Регуляция транскрипции и трансляции у прокариот кратко

Обновлено: 02.07.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Выберите документ из архива для просмотра:

Определение аминокислот по генетическому коду и-РНК.swf

Регуляция транскрипции и трансляции у бактерий. Регуляция у высших организмов. 9 класс.flp

Составьте и-РНК по фрагменту ДНК.swf

Схема синтеза белка на полисоме.swf

Выбранный для просмотра документ Регуляция транскрипции и трансляции у бактерий. Регуляция у высших организмов. 9 класс.docx

Урок Регуляция транскрипции и трансляции у бактерий. Регуляция у высших организмов. 9 класс

Цель урока: рассмотреть регуляцию транскрипции и трансляции у бактерий и высших растений.

Задачи урока:

Образовательные:

ввести понятие оперон, оператор, субстрат, структурные гены, промотор, репрессор.

Развивающие:

Развитие внимания, памяти, логического мышления, систематизировать, выделять главное и существенное, устанавливать причинно-следственные связи;

формировать познавательный интерес к предмету через использование информационно-коммуникационных технологий, воспитывать у учащихся корректного отношения к мнению окружающих.

Тип урока : комбинированный

Оборудование: флипчарт, интерактивная доска, флеш – ролик , таблица “Биосинтез белка”,

Орг.момент 1 мин.

Повторение ранее изученных знаний для успешного усвоения новых знаний – 10 мин.

Изучение нового материала с использованием ранее полученных знаний- 15 мин

Физминутка – 2 мин

Закрепление. 12 мин.

Итог урока -2 мин.

Домашнее задание – 2 мин

Рефлексия- 1 мин.

Организационный момент

Повторение ранее полученных знаний для успешного усвоения новых знаний.

В чем проявляется индивидуальность каждого организма? (У каждого своя ДНК, гены и белки).

Каково строение ДНК? (Две цепи полимеров закрученные в спираль, мономером является нуклеотид).

Что такое нуклеотид? Какие виды нуклеотидов вам известны? (Мономер, имеющий в составе азотистое основание, дезоксирибозу и остаток фосфорной кислоты. В ДНК четыре азотистых основания комплементарных друг другу: аденин – тимину, цитозин – гуанину).

Какова функция ДНК? (Хранение наследственной информации).

Как кодируется информация в ДНК? (Последовательностью нуклеотидов).

Найдите, какая аминокислота зашифрована следующим сочетанием – ГТА, ГАГ, ЦТА? (Гистидин, Лейцин, Аспарагин)

III . Изучение н/м с использованием ранее полученных знаний:

$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\Image.bmp$
$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\Imagя.bmp$

Как создаются белки в клетках и каковы обязательные условия процесса биосинтеза?

(флипчарт, 3)

$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\Imagя.bmp$

Работа в парах: Вспоминаем (флипчарт, 4)

1. Какова роль ядра в клетке?

2. С какими органоидами связана передача

3. Какие вы знаете нуклеиновые кислоты?

4. Типы РНК и их роль в биосинтезе белка?

5. Какие функции выполняют белки в клетке?

Флипчарт, 5. Итак, давайте вспомним, что такое ген?

«Нить ДНК – это письмо, записанное с помощью алфавита химических соединений, называемыми нуклеотидами. Одна буква – 1 нуклеотид. Невероятно просто,

$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\Image.bmp$

Ген – участок ДНК, несущий информацию о первичной структуре белка-фермента.

Флипчарт, 6. Назовите основное свойство ДНК. Работа с анимацией: достроить 2ую цепь ДНК.

$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\в.bmp$

Работа с флипчартом 7 по группам или вариантам:

$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\Image.bmp$

$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\р.bmp$
$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\о.bmp$

Обьясните цепочку флипчарт, 10

признак - карий цвет глаз;

- цвет определяется пигментом, а это по природе химическое вещество;

- все химические вещества образуются в ходе химических реакций;

- все химические реакции идут под контролем ферментов;

- все ферменты по природе белки

(Не все белки – ферменты, но все ферменты – белки).

$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\Image.bmp$
$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\Image.bmp$

$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\Imageя.bmp$

Регуляция транскрипции и трансляции у бактерий и высших растений (флипчарт 14- 15)

$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\1.bmp$
$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\Image.bmp$

Основные термины по новой теме (флипчарт , 16).

$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\2.bmp$

Оперон – участок ДНК, транскрипция которого осуществляется на одну молекулу и-РНК под контролем одного специального белка – регулятора.

Оперон состоит из структурных генов и регуляторных элементов.

Структурные гены кодируют белки, осуществляющие последовательно этапы биосинтеза какого- либо вещества.

К регуляторным элементам относятся промотор, оператор, терминатор.

Промотор – участок связывания фермента, осуществляющего транскрипцию ДНК – РНК – полимеразы. Место начала транскрипции. Определяет, какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза и-РНК.

Оператор – участок, связывания регуляторного белка.

Терминатор – участок в конце оперона, сигнализирующий о прекращении транскрипции.

Репрессор – белок, присоединяющийся к оператору и блокирующий возможность присоединения к промотору РНК-полимеразы.

На работу оператора данного оперона влияет самостоятельный ген – регулятор, синтезирующий соответствующий регуляторный белок . Этот ген не обязательно располагается рядом с опероном. Кроме того, один регулятор может регулировать транскрипцию нескольких оперонов. Ген – регулятор также имеет собственный промотор и терминатор .

Регуляторные белки бывают двух типов: белок – репрессор или белок – активатор.

Соединения, которые в клетке подвергаются действию ферментов, называются субстратом. Клетки разных тканей одного организма отличаются набором ферментов и других белков.

Почему же клетки, содержащие в своем ядре одинаковую информацию, производят разные белки? Дело в том, что в разных клетках транскрибируются разные участки ДНК, т.е. образуются разные и-РНК, по которым синтезируются разные белки. Специализация клетки определяется не всеми имеющими генами, а только теми генами, с которых информация была прочтена и реализована в виде белка.

Итак, в каждой клетке реализуется не вся, а только часть генетической информации. Как осуществляется регуляция синтеза отдельных белков, рассмотрим на бактериальной клетке (1961г- Жакоб, Львов и Моно, Нобелевская премия).

Бактерия не тратит энергию АТФ на синтез белков, ненужных в данный момент.

Однако через несколько секунд после добавления сахара в клетке синтезируются все ферменты, последовательно превращающие его в продукт, необходимый для жизнедеятельности бактерии.

Когда в клетку попадает субстрат А, для расщепления которого нужны ферменты Ф1, Ф2, Ф3, закодированные в структурных генах, одна из молекул субстрата связывается с репрессором, мешающим считывать информацию об этих ферментах.

Репрессор, связанный с молекулой субстрата, теряет способность взаимодействовать с оператором, отходит от него и освобождает дорогу РНК – полимеразе, которая синтезирует

и-РНК, обеспечивающая на рибосомах синтез ферментов, расщепляющих субстрат А.

Как только последняя молекула субстрата А будет преобразована в конечный продукт, освобожденный репрессор возвратится на оператор и закроет путь полимеразе. Транскрипция и трансляция прекращаются. И-РНК и ферменты, выполнив функции, расщепляются соответственно дл нуклеотидов и аминокислот.

Другой оперон, содержащий группу генов, в которых закодированы ферменты для расщепления субстрата Б, остается закрытым до поступления в клетку молекул этого субстрата. Количество структурных генов в опероне зависит от сложности биохимических превращений того или иного субстрата.

Регуляция транскрипции и трансляции у прокариот (флипчарт, 17-18)

$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\Image.bmp$
$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\3.bmp$

Этапы транскрипции (флипчарт, 19), работа с анимацией: составить иРНК по ДНК

Связывание ДНК-матрицы – узнавание промотора, образование открытого двойного комплекса

Инициация – соединение 2-х первых нуклеотидов, образование открытого тройного комплекса, начало синтеза РНК

Элонгация – продолжение синтеза РНК

Терминация – завершение синтеза РНК

$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\Image.bmp$
$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\6.bmp$

Особенности регуляции у эукариот (флипчарт, 22)

Регуляция генной активности у высших организмов намного сложнее, чем у бактерий.

У эукариот наряду с регуляторными процессами , влияющими на функционирование отдельной клетки, существуют системы регуляции организма как целого.

В отличие от прокариот, у которых процессы транскрипции и трансляции не разобщены во времени и пространстве, у эукариот синтез РНК происходит в ядре клетки , а синтез белков на рибосомах в цитоплазме . Образующиеся в ядре и-РНК подвергаются там целому ряду изменений под действием ферментов и в комплексе с различными белками проходят через ядерную оболочку. Разные и-РНК транслируются в разное время после их образования. Это зависит от того, с какими белками они связаны в цитоплазме.

Познание регуляторных механизмов транскрипции и трансляции необходимо для управления процессами реализации генетической информации.

У эукариот транскрипция осуществляется с участков, подобных оперонам прокариот и также состоящих из регуляторных и структурных генов, однако у оперонов эукариот имеется ряд особенностей:

В состав оперона эукариот входит лишь один структурный ген (а не несколько – как у прокариот).

Оперон эукариот почти всегда содержит только структурный ген, а прочие гены разбросаны по хромосоме или даже по разным хромосомам.

Оперон эукариот состоит из чередующихся друг с другом значащихся (экзонов) и незначащих (интронов) участков. При транскрипции считываются как экзоны, так и интроны, а затем в ходе процессинга происходит вырезание интронов (сплайсинг).

У эукариот механизмы регуляции активности генов и генома в целом сложны.

У прокариот иРНК не подвергается процессингу – они способны работать сразу после синтеза.

У всех организмов процессинг РНК происходит в ядре.

$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\ч.bmp$

Различия в регуляции транскрипции и трансляции у прокариот и эукариот (флипчарт, 24)

Прокариотическая мРНК не нуждается в обработке и транспортировке, трансляция рибосомой может начаться немедленно после транскрипции.

Так как у прокариот транскрипция совмещена с трансляцией, прокариотическая клетка может быстро реагировать на изменения в окружающей среде путём синтеза новых белков, то есть регуляция происходит, в основном, на уровне транскрипции.

Следовательно, можно сказать, что трансляция у прокариот совмещена с транскрипцией и происходит ко-транскрипционно.

Эукариотическая мРНК должна быть обработана и доставлена из ядра в цитоплазму, и только тогда может быть транслирована рибосомой. Трансляция может происходить как на рибосомах, находящихся в цитоплазме в свободном виде, так и на рибосомах, ассоциированных со стенками эндоплазматического ретикулума. Таким образом, у эукариот трансляция не совмещена напрямую с транскрипцией.

Значение регуляторных механизмов у бактерий и высших растений ( флипчарт, 25) .

Работа со страницнй 26 флипчарта:

Закрепление

$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\Image.bmp$

Найди ошибку (флипчарт 27)

Рибосомы, словно бусы

Забрались на ДНК.

С ДНК они читают

Код молекулы белк a .

Строят цепь белк a они

Вместе весь процесс зовем

Коротко, мы, трансляция .

$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\р.bmp$

$C:\Documents and Settings\test\Рабочий стол\щ.bmp$

Д/з: конспект выучить
решить задачу:

Дан участок правой цепи ДНК:

Постройте фрагмент белка зашифрованного в левой цепи гена:

Схема регуляции транскрипции и трансляции.П - промотор; О - оператор; СГ - структурный ген; Реп - белок-репрессор; Ф - фермент. Когда в клетку попадает субстрат А, для расщепления которого нужны ферменты Ф-1, Ф-2, Ф-3, закодированные в структурных генах оперона А, одна из молекул субстрата связывается с репрессором, мешающим считывать информацию об этих ферментах. Репрессор, связанный молекулой субстрата, теряет способность взаимодействовать с оператором, отходит от него и освобождает дорогу полимеразе. Полимераза синтезирует иРНК, которая обеспечивает на рибосомах синтез ферментов, расщепляющих субстрат А. Как только последняя молекула субстрата А будет преобразована в конечный продукт, освобожденный ре-прессор возвратится на оператор и закроет путь полимеразе.

Транскрипция и трансляция прекращаются; иРНК и ферменты, выполнив свои функции, расщепляются соответственно до нуклеотидов и аминокислот.

Другой оперон, содержащий группу генов, в которых закодированы ферменты для расщепления субстрата Б, остается закрытым до поступления в клетку молекул этого субстрата. В ряде случаев конечные продукты одних цепей превращений могут служить субстратами для новых биохимических конвейеров. Не каждый оперон имеет несколько структурных генов, есть опероны, содержащие лишь один ген. Количество структурных генов в опероне зависит от сложности биохимических превращений того или иного субстрата.

Отличия регуляции транскрипции и трансляции у эукариот от прокариот.

У прокариот, если какой-нибудь участок транскрибируется, то он автоматически транслируется, т.е. регуляция синтеза белка у прокариот осуществляется на уровне транскрипции.

У эукариот транскрипция и трансляция пространственно разделены (транскрипция в ядре, трансляция в цитоплазме), и регуляция синтеза белка происходит в три этапа:

Транскрипция
Экспорт из ядра
Трансляция

Регуляция синтеза белка у эукариот осуществляется в основном на уровне трансляции, когда регуляторные вещества присоединяются к управляющим участкам 3’-НТО и 5’-НТО. 5'-НТО отвечает за частоту трансляции 3'-НТО отвечает за время жизни иРНК в цитоплазме. Транскрипция у эукариот регулируется почти так же, как у прокариот. Разница: у эукариот транскрипция может не только подавляться репрессорами, присоединенными к операторам, но и стимулироваться активаторами, присоединенными к энхансерам. Опероны у эукариот пространственные, т.е. участок, к которому присоединен репрессор, может находиться не в том же участке хромосомы, где лежат промотор и структурные гены, и приближаться к ним за счет укладки ДНК в интерфазном ядре.

Ген (определение), тонкая структура гена.

Ген — структурная и функциональная единица наследственности, контролирующая развитие определённого признака или свойства.

Тонкая структура гена.

В типичном эксперименте по составлению карты штамм В бактерий заражают двумя различными мутантами rII и получают потомство, состоящее в основном из тех же двух типов мутантов, как и родители, но и, кроме того, из нескольких рекомбинантов. Общее число фагов определяется в результате подсчета стерильных пятен на штамме В. Если выращивать потомство на штамме бактерий К, то мутантные типы вымирают и остаются только рекомбинантные, так что появляется возможность установить более точное их соотношение1. Бензер доказал, что рекомбинации происходят в основном между аллелями внутри локуса rII, и смог определить генетическое расстояние между каждыми двумя мутантными участками (сайтами) и даже составить карту этих аллелей.

Небольшая часть этой карты выглядит следующим образом: каждый квадратик на карте означает аллель, отдельный от других аллелей; квадратики один над другим означают аллели, которые невозможно разделить, и, следовательно, они представляют собой мутации, возникающие в одной и той же позиции. Отсюда ясно, что Бензер создал карту, на которой ген можно поделить на различные участки, и каждый участок, по всей видимости, соответствует отдельной нуклеотидной паре ДНК.

Теория гена. Свойства гена.

В результате исследований элементарных единиц наследственности сложились представления, носящие общее название теории гена.

Основные положения этой теории сводятся к следующему:

Ген занимает определенный участок (локус) в хромосоме. Ген (цистрон) - это часть молекулы ДНК, представляющая собой определенную последовательность нуклеотидов и являющаяся функциональной единицей наследственной информации.

Число нуклеотидов, входящих в состав различных генов, неодинаково. Внутри гена могут происходить рекомбинации и мутирование.

Существуют структурные и функциональные гены.

Структурные гены кодируют синтез белков, но ген не принимает непосредственного участия в синтезе белка. ДНК - матрица для синтеза молекул и-РНК. Функциональные гены контролируют и направляют деятельность структурных генов. Расположение нуклеотидных триплетов в структурных генах коллинеарно последовательности аминокислот в полипептидной цепи, кодируемой данным геном. Молекулы ДНК, входящие в состав гена, способны к репарации, поэтому не всякие повреждения гена ведут к мутациям.

Генотип, будучи дискретным (состоящим из отдельных генов), функционирует как единое целое. На функцию генов оказывают влияние как внутриклеточные факторы, так и факторы внешней среды.

Свойства гена:

1. дискретность — несмешиваемость генов;

2. стабильность—способность сохранять структуру;

3. лабильность—способность многократно мутировать;

4. множественный аллелизм — многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм;

5. аллельность — в генотипе диплоидных организмов только две формы гена;

6. специфичность — каждый ген кодирует свой признак;

7. плейотропия — множественный эффект гена;

8. экспрессивность — степень выраженности гена в признаке;

9. пенетрантность — частота проявления гена в фенотипе;
10.амплификация — увеличение количества копий гена.

Отличия регуляции транскрипции и трансляции у эукариот от прокариот.

Транскрипция
Экспорт из ядра
Трансляция

Ген (определение), тонкая структура гена.

Тонкая структура гена.

Теория гена. Свойства гена.

Основные положения этой теории сводятся к следующему:

Существуют структурные и функциональные гены.

Свойства гена:

1. дискретность — несмешиваемость генов;

2. стабильность—способность сохранять структуру;

3. лабильность—способность многократно мутировать;

4. множественный аллелизм — многие гены существуют в популяции во множестве молекулярных форм;

5. аллельность — в генотипе диплоидных организмов только две формы гена;

6. специфичность — каждый ген кодирует свой признак;

7. плейотропия — множественный эффект гена;

8. экспрессивность — степень выраженности гена в признаке;

9. пенетрантность — частота проявления гена в фенотипе;
10.амплификация — увеличение количества копий гена.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Транскрипция — это синтез РНК на матрице ДНК. У прокариот синтез всех трех видов РНК катализируется одним сложным белковым комплексом — РНК-полимеразой.

Ферментный комплекс РНК-полимеразы специфически узнает некую нуклеотидную последовательность (часто не одну), расположенную на определенном расстоянии от стартовой точки транскрипции, — промотор. Стартовой точкой считают нуклеотид ДНК, которому соответствует первый нуклеотид, включаемый ферментом в РНК-транскрипт.

После установления контакта между РНК-полимеразой и промоторным участком начинается сборка молекулы РНК, в которую первым чаще всего включается нуклеотид, несущий пуриновое основание (как правило, аденин) и содержащий три 5'-фосфатных остатка. Далее, по мере продвижения РНК-полимеразы вдоль молекулы ДНК происходит постепенное удлинение цепи РНК, которое продолжается до встречи фермента с областью терминатора. Терминатор — это участок, где прекращается дальнейший рост цепи РНК и происходит ее освобождение от матрицы ДНК. РНК-полимераза также отделяется от ДНК, которая восстанавливает свою двухцепочечную структуру.

В составе всех мРНК можно выделить кодирующие участки, представляющие набор кодонов, которые шифруют последовательность аминокислот в пептиде. Как правило, эти участки начинаются стартовым кодоном АУГ, но иногда у бактерий используется кодон ГУТ. На конце кодирующей последовательности располагается терминирующий кодон. Помимо кодирующих участков в мРНК на обоих концах могут располагаться дополнительные последовательности. На 5'-конце это лидерный участок, расположенный перед стартовым кодоном. На 3'-конце — трейлер, следующий за кодоном-терминатором.

В связи с тем что прокариотические гены целиком состоят из нуклеотидных последовательностей, участвующих в кодировании информации, транскрибированные с них РНК сразу после их синтеза способны выполнять функцию матриц для трансляции. Лишь в исключительных случаях требуется их предварительное созревание — процессинг.

Изучение регуляции генной активности у прокариот привело французских микробиологов Ф. Жакоба и Ж. Моно к созданию (1961) оперонной модели регуляции транскрипции. Оперон — это тесно связанная последовательность структурных генов, определяющих синтез группы белков, которые участвуют в одной цепи биохимических преобразований.

При отсутствии в среде, на которой выращиваются бактерии, сахара лактозы активный белок-репрессор, синтезируемый геном-регулятором, взаимодействует с оператором, препятствуя соединению РНК-полимеразы с промотором и транскрипции структурных генов. Появление в среде лактозы инактивирует репрессор, он не соединяется с оператором, РНК-полимераза взаимодействует с промотором и осуществляет транскрипцию полицистронной мРНК. Последняя обеспечивает синтез сразу всех ферментов, участвующих в метаболизме лактозы. Уменьшение содержания лактозы в результате ее ферментативного расщепления приводит к восстановлению способности репрессора соединяться с оператором и прекращению транскрипции генов.

Таким образом, регуляция экспрессии генов, организованных у прокариот в опероны, является координированной. Синтез полицистронной мРНК обеспечивает одинаковый уровень синтеза всех ферментов, участвующих в биохимическом процессе.

24. Транскрипция у эукариот. Единица транскрипции – транскриптон, его строение. Экзоны и интроны. Процессинг (созревание) РНК, сплайсинг, альтернативный сплайсинг.

Синтез мРНК начинается с обнаружения РНК-полимеразой особого участка в молекуле ДНК, который указывает место начала транскрипции — промотора. После присоединения к промотору РНК-полимераза раскручивает прилежащий виток спирали ДНК. Две цепи ДНК в этом месте расходятся, и на одной из них фермент осуществляет синтез мРНК. Сборка рибонуклеотидов в цепь происходит с соблюдением их комплементарности нуклеотидам ДНК, а также антипараллельно по отношению к матричной цепи ДНК. В связи с тем, что РНК-полимераза способна собирать полинуклеотид лишь от 5'-конца к 3'-концу, матрицей для транскрипции может служить только одна из двух цепей ДНК, а именно та, которая обращена к ферменту своим 3'-концом (3' → 5'). Такуюцепь называют кодогенной. Антипараллельность соединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК позволяет РНК-полимеразе правильно выбрать матрицу для синтеза мРНК.

Продвигаясь вдоль кодогенной цепи ДНК, РНК-полимераза осуществляет постепенное точное переписывание информации до тех пор, пока она не встречает специфическую нуклеотидную последовательность — терминатор транскрипции. В этом участке РНК-полимеразаотделяется как от матрицы ДНК, так и от вновьсинтезированной мРНК (рис. 3.25). Фрагмент молекулы ДНК, включающий промотор,транскрибируемую последовательность и терминатор, образует единицу транскрипции — транскриптон.

В процессе синтеза, по мере продвижения РНК-полимеразы вдоль молекулы ДНК, пройденные ею одноцепочечные участки ДНК вновь объединяются в двойную спираль. Образуемая в ходе транскрипции мРНК содержит точную копию информации, записанной в соответствующем участке ДНК. Тройки рядом стоящих нуклеотидов мРНК, шифрующие аминокислоты, называют кодонами. Последовательность кодонов мРНК шифрует последовательность аминокислот в пептидной цепи. Кодонам мРНК соответствуют определенные аминокислоты.

Так как транскрипция связывает ядро – "мозг" клетки, ее "банк знаний" и белки , "рабочих лошадок" клетки, то от качества и активности транскрипции зависит объем синтеза тех или иных белков, жизнедеятельность клетки, ее способность адаптироваться к окружающей обстановке.

У прокариот и эукариот регуляция транскрипции происходит, естественно, по-разному, хотя некоторые моменты похожи.

Регуляция транскрипции у прокариот

Регуляция биосинтеза белка у прокариот осуществляется на уровне изменения скорости синтеза мРНК. В настоящее время принята теория оперона , сформулированная Франсуа Жакобом и Жаком Моно. В основе теории лежат следующие понятия:

оперон – группа тесно связанных между собой генов, которые программируют образование структурных белков и ферментов в клетке,
конституитивные гены – это гены, обеспечивающие основные жизненные функции клетки, "гены домашнего хозяйства". Эти гены работают в клетке всегда, независимо от ее активности и условий,
индуцибельные гены – это гены, которые активируются при необходимости,
ген-регулятор – ген, регулирующий работу оперона, но не входящий в его состав. Он синтезирует белок-регулятор (чаще называемый белок-репрессор), который может быть в активной или неактивной форме,
ген-оператор – участок ДНК, способный связываться с белком-регулятором, и "решающий" нужно работать РНК-полимеразе или нет.

Схема строения и работы оперона

Предложены две схемы регуляции скорости транскрипции: по механизму индукции (лактозный оперон) и по механизму репресии (триптофановый оперон).

Лактозный оперон

Лактозный оперон в целом отвечает за катаболизм лактозы.

При изучении E.coli было замечено, что в клетке может быть две взаимоисключающие ситуации:

активность одного из ферментов катаболизма лактозы низка, если в среде имеется много глюкозы.
активность этого же фермента резко повышается в обратной ситуации, т.е. при отсутствии глюкозы и при наличии лактозы.

На основании наблюдений была предложена схема регуляции оперона по механизму индукции :

1. При отсутствии лактозы активный белок-репрессор связывается с оператором и блокирует синтез мРНК, кодирующей ферменты катаболизма лактозы. В результате эти ферменты не образуются.

2. Если глюкозы нет, а лактоза есть, то последняя связывается с белком-репрессором и ингибирует его, не давая ему связаться с геном-оператором и препятствовать работе РНК-полимеразы. Это позволяет РНК-полимеразе считывать информацию, отвечающую за синтез ферментов катаболизма лактозы, и синтезировать мРНК.

Таким образом, лактоза является индуктором транскрипции.

Схема работы лактозного оперона при наличии и отсутствии лактозы

Триптофановый оперон

Триптофановый оперон в целом отвечает за синтез триптофана.

Функционирование триптофанового оперона в некотором смысле противоположно лактозному. Регуляция осуществляется по механизму репрессии .

1. В отличие от лактозного оперона, белок-репрессор синтезируется в неактивном состоянии и не может заблокировать транскрипцию генов, кодирующих ферменты синтеза триптофана. Синтез этой аминокислоты будет в клетке продолжаться до тех пор, пока в питательной среде не появится триптофан.

2. Триптофан соединяется с белком-репрессором и активирует его. Далее такой активный комплекс присоединяется к гену-оператору и блокирует транскрипцию. Таким образом, при наличии триптофана в среде прекращается его внутриклеточный синтез, экономятся ресурсы и энергия бактериальной клетки.

В этом случае триптофан является репрессором транскрипции.

Схема работы триптофанового оперона при наличии и отсутствии триптофана

Регуляция транскрипции у эукариот

Существенное усложнение эукариотических организмов повлекло за собой появление новых способов регуляции активности транскрипции:

Амплификация – это увеличение количества генов, точнее многократное копирование одного гена. Естественно, все полученные копии равнозначны и одинаково активно обеспечивают транскрипцию.

Энхансеры (англ. to enhance – усиливать) – это участки ДНК в 10-20 пар оснований, способные значительно усиливать экспрессию генов той же ДНК. В отличие от промоторов они значительно удалены от транскрипционного участка и могут располагаться от него в любом направлении (к 5'-концу или к 3'-концу). Сами энхансеры не кодируют какие-либо белки, но способны связываться с регуляторными белками (подавляющими транскрипцию).

Сайленсеры (англ. silence – молчание) – участки ДНК, в принципе схожие с энхансерами, но они способны замедлять транскрипцию генов, связываясь с регуляторными белками (которые ее активируют).

Перестройка генов. К подобным процессам относится кроссинговер – обмен участками гомологичных хромосом, и более сложный процесс – сайт-специфичная рекомбинация, которая изменяет положение и порядок нуклеотидных последовательностей в геноме.

Процессинг мРНК – некоторые пре-мРНК подвергаются разным вариантам сплайсинга (альтернативный сплайсинг) в результате чего образуются разные мРНК, и соответственно, белки с разной функцией.

Изменение стабильности мРНК – чем выше продолжительность жизни мРНК в цитозоле клетки, тем больше синтезируется соответствующего белка.

Лекарственная регуляция транскрипции

Ингибирование

1. Гетероциклические соединения доксорубицин, дауномицин и актиномицин D обладают способностью интеркалировать (встраиваться между нитей молекулы ДНК) между двумя соседними парами оснований Г-Ц. В результате возникает препятствие для движения РНК-полимеразы ("заедание молнии") и остановка транскрипции.

2. Рифампицин связывается с β-субъединицей РНК-полимеразы прокариот и ингибирует ее. Благодаря такой избирательности действия рифампицин действует только на бактерии и является препаратом для лечения туберкулеза.

3. α-Аманитин, октапептид бледной поганки (Amanita phalloides) блокирует РНК-полимеразу II эукариот и предотвращает продукцию мРНК.

Активация

Активация транскрипции используется в клинике намного реже и заключается в применении аналогов стероидных гормонов для достижения анаболического эффекта в органе-мишени.

Читайте также: