Регуляція діяльності клітини

Всі прояви життя клітини пов’язані з білками. ДНК бактерії кишкової палички несе інформацію про синтез приблизно трьох тисяч різних білків (у еукаріот – у багато разів більшого їх числа). Деякі з цих білків присутні в клітці постійно, інші з’являються у відповідь на спеціальні сигнали, коли виникає необхідність в їх роботі. Це так звані адаптивні (лат. Adapto – пристосовувати) білки.

Регуляція синтезу адаптивних білків у прокаріотів здійснюється на рівні транскрипції інформаційних РНК – на рівні генної активності.
Діяльність еукаріотичної клітини, більшої і має ядерну оболонку, регулюється складніше. У відповідь на зовнішній сигнал клітина еукаріот також може відповідати включенням транскрипції. Для цього в клітині існують спеціальні білки, які після взаємодії з сигнальної молекулою потрапляють в ядро і включають синтез іРНК. Це – повільний відповідь. Крім цього, клітина еукаріот здатна давати швидку відповідь на зовнішній сигнал. Він здійснюється в результаті активації або інактивації тих білків, які заздалегідь синтезовані в клітці.

Як здійснюється регуляція синтезу адаптивних білків у бактерій, вперше було встановлено при вивченні синтезу β-галактозидази – ферменту, що розщеплює дисахарид лактозу на глюкозу і галактозу. Він відсутній в клітці, якщо бактерія не отримує лактозу, але починає синтезуватися через кілька секунд після додавання цього цукру в живильне середовище, де містяться бактерії.

Результати досліджень по регуляції білкового синтезу у бактерій були опубліковані в 1961 році французькими вченими Франсуа Жакобом, Андре Львовим і Жаком Моно. За цю роботу вони були удостоєні Нобелівської премії. β-галактозидаза, разом з двома іншими білками, які беруть участь в засвоєнні лактози, закодовані в розташованих один за одним послідовності ДНК. Ці послідовності назвали структурними генами, так як вони визначають структуру білків. Перед структурними генами розташований промотор (англ. Promoter – стимулятор) – посадочний майданчик для РНК-полімерази.

Між структурними генами і промотором є особлива ділянка ДНК – оператор (від лат. Operor – працюю). З оператором взаємодіє спеціальний білок – репрессор (лат. Repressor – обмежує, стримує). Репрессор відноситься до постійно синтезується білків. Поки репрессор “сидить” на операторі, РНК-полімераза не може почати синтез іРНК.

Коли в клітку потрапляє лактоза, вона зв’язується з репрессором. В такому стані репрессор не здатний взаємодіяти з оператором і звільняє дорогу РНК-полімерази. РНК-полімераза синтезує іРНК, іРНК транслюється, β-галактозидаза розщеплює лактозу. Як тільки остання молекула лактози буде перетворена в кінцевий продукт, звільнений репрессор повернеться на оператор і закриє шлях РНК-полімерази. Транскрипція припиниться. Молекули іРНК дуже швидко розщеплюються (їх кількість зменшується на половину вже через 2 хвилини). Припиняється і трансляція. Ферменти, виконавши свої функції, також розщеплюються.

Система, що включає структурні гени, промотор, оператор і термінатор (ділянка ДНК, на якому РНК-полімераза припиняє синтез РНК), отримала назву оперона – одиниці регуляції транскрипції. Таким чином, синтез білків у прокаріотів регулюється на рівні освіти іРНК, або на рівні генної активності.

Кількість структурних генів в оперон залежить від складності біохімічних перетворень того чи іншого субстрату в кінцевий продукт. Є Оперон, які містять лише один ген, є такі, в складі яких понад 10 структурних генів.
Бувають Оперон іншого типу. У них транскрипція починається не з появою в клітці якоїсь речовини, а навпаки, припиняється. Так регулюється наявність в клітці ферментів, необхідних для синтезу речовин, наприклад, амінокислот. Відсутність амінокислоти включає транскрипцію іРНК для синтезу потрібних ферментів.

Посилання на основну публікацію