Трансляция генетического кода

 

Трансляция - это процесс декодирования мРНК, в результате которого информация с языка последовательности нуклеотидов в мРНК переводится (транслируется) на язык последовательности аминокислота в полипептидной молекуле. Декодирование мРНК осуществляется в направлении 5' —> 3'.

В процессе трансляции различают стадии:

1) активация аминокислот;

2) аминоацилирование тРНК;

3) собственно трансляция.

Активация аминокислот. Это процесс присоединения аминокисло­ты с помощью своей карбоксильной группы к -фосфату АТР с помо­щью специфической аминоацил-тРНК-синтетазы. Реакция сопровождается высвобождением неорганического пирофосфата и об­разованием аминоацил-аденилата (АК-АМР). Аминоацил-аденилат обладает очень высокой реакционной способностью и стабилизирует­ся благодаря прочному связыванию с ферментом. Данный процесс ха­рактеризуется высокой специфичностью: для каждой аминокислоты существует собственный фермент (ферменты).

Аминоацилирование тРНК. Представляет собой перенос аминоацильной группы от связанного с ферментом аминоацил-аденилата на 2'- или 3'-ОН-группу концевой рибозы тРНК в акцепторной ветви.

Ключевой особенностью реакции, приводящей к аминоацилированию тРНК, является специфичность участвующих в ней ферментов. Присоединение к тРНК каждой из 20 аминокислот, встречающихся в белках, катализируется определенной аминоацил-тРНК-синтетазой. Фермент должен отличить одну аминокислоту от 19 других и перенес­ти ее к одной или нескольким изоакцепторным тРНК из имеющихся примерно 75 других тРНК. При этом следует подчеркнуть высокое сходство в структуре многих аминокислот (лейцин, валин и изолейцин; аспарагиновая и глутаминовая кислоты и др.), а также удивительное сходство вторичной и третичной структур тРНК. Поэто­му даже очень высокой специфичности, присущей данным ферментам, оказывается недостаточно, чтобы не допустить ошибок, и синтетазы могут исправлять ошибки, происходящие при присоединении. Это име­ет место при гидролизе связи между аминокислотой и AMP в комплек­се фермент-аминоацил-аденилат. В таком случае формирование оши­бочно аминоацилированной тРНК предотвращается. Напротив, механизм, с помощью которого удалялась бы уже присоединенная к тРНК неправильная аминокислота, отсутствует. В таких случаях ами­нокислота занимает неправильную позицию в белке. Частота таких ошибок очень низка (например, в гемоглобине кролика 10^-5).

 

 

 

 

Собственно трансляция. Процесс трансляции осуществляется на рибосомах - клеточных органеллах, представляющих собой сложный комплекс из белков и молекул РНК. В течение всего процесса синтеза белка растущая полипептидная цепь, мРНК и очередная аминоацил-тРНК остаются прикрепленными к рибосоме. У прокариот и эукариот рибосомы различаются по величине и составу (рис. 3.12). Коэффициент седиментации рибосом прокариот составляет 70S (S - Сведберг, единица измерения скорости, с которой частица оседает при центри­фугировании; IS = 10 ^-13 с), а у эукариот для рибосом, обнаруживаемых в цитоплазме, он равен 80S.

Рибосомы при определенных условиях могут диссоциировать на большую и малую субчастицы, а каждая субчастица, в свою очередь, на составляющие молекулы белка и РНК (рис. 3.12). Все эти компоненты могут снова ассоциировать с образованием функциональ­но активной рибосомы, если созданы соответствующие условия.

 

Электронно-микроскопические исследования 705-рибосом показа­ли, что малая и большая субчастицы соприкасаются в нескольких точ­ках, причем между ними образуется бороздка, необходимая для разме­щения мРНК во время трансляции. Для понимания процесса трансляции важны два основных в функциональном отношении участка на 70S-рибосоме. Участок (сайт) А служит для присоединения аминоацил-тРНК, а с сайтом Р связывается растущая пептидная цепь.

В процессе трансляции, кроме аминоацил-тРНК и рибосом, при­нимает участие большое количество вспомогательных белков - факто­ров инициации, элонгации и терминации транскрипции.

