуктор )) Галцктоэидаза Нермоаэа Белок А Иидуктор-рппрессорпый комплекс (неактивный) гой основной путь регулпции белкового синтеза-это контроль на уровне н)рансллцни, т.е.
регулнция скорости синтеза полнпептилиой цепи на матрице мРНК. У бактерий ведушая роль в регуляции экспрессии генов приналлежит, по-внлнмому, контролю на уровне транскрипции. Контроль биосннтеза белка на уровне ~рансляции, механизм которого остается не совсем понятным. имеет. веронтно, второстепенное значение дуц) бактерий. но он очень важен для эукариот. Кроме этого, в клетках сушествуют и другие механизмы, которые позволяют выполнить тонкую регулировку скорости синтеза белка. На основании своих экспериментов Жакоб и Моно предположили, что три структурных гена г, у и а.
колнруюшие синтез индуцируемых лактозой ферментов ()-гвлактозидазы, (3-галактозидпермеазы и белка А соответственно, расположены в хромосоме Е. сой рядом (рнс. 29-25). Далее они предположили. что в ДНК около этих генов находится другой, иигибиторный участок ), который Рис. 29-2Х Схематическое изображение йгг-опе- рана три структурных Ьс-гепв г, у и а распо- ложеиы рядом.
Перед ними находятся два ре- гула горных участка — р )промотар) и о (опера- тор) Рисунок лан ие в масштабе; учасгки р и о очень малы по сравиеиию с генами. РегулятоР цый гея г колврует белок-репрессор. Этот це- вок имеет два центра сввэываиив. адин для оператора, другой ллв ииаукюра. Активная форма белка-репрессора может присоединяться к оператору, препятствуя тем самым саязыва- иию РНК-полимераэы и наследующей транс- крипции структурных генов а у и а. В этих условиях б-галвктозидаза и два других белка клетками ие сиитеэируются.
Однако, если в среде вместо глюкозы присутствует лактоэа. видуктар соелииястся с репрессором. переваля мо в иеактивцое состояние, в котором тот не способен взаимолействовать с оператором. В э~ам случае РНК-полимераэа может связаться с проматором, оройэи через зону оператора и начать траискрибировать три структурных гена с образованием полигеииой мРНК, которая «о- дирует синтез трех йи белков в рибгжомах. Бо- лее детально функция промотора рассмот)жиа иа рис. 29-22. Лактоэв сама по себе ие служит иидуктором )ас-осироиаг эту функцию выпол- иает ее изомер аллолактоэв.
образующаяся из лактоэы. способен ингибировать транскрипцию трех структурных генов г, у и а. Было постулироваио. что участок 1 представляет собой регулягдорный ген (разд. 27 21). кодируюший аминокислотную посдедовательность регуляторного белка, наэывае- ГЛ. 29. СИНТЕЗ БЕЛКА И ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ 957 мого релрессарам. Когда ген ( транскрибируется с образованием соответствующей мРНК, последняя поступает в рибосамы, где на ней, как на матрице, синтезируется репрессор.
Белок-репрессор может связываться с другим специфическим участком ДНК, который называется оператором (рис, 29-25). Было высказано предположение, чэ.о связывание белка-репрессора с операторным участком ДНК подавляет катализируемый РНК-полимеразой процесс транскрипции трех структурных генов г, у и а, которые кодируют ферменты, индуцируемые )3-галактозидами. В результате нз-эа отсутствия матрицы синтез этих ферментов подавляется (т.е.
репрессируется). Чтобы объяснить действие инлуктара (случай. когда глюкозы в среде нет, но присутствует лактоза), Жакоб и Моно предположили, что индуктор взаимодействует со вторым специфическим связывающим участком белка-репрессора, т.е. с центром связывания индуктора. При этом образуется нндуктор-репрессорный комплекс, что приводит к снижению сродства репрессора к операторному участку ДНК и к освобождению последнего. Как ~олька индуктор-репрессорный комплекс покидает оператор, структурные гены (3-галактозидазы и двух других белков оказываются доступными для транскрипции и РНК-полимераза синтезирует с них мРНК. Эти мРНК используются далее в качестве матриц для синтеза указанных белков в рибосомах, в результате чего клетка получает возможность утилизировать лактозу в качестве источника углерода н энергии.
