Регуляция синтеза белка

В геноме организма записана информация об огромном множестве различных белков. Но они никогда не синтезируются все сразу. Скорость и количество синтезируемых белков регулируются внешними и внутренними условиями, которые диктуют набор и объем синтеза белков, необходимых для выполнения клеткой физиологических функций.

Первые представления о механизме регуляции белкового синтеза были разработаны французскими микробиологами Ф. Жакобом, А. М. Львовым и Ж. Л. Моно. Они изучали развитие кишечной палочки. Ее «дикий» штамм растет на глюкозе, но если в среду добавить лактозу, то после некоторого периода адаптации бактерии начинают бурно развиваться. Следовательно, в качестве источника питания Е. coli могут использовать и лактозу. Но лактоза — дисахарид, значит, она расщепляется ферментом лактазой и на выработку этого фермента потребовалось время.

Напрашивался вывод о том, что Е. coli могут синтезировать лактазу, а значит, информация об этом ферменте есть в их генетическом аппарате. Таким образом, объяснение регуляции синтеза белков было рассмотрено и доказано на примере синтеза лактазы (р-галактозидазы).

Сущность предложенной французскими микробиологами теории сводится к «включен ию-выключен и ю» генов. Для понимания этой теории следует объяснить основные термины, которые используются при описании процесса регуляции синтеза белка (табл. 13.3).

На примере лактазного онерона роль индуктора выполняет лактоза (рис. 13.14). Она соединяется с репрессором, при этом разрушается его связь с геном-оператором. В результате на структурных генах начинается синтез мРНК для трех ферментов: галактозидазы, пермеазы и трансацети- лазы.

Таблица 133

Основные понятия белкового синтеза

Термин	Определение
Структурные гены	Кодируют синтез белков
Акцепторные гены	Не имеют кодирующих функций. Необходимы для присоединения различных белков, регулирущих работу структурных генов
Оперой	Система акцепторных и структурных генов, координируемая одним геном-оператором. Но структуре представляет собой участок генетического материала, включающий промотор, оператор, структурные гены и терминатор. Оперон может содержать один структурный ген (моноцистрон- ный¹) или несколько (полицистронный)
Ген-оператор	Контролирует синтез мРНК, расположен перед структурными генами
Ген-промотор	Последовательность нуклеотидов в ДНК, расположенная в начале оперона; распознается и активируется РНК-полимеразой, как участок, с которого начинается транскрипция
Ген-регулятор	Контролирует работу оперона. Расположен изолированно от него. Кодирует синтез специального белка — репрессора
Репрессор	Белок, подавляющий транскрипцию генов. Репрессор синтезируется на гене-регуляторе и может обратимо соединяться с геном-оператором, так как имеет с ним структурное сходство. В активном состоянии репрессор связан с геном-оператором и синтеза мРНК не происходит
Ко-репрессор	Низкомолекулярное вещество, которое связывается с репрессором и переводит его в активную форму
Индуктор	Низкомолекулярное вещество, которое связывается с репрессором и переводит его в неактивную форму

' Цистрон — участок НК, кодирующий структуру одного гена, т.с. термины «цистрон» и «ген» — синонимы.

Рис. 13.14. Структура лактазного оперона

L алактозибаза гидролизует лактозу, пермеаза переносит лактозу внутрь клетки, а роль трансацетилазы окончательно не выяснена.

Таким образом, на примере бактериальной клетки было показано сложное устройство генетического аппарата, локализованного в молекуле ДНК. «За открытия, связанные с генетической регуляцией синтеза ферментов и вирусов» в 1965 г. А. М. Львов, Ф. Жакоб и Ж. Л. Моно были награждены Нобелевской премией по физиологии и медицине.