Суть процесса трансляции состоит в последовательном декодиро­вании мРНК в направлении 5' —> 3' с помощью аминоацилированных тРНК, в ходе которого происходит последовательная конденсация аминокислотных остатков, начиная с амино-(N)-конца полипептидной цепи, в направлении к карбоксильному (С)-концу. Матричный прин­цип процесса соблюдается при узнавании комплементарных нуклеотидов в составе очередного кодона мРНК и антикодона тРНК. Наибо­лее полно трансляция изучена у прокариот, и механизм этого процесса будет рассмотрен на примере трансляции у Е. сой.

Инициация трансляции. Считывание мРНК начинается с кодона AUG, который обозначает 5'-конец кодирующей последовательности и детерминирует N-концевую (первую) аминокислоту синтезируемого полипептида. Для инициации трансляции необходимо наличие 30S-субчастицы рибосомы, которая связывается в комплекс с белками - факторами инициации (IF1, IF2, IF3), GTP и Fmet-тРНК. Такой полный комплекс связывается с 5'-концом кодирующей последовательности мРНК вблизи кодона AUG. Очевидно, IF2 способен отличить Fmet-тРНК (формил-метионин-тРНК) от met-тРНК, которая связывается с кодонами AUG во внутренней части мРНК, но не может начать трансляцию со стартового кодона AUG. Эта специфичность обеспечивается N-формильной группой, отсутствующей у met-тРНК.

Распознавание стартового кодона осуществляется следующим образом. Связывание 30S-субчастицы с мРНК находится под строгим контролем нуклеотидной последовательности, расположенной примерно за 10 нуклеотидов до 5'-конца стартового кодона. Взаимодействию способствует комплементарное спаривание этой богатой пуринами последовательности с полипиримидиновым участком, находящимся в составе 16S-pPHK. Процесс инициации зависит от многих условнос­тей в структуре взаимодействующих участков, в том числе от вторич­ной структуры того участка молекулы мРНК, в котором находится стар­товый кодон AUG. Это имеет значение для процессов регуляции эффективности синтеза белка.

Итак, при инициации указанный комплекс связывается с Р-сайтом 30S-субчастицы рибосомы, и первой аминокислотой в составе пептида будет формил-метионин. Далее следует присоединение 50S-субчастицы рибосомы и формируется 70S-инициирующий комплекс (рис. 3.13). Источником энергии для инициации синтеза белка служит расщепле­ниеGTP доGDP и Pi.

Элонгация трансляции. Для образования первой пептидной связи необходимо, чтобы аминоацил-тРНК, соответствующая следующему кодону, заняла А-участок рибосомы. Для этого аминоацил-тРНК дол­жна сначала связать белок EF-Tu (один из факторов элонгации) и GTP. Образовавшийся тройной комплекс (аминоацил-тРНК- [EF-Tu-GTP]) и доставляет аминоацил-тРНК к А-участку. GTP в это время гидролизуется, и комплекс (EF-Tu-GDP) отделяется от рибосомы. Когда оба участка, А и Р, заняты, пептидилтрансферазная активность 50S-субчастицы катализирует перенос группы Fmet с ее тРНК на аминогруппу аминоацил-тРНК, находящуюся в А-участке (рис. 3.14). В результате в А-участке оказывается дипептидил-тРНК, а в Р - свободная тРНК (рис. 3.13).

Пептидилтрансферазная активность рибосом связана, по-види­мому, не с белковой частью 50S-субъединицы, а с одним из РНК-ком­понентов - рибозимов.

 

 

Для прочтения следующего кодона и удлинения полипептидной цепи еще на одну аминокислоту вся серия реакций должна повториться. Однако прежде чем это произойдет, свободная тРНК освобождает Р-участок, образовавшаяся дипептидил-тРНК перемещается на него с А-участка (при этом не происходит взаимодействия кодона с антико-кодоном), а рибосома продвигается скачкообразно (на 3 нуклеотида) в сторону З'-конца мРНК. Все эти процессы осуществляются с помощью фактора элонгации EF-G при GTP-зависимойтранслокации рибосомы. В результате этих трех актов освобождается участок А и экспонируется следующий кодон, что позволяет начаться следующему циклу элонгации (рис. 3.13). Следует отметить, что при образовании каждой пептидной связи расходуется энергия, равная четырем энергетическим эквивалентам (если за один эквивалент принять энергию образования фосфатной связи): два эквивалента АТР потребляются при аминоацилировании тРНК и два эквивалента GTP - в каждом цикле элонгации.

Терминация трансляции. Процесс последовательной трансляции кодонов, в конце концов, доходит до того момента, когда в А-участке оказывается один из трех терминирующих кодонов - UAG, UAA или UGA. В природе не существует таких тРНК, антикодоны которых соответствовали бы этим кодонам. Здесь вступают в действие факторы терминации - RF-1 и RF-2, которые катализируют отсоединение по­липепидной цепи от тРНК, тРНК - от рибосомы, а 70S-рибосомы - от мРНК.

После инициации трансляции 70S-рибосома удаляется от сайта инициации по мере считывания каждого последующего кодона. Когда расстояние от рибосомы до сайта инициации достигнет величины 100-200 нуклеотидов, в этом сайте может произойти новая инициация. Более того, как только вторая рибосома пройдет такое же расстояние, может произойти третья инициация, и т. д. Итак, одну и ту же белок-кодирующую последовательность мРНК могут одновременно транс­лировать несколько рибосом. Подобные мультирибосомные трансля­ционные комплексы называются полирибосомами илиполисомами.

Матричные РНК, состоящие из нескольких белок-кодирующих участков, часто транслируются последовательно: когда рибосома доходит до терминирующего кодона в первой последовательности, она отделяется от мРНК и со следующим инициирующим участком связывается новый комплекс. Иногда этого не происходит, и транслирующая первую кодирующую последовательность рибосома, не отделяясь, перемещается вдоль мРНК, инициируя трансляцию в других сайтах.

Особенности трансляции у эукариот. Процесс трансляции эукариотической мРНК в основном аналогичен таковому для прокариот. Однако имеется ряд отличий. Во-первых, процессы транскрипции и трансляции у эукариот разобщены во времени и в пространстве, по­скольку транскрипция осуществляется в ядре, а трансляция - в цитоп­лазме. Во-вторых, инициирующей аминоацил-тРНК у эукариот служи г не Fmet-тРНK, а специальная инициирующая met-тРНК. В-третьих, на 5'- и З'-концах эукариотичеких мРНК имеются особые структуры «кэпы» и «шлейфы», принимающие участие в трансляции. Известно, что отдельные факторы инициации трансляции узнают кэпированные области для связывания с мРНК и начала процесса трансляции.

Биосинтез белка

 

 

1. Строение рибосомы

2. Свойства генетического кода

3. Этапы синтеза белка, необходимые факторы и их роль

 

В соответствии с основным постулатом молекулярнойбиологиисинтез белков включает три процесса. Транскрипция —синтез ин­формационной (матричной) РНК на ДНК-матрицена основе комплементарности. Это переписывание генетической информации с ДНК на РНК. В молекуле мРНК записана информация о последо­вательности аминокислот в первичной структуре белка с помощью триплетного нуклеотидного кода. У эукариот процесс идет в ядре.

Трансляция — перевод генетической информации мРНК, записан­ной с помощью четырех нуклеотидов, в первичную структуру белка (полипептид), записанную с помощью 20 аминокислот. Процесс идет в рибосомах. Для осуществления перевода нуклеотидного кода в аминокислотную последовательность существуют специальные молекулы-адаптеры. Роль адаптеров выполняют тРНК: с одного конца молекулы — аминокислота (З'-конец тРНК), а с другого — антикодон, т.е. триплет нуклеотидов, комплементарный кодону мРНК. В результате транскрипции и трансляции генетическая информация ДНК реализуется в виде первичной структуры белка.

Посттрансля­ционная модификация белков осуществляется в цитозоле, аппарате Гольджи и других местах клетки за счет специфического взаимодей­ствия радикалов аминокислот первичной структуры и других моле­кул. При этом формируется нативная структура белка.

Рибосомы. Внутриклеточный компонент, в котором осуществ­ляется процесс трансляции, называется рибосомой. Множество рибосом могут одновременно транслировать одну и ту же цепь мРНК, образуя так называемые полирибосомы (полисомы). Шерохо­ватый эндоплазматический ретикулум — это компартмент клетки, в котором мембрансвязанные полисомы продуцируют как мембран­ные белки, так и белки, подлежащие экскреции и транспорту. Полирибосомные структуры присутствуют и в свободной форме — в ци­тозоле, где они синтезируют внутриклеточные белки. Рибосомы — это субклеточные частицы, состоящие из рРНК и белков. По констан­те седиментации различают 70S-рибосомы прокариот и 80S-рибосомы эукариот. Соотношение рРНК и белков у 70S-рибосом — 2:1, а у 80S-рибосом — 1:1. Рибосомные РНК синтезируются в ядрышке в виде предшественника 45S-рРНК, который затем расщепляется эндонуклеазами на рРНК нужной длины. Рибосомные белки образу­ются в цитоплазме и переносятся в ядрышко. Здесь спонтанно образуются рибосомные субъединицы путем объединения белков с соответствующими рРНК. Возникшие большая (50S — у прокариот и 60S — у эукариот) и малая (30S — у прокариот и 40S — у эукариот) субъединицы рибосом через поры ядерной оболочки переносятся в цитозоль. Большая субъединица рибосом эукариотической клетки содержит 41 белок, 5S-, 5,8S- и 28S-pPHK; малая — 30 белков и 18S-рРНК. В микробной клетке количество рибосом равно 10 000, а в эу­кариотической — достигает 100 000. Согласно представлениям Дж. Уотсона, существует «рибосомный цикл»: в начале синтеза полипептидной цепи субъединицы рибосомы объединяются в функцио­нирующую рибосому на мРНК для осуществления трансляции, а в конце синтеза диссоциируют.

Генетический код. Информация о последовательности амино­кислот в полипептидной цепи записана на мРНК в виде трехбуквен­ного нуклеотидного кода.

Основные свойства кода: триплетность — каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов, называемой кодоном; вырожденность — одну и ту же аминокислоту может ко­дировать несколько кодонов, причем важнейшую роль играют дня первых нуклеотида триплета; однозначность — каждому триплету соответствует только одна аминокислота; неперекрываемость — кодоны считываются один за другим не перекрываясь; универсальность — соответствие аминокислот триплетному коду у всех живых организмон (в последние годы показано, что в митохондриях различных клеток четыре кодона считываются иначе, чем постулировано принципом универсальности).

Среди 64 триплетов мРНК выделяют три типа:

1) инициирующие — АУГ и ГУГ (кодируют включение формилметионина у прокариот или метионина у эукариот), определяют стадию начала (инициации) синтеза белковой молекулы; 2) смысловые кодируют включение аминокислот в синтезируемую полипептиднуш цепь; 3) терминирующие — не кодируют включение аминокислот, это нонсенс-кодоны, которые определяют завершение (терминацию) синтеза полипептидной цепи.

Этапы синтеза белка и необходимые факторы. По А. Ленинджеру, выделяют пять этапов синтеза белковой молекулы: 1) активация аминокислот с образованием аминоацил-тРНК; 2) инициации полипептидной цепи; 3) элонгация полипептидной цепи; 4) терминация полипептидной цепи и освобождение; 5) сворачивание полипептидной цепи и процессинг (созревание).

Белоксинтезирующая система клетки должна иметь:

1) матрицу мРНК, на которой записана информация о последовательности аминокислотных остатков в синтезируемой полипептидной цепи,

2) рибосомы — субклеточные частицы, осуществляющие ферментативный синтез полипептидной цепи по матрице мРНК (точнее — полирибосома, являющаяся комплексом мРНК и рибосом);

3) набор всех типов аминоацил-тРНК. (набор молекул-адаптеров); различные регуляторные и вспомогательные факторы белковой природы;

4)АТФ, ГТФ, ионы магния и др.