Предположим теперь, что мы изъяли клетки из среды с лактозой, промыли их и поместили в среду, содержащую вместо лактозы П-глюкозу-субстрат, который клетки всегда способны утилизировать. Поскольку концентрация лактозы в клетке становится при этом исчезающе малой, индуктор, связанный с белком-репрессором, отделяется от него, молекула репрессора возвращается в свое активное состояние и со свойственной ему высокой с~слепые сродства присоединяется к оператору. Вследствие этого структурные Таблица 29-4. Некоторые бнктерннльныс алераны Опе- рно Число фер- Функннк ментнык белков 1ис Гнлралнэ н транспорт 13-гнлактаэялон Синтез гнстнднна Превращение а-кетанзаннлерьянанай кислоты в лейцнн Транспорт н угнлнэнцнв нрабннозы ен (ен ага 29.26.
Молекулы реирессори были выделены В 1967 г. Уолтеру Гилберту и Бенно Мюллер-Хиллу удалось выделить (ас-ре- гены (3-галактозидазы и двух других белков перестают транскрибироваться и изза отсутствия их мРНК синтез данных белков прекращается. Таким образом, белок-репрессор благодаря своей способности обратимо связываться то с индуктором, то с операторам (но не одновременно с обоими) может определять как индукцию, так и репрессию синтеза галактозидазы.
Три структурных гена г, у и а вместе с нх оператором а были названы Жакобом и Моно опероном, в данном случае 1ас-опероном (рис. 29-25), Таким образом, в состав оперона входит группа функционально связанных друг с другом структурных генов, которые могут координнрованно включаться и выключаться, н их оператор. У Е. со((, 5а(ннуне((а (грйиник(ит н других бактерий было выявлено большое число оперонов (табл.
29-4). Одним нэ наиболее сложных оперонов является гистидиновый оперон. Он состоит из девяти структурных генов, кодирующих набор ферментов, необходимых для биосинтеэа гистндина. Регуляторный ген ((Ь-оперона кодирует белок-репрессор, который присоединяется к ЬЬ-оператору и тем самым препятствует транскрипции всех девяти белков оперона в условиях, когда в среде присутствует достаточное количество гнстидина. 958 ЧАСТЬ ПА МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ прессор, предсказанный гипотезой Жакоба и Моно. Выяснилось, что этот репрессор действительно является белком н что в его молекуле имеется два отдельных центра, один для связывания с индуктором, а лругой для связывания со специфическим участком ДНК Е. сой.
Если центр связывания с инлуктором свободен, то (пг-репрессор прочно взаимодействует со специфическим участком ДНК; если же центр связывания с иццуктором занят, то репрессор не может уже оставаться связанным с операторным участком и покидает его. Выделение йус-репрессора было очень трудной задачей, поскольку обычно в клетке Е. сой присутствует всего около 10 молекул этого белка. Молекулярная масса 1ас-репрессора составляет приблизительно 150000.
В отсутствие ицдуктора он обладает исключительно высоким сродством к соответствуюшему участку ДНК Е. го!Й 50;4-ное (по отношению к максимальному уровню) связывание репрессора с оператором достигается при концентрации репрессора 10 " М. На рис. 29-26 предо~валена электронная микрофотография 1ас-репрессора, прикрепленного к операторному участку ДНК Е.
сой 29.27, В оперонах нмеетси ецуе пролюторный участок Мы уже видели, что если в среде присутствует лактоза и нет глюкозы, то индуктор, соелиняясь с репрессором, <еснимает» его с оператора н тем самым дает возможнос~ь транскрибироваться 1ас-генам и соответственно синтезироваться 1ас-белкам. Предположим теперь, что в среде находятся н лактоза, и глюкоза. В этих условиях Е. сой использует только глюкозу, пренебрегая лактозой. Более того, клетки перестают синтезировать (ас-белки.
Репрессия синтеза 1ас-белков глюкозой называется капюболииной репрессией. Клетки Е. сой способны чувствовать, доступна ли глюкоза, с помошью другого регуляторного механизма, который совместно с йус-репрессором и оператором контролирует синтез )псферментов. Рис. 29-2Ь. Электронная микрофотография участка ДНК Е. сев, на котороа нанна молекула упс-репрессора(укатана стрелкой), присоапиненнаи к 1ас-оператору.
В дополнение к 1-гену и оператору (оучастку) в ДНК сушествует еше один особый регулят.орный участок — лромопуор, или р-участок, расположенный между геном 1 и оператором (рис. 29-27). Промотор в свою очередь состоит из двух функционально различных частей. Рядом с оператором находится наход для РНК-полимеразы», т.е. участок, в котором происходит первоначальное связывание РНК-полнмеразы. Вторая часть промотора представляет собой специфический участок связывания другого регуляторного белка — белка, аклпепирующего кпулаболитный ген (БАК илл САР от англ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
