Регуляция работы генов и процессов обмена веществ в клетке кратко

Обновлено: 04.07.2024

На предлагаемом уроке различными формами и методами работы формируется целостное представление о механизмах регуляции в живой природе на разных уровнях жизни.

В ходе подготовки к уроку учащиеся класса распределяются на 5 групп по своим интересам, и выбирают предложенные преподавателем тему, для групповой проектной деятельности с использованием ИКТ.

В группах в ходе консультаций распределяются вопросы между учениками. Определяются темы конкретных выступлений с методическим обеспечением, позволяющих максимально эффективно решить задачи, поставленные перед группой.

Составляются алгоритмы для подготовки выступлений и работы над проектом. Каждая группа в результате работы над проектом готовят свои презентационные работы на компьютере.

Первая и вторя группы: генетики – строение гена и регуляция на молекулярном уровне

Третья, четвертая и пятая группы: цитологи – регуляция клеточных функций.

Примерный алгоритм работы учащихся на уроке

Этап урока, изучаемый вопрос	Краткие тезисы, выводы	Оценка деятельности
Кратко фиксируются основные этапы работы, проблемные вопросы, вопросы практических заданий и др.	Записываются выводы, решения задач, основные тезисы выступлений, словесные и логические схемы	По каждому виду деятельности оценивается собственная работа и работа других членов группы, класса.

ПЛАН УРОКА

Актуализация темы урока – 10 мин.
Изучение нового материала – 60 мин.
Обобщение (закрепление) урока – 15 мин.
Подведение итогов урока – 4 мин.
Домашнее задание – 1 мин

ХОД УРОКА

I. Актуализация знаний.

Перед учащимися ставятся вопросы:

Рассматривали ли мы вопросы регуляции при изучении биологии?
Когда впервые мы говорили о процессах регуляции? При изучении каких тем, разделов и курсов биологии?
Происходит ли регуляция функций у растений, одноклеточных организмов?

Учащиеся отвечают на вопросы, используя знания предыдущих разделов биологии.

По итогам беседы формулируем цели урока:

повторить и обобщить учебный материал о регуляции функций в органическом мире,
совершенствовать и расширить понятия о регуляции развития организмов и роли генотипа в этом процессе,
продолжать формировать и совершенствовать навыки учебной деятельности (классификация, обобщение, выделение существенных признаков и закономерностей с использованием средств мультимедиа),

Затем предлагается просмотреть видеофрагмент гуморальная регуляция мочеотделения человека и ответить на вопрос: Какие способы регуляции вы еще знаете?

После обсуждения этих вопросов ставится проблемный вопрос:

Какие способы и механизмы регуляции могут существовать в биологических системах?

II. Работа групп

1 и 2 группы – генетики.

Регуляция на молекулярном уровне

Цель работы: Обобщить и расширить знания о регуляции биологических процессов на молекулярном уровне.

Цель: Углубить и систематизировать знания обучающихся о строение гена.

В результате анализа строения гена делается вывод:

Сама структура гена предполагает процесс регуляции транскрипции – наличием промотора и терминатора, а трансляции – наличием старт-кодона и стоп-кодона.

Следующее выступление о механизме процессинга. (слайд 4, приложение 1)

Цель: Раскрыть механизм процессинга с целью формирования знаний о роли этого процесса, опираясь на знания молекулярной биологии и генетики.

В итоге формулируем вывод:

В ходе процессинга происходит изменение первичной структуры гена и путем кэпирования и полиаденилирования стабилизируются молекулы и-РНК и создаются информосомы.

Цель следующего выступления: раскрыть особенности регуляции синтеза белка на примере работы лактозного оперона (слайды 5-7, приложение 1).

Ген-регулятор кодирует белок-репрессор. Если в бактерию попадает лактоза, она связывается с белком-репрессором, образуя комплекс, который не может блокировать оператор. Оператор и промотор освобождаются, с промотором связывается фермент РНК-полимераза и начинается транскрипция и-РНК, с которой синтезируются ферменты, необходимые для усвоения лактозы.

Вывод: регуляция лактозного оперона осуществляется на этапе транскрипции продуктами, которые вступают в реакции метаболизма (в данном случае лактозы).

Работа с терминами. Один из членов группы генетиков готовит представление терминов, которые применялись при изученни регуляции на молекулярном уровне: белок-репрессор, ген-регулятор, интрон, лактоза, оператор, промотор, процессинг, сплайсинг, старт-кодон, стоп-кодон, транскрипция, трансляция, терминатор транскрипции (слайд 9, приложение 1).

Закрепление и обобщение знаний. Работа по закреплению рассмотренного материала на предлагаемом уроке можно проводить в двух вариантах.

Первый вариант – предлагаются задания разного уровня сложности, проецируемые на экран:

Проанализируйте соответствие следующих утверждений данным современной науки:
а) белковые молекулы служит матрицами, вокруг которых кристаллизуются новые молекулы (Кольцов);
б) ген может сохранятся в неизменном виде в течение миллионов лет (Серебряковский);
в) гены продуцируют копии самих себя, которые выходят в цитоплазму, обладают способностью к самовоспроизведению и контролируют типы и количество синтезируемых белков (Шпигельманн)
У большинства эукариот есть несколько сотен генов, кодирующих одну и ту же и-РНК. Как вы думаете, в чем смысл такого излишества?
Мутации в каких участках ДНК кишечной палочки, могут приводить к появлению бактерий:
а) не растущих на лактозе?
б) способных усваивать лактозу в присутствии глюкозы?
Механизм регуляции работы лактозного оперона работает с отрицательной или положительной обратной связью?

Второй вариант – с целью более глубокого познания механизма регуляции работы лактозного оперона в профильных классах можно использовать элементы биологического моделирования. Принцип моделирования заключается в том, что в Excel задаются определенные параметры (в конкретном случае) работы лактозного оперона. Ученик, изменяя содержание разных компонентов модели, реально на графике наблюдает происходящие события. При моделировании используем ноутбуки мобильного компьютерного класса.

Для работы с моделью предлагается следующий алгоритм:

Внимательно рассмотрите предложенную модель
Измените количество лактозы (индуктора, поступающего из внешней среды)
- уменьшите (отметьте, что происходит)
- увеличите (отметьте, что происходит)
Такие же действия проделайте с другими компонентами процесса.
Изменяйте только содержание лактозы (индуктора), что наблюдаете? Какменяется работа лактозного оперона? Обоснуйте результаты эксперимента.

Наличие индуктора (лактозы) определяет процесс синтеза белка, содержание которого играет важную роль в регуляции механизма синтеза белка фермента

Далее изменяем показатель коэффициента синтеза белка при одной трансляции и получаем следующую картину

Изменяем пороговое значение для включения репрессора и результат другой

Обсуждаются предложенные задания, или результаты моделирования и формулируется вывод:

Все механизмы регуляции происходят на уровне транскрипции или трансляции. Рассмотренный механизм регуляции лактозного оперона работает с положительной обратной связью.

Логические задачи можно использовать как при закреплении изученного вопроса, так и вначале рассматриваемых вопросов.

Что произойдет, если клетку, ядро которой приступило к митозу слить клеткой, находящейся в интерфазе?
Как вы считаете, на каких стадиях метаболических путей, обычно расположены ключевые ферменты? На начальных или на конечных?
Рецепторы стероидных гормонов расположены в цитоплазме. Как они достигают рецепторов?
Боевые нервно-паралитические ОВ (зарин, зоман, V-газы) необратимо ингибируют ацетилхолинэстеразу. Отчего наступает смерть при отравлениях ими?

В ходе беседы выясняется, что не на все вопросы заданий обучающиеся дают достаточно обоснованные ответы. Создается проблемная ситуация. Учащиеся сами формулируют цели работы этой группы:

Определить особенности и механизмы регуляции функций на клеточном уровне

Регуляция клеточных функций (цитологи)

Работа цитологовначинается с освящения механизма регуляции клеточного деления.

Цель: раскрыть процесс и условия регуляции клеточного деления.

Регуляция деления происходит не только при достижении клеткой определенного размера. В клетке приступающей к делению начинают синтезироваться белки – регуляторы митозстимулирующий фактор (МСФ) и циклины, концентрация которых постепенно растет в интерфазе. При достижении определенной концентрации начинается синтез МСФ и начинается митоз (слайд 3, приложение 3)

Вывод: В клетке происходит компактизация хромосом и деление начинается даже, если не произошло удвоение хромосом при наличии МСФ, который запускает механизм деления.

Затем цитологии представляют вопросы регуляции процессов самоподдержания в клетке. Синтез АТФ в клетке зависит от его концентрации в клетке. Высокое содержание АТФ в клетке ингибирует ключевой фермент и расщепление веществ не происходит, что в конечном итоге исключает образование АТФ (слайды 4 приложение 3)

Вывод:

высокое содержание АТФ ингибирует синтез ферментов,необходимых для собственного синтеза
ключевой фермент находится в начале метаболического пути;
такая регуляция называется ингибирующей обратной связью.

Следующее выступление о механизме действия стероидных гормонов. (слайд 5, приложение 3)

Цель: Определить условия и продолжительность действия стероидных гормонов

Они действуют путем изменения генетической активности. Это гормоны длительного стресса. Приблизительно их метаболические действия можно описать как угнетение синтеза пластических веществ, и активизацию реакций распада. Связываясь с рецепторами, они проходят в ядро и, контактируя с ДНК, запускают или ингибируют работу генов. Так регулируется генетическая активность

Вывод: Стероиды – гидрофобные молекулы и легко проходят через мембрану клетки и регулируют работу генов. Их действие значительно продолжительнее, чем действие нервных импульсов

Цель: Рассмотреть и обобщить особенности механизма нервной регуляции клеточных функций.

Передача нервного возбуждения с нервной клетки на мышечную происходит через синапс – контакт этих клеток. Через синаптическую щель передача возбуждения происходит нейромедиатором – ацетилхолином. При поступлении возбуждения по нервным клеткам, мембранные пузырьки, наполненные нейромедиатором, подходят к наружной мембране и сливаются с ней. Ацетилхолин связывается рецепторами, расположенными на мембране мышечной клетки.Снимается возбуждение ферментом ацетилхолинэстеразой, быстро разрушающий ацетилхолин.

Вывод: Регуляция происходящих в клетке процессов регулируется нервной системой по следующей схеме: нерв – медиатор – рецепторы медиаторов – деполяризация мембраны – выход ионов кальция в цитоплазму – сокращение мышцы

Работа с терминами: ацетилхолин, ацетилхолинэстераза, ионный канал, ключевой фермент, синапс, синаптическая щель, стероидный гормон (слайд 9, приложение 3).

Рассмотрев механизм регуляции метаболических процессов, протекающих в клетке, в ходе обсуждения формулируем выводы.

Выделяется два основных способа регуляции:

а) поддержание на нужном уровне концентрации веществ, необходимых самой клетке;
б) ответ клетки на сигналы, поступающие от специальных регулирующих систем (нервной и эндокринной).

Регуляция клеточных функций происходит по принципу отрицательной обратной связи, когда конечный продукт (АТФ) ингибирует свой собственный синтез; работа синапса идет с положительной обратной связью.

ΙΙΙ. Обобщение материала.

После рассмотренных вопросов учащимся с целью ответа на проблемный вопрос:

«Какие способы и механизмы регуляции могут существовать в биологических системах обучающимся разных групп, предлагаются следующие задания (слайд 22, приложение 4):

Составьте самостоятельно общую схему регуляции биологических процессов в организме (первая группа)
Составьте схему регуляции с положительной и отрицательной обратной связью (вторая группа)
Между организмом и внешней средой (третья группа)
Между популяциями живых организмов (четвертая группа)
В экосистеме (пятая группа)

Варианты работы обучающихся на заключительном этапе урока

Группы могут выполнять свои работы на бумажных носителях, и в таком случае защищают свои работы, проецируя через документ-камеру.
Каждая группы работает на ноутбуках и для демонстрации используют мультимедийный проектор
В ходе защиты обучающиеся отвечают на проблемный вопрос, поставленный в начале урока Представляются работы учащихся, выполненные на компьютере (см. приложение 4, слайды 23-28)

ΙV. Подведение итогов.

Обучающиеся анализируют и оценивают свою работу на уроке, отмечают наиболее трудные вопросы, вызвавшие затруднения (приложение 4, слайд 29).

После представлений своих схем, выполненных на уроке обсуждаем проблемный вопрос (Какие способы и механизмы регуляции могут существовать в биологических системах?)

Затем учащимся предлагается опять вспомнить цели урока и проанализировать степень их выполнения на уроке.

Проанализируйте свою работу на уроке: что у вас получилось, а что нет.

Какие вопросы вызвали у вас затруднения?

Оцените свою работу на уроке.

Для подведения итогов работы обучающиеся используют краткий конспект работы на уроке (алгоритм конспекта представлен в начале урока)

V. Домашнее задание

(творческое, приложение 4, слайд 30) составьте схему регуляции развития личинки яблоневой плодожорки в зависимости от температуры среды (можно будет использовать электронный учебный курс экология в кабинете биологии).

Урок посвящен знакомству с механизмами транскрипции и трансляции в клетках эукариот и прокариот. Вы узнаете о современных направлениях молекулярной биологии – генной и клеточной инженерии. А так же познакомитесь с вирусами – неклеточной форме жизни.

4. Глоссарий по теме (перечень терминов и понятий, введенных на данном уроке);

оператор - участок ДНК между промотором и структурными генами в опероне располагается;

репрессор - связан особый белок связанный с оператором при этом РНК-полимераза не может начать синтез иРНК.

Оперон – это группа генов (т.е. участок ДНК), работа которых контролируется одним геном-регулятором. Единица считывания информации у прокариот.

Ген-регулятор – это ген, находящийся обычно на некотором расстоянии от оперона (т.е. он не входит в организацию оперона), постоянно активен и на основе его информации синтезируется особый белок-репрессор

Бактериофаг - вирус, инфицирующий бактерии.

Вирион - вирусная частица.

Капсид - белковая оболочка вирусной частицы.

Клонирование - совокупность процедур, использующихся для получения клонов.

Ретровирусы - группа РНК-содержащих вирусов, содержащих обратную транскриптазу; синтезированная на РНК-матрице двухцепочечная ДНК может встраиваться в хромосому инфицированной этим вирусом клетки.

Генная инженерия – (Gene engineering) – совокупность приемов, методов и технологий, в том числе технологий получения рекомбинантных рибонуклеиновых и дезоксирибонуклеиновых кислот, по выделению единичных или нескольких генов из организма, осуществлению манипуляций с генами и введению их в другие организмы.

Клеточная инженерия – это один из основных разделов современной биотехнологии, основанный на выделении и культивировании тканей и клеток высших многоклеточных организмов

Биотехноло́гия — интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для создания и модификации продуктов или процессов различного назначения

5. Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц);

1. Общая биология 10-11, дидактические материалы/ авт.-сост С.С. Красновидова, С. А. Павлов, А. Б. Павлов, - М. Просвещение, 2000г., стр.6-42

2. Общая биология 10-11 классы: подготовка к ЕГЭ. Контрольные и самостоятельные работы/ Г. И. Лернер. – М.: Эксмо, 2007.стр 35-45

3. Биология: общая биология. 10-11 классы: учебник/ А. А. Каменский, Е. А. Криксунов, В. В. Пасечник.- М.: Дрофа, 2018. Стр.55-68

6. Открытые электронные ресурсы по теме урока (при наличии);

7. теоретический материал для самостоятельного изучения;

Ген – это фрагмент молекулы ДНК, содержащий регуляторные элементы и структурную область, и соответствующий одной единице транскрипции, которая определяет возможность синтеза полипептидной цепи или молекулы РНК.

Ген прокариот называется опероном, в его состав входят два основных участка:

регуляторный (неинформативный),
структурный (информативный).

У прокариот на долю регуляторных элементов приходится около 10 %, структурных – 90 %.

Структурная область генов прокариот (единица транскрипции) может быть представлена одним кодирующим участком, который называется цистроном, либо несколькими кодирующими участками (полицистронная единица транскрипции). В структурной зоне закодирована информация о последовательности аминокислот в виде генетического кода. Со структурной области считывается мРНК. При наличии у прокариот полицистронной единицы транскрипции на одном структурном участке одновременно может синтезироваться несколько разновидностей мРНК.

К регуляторным элементам генов прокариот относятся участки, управляющие работой гена:

промотор,
оператор,
терминатор.

Промотор определяет начало транскрипции (участок инициации). С промотором соединяется фермент РНК-полимераза, осуществляющий синтез мРНК. Другой элемент, управляющий процессом транскрипции, – оператор, который располагается поблизости от промотора или внутри него. Этот участок может быть свободным, тогда РНК-полимераза соединяется с промотором и начинается транскрипция. Если оператор связан с белком-репрессором, РНК-полимераза не может нормально соединиться с промотором, и транскрипция невозможна. Следующий регуляторный элемент – терминатор – находится за структурной областью и содержит сигнальный участок остановки транскрипции.

Механизм функционирования системы регуляции синтеза белка был открыт в 1962 году Жакобом и Моно при исследовании культивирования кишечной палочки в лактозной среде и назван lac-опероном.

Упрощенно этот механизм может быть описан следующим образом. На основе информации гена-регулятора синтезируется белок-репрессор; если он активный, он связывается с геном-оператором, перекрывая путь для РНК-полимеразы – процесс трансляции и последующего синтеза белка выключается (запрещается). Если появляется индуктор (например, лактоза в lac-опероне), он присоединяется с белку-репрессору, приводя его в неактивное состояние. Оператор становится активным и включает процесс считывания информации со структурных генов – разрешает трансляцию. Происходит считывание информации с ДНК, начинается синтез необходимого белка – фермента (например, β-галактозидазы в lac-опероне).

Это только один из возможных механизмов, который называется запрещающей индукцией. Существуют и другие механизмы регуляции синтеза белка: разрешающая индукция, разрешающая и запрещающая репрессия, в которых принимают участие апоиндукторы и корепрессоры.

Строение генов у эукариот намного сложнее. Генетическая система эукариот называется транскриптоном. Транскриптон также состоит из двух частей:

регуляторной (неинформативной),
структурной (информативной),

относительная пропорция которых противоположна генам прокариот: на долю регуляторного участка приходится 90 %, структурного – 10 %.

Регуляторный участок представляет собой ряд последовательно расположенных промоторов и операторов и несколько терминаторов. Структурный участок состоит из одной единицы транскрипции и имеет “прерывистое” строение: кодирующие участки (экзоны) чередуются с некодирующими (интронами). Одномоментно на структурном участке у эукариот может синтезироваться только одна молекула мРНК, однако благодаря наличию альтернативного сплайсинга в разнос время (в зависимости от потребности клетки) на одной и той же структурной части могут синтезироваться разные виды мРНК (от одной до нескольких десятков).

Вирус (от лат. virus — яд) — простейшая форма жизни, микроскопическая частица, представляющая собой молекулы нуклеиновых кислот (ДНК или РНК, некоторые, например, мимивирусы, имеют оба типа молекул), заключённые в белковую оболочку и способные инфицировать живые организмы. От других инфекционных агентов вирусы отличает капсид. Вирусы, за редким исключением, содержат только один тип нуклеиновой кислоты: либо ДНК, либо РНК.

Вирусы являются паразитами, так как вирусы не способны размножаться вне клетки. Вне клетки вирусные частицы ведут себя как химические вещества. В настоящее время известны вирусы, размножающиеся в клетках растений, животных, грибов и бактерий (последних обычно называют бактериофагами). Обнаружены также вирусы, поражающие другие вирусы (вирусы-сателлиты).

В наше время существуют три гипотезы происхождения вирусов. виды вирусов в биологии Гипотеза клеточного происхождения сообщает о том, что внеклеточные агенты появились из фрагментов РНК и ДКН, которые смогли высвободиться от организма большего размера. Регрессивная гипотеза показывает, что вирусы были мелкими клетками, ведущими паразитический образ жизни в более крупных видах, но со временем утратили гены, которые нужны для паразитического существования. Гипотеза коэволюции предполагает, что вирусы возникли в то же время, в которое появились живые клетки, то есть уже миллиарды лет назад. И появились в результате построения сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Кратко о вирусах (по биологии этих организмов база знаний наша, к сожалению, далека от совершенства) вы можете прочитать в данной статье. Каждая из перечисленных выше теорий имеет свои минусы и недоказанные гипотезы. Вирусы как форма жизни. Существует два определения формы жизни вирусов. Согласно первому, внеклеточные агенты - это комплекс органических молекул. Второе определение сообщает о том, что вирусы являются особой формой жизни. Вирусы (биология подразумевает появление многих новых видов вирусов) характеризуются как организмы на границе живого. Они похожи на живые клетки тем, что имеют свой неповторимый набор генов и эволюционируют исходя из метода естественного отбора. Также они могут размножаться, создавая при этом собственные копии. Так как вирусы не имеют клеточного строения, ученые не рассматривают их как живую материю. молекулярная биология вирусов Для того чтобы синтезировать собственные молекулы, внеклеточным агентам нужна клетка-хозяин. Отсутствие собственного обмена веществ не позволяет им размножаться без посторонней помощи.

