Регуляція функцій клітин. Генетична регуляція промоутери

Всі факти, викладені в цій статті, вказують, що і хімічні, і фізичні функції клітини регулюються генами. Однак активність самих генів також повинна знаходитися під контролем, в іншому випадку накопичення будь-якого компонента клітини або будь-яка біохімічна реакція триватимуть до тих пір, поки не знищать клітку. Кожна клітина має потужні регуляторними механізмами зворотного зв`язку, що координують різноманітні внутрішньоклітинні процеси. Для кожного гена (їх в клітці більше 30000) передбачено як мінімум один такий механізм.

Відео: Урок біології №31. біосинтез білка

В принципі для контролю біохімічних функцій клітини використовують всього два способи: генетичну регуляцію (тобто регуляції активності самих генів) і ферментативну регуляцію (тобто регуляції активності синтезованих клітиною ферментів).

Оперон і його значення в біохімічних реакціях синтезу. Функції промоутера. Процеси біохімічного синтезу в клітині зазвичай йдуть за участю цілих серій реакцій, кожна з яких каталізується спеціальним ферментом. У свою чергу, всі ферменти, необхідні для синтезу будь-якого речовини, часто кодуються послідовністю генів, що лежать єдиної групою на одній хромосомі. Ділянка ДНК, що несе таку групу генів, називається опероном, а гени, що відповідають за синтез певних ферментів, - структурними генами.

Відео: Біосинтез білків. (Научфільм, навчальний відео СРСР)

На цьому ж малюнку можна побачити ділянку ДНК, званий промоутером. Як уже згадувалося, він являє собою послідовність нуклеотидів, що мають спорідненість до певних ділянок РНК-полімерази. Щоб почався синтез матричної РНК, РНК-полімераза повинна прикріпитися до промоутера перед тим як почати рух уздовж ДНК. Таким чином, промоутер необхідний для активації оперона.

Регуляція функції оперона репрессором оператора. Це ділянка зв`язування з білком, званим репрессором оператора. Таку назву він отримав тому, що його зв`язування з промоутером запобігає прикріплення до останнього РНК-полімерази і, як наслідок, пригнічує транскрипцію генів даного оперона. Інша назва цього білка - білок-репрессор.

Регуляція функції оперона активатором оператора. Він примикає до промоутера спереду і зв`язується з білком, званим активатором оператора. Зв`язуючись з цим оператором, активатор оператора сприяє закріпленню РНК-полімерази до промоутера і активує оперон. Інша назва цього білка - білок-активатор.

Механізми негативного зворотного зв`язку в регуляції функції оперона. На малюнку показано, що при накопиченні в клітці надлишкової кількості будь-якого продукту може включатися механізм негативного зворотного зв`язку для пригнічення функції оперона, що відповідає за синтез цього продукту. В основі цього механізму може лежати зв`язування білка-репрессора з оператором або розрив зв`язку між білком-активатором і оператором. В обох випадках функція оперона буде придушуватися. Як тільки синтезується продукт накопичується в кількості, достатній для нормального функціонування клітини, діяльність оперона припиняється. Навпаки, при руйнуванні цього продукту і зниження його концентрації в клітці оперон знову активується. Таким чином, клітина автоматично підтримує необхідну їй концентрацію продукту.

Інші механізми регуляції транскрипції оперона. За останні 20 років було відкрито багато варіантів основних механізмів регуляції функції оперона. Не вдаючись в подробиці, опишемо деякі з них.

1. Регуляція функції оперона часто буває опосередкована регуляторниі геном, який може локалізуватися в будь-який хромосомі. Цей ген відповідає за синтез білка-регулятора, контролюючого функцію оперона, діючи як білок-репрессор або білок-активатор.

2. У ряді випадків один і той же білок-регулятор одночасно контролює кілька різних оперонов. При цьому деякі білки діють як репрессори одних і активатори інших оперонов. Якщо таким способом одночасно регулюється функція декількох синхронно діючих оперонов, то їх разом називають регулона.

Відео: Мол.Біологія

3. Білки-регулятори деяких оперонов прикріплюються до ДНК не в точці початку їх транскрипції, а в більш віддалених ділянках. У деяких випадках регуляція оперона здійснюється не на рівні ДНК, а при процес-Сінг РНК до її виходу з ядра в цитоплазму. Іноді регуляція оперона відбувається в цитоплазмі під час трансляції РНК на рибосомі.

4. В ядерні клітини ядерна ДНК «упакована» в структури, звані хромосомами. У кожній хромосомі спіраль ДНК обвивається навколо дрібних білків (гістонів), які за допомогою інших білків зв`язуються воєдино, утворюючи компактні структури. Поки ДНК знаходиться в такому компактному стані, вона не може брати участь в синтезі РНК. Зараз з`ясовуються деякі механізми, за допомогою яких окремі ділянки хромосом на час втрачають компактну структуру, що робить можливим локальний синтез РНК. Однак навіть в таких випадках деякі чинники транскрипції регулюють швидкість транскрипції окремого оперона на хромосомі. Таким чином, в підтримці клітинних функцій беруть участь ще складніші, ніж вважалося раніше, регуляторні механізми. Нарешті, зовнішні сигнали, включаючи деякі гормони, можуть активувати окремі області хромосом і деякі фактори транскрипції, регулюючи таким способом біохімічні процеси, необхідні для функціонування клітини.

Відео: Транскрипція гена - Костянтин Северинов

кожна клітина несе більш 30000 різних генів, а це значить, що і способів регуляції їх активності теж має бути дуже багато. Механізми генетичної регуляції грають особливо важливу роль у контролі внутрішньоклітинної концентрації амінокислот і їх похідних, а також проміжних субстратів і продуктів метаболізму вуглеводів, жирів і білків.