Трансляция молекул мРНК начи­няется с 5'-конца с образованием N-конца растущей полипептидной цепи. Информация считывается в направлении 5' —> 3' и заканчива­ется образованием С-конца белковой молекулы. Транскрипция гена в соответствующую мРНК начинается с образования 5'-конца моле­кулы мРНК. У прокариот это позволяет начать трансляцию мРНК еще до завершения транскрипции. У эукариот процесс транскрип­ции происходит в ядре, а трансляции мРНК — в цитоплазме. Такая компартментализация процессов исключает одновременное проте­кание транскрипции и трансляции и делает неизбежным процессинг предшественников мРНК — гяРНК.

Активация аминокислот. В цитоплазме клеток 20 различных аминокислот присоединяются эфирной связью к соответствующей т-РHK с образованием аминоацил-тРНК. Этот процесс катализируется высокоспецифичными аминоацил-тРНК-синтетазами:

амино­кислота + тРНК + АТФ -> аминоацил-тРНК + АМФ + РРн.

Многие аминоацил-тРНК-синтетазы способны исправлять ошибки при присоединении близких по структуре аминокислот. Например, при включении валина вместо изолейцина (различие на одну метиленовую группу) фермент способен распознать ошибку, когда аминокислота поступает в активный центр, и гидролитически отщепить неправильную аминокислоту. Именно поэтому в этих ферментах выделяют четыре важных для катализа места связывания: для аминокислоты, тРНК, АТФ и для воды (гидролиз «неправильных» аминоацил-тРНК).

Инициация полипептидной цепи. Для инициации полипетидной цепи в клетках прокариот необходимы: мРНК, инициирующая аминоацил-тРНК, малая и большая субъединицы рибосом. Они собираются в работающий ансамбль с помощью трех белков (факторы инициации) IF-1, IF-2, IF-3, ионов магния и ГТФ. Инициирующая аминоацил-тРНК у прокариот представлена формилметионин-тРНК, а у эукариот — метионин-тРНК. Стадия инициации начина­ется с присоединения IF-3к малой субъединице рибосомы. Этот фактор обеспечивает узнавание на мРНК участка для присоединения инициирующей тРНК, т.е. инициирующего кодона (АУГ, ГУГ). В это же время инициирующая формилметионин-тРНК связывается с IF-2 и ГТФ. Затем оба комплекса взаимодействуют и образуется инициирующий комплекс, который связывается с мРНК. Это связы­вание происходит с помощью фактора IF-1, который способствует соединению мРНК с инициирующим комплексом, состоящим из малой субъединицы, формилметионин-тРНК, IF-2, IF-3, ГТФ. Бел­ковый фактор IF-2 способствует соединению большой и малой субъ­единиц рибосомы. После присоединения большой субъединицы вы­свобождаются все инициирующие факторы, ГДФ и неорганический фосфат, т.е. процесс идет с затратой энергии. Смысл всех этих операций заключается в том, что мРНК соединяется с инициирую­щей (формил)метионин-тРНК в рибосоме единственно возможным способом, определяющим точное положение рамки считывания кодонов мРНК на инициирующем кодоне.

В работающей рибосоме есть два участка связывания транспортных РНК (тРНК): А-участок (аминоацильный), имеющий сродство к аминоацил-тРНК, и Р-участок (пептидильный), имеющий сродство к пептидил-тРНК. В кон­це стадии инициации инициирующая (формил)метионин-тРНК на­ходится в Р-участке собранной рибосомы и соединена водородными связями с инициирующим кодоном мРНК. В А-участке находится следующий кодон мРНК.

Элонгация полипептидчой цепи. Для осуществления элонгации необходимы: набор аминоацил-тРНК, ГТФ, ионы магния, факторы элонгации — EF-T и EF-g. Она начинается с присоединения аминоацил-тРНК к следующему за инициирующим кодону мРНК в А-уча­стке рибосомы. Каждое присоединение аминоацил-тРНК требует затраты молекулы ГТФ и происходит при участии EF-T. Между ко­доном мРНК и антикодоном аминоацил-тРНК замыкаются во­дородные связи. Когда два аминокислотных остатка оказываются рядом, между ними образуется водородная связь. Процесс катали­зируется рибосомным ферментом пептидилтрансферазой и исполь­зует энергию макроэргической связи аминоацил-тРНК. Образовав­шийся дипептид силами гидрофобного взаимодействия радикалом связан с Р-участком. В то же время он связан с тРНК, находящейся в А-участке и связанной с кодоном мРНК. Сродства к А-участку эта пептидил-тРНК не имеет. При участии EF-g и за счет энергии ГТФ происходит перемещение пептидил-тРНК в Р-участок, а вместе с ней и кодона мРНК, так как они связаны водородными связями. Фактор EF-g считают ГТФазой. Такое перемещение называют транс­локацией. (Формил)метионин-тРНК при этом высвобождается из рибосомы. В результате транслокации в А-участок рибосомы прихо­дит новый кодон мРНК. К нему методом случайного подбора присо­единяется комплементарным антикодоном новая аминоацил-тРНК. Между дипептидом Р-участка и аминокислотным остатком в А-уча­стке замыкается пептидная связь. Возникший трипептид транслоцируется в Р-участок, а в А-участок приходит следующий новый ко­дон мРНК и т.д. Таким образом, происходит многократное по­вторение этапов элонгации, пока в А-участок не придет один из терминирующих кодонов.

Терминация полипептидной цепи. Необходимые факторы: FR-1 воспринимает триплеты УАА и УАГ; FR-2 воспринимает УАА и УГА; ГТФ. Терминирующие кодоны (бессмысленные, нонсенс-кодоны) не имеют для себя аминоацил-тРНК. Кодоны, поступив в А-участок, воспринимаются факторами FR-1 или FR-2, которые индуцируют пептидилэстеразную активность, вследствие чего отщепляется син­тезировавшийся полипептид. Весь комплекс трансляции диссоциирует на составные части.

В цитоплазме клеток прокариот с помо­щью фермента деформилазы происходит отщепление формильной группы от N-концевого формилметионина синтезированного полипептида; часто после завершения синтеза в цитоплазме клеток от­щепляется N-концевой метионин от синтезированного полипептида (у прокариот и эукариот). На основе взаимодействия радикалов ами­нокислотных остатков полипептидной цепи спонтанно формируют­ся вторичная, третичная, а у олигомерных белков и четвертичная структуры.

Посттрансляционная модификация белка включает следующие процессы: химическую модификацию белка (часто отсутствует) — метилирование по аминогруппе лизина и аргинина, фосфорилирование по ОН-группе серина, окисление лизина, пролина и др.; связывание простетической группы; связывание между собой субъединиц олигомерного белка; частичный протеолиз.

Например, посттрансляционная модификация при биосинтезе гликопротеинов происходит следующим образом. Полисомы связаны с внешней по­верхностью мембраны эндоплазматического ретикулума клеток через большую субъединицу рибосомы. Синтезированные полипептидные цепи проходят через мембрану шероховатого эндоплазмати-ческого ретикулума в цистерны и переносятся в гладкий эндоплазматический ретикулум и в комплекс Гольджи. Здесь с помощью гликозилтрансфераз происходит присоединение моносахаридных моле­кул к полипептидным цепям с образованием гликопротеинов.

Регуляция биосинтеза белков. В настоящее время считают, что регуляции подвержены все или почти все этапы биосинтеза белков. Например, метаболиты и гормоны могут изменять сродство белков-репрессоров к регуляторным отделам ДНК; гормоны способны мо­дифицировать активность метилаз, участвующих в биосинтезе рРНК; новообразованные белки способны активировать рибонуклеазы и тем самым ускорять распад своих мРНК и т.п.

Согласно теории Жакоба и Моно, в биосинтезе белков у бактерий участвуют три типа генов: структурные гены, ген-оператор и ген-регулятор. Структур­ные гены определяют первичную структуру белков. Функционирова­ние структурных генов контролируется геном-оператором (локали­зован между промотором и структурными генами). Формирование мРНК начинается с промотора и далее распространяется вдоль опе­ратора и контролируемых им структурных генов. Оператор и струк­турные гены называют опероном. Деятельность оперона контроли­руется геном-регулятором. Оперон и ген-регулятор находятся в раз­ных участках цепи ДНК, поэтому связь между ними осуществляется с помощью белка-репрессора, синтезируемого по информации гена-регулятора. Если репрессор связан с геном-оператором, то РНК-полимераза не может синтезировать мРНК, а следовательно, не синте­зируются и белки. Если ген-оператор свободен, процесс транскрип­ции возможен и информация структурных генов используется для синтеза белков.

Рассмотрим превращения:

Е' Е² Е³

A->B->C->D

Чтобы исходное вещество А превратилось в конечный продукт D, необходимы ферменты Е^1,2,3. Если это неразветвленный процесс, то синтез этих ферментов кодируется одним опероном.

Установлено, что при отсутствии вещества А репрессор связан с геном-оператором и синтез белков-ферментов Е^1,2,3 не идет. При появлении метаболитов возможны два варианта:

1) индукция синтеза ферментов. Исходное вещество А, подле­жащее превращениям, понижает сродство репрессора к гену-оператору. В результате РНК-полимераза осуществляет синтез мРНК. Затем синтезируются белки-ферменты Е^1,2,3. Они обеспечи­вают превращения вещества А в D;

2) репрессия синтеза ферментов. Конечные продукты реакции (их называют корепрессоры) повышают сродство репрессора к гену-оператору. Это приводит к блокировке гена-оператора, и матричный синтез мРНК прекращается, что сопровождается подавлением синтеза белков Е^1,2,3.

 

Регуляция синтеза белков в клетках эукариот намного сложнее, так как:

· не характерна прямая субстратная регуляция, так как опероны (транскриптоны) имеют обширные регуляторные зоны;

· структурные гены разбросаны по геному;

· в ядрах дифференцированных клеток эукариот большинство генов находится в репрессированном состоя­нии;

· все структурные гены делят у эукариот на три группы — гены, функционирующие во всех клетках организма, в тканях одного типа, и специализированных клетках одного типа;

· пространственное раз­деление процессов — транскрипция в ядре, трансляция в рибосомах.

 

 

В молекуле ДНК-матрицы имеется особый участок — промотор, — с которого РНК-полимераза начинает синтез РНК, а также участок, сигна­лизирующий о завершении процесса. На стадии транскрипции действуют некоторые тонкие механизмы регуляции белкового синтеза. Существует два вида воздействия на белковый синтез: репрессия (подавление) и индукция (yсиление) его. Как уже отмечалось, в молекулах ДНК содержат регуляторные гены. Они кодируют аминокислотную последовательность специфических белков — репрессоров, многие из которых являются гистонами. Репрессор в обычном порядке синтезируется в рибосомах и затем связывается с молекулой ДНК на так называемом акцепторном участке, расположенном непосредственно рядом со структурными генами. Такое связывание мешает РНК-полимеразе синтезировать и-РНК на поверхности структурного гена. В молекуле репрессора есть особый центр связывания с ДНК, пространственная структура которого может меняться в зависимости от внешних воздействий. Если в клетке появляется вещество-индуктор, то, присоединяясь в репрессору, оно так изменяет структру этого центра, что связывание становится невозможным и РНК-полимераза начинает синтезировать и-РНК на структурных генах (рис. 74). Имеются сведения об индукции белкового синтеза гормонами. Таким действием обладают некоторые стероидные гормоны надпочечников, тироксин и ряд других. Во многих случаях белки-репрессоры теряют способность подавлять синтез и-РНК, образуя соединения с фосфорной кис­лой. Мощными активаторами фосфорилирования репрессорных белков являются ц-АМФ и ц-ГМФ.

-

 

Схема действия индуктора

 

В некоторых случаях репрессор сам по себе мало активен. Для подавления белкового синтеза ему нужен корепрессор. Это метаболит, присоединение которого к репрессору изменяет структуру центра связывания так, что репрессор становится способным реагировать с акцепторным участком ДНК и тормозить синтез и-РНК на структурных генах (рис. 75).

 

Схема действия корепрессора