Основные механизмы регуляции биосинтеза белка в про- и эукариотических клетках | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 11 июля, печатный экземпляр отправим 15 июля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Биология

Опубликовано в Молодой учёный №22 (312) май 2020 г.

Дата публикации: 29.05.2020

Статья просмотрена: 52 раза

Библиографическое описание:

Ильясова, Г. Ю. Основные механизмы регуляции биосинтеза белка в про- и эукариотических клетках / Г. Ю. Ильясова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 22 (312). — С. 426-429. — URL: https://moluch.ru/archive/312/70836/ (дата обращения: 03.07.2020).



В статье автор рассматривает особенности регуляции биосинтеза белка у прокариот и эукариот, а также факторы, влияющие на него.

Ключевые слова: биосинтез белка, прокариоты, эукариоты, факторы, система оперон, белки, ферменты, белок-репрессор.

В нашем мире существует 2 вида организмов: прокариотические и эукариотические. Они отличаются строением и происходящими в них биологическими процессами, в том числе и биосинтезом белка — разновидностью пластического обмена, в ходе которого генетическая информация ДНК преобразуется в последовательность аминокислот будущего белка. На этот сложный процесс у про- и эукариот оказывают влияние разные факторы.

Регуляция биосинтеза у прокариот происходит на уровне транскрипции, поскольку он неразрывен с трансляцией. Он основан на регуляции активности генов, схема которой была открыта в 1961 Жакобом и Моно и названа опероном. Ученые проводили опыты на примере кишечной палочки и описали действие лактозного оперона. Они определили, что гены функционально неодинаковы: различают структурные гены, которые составляют структуру оперона, кодируют последовательность аминокислот в белке, и регуляторные гены, влияющие на работу структурных генов посредством белка-репрессора, который он кодирует. Любой оперон строится по определенному принципу: вначале стоит промотор, ответственный за связывание с РНК-полимеразой, за ним — оператор, включающий и выключающий структурные гены и определяющий работу гена-регулятора, далее следует последовательность генов, кодирующих определенную структуру белка, и заканчивается оперон геном-терминатором, сигнализирующем о прекращении синтеза РНК [4].

Рассмотреть действие оперона проще всего на лактозном опероне кишечной палочки (Рис. 1). При наличии глюкозы в цитоплазме бактерии, белок-репрессор находится на промоторе, тем самым препятствуя началу транскрипции. При попадании путем пассивного транспорта в клетку лактозы, последняя связывается с белком-репрессором, что приводит к отсоединению белка от промотора. На данном участке становится возможным транскрипция, в результате образуется и-РНК, кодирующая 3 белка. После трансляции и-РНК мы получаем фермент β-галактозидазу, пермиазу и β-галактозид трансацетилазу. Первый расщепляет лактозу на глюкозу и галактозу, второй является интегральным мембранным белком, обеспечивающим легкое и быстрое проникновение лактозы из окружающей среды в клетку. Когда лактоза заканчивается, она отщепляется от белка-рецептора и тот возвращается на промотор, препятствуя синтезу и-РНК. Таким образом, на примере работы оперона наиболее ярко видна регуляция биосинтеза белка в прокариотической клетке.

https://lifelib.info/microbiology/prokariot_2/prokariot_2.files/image006.jpg

Рис. 1. Лактозный оперон

Другой пример — триптофанный оперон кишечной палочки. Он работает по другому принципу. До тех пор, пока триптофан расходуется, клетка его синтезирует. Но как только возникает избыток данной аминокислоты, она связывается с белком-репрессором. Данный белок присоединяется к промотору оперона, что приводит к прекращению синтеза триптофана. Со временем клетка расходует запасенную аминокислоту, начинает испытывать недостаток. Тогда триптофан отсоединяется от белка-репрессора, последний больше не может удерживаться на промоторе и освобождает. После этого начинается синтез и-РНК с матрицы оперона, после трансляции которой клетка получает необходимую ей кислоту триптофан. Цикл повторяется [2].

https://foxford.ru/uploads/tinymce_image/image/14725/trp_operon_ru_1.png

Рис. 2. Триптофанный оперон

Вообще, биосинтез микроорганизмов может осуществляться двумя путями: быстрым и более медленным. В первом случае речь идет о секундах или минутах, а механизм регуляции активности фермента зависит от изменений молекул, входящих в его состав. Во втором случае процесс может занимать часы, а количество фермента определяется интенсивностью процессов синтеза и распада оного. В обоих случаях работает принцип обратной связи — благодаря низкомолекулярным соединениям определяется количественное соотношение различных веществ в составе клетки, а структура и количество этого соединения определяется регуляторными механизмами биосинтеза [3].

