Регуляция транскрипции и трансляции в клетке и организме

Оперон и репрессор.

Известно, что набор хромосом, т. е. набор молекул ДНК, одинаков во всех клетках одного организма.

Следовательно, каждая клетка тела способна синтезировать любое количество каждого белка, свойственного данному организму. К счастью, этого никогда не происходит, так как клетки той или иной ткани должны иметь определенный набор белков, необходимый для выполнения их функции в многоклеточном организме, и ни в коем случае не синтезировать «посторонних» белков, которые свойственны клеткам других тканей.

Так, например, в клетках корня необходимо синтезировать растительные гормоны, а в клетках листа — ферменты для обеспечения фотосинтеза. Почему же в одной клетке не синтезируются сразу все белки, информация о которых имеется в ее хромосомах?

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, в состав которого входят один или несколько структурных генов, т. е. 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.

Механизм регуляции синтеза белка у эукариот.

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 (напомним, что 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 которые 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.

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, индивидуальная реакция на лекарства и многое другое.

Можно было бы предположить, что часть «неработающих» генов в тех или иных клетках утрачивается, разрушается. Однако целый ряд экспериментов доказал, что это не так. Из клетки кишечника головастика при определенных условиях можно вырастить целую лягушку, что возможно только в том случае, если в ядре этой клетки сохранилась вся генетическая информация, хотя часть ее не выражалась в форме белков, пока клетка входила в состав стенки кишечника. Следовательно, в каждой клетке многоклеточного организма используется только часть генетической информации, содержащейся в ее ДНК, Значит, должны иметь место механизмы, «включающие» или «выключающие» работу того или иного гена в разных клетках.

Общая длина молекул ДНК, содержащихся в 46 хромосомах человека, составляет почти 2 метра. Если бы генетически триплетным кодом были закодированы буквы алфавита, то ДНК одной клетки человека хватило бы для шифровки 1000 толстых томов текста!

Все организмы на Земле состоят из клеток. Существуют одноклеточные и многоклеточные организмы.

Безъядерные организмы называются прокариотами, а имеющие ядра в своих клетках — эукариотами. Снаружи каждая клетка покрыта биологической мембраной. Внутри клетки находится цитоплазма, в которой расположены ядро (у эукариот) и другие органоиды. Ядро заполнено кариоплазмой, в которой располагаются хроматин и ядрышки. Хроматин — это ДНК, связанная с белками, из него во время деления клетки образуются хромосомы.

Хромосомный набор клетки называется кариотипом.

В цитоплазме клеток эукариот расположен цитоскелет — сложная система, выполняющая опорную, двигательную и транспортную функции. Важнейшие органоиды клетки: ядро, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, рибосомы, митохондрии, лизосомы, пластиды. Некоторые клетки имеют органоиды движения: жгутики, реснички.

Между клетками прокариот и эукариот имеются значительные различия в строении.

Вирусы представляют собой неклеточную форму жизни.

Для нормальной жизнедеятельности клетки и всего многоклеточного организма необходимо постоянство внутренней среды, получившее название гомеостаза.

Гомеостаз поддерживается реакциями обмена веществ, которые подразделяются на ассимиляцию (анаболизм) и диссимиляцию (катаболизм). Все реакции обмена веществ происходят при участии биологических катализаторов — ферментов. Каждый фермент специфичен, т. е. участвует в регуляции строго определенных процессов жизнедеятельности. Поэтому в каждой клетке «работает» множество ферментов.

Все энергетические затраты любой клетки обеспечиваются за счет универсального энергетического вещества — АТФ. АТФ образуется за счет энергии, выделяющейся при окислении органических веществ. Этот процесс является многоступенчатым, и наиболее эффективно кислородное расщепление, происходящее в митохондриях.

По способу получения необходимых для жизнедеятельности органических веществ все клетки делятся на автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы подразделяются на фотосинтетики и хемосинтетики, и все они способны самостоятельно синтезировать необходимые им органические вещества. Гетеротрофы получают большинство органических соединений извне.

Фотосинтез — важнейший процесс, лежащий в основе возникновения и существования подавляющего большинства организмов на Земле. В результате фотосинтеза происходит синтез сложных органических соединений за счет энергии излучения Солнца. За исключением хемосинтетиков, все организмы на Земле прямо или косвенно зависят от фотосинтетиков.

Важнейшим процессом, происходящим во всех клетках (за исключением клеток, утерявших ДНК в процессе развития), является синтез белка. Информация о последовательности аминокислот, составляющих первичную структуру белка, заключена в последовательности триплетных сочетаний нуклеотидов ДНК. Ген — участок ДНК, в котором закодирована информация о структуре одного белка. Транскрипция — процесс синтеза иРНК, кодирующей последовательность аминокислот бел ка. иРНК выходит из ядра (у эукариот) в цитоплазму, где в рибосомах происходит формирование аминокислотной цепочки белка. Этот процесс называется трансляцией. В каждой клетке — множество генов, однако клетка использует лишь строго определенную часть генетической информации, что обеспечивается наличием в генах особых механизмов, включающих или выключающих синтез того или иного белка в клетке.