Генетическая регуляция транскрипции.

Белки как важнейший компонент живых клеток. Разнообразие белков и их функции в живых организмах. Аминокислоты как структурные элементы белков. Уровни структурной организации белков: первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура. Генетическая регуляция транскрипции.

Белки представляют собой биополимеры (полипептиды), составленные из аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями. Белки участвуют во всех молекулярно-биологических процессах. Они в качестве ферментов детерминируют интенсивность всех метаболических процессов в клетке и в организме целом.

Регуляторные белки – контролируют своевременность и точность основных молекулярно-генетических процессов (белки-регуляторы репликации, транскрипции и трансляции). Белки являются непременным компонентом всех биологических мембран, составляют основу цитоскелета, входят в состав соединительных тканей, волосяного покрова, т.е. обеспечивают «строительную» функцию (структурные белки). Они же осуществляют иммунологическую защиту от чужеродных соединений и патогенных микроорганизмов (защитные белки-иммуноглобулины), обеспечивают снабжение организма кислородом и питательными веществами (транспортные белки). Особая группа полипептидов контролирует физиологическую активность тканей и органов (белки-гормоны). Белки формируют ионные каналы и осуществляют восприятие, трансформацию и передачу разнообразных внешних сигналов (белки-рецепторы). Все виды движенияобеспечиваютсяработой «белковых моторов» (сократительные белки).

Аминокислоты, участвующие в образовании белков, имеют общую формулу: где – H₂N аминогруппа, -СООН карбоксильная группа, R радикал.

Под первичной структурой белка понимают порядок чередования аминокислотных остатков в полипептидной цепи белка. Эта структура транскрибируется в комплементарные нуклеотидные последовательности мРНК, которые служат матрицами для биосинтеза полипептидных цепей в процессе трансляции генетической информации в рибосомной системе клетке.

Вторичная структура белков – это упорядоченное расположение отдельных участков основной цепи полипептида, без учета расположения боковых цепей. Типы: α-спирали — плотные витки вокруг длинной оси молекулы, один виток составляют 3,6 аминокислотных остатка, и шаг спирали составляет 0,54 нм (так что на один аминокислотный остаток приходится 0,15 нм), спираль стабилизирована водородными связями между H и O пептидных групп, отстоящих друг от друга на 4 звена. Спираль построена исключительно из одного типа стереоизомеров аминокислот (L). Хотя она может быть как левозакрученной, так и правозакрученной, в белках преобладает правозакрученная. β-листы (складчатые слои) — несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в которых водородные связи образуются между относительно удалёнными друг от друга (0,347 нм на аминокислотный остаток) в первичной структуре аминокислотами или разными цепями белка. Эти цепи обычно направлены N-концами в противоположные стороны.

Третичная структура белка – трехмерная структура, характеризующаяся определенной укладкой в пространстве всех звеньев полипептидной цепи - подразделяют на глобулярные (белки, в молекулах которых полипептидные цепи плотно свёрнуты в компактные шарообразные структуры — глобулы) и фибриллярные (белки, имеющие вытянутую нитевидную структуру). Для формирования третичной структуры важное значение имеют различные виды связей, возникающие между радикалами определенным образом расположенных аминокислотных остатков в полипептидной цени белка – водородные, ионных, гидрофобные и ковалентные.

Четвертичная структура белка – взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру.

Сверхвторичная структура − это более высокий уровень организации белковой молекулы, представленный ансамблем взаимодействующих между собой вторичных структур.

Домен – компактная глобулярная структурная единица внутри полипептидной цепи. Домены могут выполнять разные функции и подвергаться свертыванию в независимые компактные глобулярные структурные единицы, соединенные между собой гибкими участками внутри белковой молекулы.

Генетическая регуляция транскрипции.

У прокариот.

Транскрипция у прокариот регулируется преимущественно на стадии инициации и связана с деятельностью регуляторных бел­ков — активаторов и репрессоров транскрипции. Регуляция транскрипции у бактерий обычно охватывает группу (кластер) генов, кодирующих функционально родственные бел­ки. Такими белками обычно явля­ются ферменты, ведущие к распаду или синтезу тех или иных соединений. Группа согласованно регулируемых генов, кодиру­ющих эти ферменты, называется опероном. В состав каждого оперона входят несколько структурных генов, кодирующих ферменты, а также регуляторные области - промотор и оператор – участок оперона, к которому присоединяются белки-репрессоры или активаторы транскрипции.

Одной из первых стала известна структура и механизм экс­прессии lac-оперона Е. coli. В его состав входят структурные гены Z, Y и А, кодирующие ферменты, участвующие в метаболизме лактозы. Ген lac Z кодирует фермент β-галактозидазу, расщепляющий β-галактозиды, в частности лактозу, с образованием легко метаболизируемого моносахарида — глюкозы. Ген lac Y кодирует β-галактозидтрансферазу (пермеазу) — фермент, необходимый для про­никновения β-галактозидов через клеточную мембрану. Ген lac А кодирует фермент β-галактозидтрансацетилазу, функциональная роль которого до конца не выяснена. Все эти гены являются индуцибельными. Их транскрипция и образование соответствующих бел­ков происходит в клетке только тогда, когда в ней накапливается избыток лактозы и ощущается недостаток глюкозы. Помимо структурных генов в состав оперона входят промотор (40 н.п.) и оператор (27 н.п.). Последний представляет собой ту область, с которой взаимодействует белок-репрессор. При избытке β-галактозида (лактозы) его молекулы связыва­ются с субъединицами репрессора с образованием репрессор-индукторногокомплекса, в котором индуктор (β-галактозид) выступает в роли аллостерического регулятора, изменяющего кон­формацию белка-репрессора, что ведет к инактивации после­днего. У инактивированного репрессора резко снижается сродство к зоне оператора, в результате чего репрессор отсоединяется от промотора открывая «вход» для РНК-полимеразы. Вслед за этим начинается транскрипция оперона, а затем и синтез ферментов, метаболизирующих лактозу. Позитивная регуляция оперона состоит в индукции транскрип­ции, достигаемой посредством присоединения к промотору ком­плекса, состоящего из САР-белка (белок-активатор катаболитических оперонов) и сАМР — универсального внутриклеточного регулятора многих метаболических процессов. Комплекс САР-сАМР связывается с ДНК в самом начале промотора непосредственно перед сайтом связывания РНК-полимеразы и способен многократ­но усиливать транскрипцию оперона.

Несколько более сложная и своеобразная система регуляции транскрипции свойствена триптофановому (trp-) оперону. Он со­держит пять генов, кодирующих ферменты синтеза триптофана. Репрессия этого оперона, осуществляется с помошыо белка-репрессора кодируемого геном trp R. Белок-репрессор блокирует область операто­ра в комплексе с самим триптофаном только при высокой кон­центрации этой аминокислоты в клетке, когда нет необходимос­ти в экспрессии trp-оперона. Нуклеотидные последовательности промотора и оператора в trp-опероне перекрываются, поэтому при­соединение комплекса trp-белок-репрессор автоматически препят­ствует связыванию РНК-полимеразы с промотором. Дополнительные возможности репрессии trp-оперона связаны с наличием в его структуре особой аттенюаторной последова­тельности, располагающейся между зоной промотора и областью структурных генов. Эта последовательность входит в со­став так называемой лидерной области, кодирующей лидерный пептид в составе первого фермента, синтезируемого на полицистроновой мРНК, транскрибируемой с данного оперона. Аттеиюаторная последовательность способна вызывать преждевременную терминацию транскрипции с этого и ряда других оперонов бакте­рии, влияя на вторичную структуру синтезируемой РНК. Аттенюаторная последовательность в trp-опероне Е. coli содержит две области с обращенными повторами. Транскрипция этой последовательности приводит к образованию в мРНК шпилечных структур, которые могут оста­навливать дальнейший ход транскрипции. В результате образуется функционально не лидерная РНК, что происходит при дос­таточно высокой концентрации триптофана в клетке. При сниже­нии концентрации триптофана РНК-полимераза преодолевает зону аттенюатора и транскрипция приводит к синтезу полноразмер­ной мРНК.

У эукариот. Специфическая регуляция. Промоторы. У эукариот нет оперонов, и каждый ген представляет собой независимую транкрипционную среду. Функционально важные последовательности в промотере находятся в положениях «-25» и «-75». В промоторе тРНК имеются А- и В-боксы.

Энхансеры. Среди регуляторных элементов эукариот выделяют энхансеры, которые обычно располагаются достаточно далеко от регулируемого гена. Предполагается, что сближение энхансера и промотора достигается в результате образования между ними петли ДНК, при этом белки-активаторы, «узнающие» энхансер, могут непосредственно взаимодействовать с транскрипционным комплексом.

Энхансеры - усилители транскрипции - обладают следующими свойствами:

• могут находиться как в 5’, так и в З’-областях, а также в интронах и даже на значительном расстоянии от промоторов;

• активируют гены независимо от ориентации;

• один энхансер может активировать различные гены;

• действие их может быть ткане- и видоспецифичным;

• энхансеры доступны действию различных белков, в том числе и гормонов.

Сайленсеры – ослабители транскрипции - являются негативными элементами по отношению к транскрипции. Функционируют в цис-положении и могут оказывать свое действие на большом расстоянии от гена и при разной ориентации по отношению к нему.

Метилирование оснований ДНК. Значительную роль в регуляции экспрессии ге­нов у эукариот может играть метилирование ДНК (обычно по 5-му углероду цитози­на). Неактивные гены содержат относительно много метильных групп. Состояние повышенного метилирования может стабильно поддерживаться в течение многих поколений клеток. Для этого существует специальный механизм, обеспечивающий присоединение метильных групп в местах, аналогичных тем, где уже произошло метилирование в другой цепи. Механизм действия метильныхгрупп заключается в том, чтоони нарушают взаимодействия ДНК-белок. Выступая в большую бороздку ДНКметальные группы препятствуют связыванию транскрипционных факторов.

Неспецифическая регуляция. Этот тип регуляции может проявиться на разных уровнях организации генетического материала (генном, хромосомном, геномном).

Примером неспецифической регуляции на генном уровне может служить потеря активности любою гена, попавшего в гетерохроматин, при этом наблюдается так называемый «эффект положения генов». 'Гак, у гетерозиготных самок w⁺/w проявля­ется аллель white из-за потери активности нормального аллеля вследствие переноса его в нрицентромерный гетсрохроматин с помощью инверсии. Примером регуляции активности генов на хромосомном уровне является потеря активности генов в половом хроматине, т.е. в гетерохроматизированных половых хромосомах. Факультативная гетерохроматизация достигается в этих хромосомах за счет плотной упаковки хроматина. Вследствие такой конденсации гены, локализо­ванные в этих половых хромосомах, не транскрибируются.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: