§ 34. Регуляция транскрипции и трансляции в клетке и организме

Вопрос 1. Почему в отдельной клетке многоклеточного организма используется только часть генов?

В различных клетках какого — либо организма «работает» только часть генов, т.к. каждой клетке необходимо синтезировать различные белки, в зависимости от функций, выполняемых определенной клеткой. Например, зачем гепатоциту актин и миозин, которые синтезируются в клетках мышц?

Вопрос 2. Из скольких видов аминокислот состоят белки?

В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот.

Вопрос 3. У каких организмов генотип включает одну молекулу ДНК?

Прокариоты и вирусы содержат только одну молекулу ДНК, участки которой кодируют макромолекулы.

Вопрос 4. Что такое генетический код?

Генетический код — свойственный всем живым организмам способ кодирования последовательности аминокислотных остатков в составе белков при помощи последовательности нуклеотидов в составе нуклеиновой кислоты.

Вопрос 5. Чем определяется специфичность каждого организма?

Одна из самых замечательных особенностей жизни состоит в том, что все живые существа характеризуются общностью строения клеток и происходящих в них процессов. Однако они имеют и очень много различий. Даже особи одного вида различаются по некоторым свойствам и признакам: морфологическим, физиологическим, биохимическим. В конечном счете сходство и различие организмов определяется набором белков. Каждый вид растений и животных имеет особый, только ему присущий набор белков, т. е. белки являются основой видовой специфичности. Некоторые белки, выполняющие одинаковые функции, могут иметь одинаковое строение у разных видов. Например, инсулин — гормон поджелудочной железы, регулирующий количество сахара в крови, одинаков у собаки и у человека. Однако многие белки, выполняя одну и ту же функцию, несколько отличаются по строению у разных представителей одного и того же вида. Примером могут служить белки групп крови у человека. Такое разнообразие белков обусловливает индивидуальную специфичность организмов. На земле нет двух людей, у которых все белки были бы одинаковыми. Известно, что в эритроцитах (красных кровяных клетках дисковидной формы) содержится гемоглобин, который доставляет кислород ко всем клеткам тела. Гемоглобин состоит из железосодержащего пигмента — гема и белка — глобина.

При изучении структуры гемоглобина эритроцитов крови человека обнаружили, что каждая белковая молекула состоит из четырех полипептидных цепей (2 альфа и 2 бета — цепи). Установив первичную структуру белка, т. е. последовательность аминокислот в каждой цепи, выяснили также, с помощью каких связей между R — группами (радикалами аминокислот) образуется его третичная и четвертичная структура. Все здоровые люди имеют гемоглобин с одинаковой первичной и пространственной структурой. У людей, страдающих серповидноклеточной анемией — тяжелым наследственным заболеванием, эритроциты похожи не на диски, как обычно, а на серпы. Такое изменение формы клеток происходит из — за отличия первичной структуры гемоглобина у больных людей. В беа — цепи нормального гемоглобина на шестом месте от NH2 — конца стоит глутаминовая кислота. При серповидноклеточной анемии она заменена на аминокислоту валин. Из 574 аминокислот, входящих в состав гемоглобина, заменены только две (по одной в каждой бета — цепи). Но это приводит к существенному изменению третичной и четвертичной структуры белка и, как следствие, к изменению формы и нарушению функции эритроцита. Серповидные эритроциты плохо справляются со своей задачей — переносом кислорода. На этом примере мы видим, что форма и функции клеток зависят от структуры входящих в их состав белков.

Вопрос 6. Что такое оперон?

Генетической единицей механизма регуляции синтеза белков следует считать оперон, в состав которого входят один или несколько структурных генов, т. е. генов, несущих информацию о структуре иРНК, которая, в свою очередь, несет информацию о структуре белка.

Вопрос 7. Какую роль играет рецептор в регуляторном механизме клетки?

Координация синтеза белка осуществляется с помощью гормонов. Последние связываются с особыми рецепторами, расположенными или на клеточной мембране, или внутри клетки. В результате взаимодействия рецептора с гормоном в клетке активируются или, наоборот, репрессируются те или иные гены. Это приводит к кардинальному изменению характера синтеза белков в данной клетке.

Вопрос 8. Какова роль гормонов в регуляторном механизме клетки?

Регуляция работы генов координируется на уровне целого организма — главным образом при помощи гормонов. Они вырабатываются как в клетках желёз внутренней секреции, так и в клетках многих других тканей, например нервной.

Так, гормон надпочечников адреналин активирует распад гликогена до глюкозы в клетках мышц, что приводит к улучшению обеспеченности этих клеток энергией. Другой гормон, инсулин, выделяемый поджелудочной железой, напротив, способствует образованию гликогена из глюкозы и запасанию его в клетках печени. Соответственно, в каждом из приведённых примеров деятельность гормона в первую очередь заключается в активизации синтеза тех ферментов, которые катализируют либо распад гликогена, либо его образование.

Вопрос 9. Сколько генов приблизительно содержится в каждой клетке человека?

Геном человека — совокупность наследственного материала, заключенного в клетке человека. Человеческий геном состоит из 23 пар хромосом, находящихся в ядре, а также митохондриальной ДНК. Двадцать две аутосомы, две половые хромосомы Х и Y, а также митохондриальная ДНК человека содержат вместе примерно 3,1 млрд пар оснований.

В ходе выполнения проекта «Геном человека» была определена последовательность ДНК всех хромосом и митохондриальной ДНК. В настоящее время эти данные активно используются по всему миру в биомедицинских исследованиях. Полное секвенирование выявило, что человеческий геном содержит 20—25 тыс. активных генов, что значительно меньше, чем ожидалось в начале проекта (порядка 100 тыс.) — то есть только 1,5 % всего генетического материала кодирует белки или функциональные РНК. Остальная часть является некодирующей ДНК, которую часто называют мусорной ДНК.

Вопрос 10. Какие вещества в многоклеточном организме играют важнейшую роль в координации работы тысяч генов?

Гормоны, нуклеиновые кислоты, белки (белки — рецепторы; сигнальные белки — гормоны и другие вещества, осуществляющие межклеточную сигнализацию (многие из них, хотя далеко не все, являются белками или пептидами); регуляторные белки).

Вопрос 11. Используя ключевые слова параграфа, постройте основу схемы (ментальной карты), отражающей суть процесса регуляции биосинтеза белка.

Вопрос 12. Что произойдет, если у гена повредится промотор? Ответ обоснуйте.

Скорее всего, транскрипция перестанет происходить. РНК — полимераза не сможет узнавать место начала и направление транскрипции, а также не будет понятно какая из двух цепей ДНК будет служить матрицей для синтеза РНК. Если нет транскрипции, то нет трансляции, что вызовет нехватку белков в клетке. Т.о. клетка может погибнуть.

Вопрос 13. Что произошло бы с организмом, если бы не существовало процесса регуляции биосинтеза белка?

Скорее всего, организм бы беспорядочно производил белки. Ускорение, замедление, прекращение синтеза белков имело бы хаотичный характер. Они были бы в избытке, или их не хватало, что негативно сказывалось бы на организме.

Вопрос 14. Может ли существовать клетка, не способная к самостоятельному синтезу веществ?

В процессе жизнедеятельности органические вещества клетки постепенно разрушаются, особенно это касается белков — обязательных компонентов мембранных структур. Поэтому в период активного функционирования каждая клетка обязательно должна самостоятельно синтезировать необходимые ей вещества. Тем не менее, существование клетки, неспособной к самостоятельному синтезу веществ, возможно. Это специализированные клетки, например эритроциты. Эти клетки в зрелом состоянии живут ограниченное время (у человека — около 120 суток) и отмирают по мере старения.

Вопрос 15. Обсудите с одноклассниками, каким образом можно использовать информацию о регуляции транскрипции у прокариотов для борьбы с болезнетворными бактериями.

Нужно создавать препараты, которые бы изменяли структуру или как — то влияли на промотор болезнетворных бактерий. Или придумывать препараты, стимулирующие выработку у таких бактерий белка — репрессора.