Биология в 3 томах. Tом 3 - Тейлор Д.
ISBN 5-03-003687-3
Скачать (прямая ссылка):
ОПЕРОН
г
Ген-оператор
а
b
с
(T) Транс
Транскрипция
(T) Трансляция (T) Синтез полипептида
' мРНК
Рис. 23.34. Основные структуры и процессы, участвующие в регуляции белкового синтеза согласно гипотезе Жа-коба и Моно. Цифрами указана последовательность событий.
шенных этого гена и поэтому вырабатывающих ?-галактозидазу непрерывно. Ген-регулятор содержит генетическую информацию для синтеза репрессора, который препятствует активности структурных генов. Репрессор действует на структурные гены не прямо, а опосредованно, оказывая влияние на участок, примыкающий к структурным генам и называемый геном-оператором. Оператор и структурные гены в совокупности называют опероном (рис. 23.34).
Репрессор представляет собой особый алло-стерический белок, который либо связывается с геном-оператором, подавляя его активность («выключает» его), либо не связывается с ним, позволяя ему стать активным («включает» его). Когда оператор «включен», структурные гены осуществляют транскрипцию и образуется мРНК, которую рибосомы и тРНК транслируют в полипептиды. Когда оператор «выключен», мРНК не образуется и кодируемые ею полипептиды не синтезируются (рис. 23.34).
Механизм, от которого зависит, присоединится ли аллостерический белок к гену-оператору или нет, прост, но при этом чувствителен к изменениям внутри клетки. Предполагается, что в молекуле репрессора имеется по меньшей мере два активных участка, к которым может присоединиться либо молекула индуктора, либо молекула репрессора, в зависимости от их концентрации в данное время, как это описано в разд. 23.9.4.
23.9.2. Индукция ферментов
Присоединение молекулы индуктора к ее активному участку на молекуле репрессора изменяет
третичную структуру репрессора (аллостерический эффект; см. разд. 4.4.4), так что он не может связаться с геном-оператором и репрессировать его. Ген-оператор становится активным и «включает» структурные гены.
При культивировании Е. coli на среде с глюкозой ген-регулятор продуцирует белок, обладающий свойствами репрессора, который связывается с геном-оператором и «выключает» его. Структурные гены при этом не активируются, и ни ?-галактозидаза, ни лактопермеаза не синтезируются. При переносе бактерий на среду с лактозой последняя, как полагают, действует как индуктор синтеза белка, присоединяясь к молекуле репрессора и препятствуя ее соединению с геном-оператором. Структурные гены переходят в активное состояние, продуцируется мРНК и синтезируются белки. Таким образом лактоза индуцирует собственное расщепление.
23.9.3. Репрессия ферментов
Если молекула какого-либо корепрессора связывается своим активным участком с молекулой репрессора, то она усиливает эффект от связывания репрессора с геном-оператором. При этом происходит инактивация гена-оператора, что фактически препятствует «включению» структурных генов.
Е. coli синтезирует аминокислоту триптофан в присутствии фермента триптофансинтазы. При избыточном содержании в клетке триптофана некоторая его часть действует как кореп-рессор синтеза фермента, связываясь с молеку-
БОТАНИКА
ММА им. И.М. Сеченова
Д. Тейлор, Н. Грин, У. Стаут. БИОЛОГИЯ, т. 3
лой репрессора. Молекулы корепрессора и ре-прессора присоединяются к гену-оператору и подавляют его активность. Структурные гены «выключаются», мРНК не образуется и синтез триптофансинтазы прекращается. Это пример ингибирования по принципу обратной связи на генном уровне.
23.9.4. Регуляция метаболических путей
Описанный выше двойной механизм индукции и репрессии делает возможным взаимодействие между цитоплазмой и ядром для обеспечения тонкой регуляции метаболизма клетки. В случае какого-либо простого метаболического пути исходный субстрат и конечный продукт могут играть роль соответственно индуктора и репрессора. Благодаря этому клетка может синтезировать фермент в таком количестве, которое необходимо в данное время для поддержания количества конечного продукта на нужном уровне. Такой способ регуляции метаболизма чрезвычайно экономичен. Отрицательная обратная связь, осуществляемая путем инактивации первого фермента в результате его связывания с конечным продуктом, быстро блокирует данный метаболический путь, но не препятствует синтезу других ферментов. В модели, предложенной Жакобом и Моно, конечный продукт, присоединяясь к молекуле ре-
_Непрерывность жизни 179
прессора, чтобы усилить его ингибирующее действие на ген-оператор, подавляет синтез всех ферментов и выключает данный метаболический путь.
23.9.5. Модификация гипотезы оперона
После того, как в 1961 г. Жакоб и Моно предложили механизм, с помощью которого гены могут включаться и выключаться, были получены другие данные, позволившие прояснить различные аспекты этого механизма. На основе генетических данных было высказано предположение о существовании гена-промотора, расположенного рядом с геном-оператором и действующего между ним и геном-регулятором. Предполагается, что ген-промотор несет две функции. Во-первых, он служит местом, к которому присоединяется РНК-полимераза, прежде чем начать перемещаться вдоль ДНК в процессе транскрипции, т. е. в процессе синтеза мРНК на структурных генах. Это перемещение, конечно, зависит от того, находится ли ген-оператор в активном состоянии или нет. Во-вторых, последовательность оснований гена-промотора определяет, какая из цепей двойной спирали ДНК присоединяет к себе РНК-полимеразу, т. е. служит матрицей для транскрипции мРНК.