В эукариотических клетках процессы транскрипции и трансляции разделены ядерной мембраной: транскрипция происходит в ядре, трансляция — в цитоплазме, поэтому в качестве одного из этапов биосинтеза выделяют экспорт из ядра. В пределах эукариотических клеток также можно рассматривать систему оперон, однако она будет иметь свои особенности.

Первая особенность состоит в пространственной организации оперона: если у эукариот гены оперона находятся последовательно друг за другом, то в эукариотической клетке репрессор может находится не в том же участке хромосомы, что промотор и структурные гены, а приближаться к ним только в интерфазу при высоком уровне компактизации хромосомы [1].

Другая особенность — не только репрессоры играют роль в регуляции синтеза белка. Существуют участки, влияющие на скорость транскрипции генов. Энхансеры являются усилителями транскрипции, поскольку способны связывать регуляторные белки, активирующие этот процесс. Их антагонисты — сайленсеры — так называемые «глушители»; они связываются с определенными белками, чем замедляют процесс. Считается, что энхансеры и сайленсеры способствуют изменению топологии цепей ДНК, чем приближают промотор к последовательности генов, которую необходимо транскрибировать.

Такой способ регуляции считается достаточно экономичным, однако на него затрачивается большое количество времени, поэтому регуляция белка у клеток данного типа осуществляется на уровне трансляции посредством регуляторных веществ, присоединяющихся к 3’ и 5’ не транскрибируемым участкам. Здесь количественное соотношение белков регулируется благодаря разной продолжительности жизни м-РНК, определяемой полиадениловым фрагментом 3’ конца ДНК. Кроме того, структура и-РНК определяет сродство к рибосомальным субъединицам, что влияет на длину полисомы, а значит и на количество образующегося белка. Возможно также полное подавление трансляции при действии неблагоприятных и стрессовых факторов, которые негативно сказываются на факторах инициации.

Таким образом, у прокариот и эукариот механизмы регуляции биосинтеза белка различны. Для первого типа организмов характерна регуляция на уровне транскрипции, для второго — на уровне и транскрипции, и трансляции. В обоих случаях применима схема оперона, однако существуют определенные различия для этих видов клеток: важно учитывать трехмерную организацию оперона и наличие энхансеров и сайленсеров в эукариотической клетке. Количественное содержание белков в этом типе клеток находится под влиянием регуляторных веществ и определяется генами ДНК.

Литература:

  1. Галицкий В. А. Возникновение эукариотических клеток и происхождение апоптоза // Цитология. 2005. Т. 47. Вып. 2. С. 103–120.
  2. Коничев А. С., Севастьянова Г. А. Молекулярная биология. — Издательский центр «Академия», 2012. — 400 с.
  3. О.-Я. Л. Бекиш. Медицинская биология. — Витебск: Ураджай, 2000. — С. 53.
  4. Сергеев В. Н., Нолл Э. X., Заварзин Г. А. Первые три миллиарда лет жизни: от прокариот к эвкариотам // Природа. 1996. № 6. С. 54–68.
Основные термины (генерируются автоматически): клетка, кишечная палочка, оперон, промотор, ген, белок, уровень транскрипции, последовательность генов, последовательность аминокислот, биосинтез белка, эукариот, трансляция.


Ключевые слова

факторы, ферменты, белки, биосинтез белка, прокариоты, эукариоты, система оперон, белок-репрессор

Похожие статьи

Перспективные гены-маркеры продуктивности... | Молодой ученый

Изменение аминокислотной последовательности гормона связано с изменением его

Перспективные гены-маркеры продуктивности крупного рогатого скота (КРС).

Ген рецептора морфогенетического белка кости (BMPR-IВ) расположен на 6 хромосоме и кодирует рецепторы...

R/K – инверсия клеток или концепция неоднородности жизненной...

Конкурентом является синтетическая последовательность целевых генов с

Культуры клеток пульпарных фибробластов получались от репрезентативной выборки представителей

R/K – инверсия клеток эукариот как основа онтогенетического перехода организма от летального...

Влияние генов МС4R, POU1F1, PRLR, ESR на продуктивные...

Маркер-зависимой селекции (MAS, англ.) — селекции на основе ДНК-маркеров (определенных участков нуклеотидной последовательности) является перспективным направлением для повышения эффективности производства продукции животноводства.

Перспективы использования системы CRISPR/Cas в целях...

Механизм, использующий последовательности CRISPR, в целях защиты против чужеродного воздействия, на настоящий момент изучен не до конца.

Также были установлены механизмы внесения чужеродных последовательностей в структуру CRISPR в качестве спейсеров.

Обзор метода CRISPR/Cas 9 для редактирования генома

В статье авторы рассказывают о современном методе редактирования генов CRISPR/Cas9. Ключевые слова: CRISPR, клетка, система, ген, стволовая клетка человека, ДНК. Человеческое тело — довольно сложный механизм, который до сих пор изучен не до конца.

Изучение гетерогенности гена NPHS2 у детей со... | Молодой ученый

Нами была исследована нуклеотидная последовательность гена NPHS2 в российской

Наличие мутаций в гене NPHS2, кодирующий данный белок, приводит к развитию

семейства [3, 5]. Последовательность его аминокислот на 46% идентична стоматину человека и на 40...

Механизм формирования филадельфийской хромосомы и ее роль...

Исследование роли гена метилентетрагидрофолатредуктазы... Ген MTHFR у человека расположен на коротком плече первой хромосомы

Для визуализации уровня экспрессии целевого белка создают конструкции на основе гена ФБ под контролем того же промотора...

Исследование роли гена метилентетрагидрофолатредуктазы...

Исследование роли гена метилентетрагидрофолатредуктазы (mthfr) в формировании предрасположенности к тромбофилии.

Примерно в те же годы было показано, что повышение уровня гомоцистеина является независимым фактором риска развития сосудистых осложнений.

К вопросу о механизмах репарации ДНК в клетке | Молодой ученый

В данной статье обоснована необходимость более детального изучения механизмов репарации ДНК в клетках для обоснования этиологии и возможных генно-инженерных методов лечения различных заболеваний.

Похожие статьи

Перспективные гены-маркеры продуктивности... | Молодой ученый

Изменение аминокислотной последовательности гормона связано с изменением его

Перспективные гены-маркеры продуктивности крупного рогатого скота (КРС).

Ген рецептора морфогенетического белка кости (BMPR-IВ) расположен на 6 хромосоме и кодирует рецепторы...

R/K – инверсия клеток или концепция неоднородности жизненной...

Конкурентом является синтетическая последовательность целевых генов с

Культуры клеток пульпарных фибробластов получались от репрезентативной выборки представителей

R/K – инверсия клеток эукариот как основа онтогенетического перехода организма от летального...

Влияние генов МС4R, POU1F1, PRLR, ESR на продуктивные...

Маркер-зависимой селекции (MAS, англ.) — селекции на основе ДНК-маркеров (определенных участков нуклеотидной последовательности) является перспективным направлением для повышения эффективности производства продукции животноводства.

Перспективы использования системы CRISPR/Cas в целях...

Механизм, использующий последовательности CRISPR, в целях защиты против чужеродного воздействия, на настоящий момент изучен не до конца.

Также были установлены механизмы внесения чужеродных последовательностей в структуру CRISPR в качестве спейсеров.

Обзор метода CRISPR/Cas 9 для редактирования генома

В статье авторы рассказывают о современном методе редактирования генов CRISPR/Cas9. Ключевые слова: CRISPR, клетка, система, ген, стволовая клетка человека, ДНК. Человеческое тело — довольно сложный механизм, который до сих пор изучен не до конца.

Изучение гетерогенности гена NPHS2 у детей со... | Молодой ученый

Нами была исследована нуклеотидная последовательность гена NPHS2 в российской

Наличие мутаций в гене NPHS2, кодирующий данный белок, приводит к развитию

семейства [3, 5]. Последовательность его аминокислот на 46% идентична стоматину человека и на 40...

Механизм формирования филадельфийской хромосомы и ее роль...

Исследование роли гена метилентетрагидрофолатредуктазы... Ген MTHFR у человека расположен на коротком плече первой хромосомы

Для визуализации уровня экспрессии целевого белка создают конструкции на основе гена ФБ под контролем того же промотора...

Исследование роли гена метилентетрагидрофолатредуктазы...

Исследование роли гена метилентетрагидрофолатредуктазы (mthfr) в формировании предрасположенности к тромбофилии.

Примерно в те же годы было показано, что повышение уровня гомоцистеина является независимым фактором риска развития сосудистых осложнений.

К вопросу о механизмах репарации ДНК в клетке | Молодой ученый

В данной статье обоснована необходимость более детального изучения механизмов репарации ДНК в клетках для обоснования этиологии и возможных генно-инженерных методов лечения различных заболеваний.

Задать вопрос