МИНОБРНАУКИ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ « ГОРНО-АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» Естественно-географический факультет Кафедра биологии и химии Направление 44.03.05 Педагогическое образование Направленность (профили) Биология и химия РЕФЕРАТ Регуляция биосинтеза белка прокариот и эукариот Выполнила: студентка 169-ЗФ группы Барабанова Виктория Михайловна Проверила: Байдалина О.В. Горно-Алтайск, 2023 г. СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДНИЕ 1. Регуляция биосинтеза белка эукариот 2. Регуляция биосинтеза белка прокариот ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 2 ВВЕДЕНИЕ Организмы адаптируются к меняющимся условиям окружающей среды путём изменения экспрессии (скорости транскрипции) генов. Этот процесс, в деталях изученный на бактериях и вирусах, включает взаимодействие специфических белков с участками ДНК в непосредственной близости от стартового участка транскрипции. При этом может происходить включение или выключение транскрипции. Эукариотические клетки используют тот же самый принцип, хотя в регуляции реализуются и некоторые другие более сложные механизмы. 3 1 Регуляция биосинтеза белка эукариот Механизм регуляции биосинтеза белков в эукариотических изучено гораздо меньше, чем у прокариот. В последние годы благодаря исследованиям в области генной инженерии был достигнут значительный прогресс в понимании экспрессии эукариотических генов. Считают, что основные принципы регуляции в них аналогичные прокариот, но в целом этот процесс сложным и происходит иначе. У эукариот существует ряд точек приложения регуляторных влияний, которые абсолютно отсутствуют в прокариот. Для эукариот не характерна прямая субстратная регуляция, распространенная в прокариот. В еукари-отив не найдено регуляторных белков типа белков-репрессор бактерий, которые сочетают в себе функции распознавателя химических сигналов метаболизма (специфически связывают свои метаболиты) и регулятора транскрипции оперона. У млекопитающих и высших растений хроматин, организован в хромосомы, построенный значительно сложнее, чем у бактерий. Генетический материал находится в ядре, которое окружается ядерной мембраной. Поэтому процессы транскрипции (ядро) и трансляции (цитоплазма) разделены, поскольку рибосомы находятся в основном в цитоплазме. Экспрессия генов в эукариот состоит из гораздо большего количества этапов, чем у прокариот, особенно это касается процессы на-гу пре-мРНК. Сложным является и обратная связь - влияние метаболитов и других химических регуляторов цитоплазмы на активность генов (легко осуществляется у бактерий). Отличие в регуляции обусловлена также межклеточными взаимодействиями, дифференциацией клеток. В отличие от прокариот, оперона эукариот, как правило, моноцистронни, с очень большими регуляторными зонами. Это связано с их способностью воспринимать большое количество различных факторов, которые изменяют транскрипционных активность. В эукариот структурные гены, отвечающие за различные звенья того или иного цепи биохимических реакций, как правило, разбросаны по геному, а не сосредоточены в одном оперона, что часто 4 наблюдается в прокариот. В ядрах дифференцированных клеток большинство генов находится в репрессированному состоянии: время в среднем считываются только около 10% генов. Все структурные гены эукариот условно делят на три типа: а) гены, которые функционируют во всех клетках организма (например, гены, отвечающие за синтез ферментов энергетического обмена), б) гены, которые функционируют только в тканях одного типа (в частности, синтез миозина в мышечной ткани) в) гены, необходимые для выполнения клетками специфических функций (например, синтез белка хрусталика). Было показано, что на экспрессию эукариотических генов влияет амплификация и перестройка генов. Известно, что в формировании хроматина участвуют ДНК, белки и небольшое количество РНК. ДНК ассоциируется с гистонами и негистоновимы белками. Установлено, что гистоны и негистонови белки (НГБ) играют важную роль в проявлении активности генома. Так, в опытах на животных было показано, что при удалении гистонов путем расщепления трипсином, активируется синтез РНК и белков. При добавлении гистонов эти процессы подавлялись. У прокариот гистоны отсутствуют. Гистоны содержат большое количество остатков диаминомонокарбонових кислот (аргинина, лизина) и имеют положительный заряд. Поэтому они легко связываются с отрицательно заряженными остатками фосфорной кислоты полинуклеотидных цепей ДНК и блокируют процесс РНКполимеразной реакции. Гистоны больше, по сравнению с другими белками, испытывают модификации. Они могут фосфорилюватися за счет АТФ в присутствии фермента протеинкиназы, а также ацетилюватися и метилюватися, что приводит к ослаблению или нейтрализации положительного заряда. Вследствие этого гистоны изменяют уровень укладки ДНК и, таким образом, регулируют ее 5 матричную активность, т.е. теряют свою тормозную способность, так как ослабляется связь между ДНК и гистонами. Небольшая разнообразие и гетерогенность гистоновых белков (всего 5 различных фракций, хотя модификация и увеличивает их количество) не позволяет полностью объяснить регуляцию функциональной активности ДНК. В связи с этим большое внимание уделяется НГБ, в состав которых 400 входит более кислых белков, содержащих остатки моноаминодикар-боновых кислот. Негистонови белки отличаются большим разнообразием. Известно около 500-600 фракций, поэтому считается, что они выполняют роль специфических регуляторов транскрипции. Они несут отрицательный заряд, но могут быть также связанными непосредственно с ДНК, причем не вообще с любыми ее участками, а специфически, облегчая транскрипцию в месте связывания с ДНК. Они, как и гистоны, могут в составе хроматина оборотно модифицироваться благодаря реакциям фосфорилирования, метилирования, ацетилирования, АДФ-рибозилювання и др.., При этом изменяется прочность связи с ДНК и количество мест инициации транскрипции. Однако еще недостаточно изучено молекулярный механизм включения транскрипции негистоновы-ми белками. Возможно, приобретая большого отрицательного заряда, они либо образуют комплекс с положительно заряженными гистонами, оттесняя их в определенном участке от ДНК, или дестабилизируют молекулу ДНК, взаимодействуя непосредственно с ней. Этим облегчаются процессы транскрипции. На рис. 83 представлено примерную схему регуляции транскрипции белками хроматина. Третий тип регуляторов транскрипции - это молекулы, так называемой векторной РНК, которая находится в ядре, не оставляя его в комплексе с белком в виде рибонуклеопротеину (РНП), который может избирательно включать гены путем комплементарной взаимодействия с акцепте-Торн участками транскриптонив. Гистоны, негистонови белки и векторная РНК неравномерно распределены вдоль полинуклеотидных цепей ДНК хроматина. Отдельные участки остаются свободными. Все это обусловливает 6 разную степень Состояние ДНК розрепресованости у прокариот отдельных отличается участков по ДНК. сравнению с эукариотической клетки. В бактериальной клетке ДНК находится в относительно свободной форме. В эукариотических организмов широко распространенная регуляция активности генов особыми сигнальными веществами, которые вырабатываются другими клетками. Примерами таких сигнальных соединений могут быть гормоны, которые действуют на клетки-мишени (см. Гормоны), нейромедиаторы, биогенные амины. Например, индукторами могут быть некоторые стероидные гормоны, тироксин, которые легко проходят клеточную мембрану, образуют в цитоплазме клетки комплексы со специфическими белками- рецепторами, изменяя их конформацию. В активированной форме гормон-рецепторный комплекс проникает в ядро, где, связываясь с регуляторными белками хроматина (гистоны, НГБ) или ДНК, способствуют их модификации благодаря или прямом связыванию с ними, или активации ферментов, осуществляющих фосфорилирование, ацетилирование , метилирования, регулируя при этом транскрипцию «своих» генов и синтез специфических белков. Любой из этих механизмов облегчает связывание РНК-полимеразы с промотором и обеспечивает образование пре-мРНК, а затем - и белка. Многие гормоны (адреналин, глюкагон и др.). Сочетаются с рецепторами мембран клеток и влияют на синтез белка через систему цАМФ-протеинкиназы, а следовательно, на процесс фосфорилирования различных белков, в том числе и хроматиновыми. Фосфорилирования белков хроматина влияет на экспрессию генов, контролируя тем самым скорость синтеза ферментов и других белков. После прекращения действия индуктора происходит отщепление модифицирующих групп от гистонов и они, снова соединяясь с ДНК, прекращают транскрипцию. НГБ испытывают таких же изменений. В эукариот, в 7 отличие от прокариот, блокада транскрипции не означает еще прекращения биосинтеза белка, поскольку мРНК, образующиеся стабильные и дольше существуют, что позволяет использовать их как матрицу для синтеза белка на рибосомах и после того, как образование новых мРНК при транскрипции уже заблокированы. Регуляция на уровне трансляции возможна благодаря действию регуляторов на различные белковые факторы, которые контролируют в рибосомах различные этапы трансляции, и на разные функциональные участки рибосом Таким образом, пути регуляции биосинтеза белка в эукариотических многочисленные и взаимосвязаны. Но конкретные молекулярные механизмы этой регуляции еще изучаются. 2 Регуляция биосинтеза белка прокариот Белковый синтез в клетках прокариот организован в принципе так же, как у эукариот. Однако есть ряд отличий. Так, речь идет о меньших размерах рибосомы (70S) и строящих ее субъединиц (50S и 30S). Основу большой субъединицы прокариотической рибосомы составляют молекулы рРНК двух (отсутствует 5S рРНК), а не трех разных типов. Количество рибосомальных белков меньше — З4 в большой и 21 в малой субъединице. Некоторые различия существуют в наборе белковых факторов инициации, элонгации и терминации трансляции. Определенные заслуживают особенности специального биосинтеза внимания. Для белков у прокариот прокариот характерен полицистронный формат, в соответствии с которым образование конкретных пептидов жестко сопряжено во времени, т.е. происходит одним блоком (оперон) с группы генов (цистронов), контролирующих образование белков, ответственных за необходимые стадии (стороны) одного функциональнометаболического пути или цикла. Так, лактозный оперон (lac-оперон) микроорганизма кишечной палочки (E. coli), дающий бактерии возможность 8 при отсутствии глюкозы утилизировать лактозу (молочный сахар), имеет три цистрона (гена). Их одновременные активация и экспрессия (транскрипция и трансляция) необходимы в силу того, что один из цистронов контролирует образование ключевого фермента β- галактозидазы, катализирующего гидролиз β-галактозида лактозы до глюкозы и галактозы, второй — образование транспортного белка βгалактозидпермеазы, обеспечивающего проникновение лактозы в микробную клетку, третий — синтез белка галактозидтрансацетилазы, защищающего бактерию от не метаболизирующихся, потенциально токсичных β-галактозидов. Каждая из образующихся вследствие транскрипции блока взаимосвязанных цистронов (генов) и(м)РНК имеет собственный инициирующий трансляцию участок и кодонтерминатор. В качестве инициирующего участка выступает находящаяся на 5′-конце нуклеотидная последовательность ШайнаДальгарно, связывающаяся с 16S-рРНК малой субъединицы. Эта последовательность отсутствует у эукариот, у которых соответствующую роль выполняет, по-видимому, «кэпированный» метилированным гуаниновым нуклеотидом участок нетранслируемой 5′-последовательности и(м)РНК. После присоединения этим участком известных белков осуществляется связь и(м)РНК и малой (40S) субъединицы транскрибируемые бактериальной и далее рибосомы. транслируемые в Одновременно белки цистроны составляют единый функционально-генетический блок — оперон с единым механизмом регуляции, поскольку выпадение синтеза хотя бы одного белка делает всю ситуацию функционально бессмысленной. Полицистронный функций формат характеризует генетического синтез так обеспечения называемых клеточных индуцируемых (индуцибильных) белков, прежде всего ферментов, непременным условием образования которых клеткой должно быть наличие 9 соответствующего субстрата (в рассмотренном примере молочный сахар). В инициации трансляции у прокариот участвует химически модифицированный метионин — формилметионин. Функциональный резон этого события неясен. У прокариот имеет место сопряжение транскрипции и трансляции. В частности, трансляция у них осуществляется на фрагментах и(м)РНК без утраты их связи с ДНК, т.е. при идущей транскрипции. Белокобразующий комплекс прокариот, таким образом, представлен кольцевой молекулой ДНК, перемещающейся по ней РНК-полимеразой, фрагментом синтезируемой и(м)РНК, продвигающимися по этому фрагменту рибосомами, строящимся пептидом. 1. Регуляция происходит только на уровне транскрипции. Первичные транскрипты генов у них транслируются до завершения транскрипции. 2. Неоднородность ГЕНОМОВ. В геноме есть структурные гены и есть регуляторные области, которые могут включать регуляторные элементы и регуляторные гены. Структурные гены кодируют синтез структурных и функциональных белков. Регуляторные элементы не кодируют синтез белков вообще, но влияют на процесс транскрипции. Регуляторными элементами являются: - ПРОМОТОР - место прикрепления к ДНК РНК-ПОЛИМЕР АЗЫ, ОПЕРАТОР - место взаимодействия регуляторных белков с ДНК. Регуляторные гены кодируют синтез регуляторных белков. К ним относится белок -РЕПРЕССОР, который Может блокировать считывание информации, связываясь с оператором. Фрагмент ДНК, подверженный транскрипции называется ОПЕРОН (ПРОМОТОР, ОПЕРАТОР, структурный ген). За пределами ОПЕРОНА находятся гены-регуляторы, кодирующие синтез белка - РЕПРЕССОРА. 3. Регуляция биосинтеза белков у ПРОКАРИОТ протекает альтернативно путём репрессии и индукции. ПРИМЕР: ЛАКТОЗНЫЙ ОПЕРОН. В микробной клетке лактоза с помощью лактазы расщепляется до галактозы и глюкозы. Лактозный 10 ОПЕРОН регулирует синтез лактазы. Если в среде присутствует лактоза, то БЕЛОК-РЕПРЕССОР вытесняется из связи с оператором и гены лактазы транскрибируются. Лактоза выступает индуктором. Гистидиновый оперон. В отсутствие гистидина белок-репрессор не имеет сродства к оператору, РНК-полимераза присоединяется к промотору, и происходит транскрипция 10 структурных генов, кодирующих строение ферментов, участвующих в синтезе гистидина; в присутствии гистидина в среде комплекс белка-репрессора с Гис, связывается с оператором, препятствует присоединению РНК- полимеразы к промотору и останавливает транскрипцию. 11 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Все многоклеточные организмы, в том числе и человек, построены из клеток разнообразных типов. Различия между ними обусловлены главным образом тем, что они синтезируют свой набор белков. В то же время в ядрах всех, за небольшим исключением, клеток содержится полный набор последовательностей ДНК, характерный для вида. Следовательно, набор специфических белков обусловлен изменением набора экспрессируемых генов. Спектр функционирующих генов зависит от тканевой принадлежности клетки, от периода ее жизненного цикла, от стадии индивидуального развития организма. Контроль синтеза специфических белков осуществляется на всех уровнях экспрессии генетической информации: транскрипции, трансляции, транспорта, процессинга, посттрансляционной модификации и других. Все механизмы регуляции биосинтеза белка лежат в основе дифференцировки клеток. 12 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Спирин, А. С. Молекулярная биология: рибосомы и биосинтез белка: учебник для студ. высш. проф. образования/ А. С. Спирин. – М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 496 с. 2. Биосинтез белков. (Электронный ресурс) / Регуляция биосинтеза белка у прокариот. [Режим доступа] (Дата https://studfile.net/preview/6066221/page:13/ - обращения: 29.11.2023). 3. ресурс) Регуляция биосинтеза белка у эукариот. (Электронный / Мир науки. [Режим доступа] - https://worldofscience.ru/biologija/6647-regulyatsiya-biosinteza-belkov-ueukariot.html (Дата обращения: 29.11.2023). 13