Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

Т — А —G—С—Т— Т-Т .G-T-A-T-C-G-A-A-*.

РНК — полимерам

1- РР»

-р—р =он

I I

G U-A-U-C-G-A-A--

5'....A-G-C-T- Т-С 3\...T-C-G-A-A-G

G-C-A-T-A-G-C-T- Т--С -G-T-А-Т—C-G—А-А

РНК полимерам

..3' Матричная цепь

.A—G—С—Т— Т ..Т_ С—G—А—А

Рис. 234. Пос педовательное копирование одной из цепей ДНК в процессе транскрипции.

-р- - -р ОН 1 1

С G-U-A- и-с -G- А

-с -G-C-A-T- A—G -С- Г-

-G -C-G-T-A- Т-С -G- А

РНК- поли. ерлэа

¦ А—А

Т- Т........3'

А-А.......5'

Транскрипция в бактериальных клетках

413

Бактериальная хромосома содержит около 4000 генов, которые могут транскрибироваться как независимо друг от друга, так и координированно. Независимая транскрипция гена возможна, если он обладает собственным промотором и терминатором транскрипции. При координированной транскрипции группа генов имеет общий промотор и общий терминатор и составляет один непрерывный участок ДНК; мРНК, инициируемая на общем промоторе, содержит информацию для синтеза нескольких полипептидов и называется полицистронной. Группа генов, которые транскрибируются совместно, называется опероном.

РНК-полимеразы бактерий содержат четыре субъединицы — ct. p. \Y и о, которые образуют комплекс се_.р*р"о, называемый полным ферментом (холоферментом). Первичная структура a.p\tf'-субъединиц РНК-полимеразы Е. coli была установлена Е. Д. Свердловым, В. М. Липкиным, Н. Н. Модяновым, Г. С- Монастырской и др. (СССР). Полный фермент а_ф|Уо способен «узнать» промотор и связаться с ним с образованием прочного комплекса (рис. 235). В ряде случаев доказано, что при образовании такого комплекса в промо-торной последовательности (включающей в среднем около 40 п. о.) расплетается небольшой (10—15 п. о.) участок ДНК. Вслед за этим происходит инициация синтеза РНК, в результате которой образуется первая фосфодиэфирная связь. Первый нуклептид на 5'-конце синтезируемой РНК называется инициирующим. Чаще всего это пуриновый нуклеотид. После того как синтезируется сравнительно короткий олигорибоиуктеотид, о-субъединица отделяется от фермента, и дальнейшую полимеризацию (элонгацию) осуществляет комплекс который называется минимальным

ферментом (кор-ферментом). о-Субъединицу можно рассматривать как фактор позитивной регуляции транскрипции.

Для терминации транскрипции на ДНК имеются особые сигналы — терминаторные последовательности. В этом случае терминация осуществляется минимальным ферментом, но иногда необходим дополнительный белковый фактор, названный «ро» (р). Таким образом, общая схема транскрипции выглядит так, как изображено на рисунке 235.

В бактериальной клетке существует очень большое число промоторов, различающихся по нуклеотидной последовательности и эффективности инициации синтеза РНК. Часто их условно делят на сильные и слабые. Сильные промоторы обеспечивают высокий уровень синтеза РНК с оперонов, находящихся под их контролем а слабые - соответственно низкий уровень. Использование промоторов различной силы является одним из способов регуляции синтеза РНК в клетке. Количество синтезированной РНК определяет уровень биосинтеза белка. Многие белки требуются клетке на протяжении всей ее жизни. Их количество зависит главным образом от эффективности промоторов, инициирующих синтез соответству ющи х м РН К. Однако у клетки существуют и более радикальные способы регуляции на уровне транскрипции. Она их использует в случае необходимости для того, чтобы включать или выключать транскрипцию некоторых генов, ускорять или замедлять ее.

Рассмотрим некоторые из них на примере регуляции лактозного оперона Е. coli, обеспечивающего способность бактериальной клетки использовать в качестве источника углерода дисахарид лактозу. Этот оперон, называемый lac опероном явился одной из перных систем позволивших Ф Жакобу и Ж. Моно сформулировать концепцию регулируемого оперона.

Процессы с участием нуклеиновых кислот: репликация, транскрипция и трансляция

Свердлов Евгений Давидович (р. 1938), советский химик-биоорганик, член-корреспондент АН СССР (1984). Окончил Московский государственный университет (1961), работает в Институте биоорганической химии им. М. М. Шемякина АН СССР. Основные работы — в области химии нуклеиновых кислот и генной инженерии. Осуществил клонирование генов интерферона человека и получил штаммы-суперпродуценты этих белков. Предложил ряд методов исследования первичной и высшим структур нуклеиновых кислот. Лауреат Государственной премии СССР (1982) и Ленинской премии (1985).

Если клетки Е. coli растут в среде, содержащей лактозу, то в них синтезируется фермент 0-галактоз и даза, гидролизующий этот дисахарид до глюкозы и галактозы, которые далее усваиваются клеткой. Оказывается, что если источником углерода для Е. coli является глюкоза, то Р-галактозидаза не синтезируется. Однако если в среду, в которой растут клетки, добавить негидроли-зуемый аналог лактозы — изопропил-|1-0-тиогалактозид, то начинается (индуцируется) синтез (3 галактозндазы Соединения, кото рые, подобно лактозе и изопропил-Н-О-тиогалактозиду, способны индуцировать синтез белков (в данном случае fi галактозндазы) в других условиях называются индукторами.

Механизм индукции р"-галактозндазы хорошо установлен. В лактозный оперон, кроме гена, кодирующего р-галактозидазу lacZ, входят еще два структурных гена lacY и 1асА (рис. 236), транскрипция которых проходит под* контролем одного промотора, называемого lac промотором Ген lacZ кодирует р1 галактозндазу ген IacY белок галактозидпермеазу, который обеспечивает транспорт галак-тозидов из среды в клетку, и ген 1асА — фермент тиогалактозид-ацетилтрансферазу (рис. 236, а). Перед lac-опероном находится еще один ген, названный lad, который кодирует белок-регулятор,

Полный фермент (холофермент)

Рис. 235. Схема сингста РНк с помощью ДНК-зависимой РНК-полимеразы.

414

Нуклеиновые кислоты

способный прочно связываться со специальным участком ДНК — оператором. И lac-промотор, и lac-оператор находятся между геном lad и lac опсроном. В отсутствие лактозы белок гена lacl связывается с операторным участком ДНК в непосредстаенной б иэости от промотора и препятствует взаимодействию с ним РНК полимеразы. Другими словами, белок запрещает (репрессирует) транскрипцию; он назван lac-репрессором (рис. 236, б). Регуляция по типу запрета транскрипции называется негативной.

При появлении в среде лактозы или другого индуктора последний снизывается с репрессором, образуя прочный комплекс В ре зультате репрессор отделяется от ДНК, освобождая промотор для взаимодействия с РНК-полимеразой. Однако в случае lac оперона удаление репрессора оказывается недостаточным для того, чтобы началась эффективная транскрипция. В системе участвует еще один регуляторный элемент, который активирует транскрипцию Актина-ция происходит за счет взаимодействия комплекса цикло-АМР-свя-зывающего белка САР (от англ. catabolite activator protein) и 3", 5'-цикло-АМР с участком ДНК, также примыкающим к промотору, но со стороны, противоположной оператору (рис. 236, б). Такой тип регуляции называется позитивным.