Цикл вируса состоит из нескольких этапов, которые являются взаимоперекрывающимися. На первом этапе вирус прикрепляется, то есть образовывает специфическую связь между своими белками и рецепторами клетки-хозяина. Далее нужно проникнуть в саму клетку и передать ей свой генетический материал. Некоторые виды переносят еще и белки. После этого происходит потеря капсида, и геномная нуклеиновая кислота высвобождается. После того как паразит попадает внутрь клетки, начинается сборка вирусных частиц и модификация белка. И в итоге вирус выходит из клетки. Даже если он продолжает активно развиваться, то может и не убивать клетку, а продолжать в ней жить. Заболевания человека Вирусы биология интерпретирует как низшее проявление жизни на планете Земля. Одним из самых простых вирусных заболеваний человека является простуда. Однако данные паразиты могут вызывать и очень серьезные заболевания, такие как СПИД или птичий грипп. вирусы и бактерии биология Каждый вирус имеет определенный механизм действия на своего хозяина. Этот процесс включает лизис клеток, который приводит к их смерти. У многоклеточных организмов при отмирании большого количества клеток начинает плохо функционировать весь организм. Во многих случаях вирусы могут и не наносить вреда человеческому здоровью. В медицине это называется латентностью. Примером такого вируса является герпес. Некоторые латентные виды способны приносить пользу. Порой их присутствие вызывает иммунный ответ против бактериальных патогенов.

8. примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля (не менее 2 заданий).

Используя конспект урока, найдите и выделите цветом по вертикали и горизонтали в филворде основные понятия втранскрипции и трансляции у прокариот. (надписи на рисунке убрать)

Правильный вариант: репрессор, оперон, субстрат, оператор, промотор.

Вставьте пропущенные слова.

Регуляция генной активности у высших организмов сложнее, чем у _____. У эукариот эти процессы регулируют ________. Они образуются в специальных клетках ______ внутренней секреции. Они регулируют синтез _______ в специальных клетках – мишенях.

Правильный вариант:

Регуляция генной активности у высших организмов сложнее, чем у бактерий. У эукариот эти процессы регулируют гормоны. Они образуются в специальных клетках желёз внутренней секреции. Они регулируют синтез РНК в специальных клетках – мишенях.

Подсказка: Еще раз посмотрите как происходит регуляция транскрипции у эукариот..

Регуляция активности генов через питание - диету. Физиологические основы

В отличие от других органов кишечник ребенка плохо защищен от изменений в характере питания. У плода кишечник стерилен, и питание плода имеет гемотрофный характер. После рождения ребенка его кишечник взаимодействует с довольно сложной по составу пищей, содержащей различные ингредиенты в меняющихся концентрациях. По мере взросления ребенка состав потребляемой им пищи становится более сложным.

Изменение экспрессии генов — та область медицины, которой в последнее время посвящается все большее количество исследований. Понимание того, что экспрессия генов является важным аспектом возникновения многих заболеваний (и не только наследственных), привело исследователей к мысли о возможности разработки новых терапевтических подходов. В последние годы наибольшее внимание уделялось вопросам преимуществ, которые можно получить при изменении экспрессии генов посредством внедрения нового генетического материала в клетку.

Но экспрессию генов можно изменить и другими средствами, например изменением молекулярного окружения клетки. Использование естественного ответа клетки на изменение ее молекулярного окружения представляет собой новый, довольно вариабельный способ изменения экспрессии генов. Были предложены многие методы изменения окружающей клетку среды, но никакое действие не изменяет ее так, как вариабельность диеты. Следовательно, будущее питания как инструмента терапии может быть связано с его способностью влиять на регуляцию генов.
В данных статьях на нашем сайте обсуждаются некоторые научные подходы, составляющие основу для возможной разработки новых средств терапии в будущем.

Вероятность того, что ребенок доживет до репродуктивного возраста и старше, определяется в целом способностью его организма отвечать на внешние воздействия. Это касается каждого органа человека. Многие органы и системы имеют два уровня ответа на внешние воздействия. Один из них — быстрый ответ, который может измеряться секундами с момента воздействия какого-либо раздражителя.

Например, при повышении физической нагрузки отмечается увеличение мышечной массы. Это обусловлено изменением активности ферментов, необходимых для удовлетворения возросших метаболических потребностей. Подобно этому, постоянное взаимодействие печени с лекарственными препаратами стимулирует экспрессию ферментов, катализирующих их распад.

Известны лишь немногие внешние стимулы, более важные, чем изменения диеты. Метаболические процессы, лежащие в основе быстрого ответа клеток на вариабельность диеты, были изучены у человека и других млекопитающих. Несмотря на это, остаются малоизученными те механизмы, благодаря которым происходят изменения в экспрессии генов в ответ на стимуляцию изменениями в диете. Это вызывает удивление, поскольку исследование нутритивных изменений у бактерий легло в основу понимания некоторых из наиболее фундаментальных механизмов экспрессии генов.

Клетки крипты тонкой кишки

Первым исследованием феномена генной регуляции явилось изучение индукции протеинов, участвующих в транспорте и гидролизе лактозы (лактозный оперон), при добавлении лактозы к культуре бактерий. Данные наблюдения породили целый ряд исследований, касающихся других регуляторных генов бактерий и одноклеточных эукариотических организмов, например дрожжевых грибов. Другим примером взаимодействия нутриентов и генов является повышение экспрессии бактериальных генов, регулирующих выработку триптофана в тех случаях, когда отмечается недостаток этой аминокислоты (триптофановый оперон).

Прогресс в изучении взаимодействия нутриентов и генов в эукариотических клетках не столь очевиден по двум причинам. Во-первых, молекулярные механизмы, контролирующие экспрессию генов, в этих клетках более сложные, чем у бактерий. Во-вторых, довольно сложно определить те метаболиты компонентов пищи, которые ответственны за индукцию таких изменений. В данной главе будут рассмотрены некоторые из последних достижений в изучении роли питания в экспрессии генов у человека и некоторых других млекопитающих.

Изменения диеты в конечном итоге влияют на состояние многих клеток человеческого организма, однако эпителий ЖКТ первым испытывает на себе любое изменение питания. В связи с этим большая часть следующих статей на нашем сайте будет посвящена обсуждению того, каким образом нутритивные факторы могут изменять экспрессию генов в эпителиальных клетках кишечника. Также будет сделан акцент на важности взаимодействия между нутриентами и генами для физиологии человека.

И наконец, учитывая, что диета может быть потенциальным способом воздействия на различные заболевания, будут рассмотрены возможности нутритивной терапии в детском возрасте в свете ее эффекта в отношении экспрессии генов.

Физиологическое значение нутритивной регуляции экспрессии генов

- Удовлетворение потребности органа в определенных нутриентах
- Управление созданием запасов нутриентов, необходимых другим органам
- Продукция гормонов, необходимых для всего организма в целом
- Прямое взаимодействие с окружающей организм средой на уровне желудочно-кишечного тракта

В разных ситуациях может отмечаться дифференцированное воздействие нутриентов на экспрессию генов. Во-первых, гены могут быть подвержены процессу повышения экспрессии с целью более полного обеспечения каким-либо компонентом пищи, дефицит которого испытывает в данный момент организм. Примерами белков, которые могут быть стимулированы с помощью нутриентов, являются переносчики (транспортеры) нутриентов и ферменты, участвующие в их метаболизме.

Во-вторых, при избытке какого-либо нутриента может изменяться экспрессия генов, необходимых для создания запаса в организме именно этого компонента пищи. В-третьих, нутриенты регулируют секрецию гормонов, контролирующих постоянство метаболических процессов. Например, для того чтобы поддержать постоянный уровень глюкозы, в ответ на увеличение углеводной нагрузки повышается синтез инсулина. И, наконец, пища, являясь частью нашей среды обитания, представляет собой определенную проблему для клеток, которые непосредственно с ней контактируют. В первую очередь это касается эпителия ЖКТ. Способность этих клеток изменять экспрессию их генов в ответ на изменения в диете представляет собой один из способов, посредством которых эпителий кишечника контролирует кишечную среду.

Были выявлены определенные фундаментальные характеристики тех механизмов, которые составляют основу каждого из перечисленных аспектов взаимодействия нутриентов и генов. Эти характеристики подразумевают специфическое взаимодействие между клеткой и каким-либо нутриентом (так называемый sensing) и механизм, посредством которого это взаимодействие трансформируется в изменение экспрессии генов (механизм сигнальной трансдукции). Суть этих процессов к настоящему времени изучена мало, однако некоторые аспекты молекулярной биологии, касающиеся двух этих функций, будут освещены в дальнейших статьях на нашем сайте.

Регуляция активности генов через питание - диету. Физиологические основы

Клетки крипты тонкой кишки

Физиологическое значение нутритивной регуляции экспрессии генов

Читайте также: