Регуляция синтеза белка

Концентрация многих белков в клетке непостоянна и изменяется в зависимости от состояния клетки и внешних условий. Это происходит в результате регуляции скоростей синтеза и распада белков.

В клетках млекопитающих существуют два вида регуляции биосинтеза белков:

- кратковременная, обеспечивающая адаптацию организма к изменениям окружающей среды;

- длительная, стабильная, определяющая дифференцировку клеток и разный белковый состав органов и тканей.

Наиболее распространенным механизм регуляции синтеза белков является регуляция на уровне транскрипции (образования первичного транскрипта).

Синтез в базальном состоянии называют конститутивным синтезом.

Различают две формы регуляции – индукция синтеза (положительная регуляция) и репрессия синтеза (отрицательная регуляция). Понятия индукции и репрессии предполагают изменение скорости синтеза белка по отношению к исходному (базальному) уровню. Если скорость конститутивного синтеза белка высока, то белок регулируется по механизму репрессии синтеза, и, наоборот – при низкой базальной скорости наблюдается индукция синтеза.

Согласно теории Ф. Жакоба и Ж. Моне, в генетическом аппарате бактериальной клетки существуют опероны – отрезки ДНК, содержащие структурные гены определенных белков (цистроны), и регуляторные участки.

Считывание генетического кода начинается с промотора, расположенного рядом с геном-оператором. Ген-оператор расположен на крайнем отрезке структурного гена. Он либо запрещает, либо разрешает репликацию мРНК на ДНК.

Деятельность оперона контролирует ген-регулятор. Белок-репрессор осуществляет связь опероном и геном-регулятором. Репрессор образуется в рибосомах ядра на мРНК, синтезированной на гене-регуляторе. Он образует комплекс с геном-оператором и блокирует синтез мРНК, а, следовательно, и белка. Репрессор может связываться с низкомолекулярными веществами – индукторами, или эффекторами. После этого он теряет способность связываться с геном-оператором, ген-оператор выходит из-под контроля гена-регулятора, и начинается синтез мРНК. Это индукция синтеза (рис. 14).

Рис. 14. Регуляция синтеза белка путем индукции Наблюдается также эффект репрессии ферментов, когда концентрация ферментов в клетках снижается при увеличении содержания конечных продуктов цепи реакций синтеза (рис. 15). В этом случае репрессор синтезируется в неактивной форме и приобретает способность подавлять деятельность гена-оператора после образования комплекса с продуктом синтеза (корепрессором).

Рис. 15. Регуляция синтеза белка путем репрессии

У эукариот механизмы регуляции синтеза белка более сложные. Преобладают положительные регуляторные механизмы. Основной регуляторной точкой является стадия инициации транскрипции. Регуляторные элементы, стимулирующие транскрипцию, называют энхансерами, а подавляющие ее – сайленсерами. Они могут располагаться как рядом с промотором, так и на удалении от него, и избирательно соединяться с белками-регуляторами: энхансеры – с белками-индукторами, сайленсеры – с белками-репрессорами. Процесс взаимодействия регуляторных элементов с белками-регуляторами регулируется сигнальными молекулами – гормонами, некоторыми метаболитами.

Знание особенностей структуры и функционирования рибосом прокариот и эукариот позволило разработать новые типы антибиотиков. Синтез нуклеиновых кислот и белков является ключевым процессом, необходимым для поддержания жизнедеятельности клетки. Если его каким-либо образом выключить - клетка погибнет. Существуют лекарственные препараты, нарушающие синтез пуриновых оснований и аминокислот, синтез нуклеиновых кислот (рис. 16), синтез белка на различных уровнях только в клетках бактерий (таблица 4).

Рис 16. Препараты, нарушающие синтез нуклеиновых кислот

Таблица 4

Средства, угнетающие синтез белков бактериальной клетки