415

Процессы с участием нуклеиновых кислот: репликация транскрипция и трансляция

Промотор Регуляторный | Оператор

Структурные гены (а) _А_,

|р- I ' I" 1 I р I о | z ~Г

мРНК Трансляция|

Репрессор

lac оперон

фО САР-сАМР номпленс

Запрет на транскрипцию АМр| А Индуктор

•о-

Активный репрессор ?в*Рн

Or полимераза (6)

1р. 1 1 1 ||р|о| Z v 1 А 1

*4aF

н («>

|р, i . 1 т О 1 Z 1 V 1 А 1

| Транскрипция ты. 4^^^ 1ас-мРНН | Трансляция * ¦ ¦ • алантоэид за Трансацетилаза Пермеаза

Рис. 236. Структура lac-оперона Е. coli (а) и механизмы регуляции его транскрипции: репрессии (ft-), активации и индукции (<ч).

416

Транскрипция в клетках эукариот

Нуклеиновые кислоты

Жакоб |Jacob| Франсуа (р. 1920), французским микробиолог и генетик Окончил Парижский университет [1947), с 1965 г.—профессор кафедры енетики клетки в Коллеж де Франс Основные работы посвящены генетике бактериальных клеток и вирусов Предложил схему регуляции активности генов. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1965, совместно с А. M. Львовым и Ж-П. Моно).

Даже самая маленькая эукариотическая клетка в 5—10 раз больше бактериальной и устроена значительно сложнее. В каждой эукариотической клетке транскрибируется только незначительная часть ДНК. В клетках различных тканей транскрипция затрагивает как общие для всех видов клеток данного организма гены, так и специфичные для данной ткани.

При клеточной дифференцировке, происходящей в процессе эмбрионального развития, транскрипция различных генов претерпевает последовательные изменения как качественного, так и количественного характера. Каждая стадия дифференциации включает в себя активацию очень большого числа структурных генов. Образование индивидуальных тюзней связано с синтезом мРНК, которые кодируют белки, характерные для данной ткани. Несмотря на то. что во всех тканях одного и того же организма имеется полный набор хромосом и генов, в одних видах клеток наблюдается транскрипция тех генов, которые не транскрибируются в других. Это означает, что и в процессе дифференцировки и функционирования клеток должны существовать способы контроля транскрипции, необходимые для активации или репрессии определенных генов. Существует несколько принципиальных различий в условиях транскрипции у про- и эукариот: количество ДНК у эукариот в расчете на клетку в несколько тысяч раз больше, чем у прокариот, и если у бактерии существует одна хромосома, то у эукариотических клеток гены распределены между разными хромосомами. Кроме того, в эукарио-тах транскрибируется хроматин, расположенный в ядре, а синтезированная информационная РНК транспортируется в цитоплазму, тогда как у бактерий ядра нет и синтезы РНК и белка не разделены в пространстве.

Сложность регуляции транскрипции в эукариотических клетках проявляется в том, что в них различные типы РНК синтезируются с помощью различных РНК-полимераз. В эукариотической клетке обнаруживается четыре типа РНК-полимераз, три из которых — РНК-полимеразы I, II и III — локализованы в ядре и одна — в митохондриях. Клетки растений содержат еще одну полимеразу, локализованную в хлоропластах. В ядре РНК-полимераза I обнаруживается в ядрышках — структурных образованиях, где сосредоточены гены рибосомных РНК, тогда как полимеразы II и III — в нуклеоплазме. РНК-полимераза I отвечает за синтез рибосомных I8S, 28Sh 5,8S РНК. Рибосомная 5S РНК и транспортные РНК синтезируются РНК-полимеразой III. РНК-полимераза II осуществляет синтез предшественников мРНК.

Для каждой из полимераз существуют свои способы контроля, которые осуществляются специфическими белками-регуляторами, взаимодействующими с полимеразами и определенными последовательностями ДНК. Кроме того, у эукариот появляется еще один новый тип контроля — контроль на уровне регуляции макроструктуры хроматина. При этом определенные участки хромосомы оказываются способными к активной транскрипции, тогда как транскрипция других запрещена

Установлено, что структура хроматина в той области, где происходит транскрипция генов, отличается от структуры нетранскриби-руемых участков. Структура хромосомы в транскрибируемой области меняется, на ней образуются утолщения (так называемые «пуффы») и т. п. Электронная микросколия показывает, что активный хроматин значительно менее компактен, чем неактианый. и в ряде случаев даже теряет нуклеосомную структуру. При этом изменения в структуре хроматина предшествуют активации транскрип-

ции а не наоборот. Высказывается предположение, что изменение структуры хроматина связано с действием негистоновых белков, модификацией гистонов или модификацией ДНК.

Обнаружены особые регуляторные элементы, названные э хан серами (от английского enhance— усиливать), которые резко увеличивают эффективность транскрипции эукариотических генов. Особенностью этих элементов является то, что они проявляют свою активность независимо от ориентации и положения относительно активируемого гена: они могут находиться перед геном, внутри гена или за ним.

В том случае, когда гены являются индуцируемыми, по-видимому, должен существовать механизм, включающий в себя взаимодействие регуляторных молекул со специфическими последовательностями ДНК. Примером индуцируемых генов являются гены, регулируемые стероидными гормонами. По-видимбму, индукция происходит за счет связывания комплекса гормона и специфического белка-рецептора с регуляторной последовательностью ДНК, что приводит к резкой активации транскрипции.

Процессинг РНК

В результате транскрипции получается РНК, которая еще не готова к выполнению своих функций. Она содержит целый ряд «лишних» последовательностей, которые должны быть удалены, и. кроме того, не содержит минорных компонентов.

Под термином «процессинг» понимают совокупность ферментативных процессов, в результате которых синтезируемая в процессе транскрипции РНК превращается в функционально полноценную молекулу.

В наиболее изученной из прокариотических клеток — кишечной палочке Е coli ие известны примеры процессинга мРНК. Эти молекулы синтезируются сразу в «зрелом» виде. В то же время все стабильные РНК E.coli (т. е. рибосомные и транспортные РНК) синтезируются в виде предшественников, которые затем превращаются в зрелые молекулы. В этот процесс вовлечена серия ферментов, в том числе эндо- и экзонуклеазы.

В отличие от прокариот, в клетках эукариот все РНК, в том числе и информационные, образуются в результате процессинга. Предшественники эукариотических мРНК называются гетерогенными ядерными РНК (гяРНК).

Основные стадии процессинга гяРНК изображены на рисунке 237. Сразу после начала транскрипции предшественник мРНК присоединяет так называемый «кэп» к 5'-концевому звену, в результате чего образуется сочленение m'G* ррр5 Nm, в котором концевой 7-метилгуанозин связан 5', 5'-пирофосфатной связью с метилированным 5'-концевым нуклеотидом РНК. После транскрипции в ядре к 3 концу образовавшейся гетерогенной ядерной РНК добавляется сегме нт поли (А). П ракти ческ и у всех исследован ных м Р Н К. содержащих поли (А), на расстоянии 10—25 нуклеотидов от места ее присоединения обнаруживается консервативная последовательность AAUAAA, которой приписывается роль сигнала присоединения поли(А).

Присоединение поли (А) обычно предшествует так называемому «сплайсингу» гяРНК. Термин «сплайсинг» берет свое начало от английского слова splice, которое в морской практике означает

417

Процессы с участием нуклеиновых кислот: репликация, транскрипция и трансляция

Георгиев Георгий Павлович (р. 1933), советский биохимик, академик АН СССР (1987). Окончил 1-й Московский медицинский институт (1956), с 1963 г. работает в Институте молекулярной биологии АН СССР. Основные работы посвящены изучению механизма реализации генетической информации. Исследовал ядерные ри бо уклеопро еидные частицы, содержащие про-мРНК (ядерные информ сомы). Изучил в геноме животных подвижные, рассеянн

страница 55
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(29.06.2017)