29. Регуляция транскрипции и трансляция в клетке

Регуляция транскрипции и трансляции в клетке

Структура и функции генетического материала в данный период времени изучены очень хорошо, но в генетике есть еще немало вопросов, которые связаны с механизмами регулирования активности определенных генов. Классическая генетика установила, что все клетки тела несут одни и те же гены, при этом клетки в многоклетчатом организме сильно различаются по строению и по функциям, которые они выполняют. Ведь даже в одной клетке синтез белка может идти по-разному, в зависимости от потребности этой клетки и обстоятельств. Почему же клетки, содержащие в своем ядре одинаковую генетическую информацию, производят различные белки?

Такие механизмы лучше изучены в клетках прокариот. Несмотря на то что прокариоты – одноклеточные организмы, их транскрипция и трансляция также регулируются, так как в один момент времени клетка может нуждаться в каком-либо белке, а в другой момент тот же самый белок может стать для нее вреден.

Генетической единицей механизма регуляции синтеза белков следует считать оперон (Рис. 1), в состав которого входят один или несколько структурных генов, то есть генов, несущих информацию о структуре иРНК, которая, в свою очередь, несет информацию о структуре белка.

Перед этими генами, в начале оперона, расположен промотор – «посадочная площадка» для фермента РНК-полимеразы. Между промотором и структурными генами в опероне располагается участок ДНК, называемый оператором. Если с оператором связан особый белок – репрессор, то РНК-полимераза не может начать синтез иРНК.

Предположим, что в бактериальную клетку проникло пищевое вещество X (Рис. 2), которое должно быть разрушено на более мелкие части ферментом Ф, который закодирован в структурном гене оперона, но не синтезируется, так как оператор этого оперона заблокирован репрессором. В этом случае одна из молекул вещества X, проникшего в клетку, связывается с молекулой репрессора. При этом комплекс X-репрессор теряет способность удерживаться на операторе и РНК-полимераза тут же начинает синтез иРНК, на которой рибосомы синтезируют фермент Ф. Этот фермент начинает работать, разрушая молекулы вещества X, в том числе и те, которые входят в состав комплекса Х-репрессор. Когда все молекулы вещества X будут разрушены, репрессор снова сможет связаться с оператором, следовательно, синтез новых молекул фермента Ф будет прекращен, так как прекратится синтез его иРНК. А так как любая иРНК имеет ограниченный (и достаточно короткий) срок «жизни» в цитоплазме, по окончании которого она будет разрушена специальными ферментами, то вскоре прекратится синтез фермента Ф и на уже синтезированных молекулах иРНК.

Регуляция работы генов у эукариот, особенно если речь идет о многоклеточном организме, гораздо сложнее.

Во-первых, белки, необходимые для обеспечения какой-либо функции, могут быть закодированы в генах различных хромосом. У прокариот ДНК в клетке представлена одной-единственной  молекулой.

Во-вторых, у эукариот сами гены устроены сложнее, чем у прокариот: у них имеются «молчащие» участки, с которых не считывается иРНК. Но эти участки способны регулировать работу соседних участков ДНК.

В-третьих, в многоклеточном организме необходимо точно регулировать и координировать работу генов в клетках разных тканей. Эта координация осуществляется на уровне целого организма и главным образом при помощи гормонов. Они вырабатываются как в клетках желез внутренней секреции, так и в клетках многих других тканей, например нервной. Эти гормоны связываются с особыми рецепторами, расположенными или на клеточной мембране, или внутри клетки. В результате взаимодействия рецептора с гормоном в клетке активируются или, наоборот, репрессируются те или иные гены, и синтез белков в данной клетке меняет свой характер. Например, гормон надпочечников адреналин активирует распад гликогена до глюкозы в клетках мышц, что приводит к улучшению обеспеченности этих клеток энергией. Другой гормон, инсулин, выделяемый поджелудочной железой, напротив, способствует образованию гликогена из глюкозы и запасанию его в клетках печени.

Конечно, полностью понять механизмы регуляции генов даже в относительно просто организованных живых существах мы пока не в силах. А если учесть, что организм человека состоит из более чем 200 миллиардов клеток и в каждой из них, по последним подсчетам исследователей, содержится до 120 тысяч генов, то становятся очевидными трудности, возникающие при изучении координации работы генов организма человека. Следует также учесть, что 99,9 % ДНК у всех людей одинаковы и только оставшиеся 0,1 % определяют неповторимую индивидуальность каждого человека: внешний вид, особенности характера, обмена веществ, склонность к тем или иным заболеваниям, индивидуальную реакцию на лекарства и многое другое.

Заключение

Разнообразие форм и функций клеток разных органов зависит от сложного взаимодействия различных генов между собой и с многочисленными веществами, попадающими в клетку извне или образующимися в ней. Познание регуляторных механизмов транскрипции и трансляции необходимо для управления процессами реализации генетической информации.

Список литературы

1. Беляев Д.К. Общая биология. Базовый уровень. – 11 издание, стереотипное. – М.: Просвещение, 2012.

2. Пасечник В.В., Каменский А.А., Криксунов Е.А. Общая биология, 10-11 класс.-  М.: Дрофа, 2005.

3. Агафонова И.Б., Захарова Е.Т., Сивоглазов В.И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е изд., доп. – Дрофа, 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Studopedia.net (Источник).

2. Medbiol.ru (Источник).

Домашнее задание

1. Что такое оперон?

2. Какую роль играет рецептор в регуляторном механизме клетки?

3. Какова роль гормонов в регуляторном механизме клетки?