Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Литература / Биологическая Химия Северин 2008

.pdf
Скачиваний:
28344
Добавлен:
17.06.2017
Размер:
6.06 Mб
Скачать

Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков

81

Наиболее распространенным механизмом регуляции синтеза белков является регуляция транскрипции, которая определяет уровень экспрессии генов. В деталях этот механизм был изучен на бактериях, хотя и эукариотические клетки используют тот же принцип.

Регуляция экспрессии генов у прокариотов. Теория оперона

В 1961 году при исследовании индукции синтеза фермента — β-галактозидазы, участвующего в расщеплении лактозы в клетках E. coli, было установлено следующее: когда клетки E. coli растут на среде, содержащей глюкозу, то в них содержится менее 10 молекул β-галактозидазы на клетку. Если же в среде глюкозу заменить на лактозу, то через несколько минут наблюдается индукция синтеза белков, и концентрация ферментов утилизации лактозы увеличивается в сотни раз.

Это явление объяснила теория оперона, доказавшая, что на молекуле ДНК можно обнаружить участки — опероны, которые содержат информацию о группе функционально взаимосвязанных структурных белков, и регуляторную зону (участки оператора и гена регулятора), контролирующую транскрипцию этих генов. Экспрессия структурных генов определяется способностью РНК-полимеразы связываться с промотором, расположенным на 5'-конце оперона. Присоединение фермента зависит от оператора, участка ДНК, который находится рядом с промотором и даже частично с ним перекрывается. Оператор может связываться с белком-репрессором, который синтезируется в клетке с постоянной скоростью. Строение белка-репрессора кодирует мРНК, транскрибируемая с гена-регулятора, расположенного на определенном расстоянии от оперона, работу которого он контролирует. Если белок-репрессор присоединяется к оператору, то РНК-полимераза не может связаться с промотором и транскрипция структурных генов не идет. Белки, участвующие в утилизации лактозы, практически не синтезируются (рис. 3.24).

Когда в среде появляется индуктор — лактоза и присоединяется к белкурепрессору, то последний изменяет конформацию и теряет сродство к оператору. РНК-полимераза связывается с промотором, структурные гены транскрибируются, синтезируется одна полицистронная молекула мРНК, содержащая информацию о трех белках: β-галактозидазе, пермеазе и галактозидтрансацетилазе, необходимых для утилизации лактозы клетками.

При регуляции оперона по механизму репрессии (например, гистидиновый, триптофановый или изолейциновый опероны) белок-репрессор в клетках, выращенных на среде, содержащей NH4CL в качестве единственного источника азота, не имеет сродства к оператору. Транскрибируются структурные гены оперонов, которые кодируют ферменты, необходимые для синтеза этих аминокислот. Когда в среду культивирования добавляют корепрессор — аминокислоту, за синтез которой отвечает один из этих оперонов, то она связывается с белкомрепрессором. Образуется комплекс белок-репрессор — корепрессор, который приобретает сродство к оператору, связывается с ним и транскрипция структур-

82

Биологическая химия

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.24. Строение и функционирование лактозного оперона E. coli

ных генов прекращается. Принцип регуляции по механизму репрессии сходен с регуляцией по механизму индукции, так как синтез ферментов идет только тогда, когда он необходим для выживания клетки.

Регуляция экспрессии генов у эукариотов

В организме человека имеется более 200 различных типов клеток, существенно различающихся по структуре и функциям, хотя количество и структура ДНК в них практически одинакова. Разное количество и набор белков в дифференцированных клетках различных типов возникает благодаря существованию:

механизмов стабильной репрессии транскрипции одних генов и прочтения (экспрессии) других на протяжении всей жизни организма, причем в разных тканях стабильной репрессии подвергаются разные гены;

Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков

83

адаптивной регуляции, обеспечивающей приспособление организма к меняющимся условиям внутренней и внешней среды.

На определенных стадиях дифференцировки от гамет до возрослого состояния все гены молекулы ДНК в разные периоды времени и в определенной последовательности экспрессируются. Однако в дифференцированных клетках хроматин приобретает такую укладку, что остается небольшое число генов (5–10 %), способных транскрибироваться. В геноме различают участки гетерохроматина, в которых ДНК упакована очень компактно и не транскрибируется, и участки эухроматина, имеющие более рыхлую укладку и способные связывать РНК-полимеразу.

Вразных типах клеток в область эухроматина попадают разные гены. Стойкая репрессия генов в участках гетерохроматина обеспечивается:

высококонденсированным состоянием ДНК;

метилированием дезоксицитидина в 5'- –CG- 3'-последовательностях ДНК (эта модификация изменяет конформацию хроматина и препятствует транскрипции),

связыванием с гистонами и образованием нуклеосом.

В области эухроматина на ДНК расположены транскрибируемые гены. Для этих областей характерно следующее:

они более чувствительны к действию ДНК-аз, чем остальные участки;

молекулы гистонов в них модифицированы путем метилирования или

ацетилирования аминогрупп радикалов Лиз и Арг , а остатки Сер фосфорилированы. Это снижает суммарный положительный заряда гистонов и ослабляет связь нуклеосом с ДНК.

Регуляция транскрипции определяет набор и количество белков в клетке. На молекуле эукариотической ДНК на разном расстоянии от стартовой точки транскрипции каждого гена имеются короткие специфические последовательности, которые участвуют в регуляции экспрессии генов. К этим участкам ДНК присоединяются регуляторные белки. Если присоединение белков к регуляторному участку ДНК увеличивает (индуцирует) скорость транскрипции, то такие участки называют энхансерами (enhancer — усилитель), а если замедляет (репрессирует) транскрипцию, то их называют сайленсерами (silencer — тушитель). Эти регуляторные участки ДНК могут:

быть ориентированы на молекуле ДНК в любом направлении;

связывать с одним или несколькими регуляторными белками;

располагаться перед или после гена, экспрессию которого они регулируют. Область, обеспечивающая регуляцию экспрессии генов, включает промотор-

ный участок и дополнительные регуляторные последовательности, в которые входят энхансеры, сайленсеры, гормоночувствительные участки, последовательности GC, СААТ и др. Белки, связывающиеся с ДНК в этих участках, называют специфическими регуляторными белками. Они влияют на скорость транскрипции генов, связываясь с белками-посредниками или коактиваторами, передающими сигнал на основные транскрипционные факторы и РНК-полимеразу (рис. 3.25).

84

Биологическая химия

 

 

 

 

 

 

Рис.3.25. Регуляция транскрипции у эукариотов

Индукторами или корепрессорами, стимулирующими присоединение регуляторных белков к ДНК, могут быть гормоны, ионы металлов, субстраты или продукты метаболических путей. У белков-регуляторов имеется три важнейших участка:

участок, по которому белки взаимодействуют с энхансерами, или сайленсерами;

участок, к которому присоединяются гормоны, индукторы или корепрессоры;

участок, взаимодействующий с транскрипционными факторами и изменяющий сродство промотора к РНК-полимеразе.

Определенное значение в регуляции состава и содержания белков имеют посттранскрипционные превращения пре-мРНК в процессе альтернативного сплайсинга, изменение стабильности РНК в разные периоды жизни клетки. Описаны примеры влияния факторов среды на сродство рибосом к мРНК, посттрансляционные модификации полипептидных цепей и изменения продолжительности жизни белковых молекул.

Количество синтезируемых белков зависит также от изменения количества структурных генов. Число копий отдельных генов может возрастать (амплифицироваться), если возникает необходимость увеличить синтез определенного ген-

Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков

85

ного продукта. Так, в ответ на повышение концентрации тяжелых металлов в крови в тканях происходит амплификация гена металлотионеина. Продукт экспрессии этого гена — низкомолекулярный белок, способный связывать тяжелые металлы: медь, ртуть, кадмий, цинк и др., и защищать клетки от отравления этими веществами.

Встречаются случаи утраты генетического материала. Они отмечаются в процессе образования В-лимфоцитов разных клонов и классов, в процессе дифференцировки клеток кроветворной системы и образования эритроцитов, когда происходит потеря всего генома за счет разрушения ядра и митохондрий.

У высших организмов обнаружены процессы обмена, перемещения генов внутри хромосомы и между хромосомами, объединение генов с образованием измененной хромосомы. Эти процессы называют генетическими рекомбинациями. Они наблюдаются при:

половом слиянии яйцеклетки и сперматозоида;

перемещении подвижных генетических элементов — транспозонов;

формировании в В- и Т-лимфоцитах генов, кодирующих Т-рецепторы и антитела или иммуноглобулины.

3.8.Механизмы генетической изменчивости. Полиморфизм белков. Наследственные болезни

Геном клеток постоянно претерпевает разнообразные изменения, и, несмотря на эффективность механизмов репарации, часть ошибок и повреждений в структуре ДНК сохраняется. Эти нерепарированные изменения в первичной структуре ДНК называют мутациями. Они возникают в результате ошибок в работе ДНК-полимераз в ходе репликации, ДНК-репарирующих систем и под воздействием факторов внешней или внутренней среды. Соматические мутации не наследуются, но могут вызывать различные функциональные нарушения, трансформацию клеток и образование опухолей. Мутации в половых клетках передаются по наследству. Они могут проявляться в фенотипе потомства как наследственная болезнь, связанная с низкой активностью или полным отсутствием определенного фермента или белка. Генные или точковые мутации бывают в основном трех видов:

замены, при которых одно азотистое основание в ДНК замещается на другое;

вставки, когда в структуру ДНК внедряется одно или несколько дополнительных нуклеотидов;

делеции или выпадения одного или нескольких нуклеотидов.

Каждый вид мутаций вызывает разные фенотипические последствия (табл. 3.3)

86

Биологическая химия

мутации по типу замены изменяют структуру одного из кодонов. В результате:

мутация может быть молчащей, если триплет, в котором находится измененный нуклеотид; из-за вырожденности кода шифрует включение в белок той же аминокислоты, что и исходный кодон. Белковый продукт в этом случае идентичен исходному;

может произойти замена одной аминокислоты на другую — миссенсмутация. Мутантный белок при этом:

полностью либо частично сохраняет функциональную активность, если измененная аминокислота по структуре и свойствам напоминает исходную (эквивалентная замена) и находится в участке, удаленном от активного центра белка; может полностью терять активность, если измененная аминокислота

располагается в области, важной для проявления функциональной активности белка ( например, в активном центре) и/или отличается по

структуре и свойствам от исходной (неэквивалентная замена). Обычно миссенс-мутация делает белок менее эффективным, но в единич-

ных случаях может улучшать его функцию

может возникнуть один из терминирующих кодонов: UAA, UAG, UGA – нонсенс-мутация, в результате синтез белка прекращается на этом кодоне и образуется укороченный белок. Функциональная активность мутантно-

го белка может варьировать в широких пределах и будет зависеть от места мутации в гене.

Делеции и вставки дают также неоднозначные результаты:

если включается или выпадает один нуклеотид или фрагмент ДНК с числом нуклеотидов, не кратным трем, то происходит сдвиг рамки считывания информации, т.е. при трансляции вся информация, расположенная за местом мутации, читается неверно. Синтезируется белок, который, начиная с места мутации, имеет случайную последовательность аминокислот;

при выпадении или включении в ДНК участка с длиной цепи, кратной трем, сдвига рамки считывания информации не происходит (делеция или вставка без сдвига рамки считывания информации). Синтезируется укороченный при делеции или удлиненный при вставке мутантный белок.

Большинство клеток человека диплоидны, т.е. они содержат две копии каждой хромосомы (гомологичные хромосомы). В ДНК каждой хромосомы содержится более тысячи генов. Соответствующие друг другу гены в гомологичных хромосомах называют аллелями: если структура аллелей идентична, то их белковые продукты будут также идентичны, а индивидуум, имеющий такие аллели, будет гомозиготен по данному признаку. В результате мутаций и рекомбинаций в структуре одного из аллелей могут возникнуть различия. Если у человека име-

Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков

87

Таблица 3.3

Основные виды генных мутаций

Вид мутации

Изменения в структуре

Изменения в структуре белка

 

 

ДНК

 

 

Замена

Замена одного нуклео-

 

«Молчащая» —

тида в кодоне на другой

 

 

 

 

 

Белок не изменен

без изменения смысла

 

 

 

 

кодона

 

 

 

 

 

«Миссенс-мутация»

 

 

 

 

Происходит замена одной амино-

с изменением смысла

 

 

 

 

кислоты на другую

кодона

 

 

 

 

 

«Нонсенс-мутация» —

 

 

 

 

Синтез пептидной цепи прерыва-

с образованием терми-

 

 

 

 

ется, белок укорачивается на одну

нирующего кодона

 

 

 

 

или несколько аминокислот

Вставка

Включение нуклеотидов

Удлинение полипептидной цепи

 

в структуру ДНК

 

белка

Без сдвига рамки счи-

Вставка фрагмента ДНК

Происходит удлинение полипеп-

тывания

из трех нуклеотидов или

тидной цепи белка на одну или

информации

с числом нуклеотидов,

несколько аминокислот

 

кратным трем

 

 

Со сдвигом рамки

Вставка одного или не-

Белок за местом мутации имеет

считывания

скольких нуклеотидов в

«случайную» последовательность

информации

количестве, не кратном

аминокислот

 

трем

 

 

 

 

Делеция

Выпадение нуклеотидов

Укорочение белка

 

и укорочение молекулы

 

 

ДНК

 

 

 

 

Без сдвига рамки

Выпадение

фрагмента

Происходит укорочение полипеп-

считывания

ДНК,

состоящего

из

тидной цепи белка на одну или

информации

трех нуклеотидов

или

несколько аминокислот

 

числа

нуклеотидов,

 

 

кратного трем

 

 

Со сдвигом рамки счи-

Выпадение одного или

Белок укорачивается, но за ме-

тывания информации

нескольких

нуклеоти-

стом мутации имеет «случайную»

 

дов в

количестве,

не

последовательность аминокислот

 

кратном трем

 

 

 

88

Биологическая химия

ется два разных аллеля одного гена, то говорят о гетерозиготном наследовании этого гена. В популяции людей может существовать огромное множество вариантов одного аллеля, хотя каждый отдельный человек наследует только два. Белковые продукты, образующиеся при экспрессии вариантов одного и того же гена, называют полиморфами. Полиморфные белки могут различаться по функциональной активности. Появление вариантов с сильносниженной функциональной активностью или полностью неактивных приводит к развитию наследственных болезней. Так, дефект в структуре гена гистидазы, катализирующей дезаминирование гистидина, вызывает накопление этой аминокислоты в крови и развитие наследственной патологии — гистидинемии, которая проявляется нарушениями в умственном и физическом развитии детей. Низкая активность любого из ферментов, участвующих в синтезе мочевины, сопровождается симптомами накопления аммиака в организме — гипераммониемией.

Мутации в копиях генов, изменение положения генов в хромосоме за счет рекомбинаций приводят к появлению новых генов, которые кодируют белки, родственные исходному, но отличающиеся от него определенными свойствами. Так возникли семейства родственных белков, например миоглобин и протомеры гемоглобина, группа протеолитических ферментов (трипсин, химотрипсин, плазмин, тромбин и др.).

3.9. Образование белков иммунной системы

Иммунная система человека включает молекулы и клетки, ответственные за защитные свойства организма. Они способны распознавать и уничтожать чужеродные макромолекулы, паразитарные организмы и мутантные клетки. Особенно разнообразно семейство иммуноглобулинов. Так, в организме каждого человека образуется около десяти миллионов (107) различных антител, количества значительно большего, чем все остальные существующие белки. Мономеры антител — доменные белки, состоят из двух идентичных легких (L) и двух идентичных тяжелых (Н) цепей, соединенных между собой дисульфидными связями. Они имеют Y-образную форму. Легкие цепи включают два домена: один вариабельный (VL) и один константный L), а тяжелые: один вариабельный (VН) и три-четыре константных (СН). Разнообразие антител определяют вариабельные области, расположенные на N-конце полипептидных цепей и формирующие активные центры этих молекул. По различиям первичной структуры С-доменов легкие цепи принадлежат двум типам: κ и λ, а на основании различий в структуре константных областей Н-цепей, входящих в мономеры, все иммуноглобулины делят на пять классов (табл. 3.4).

Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков

89

Мономерные антитела двухвалентны, т.е. имеют два центра связывания антигена. В то же время к каждой чужеродной молекуле или клетке может присоединиться несколько антител, так как антиген содержит несколько антигенных детерминант ( участков, к которым образуются антитела). В результате возникают сложные высокомолекулярные комплексы, которые выпадают в осадок. На этом основана реакция преципитации для обнаружения антигенов соответствующими антителами (рис. 3.26).

Рис. 3.26. Строение иммуноглобулинов и комплексов антиген — антитело:

а — строение иммуноглобулина-мономера (Н — тяжелые, L — легкие цепи); N — концевые домены Н- и L-цепей. Вариабельные области образуют активные центры;

б — молекула Ig M, 5 мономеров связаны дисульфидными связями; в — комплексы антиген — антитело

90

Биологическая химия

Таблица 3.4

Классы иммуноглобулинов человека

Класс

 

 

Концент-

Характерис-

 

Тип

Строение

тика углевод-

Характеристика

Ig

рация в

Н-цепи

Ig

ной компоненты,

класса Ig

 

крови мг/дл

 

 

 

% от Мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продукт вторичного

 

 

 

 

4%

иммунного ответа,

 

 

κ2γ2 или

 

проходит плацентар

 

γ

 

(1 олиго-

Ig G

λ2γ2

1000–1700

ный барьер, защи-

сахаридная цепь)

 

 

 

 

щает эмбрион от

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

инфекций

 

 

 

 

10%

Продукт секреторных

 

 

 

 

желез, обеспечивает

Ig A

α

(λ2 α 2)2–4

200

(2-4 олигосаха-

защиту эпителиаль-

 

 

 

 

ридной цепи)

 

 

 

 

ных клеток

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пентамеры, имеют

 

 

2µ2)5

 

18%

10 активных центров,

Ig M

µ

или

120

(5 олиго-

обеспечивают первич-

2µ 2)5

сахаридных

ный иммунный ответ

 

 

 

 

 

 

 

цепей)

на вирусную и бакте-

 

 

 

 

 

риальную инфекции

 

 

κ2δ2 или λ

 

18%

Играют роль

 

δ

 

(5 олиго-

рецепторов

Ig D

2δ2

3–4

сахаридных

В-лимфоцитов

 

 

 

 

 

 

 

 

цепей)

 

 

 

 

 

18%

Связываются с тучны

 

 

 

 

ми клетками и базо-

Ig E

ε

κ2 ε2 или

 

(5 олиго-

 

филами и становятся

 

 

λ 2ε2

0,05

сахаридных

 

 

рецепторами антиге-

 

 

 

 

цепей)

 

 

 

 

нов этих клеток

 

 

 

 

 

Комплексы антител с антигенами поглощаются фагоцитирующими макрофагами и нейтрофилами, поскольку последние имеют рецепторы к Fc-области антител, либо расщепляются ферментами системы комплемента.

Огромное многообразие белков иммунной системы кодируется ограниченным количеством генетического материала, который образует множество генов за счет рекомбинаций и соматических мутаций. В молекуле ДНК отдельные участки полипептидных цепей иммуноглобулинов кодирует набор сегментов.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке Литература