ploče
Biologija regulatornih proteina. Regulacijska funkcija proteina

Biologija regulatornih proteina. Regulacijska funkcija proteina

Plan:

1 Proteini uključeni u međustaničnu signalizaciju
2 proteini receptori
3 Intracelularni regulatorni proteini
- 3.1 Proteini regulatori transkripcije
- 3.2 Čimbenici translacijske regulacije
- 3.3 faktori regulacije spajanja
- 3.4 Protein kinaze i protein fosfataze

Uvod

Regulacijska funkcija proteina— provođenje proteinima regulacije procesa u stanici ili organizmu, što je povezano s njihovom sposobnošću primanja i prijenosa informacija. Djelovanje regulatornih proteina je reverzibilno i, u pravilu, zahtijeva prisutnost liganda. Konstantno se otkriva sve više i više novih regulacijskih proteina, od kojih je trenutno vjerojatno poznat samo mali dio.

Postoji nekoliko vrsta proteina koji imaju regulatornu funkciju:

proteini - receptori koji percipiraju signal
signalni proteini - hormoni i druge tvari koje provode međustaničnu signalizaciju (mnogi, iako ne svi, su proteini ili peptidi)
regulacijski proteini koji reguliraju mnoge procese unutar stanica.

1. Proteini uključeni u međustaničnu signalizaciju

Hormonski proteini (i drugi proteini uključeni u međustaničnu signalizaciju) utječu na metabolizam i druge fiziološke procese.

Hormoni- tvari koje nastaju u endokrinim žlijezdama, prenose se krvlju i nose informacijski signal. Hormoni se šire nasumično i djeluju samo na one stanice koje imaju odgovarajuće receptorske proteine. Hormoni se vežu za specifične receptore. Hormoni obično reguliraju spore procese, na primjer, rast pojedinih tkiva i razvoj tijela, ali postoje iznimke: na primjer, adrenalin (vidi članak adrenalin) je hormon stresa, derivat aminokiselina. Oslobađa se kada živčani impuls djeluje na srž nadbubrežne žlijezde.Istodobno, srce počinje kucati češće, krvni tlak raste i javljaju se drugi odgovori. Djeluje i na jetru (razgrađuje glikogen). Glukoza se otpušta u krv, a mozak i mišići je koriste kao izvor energije.

2. Proteini receptori

Proteini receptori također se mogu pripisati proteinima s regulatornom funkcijom. Membranski proteini - receptori prenose signal s površine stanice prema unutra, transformirajući ga. Oni reguliraju stanične funkcije tako što se vežu za ligand koji je "sjeo" na ovaj receptor izvan stanice; kao rezultat, aktivira se drugi protein unutar stanice.

Većina hormona djeluje na stanicu samo ako se na njezinoj membrani nalazi određeni receptor - drugi protein ili glikoprotein. Na primjer, β2-adrenergički receptor nalazi se na membrani jetrenih stanica. Pod stresom se molekula adrenalina veže za β2-adrenergički receptor i aktivira ga. Aktivirani receptor zatim aktivira G protein, koji veže GTP. Nakon mnogih srednjih koraka transdukcije signala, dolazi do fosforolize glikogena. Receptor je izveo prvu operaciju transdukcije signala koja je dovela do razgradnje glikogena. Bez njega ne bi bilo naknadnih reakcija unutar stanice.

3. Intracelularni regulatorni proteini

Proteini reguliraju procese koji se odvijaju unutar stanica pomoću nekoliko mehanizama:

interakcije s molekulama DNA (transkripcijski faktori)
fosforilacijom (protein kinaza) ili defosforilacijom (protein fosfataza) drugih proteina
interakcijom s ribosomom ili molekulama RNA (faktori regulacije translacije)
učinci na proces uklanjanja introna (regulacijski čimbenici spajanja)
utjecaj na brzinu raspadanja drugih proteina (ubikvitina i dr.)

3.1. Proteini regulatori transkripcije

faktor transkripcije- ovo je protein koji, ulazeći u jezgru, regulira transkripciju DNA, odnosno čitanje informacija s DNA na mRNA (sinteza mRNA prema DNA šabloni). Neki faktori transkripcije mijenjaju strukturu kromatina, čineći ga dostupnijim RNA polimerazama. Postoje različiti pomoćni faktori transkripcije koji stvaraju željenu konformaciju DNK za naknadno djelovanje drugih faktora transkripcije. Druga skupina transkripcijskih čimbenika su oni čimbenici koji se ne vežu izravno na molekule DNA, već se pomoću interakcija protein-protein spajaju u složenije komplekse.

3.2. Čimbenici translacijske regulacije

Emitiranje- sinteza polipeptidnih lanaca proteina prema uzorku mRNA, koju izvode ribosomi. Prijevod se može regulirati na nekoliko načina, uključujući i uz pomoć represorskih proteina koji se vežu na mRNA. Postoje mnogi slučajevi gdje je represor protein kodiran ovom mRNA. U tom slučaju dolazi do povratne regulacije (primjer toga je represija sinteze enzima treonil-tRNA sintetaze).

3.3. faktori regulacije spajanja

Unutar eukariotskih gena postoje regije koje ne kodiraju aminokiseline. Ove regije se nazivaju introni. Prvo se transkribiraju u pre-mRNA tijekom transkripcije, ali zatim ih izrezuje poseban enzim. Ovaj proces uklanjanja introna, a zatim naknadno spajanje krajeva preostalih dijelova naziva se spajanje (crosslinking, splicing). Spajanje se provodi pomoću malih RNA, obično povezanih s proteinima, koji se nazivaju regulatorni faktori spajanja. Spajanje uključuje proteine s enzimskom aktivnošću. Oni daju pre-mRNA željenu konformaciju. Za sastavljanje kompleksa (spliceosoma) potrebno je utrošiti energiju u obliku cijepajućih ATP molekula, stoga ovaj kompleks sadrži proteine s ATPaznom aktivnošću.

Postoji alternativno spajanje. Značajke spajanja određuju proteini koji se mogu vezati na molekulu RNA u regijama introna ili područjima na granici egzon-intron. Ovi proteini mogu spriječiti uklanjanje nekih introna i istovremeno pospješiti izrezivanje drugih. Ciljana regulacija spajanja može imati značajne biološke implikacije. Na primjer, kod vinske mušice Drosophila, alternativno spajanje je u osnovi mehanizma određivanja spola.

3.4. Protein kinaze i protein fosfataze

Najvažniju ulogu u regulaciji unutarstaničnih procesa imaju protein kinaze – enzimi koji aktiviraju ili inhibiraju aktivnost drugih proteina tako što na njih vežu fosfatne skupine.

Protein kinaze reguliraju aktivnost drugih proteina fosforilacijom – adicijom ostataka fosforne kiseline na aminokiselinske ostatke koji imaju hidroksilne skupine. Fosforilacija obično mijenja funkcioniranje proteina, kao što je enzimska aktivnost, kao i položaj proteina u stanici.

Postoje i proteinske fosfataze – proteini koji odcjepljuju fosfatne skupine. Protein kinaze i protein fosfataze reguliraju metabolizam kao i signalizaciju unutar stanice. Fosforilacija i defosforilacija proteina jedan je od glavnih mehanizama regulacije većine unutarstaničnih procesa.

Ciklus aktivacije G-proteina pod djelovanjem receptora.

preuzimanje datoteka
Ovaj se sažetak temelji na članku s ruske Wikipedije. Sinkronizacija završena 07/18/11 07:59:14
Slični sažeci:

REGULATORNI PROTEINI

(od lat. regulo - dovesti u red, prilagoditi), skupina proteina koji sudjeluju u regulaciji razgrad. biokem. procesima. Važna skupina R. b., ovaj je članak posvećen Krimu, su proteini koji su u interakciji s DNA i kontroliraju ekspresiju gena (ekspresija gena u znakovima i svojstvima tijela). Velika većina takvih R. bi. djeluje na razini transkripcije(sinteza messenger RNA, ili mRNA, na šabloni DNA) i odgovoran je za aktivaciju ili represiju (supresiju) sinteze mRNA (respektivno, proteina aktivatora i proteina represora).

Poznato ca. 10 represora. Naib. proučavani među njima su prokariotski represori (bakterije, modrozelene alge), koji reguliraju sintezu enzima uključenih u metabolizam laktoze (lac-represor) u Escherichia coli (E. coli), te bakteriofag A represor. Njihovo se djelovanje ostvaruje vezanjem na specifične. dijelova DNA (operatora) odgovarajućih gena i blokiranje inicijacije transkripcije mRNA koju kodiraju ti geni.

Represor je obično dimer dva identična polipeptidna lanca orijentirana u međusobno suprotnim smjerovima. Represori fizički ometaju RNA polimeraza pridružiti DNA u promotorskoj regiji (vezno mjesto enzima RNA polimeraze ovisne o DNA koji katalizira sintezu mRNA na DNA šabloni) i započeti sintezu mRNA. Pretpostavlja se da represor samo sprječava početak transkripcije i ne utječe na elongaciju mRNA.

Represor može kontrolirati sintezu na - l. jedan protein ili više proteina čija je ekspresija koordinirana. U pravilu, oni služe jednom metaboliku. staza; njihovi geni su dio jednog operona (skup međusobno povezanih gena i susjednih regulatornih regija).

Mn. represori mogu postojati u aktivnom i neaktivnom obliku, ovisno o tome jesu li ili ne povezani s induktorima ili korepresorima (odnosno, supstratima u čijoj se prisutnosti specifično povećava ili smanjuje brzina sinteze određenog enzima; vidi. Regulatori enzima); ove interakcije imaju nekovalentnu prirodu.

Za učinkovitu ekspresiju gena potrebno je ne samo da induktor inaktivira represor, već i da se specifični realizira. pozitivan signal uključivanja, koji posreduje R. b., radeći "u paru" s cikličkim. adenozin monofosfat (cAMP). Potonji je povezan sa specifičnim R. b. (tzv. CAP protein-aktivator katabolitnih gena, odnosno aktivator proteinskog katabolizma-BAC). Ovo je dimer s molom. m. 45 000. Nakon vezanja na cAMP stječe sposobnost vezanja na specifične. regije na DNA, naglo povećavajući učinkovitost transkripcije gena odgovarajućeg operona. Istodobno, CAP ne utječe na brzinu rasta lanca mRNA, ali kontrolira stupanj inicijacije transkripcije - vezanje RNA polimeraze na promotor. Za razliku od represora, CAP (u kompleksu s cAMP) olakšava vezanje RNA polimeraze na DNA i čini inicijaciju transkripcije učestalijom. Mjesto pričvršćivanja CAP-a na DNA naliježe izravno na promotor sa strane suprotne od one na kojoj je operator lokaliziran.

Pozitivna regulacija (npr. E. coli lac operon) može se opisati pojednostavljenom shemom: smanjenjem koncentracije glukoze (glavnog izvora ugljika) raste cAMP koji se veže na SAR, a nastali kompleks na lac promotor . Kao rezultat toga, stimulira se vezanje RNA polimeraze na promotor i povećava se brzina transkripcije gena, to-rye kodiraju, omogućujući stanici da se prebaci na korištenje drugog izvora ugljika-laktoze. Postoje i drugi posebni R. b. (npr. protein C), čije je funkcioniranje opisano složenijom shemom; oni kontroliraju uzak raspon gena i mogu djelovati i kao represori i kao aktivatori.

Represori i aktivatori specifični za operon ne utječu na specifičnost same RNA polimeraze. Ova posljednja razina regulacije ostvaruje se u slučajevima koji uključuju massir. promjena u spektru eksprimiranih gena. Dakle, u E. coli, geni koji kodiraju toplinski šok, koji se izražavaju u nizu stresnih stanja stanice, čitaju se pomoću RNA polimeraze samo kada je poseban R. b.-t uključen u njegovu klasu. nazvao faktor s 32 . Cijela obitelj ovih R. b. (s-faktori) koji mijenjaju specifičnost promotora RNA polimeraze pronađeni su u bacilima i drugim bakterijama.

Dr. R.-ova sorta b. mijenja katalizator Saint-va RNA polimeraza (tzv. antiterminatorski proteini). Dakle, u bakteriofagu X poznata su dva takva proteina koji modificiraju RNA polimerazu tako da ne posluša stanične signale završetka (kraja) transkripcije (ovo je neophodno za aktivnu ekspresiju fagnih gena).

Opća shema genetskog kontrola, uključujući funkcioniranje R. b., također je primjenjiva na bakterije i eukariotske stanice (svi organizmi, s izuzetkom bakterija i modrozelenih algi).

Eukariotski stanice odgovaraju na ekst. signale (za njih, na primjer,) u načelu, na isti način kao što bakterijske stanice reagiraju na promjene u koncentraciji hranjivih tvari. u-u u okoliš, tj. reverzibilnom represijom ili aktivacijom (derepresijom) pojedinih gena. Istodobno, R. b., istodobno kontrolirajući veliki broj gena, mogu se koristiti u razgrad. kombinacije. Slična kombinirana genetika regulacija može osigurati diferencijaciju. razvoj cjelokupnog složenog višestaničnog organizma zahvaljujući međudjelovanju. relativno mali broj ključeva R. b.

U sustavu regulacije aktivnosti gena u eukariota postoji dodatak. razina odsutna u bakterijama, naime, translacija svih nukleosoma (podjedinica koje se ponavljaju kromatin), koji su dio transkripcijske jedinice, u aktivni (dekondenzirani) oblik u onim stanicama gdje bi ovaj trebao biti funkcionalno aktivan. Pretpostavlja se da je ovdje uključen skup specifičnih R. b. koji nemaju analoga u prokariota. Oni ne prepoznaju samo specifičnosti. dijelovima kromatina (ili. DNA), ali također uzrokuju određene strukturne promjene u susjednim područjima. R., slično aktivatorima i represorima bakterija, čini se da sudjeluju u regulaciji naknadne transkripcije pojedinih gena u područjima aktivira. kromatin.

Ekstenzivni razred R. b. eukariota- receptorski proteini steroidni hormoni.

Aminokiselinska sekvenca R. b. takozvani kodirani. regulatorni geni. Mutacijska inaktivacija represora dovodi do nekontrolirane sinteze mRNA, a posljedično i određenog proteina (kao rezultat prijevod- sinteza proteina na mRNA šabloni). Takvi se organizmi nazivaju konstitutivni mutanti. Gubitak aktivatora rezultira stalnim smanjenjem sinteze reguliranog proteina.

Lit.: Strayer L., Biokemija, trans. s engleskog, vol. 3, M., 1985, str. 112-25 (prikaz, ostalo).

P. L. Ivanov.

Kemijska enciklopedija. - M.: Sovjetska enciklopedija. ur. I. L. Knunyants. 1988 .

Pogledajte što su "REGULATORNI PROTEINI" u drugim rječnicima:

vjeverice- specifično za pufove Heterogena skupina nuklearnih proteina uključenih u proces aktivacije gena u pufovima politenskih kromosoma; ti proteini uključuju prave faktore transkripcije (RNA polimeraza II, regulatorne proteine itd.), kao i niz ... ... Tehnički prevoditeljski priručnik

Puff specifični proteini- Proteini specifični za puffs * puff specifični proteini * puff specifični proteini su heterogena skupina nuklearnih proteina uključenih u proces aktivacije gena u puffs politenskih kromosoma. Ovi proteini su enzimi koji...

Ovaj pojam ima i druga značenja, pogledajte Proteini (značenja). Proteini (proteini, polipeptidi) velike molekularne težine organska tvar, koji se sastoji od alfa aminokiselina povezanih u lanac peptidnom vezom. U živim organizmima ... ... Wikipedia

Vysokomol. prirodni polimeri građeni od aminokiselinskih ostataka povezanih amidnom (peptidnom) vezom hSOCHNHCH. Svaki B. karakterizira specifičnost. slijed aminokiselina i pojedinačni prostori, struktura (konformacija). Na…… Kemijska enciklopedija

PROTEINI, visokomolekularni organski spojevi, biopolimeri, građeni od 20 vrsta L a aminokiselinskih ostataka, povezanih određenim nizom u duge lance. Molekulska težina proteina varira od 5 tisuća do 1 milijun. Ime ... ... enciklopedijski rječnik

Regulacijski proteini- * Regulacijski proteini * Regulacijski proteini - proteini koji reguliraju matrične procese tako što ih vežu za regulacijske regije DNA. Proteini koji se vežu za oštećenu DNK Genetika. enciklopedijski rječnik

Proteini, organski visoke molekularne težine spojevi izgrađeni od aminokiselinskih ostataka. Imaju primarnu ulogu u životu, obavljajući brojne. funkcije u njihovoj građi, razvoju i metabolizmu. Mol. m. B. od PROTEINA ’5000 do mnogih drugih ... ...

- (Sciurus), rod vjeverica. Duljina tijelo 20 31 cm.Dobro se penju i kreću kroz drveće. Dugi (20-30 cm) čupavi rep služi kao kormilo pri skoku. U REDU. 40 vrsta, u Sjev. hemisfere i na sjever jug. Americi, u planinskim i nizinskim šumama, uključujući otoke ... ... Biološki enciklopedijski rječnik

PROTEINI, bjelančevine, makromolekularne organske. spojevi izgrađeni od aminokiselinskih ostataka. Imaju primarnu ulogu u životu svih organizama, sudjeluju u njihovoj građi, razvoju i metabolizmu. Mol. m. B. od 5000 do mn. milijun... Biološki enciklopedijski rječnik

vjeverice- bjelančevine, bjelančevine, visokomolekularne organske tvari građene od ostataka aminokiselina. Oni igraju važnu ulogu u životu svih organizama, budući da su dio njihovih stanica i tkiva i vrše katalitičke (enzime), regulatorne ... ... Poljoprivreda. Veliki enciklopedijski rječnik

Kao što su hormonski receptori ili regulatorna podjedinica protein kinaze (enzim aktiviran cAMP-om) imaju aktivnosti koje kontroliraju vezanje regulatornih liganada (tj. hormona i cAMP-a). Da bi aktivnosti proteina ove klase bile specifično regulirane ligandima, takve molekule prije svega moraju imati mjesta koja specifično (i u pravilu s visokim afinitetom) vežu ligand, što molekulama daje sposobnost razlikovanja ligandi iz drugih kemijskih spojeva. Osim toga, protein mora imati takvu strukturu da se, kao rezultat vezanja liganda, može promijeniti njegova konformacija, tj. omogućiti regulatorno djelovanje. Na primjer, kod sisavaca specifično vezanje cAMP na regulatornu podjedinicu pojedinačnih protein kinaza rezultira smanjenjem afiniteta vezanja ove podjedinice na katalitičku podjedinicu enzima. To uzrokuje disocijaciju obje proteinske podjedinice enzima. Katalitička podjedinica, oslobođena inhibitornog djelovanja regulacijske podjedinice, aktivira se i katalizira fosforilaciju proteina. Fosforilacija mijenja svojstva pojedinih proteina, što utječe na procese pod kontrolom cAMP-a.

Što se tiče skupine hormona kojoj pripada hormon rasta, djelomično je identificirana nukleotidna sekvenca mRNA koja kodira njihovu sintezu (Baxter J.D. ea, 1979.). Svaka aminokiselina zahtijeva tri nukleotida u DNA (a time i u mRNA prepisanoj iz nje). Iako određeni triplet nukleotida (kodon) odgovara danoj aminokiselini, može postojati nekoliko kodona za istu aminokiselinu. Ova "degeneracija" genetskog koda omogućuje da nukleotidne sekvence dvaju danih gena, koji određuju strukturu dvaju hormona, budu više ili manje homologne nego što se nalazi u proteinima. Dakle, ako dva proteina dijele homologiju nasumične aminokiselinske sekvence, tada sekvence nukleinske kiseline može pokazati velike razlike. Međutim, s obzirom na gene koji kodiraju sintezu hormona somatotropinske skupine, to nije slučaj; homologija sekvence nukleinske kiseline je veća od homologije sekvence aminokiseline (Baxter J.D. ea, 1979). Ljudski hormon rasta i korionski somatomamotropin, koji dijele 87% homologije sekvence aminokiselina, imaju 93% homologije sekvence nukleinske kiseline u svojim mRNA. Ljudski i štakorski hormoni rasta dijele 70% homologije sekvence aminokiselina, a njihove mRNA pokazuju 75% homologije sekvence nukleinske kiseline. U nekim regijama mRNA štakorskog hormona rasta i ljudskog korionskog somatomamotropina (mRNA dva različita hormona u dvije vrste), homologija je 85%. Dakle, samo minimalne bazne promjene u DNK uzrokuju hormonske razlike. Stoga ovi podaci podupiru zaključak da su geni za te hormone evoluirali od zajedničkog pretka. Sa stajališta navedenih ideja o simbolima i reakcijama koje oni izazivaju, značajno je da svaki od tri hormona iz ove skupine ima utjecaj na rast. Hormon rasta je faktor koji određuje linearni rast. Prolaktin ima važnu ulogu u procesima laktacije i tako osigurava rast novorođenčeta. Korionski somatomamotropin, iako njegovo fiziološko značenje nije jasno utvrđeno, može imati značajan učinak na intrauterini rast usmjeravanjem hranjivih tvari koje ulaze u majčino tijelo i utječu na rast fetusa (

Proteini uključeni u regulaciju metabolizma mogu sami služiti kao ligandi (na primjer, peptidni hormoni), tj. djelovati u interakciji s drugim proteinima, kao što su hormonski receptori, vršeći regulatorni učinak. Ostali regulatorni proteini, kao što su hormonski receptori ili regulatorna podjedinica protein kinaze (enzim aktiviran cAMP), imaju aktivnosti kontrolirane vezanjem regulatornih liganada (tj. hormona i cAMP, respektivno) (vidi Poglavlje 4). Da bi aktivnosti proteina ove klase bile specifično regulirane ligandima, takve molekule prije svega moraju imati mjesta koja specifično (i u pravilu s visokim afinitetom) vežu ligand, što molekulama daje sposobnost razlikovanja ligand iz drugih kemijskih spojeva. Osim toga, protein mora imati takvu strukturu da se, kao rezultat vezanja liganda, može promijeniti njegova konformacija, tj. omogućiti mogućnost regulacijskog djelovanja. Na primjer, kod sisavaca specifično vezanje cAMP-a na regulatornu podjedinicu određenih protein kinaza rezultira smanjenjem afiniteta vezanja ove podjedinice na katalitičku podjedinicu enzima (vidi Poglavlje 4). To uzrokuje disocijaciju obje proteinske podjedinice enzima. Katalitička podjedinica, oslobođena inhibitornog djelovanja regulacijske podjedinice, aktivira se i katalizira fosforilaciju proteina. Fosforilacija mijenja svojstva pojedinih proteina, što utječe na procese pod kontrolom cAMP-a. Interakcija steroidnih hormona s njihovim receptorima uzrokuje takve konformacijske promjene u potonjim da im daju sposobnost vezanja na staničnu jezgru (vidi Poglavlje 4). Ova interakcija također mijenja druga svojstva receptora koja su važna u posredovanju učinka steroidnih hormona na transkripciju određenih vrsta mRNA.
Da bi imali tako specijalizirane i visoko specifične funkcije, proteini su, kao rezultat evolucije gena koji određuju njihov aminokiselinski slijed, morali steći strukturu koju trenutno imaju. U nekim slučajevima, drugi geni također sudjeluju u procesu, kodirajući sintezu produkata koji modificiraju same regulatorne proteine (na primjer, glikozilacijom). Budući da se evolucija gena, očito, dogodila zbog takvih mehanizama kao što su mutacija već postojećih gena i rekombinacija dijelova različitih gena (kao što je objašnjeno), to je nametnulo određena ograničenja na evoluciju proteina. S evolucijske točke gledišta, vjerojatno bi bilo lakše modificirati postojeće strukture nego stvoriti potpuno nove gene. U tom smislu, postojanje određene homologije u aminokiselinskim sekvencama različitih proteina možda nije neočekivano, budući da su njihovi geni mogli nastati kao rezultat evolucije zajedničkih prekursora. Budući da su, kao što je gore navedeno, proteinske regije prilagođene za vezanje regulatornih liganda, kao što su cAMP i steroidi ili njihovi analozi, već morale postojati u vrijeme kada su se ti ligandi pojavili, lako je zamisliti kako modifikacija gena takvih proteina može dovesti do sinteza drugih proteina koji zadržavaju visoku specifičnost vezanja regulatornog liganda.
Na sl. Slika 2-2 prikazuje jednu od hipotetskih shema za evoluciju primitivne glukotransferaze u tri postojeće vrste regulatornih proteina: bakterijski cAMP-vezujući protein (CAP ili CRP), koji regulira transkripciju nekoliko gena koji kodiraju enzime koji su uključeni u metabolizam laktoze. , kao i cAMP-vezujući protein kod sisavaca koji regulira aktivnost cAMP-ovisne protein kinaze, koja posreduje u djelovanju cAMP-a kod ljudi (vidi Poglavlje 4), i adenilat ciklaze (vidi Poglavlje 4). S obzirom na bakterijski protein i kinazu, ATP-vezna mjesta primitivne glukokinaze su evoluirala prema stjecanju veće specifičnosti vezanja cAMP. Bakterijski protein također je dobio dodatnu sposobnost vezanja polinukleotida (DNA). Evolucija kinaze uključuje stjecanje sposobnosti glukofosfotransferaze da fosforilira proteine. Konačno, adenilat ciklaza se također može formirati iz glukokinaze zamjenom funkcije stvaranja ADP onom koja stvara cAMP. Ovi zaključci ne mogu nego biti čisto hipotetski; usprkos tome, oni pokazuju kako se mogla odvijati molekularna evolucija nabrojanih regulatornih proteina.

Riža. 2-2. Predloženo porijeklo cAMP-ovisne protein kinaze, adenilat ciklaze i bakterijskog cAMP-vezujućeg regulatornog proteina (Baxter, MacLeod).
Iako nedostaju mnogi detalji u slici evolucije proteina, trenutačno dostupni podaci o strukturi proteina i gena pružaju neku osnovu za analizu pitanja jesu li geni nekih polipeptidnih hormona nastali od zajedničkog gena prekursora. Pojedinačni polipeptidni hormoni mogu se grupirati prema njihovoj strukturnoj sličnosti. Nema ničeg iznenađujućeg u činjenici da hormoni koji pripadaju istoj skupini mogu imati slične fiziološke učinke uzrokovane njima, kao i sličan mehanizam djelovanja. Dakle, hormon rasta (GH), prolaktin i korionski somatomamotropin (placentarni laktogen) karakteriziraju visok stupanj homologija aminokiselinske sekvence. Glikoproteinski hormoni - tireotropni hormon (TSH), humani korionski gonadotropin (hCG), folikulostimulirajući (FSH) i luteinizirajući (LH) hormoni - sastoje se od dvije podjedinice, od kojih je jedna (A-lanac) identična ili gotovo identična za svi hormoni date skupine. Aminokiselinska sekvenca B podjedinica u različitim hormonima, iako nije identična, ima strukturnu homologiju. Upravo te razlike u B-lancima vjerojatno su od odlučujuće važnosti za prenošenje specifičnosti interakcije svakog hormona s njegovim ciljnim tkivom. Inzulin pokazuje neke strukturne analoge i dijeli biološku aktivnost s drugim čimbenicima rasta kao što su somatomedin i nesuprimirana aktivnost slična inzulinu (NIPA).
Što se tiče skupine hormona kojoj pripada hormon rasta, djelomično je razjašnjena nukleotidna sekvenca mRNA koja kodira njihovu sintezu. Svaka aminokiselina zahtijeva tri nukleotida u DNA (a time i u mRNA prepisanoj iz nje). Iako ovaj triplet nukleotida; (kodon) odgovara ovoj određenoj aminokiselini, može postojati nekoliko kodona za istu aminokiselinu. Takva "degeneracija" genetskog koda omogućuje da nukleotidne sekvence dvaju zadanih gena, koji određuju strukturu dvaju hormona, budu više ili manje homologne nego što se nalazi u proteinima. Dakle, ako dva proteina dijele homologiju nasumične sekvence aminokiselina, tada bi sekvence nukleinske kiseline mogle pokazati velike razlike. Međutim, s obzirom na gene koji kodiraju sintezu hormona somatotropinske skupine, to nije slučaj; homologija sekvence nukleinske kiseline veća je od homologije sekvence aminokiseline. Ljudski hormon rasta i ljudski korionski somatomamotropin, koji dijele 87% homologije sekvence aminokiselina, imaju 93% homologije sekvence nukleinske kiseline u svojim mRNA. Ljudski i štakorski hormoni rasta dijele 70% homologije sekvence aminokiselina, a njihove mRNA pokazuju 75% homologije sekvence nukleinske kiseline. U nekim regijama mRNA štakorskog hormona rasta i ljudskog korionskog somatomamotropina (mRNA dva različita hormona u dvije biološke vrste), homologija je 85% (Sl. 2-3). Dakle, samo minimalne bazne promjene u DNK uzrokuju hormonske razlike. Stoga ovi podaci podupiru zaključak da su geni za te hormone evoluirali od zajedničkog pretka. Sa stajališta gornjih ideja o simbolima i reakcijama koje oni izazivaju, značajno je da svaki od tri hormona ove skupine ima učinak na rast (vidi dolje). Hormon rasta je faktor koji određuje linearni rast. Prolaktin ima važnu ulogu u procesima laktacije i tako osigurava rast novorođenčeta. Korionski somatomamotropin, iako njegovo fiziološko značenje nije točno utvrđeno, može značajno utjecati na intrauterini rast, usmjeravajući hranjive tvari koje ulaze u majčin organizam na rast fetusa.

Riža. 2-3. Homologija sekvenci aminokiselina (AA) u štakorskom hormonu rasta (GRH) i ljudskom korionskom somatomamotropinu (humani placentni laktogen, PLC) i sekvenci nukleinskih kiselina u messenger RNA koja kodira sintezu ova dva hormona. Nazivi aminokiselina su skraćeni, kao i nazivi nukleinskih kiselina. Prikazana je regija koja odgovara aminokiselinskoj sekvenci 134-149. Nehomologne nukleinske kiseline i aminokiseline su podcrtane (Baxter et al.). U - uridin, C - citozin, A - adenozin, G - gvanozin.

Rad gena u svakom organizmu - prokariotskom, eukariotskom, jednostaničnom ili višestaničnom - kontroliran je i usklađen.

Različiti geni imaju različitu vremensku aktivnost. Neke od njih karakterizira stalna aktivnost. Takvi geni odgovorni su za sintezu proteina potrebnih stanici ili organizmu tijekom cijelog života, na primjer, geni čiji produkti sudjeluju u sintezi ATP-a. Većina gena ima povremenu aktivnost, rade samo u određenim trenucima kada postoji potreba za njihovim produktima – proteinima. Geni se također razlikuju po razini aktivnosti (niska ili visoka).

Stanični proteini se dijele na regulatorne i strukturne. Regulacijski proteini sintetizirani na regulatornim genima i kontroliraju rad strukturnih gena. Strukturni geni kodiraju strukturne proteine koji obavljaju strukturne, enzimske, transportne i druge funkcije (osim regulatorne!).

Regulacija sinteze proteina provodi se u svim fazama ovog procesa: transkripciji, translaciji i posttranslacijskoj modifikaciji, bilo indukcijom ili represijom.

Regulacija aktivnosti gena u eukariotskim organizmima znatno je kompliciranija od regulacije ekspresije prokariotskih gena, što je određeno složenošću organizacije eukariotskog organizma, a posebno višestaničnog. Godine 1961. francuski znanstvenici F. Jacob, J. Monod i A. Lvov formulirali su model genetske kontrole sinteze proteina koji kataliziraju asimilaciju laktoze u stanici - koncept operona.

Operon je skupina gena koje kontrolira jedan regulatorni gen.

Regulatorni gen je gen s konstantnom niskom aktivnošću, na njemu se sintetizira represorski protein - regulatorni protein koji se može vezati za operator, inaktivirajući ga.

Operator je polazište za čitanje genetske informacije, on upravlja radom strukturnih gena.

Strukturni geni laktoznog operona sadrže informacije o enzimima uključenim u metabolizam laktoze. Stoga će laktoza poslužiti kao induktor – agens koji pokreće rad operona.

Promotor je mjesto vezanja za RNA polimerazu.

Terminator je mjesto završetka sinteze mRNA.

U nedostatku induktora, sustav ne funkcionira, budući da je represor "slobodan" od induktora - laktoza - spojen na operatera. U tom slučaju enzim RNA polimeraza ne može katalizirati proces sinteze mRNA. Ako se u stanici nalazi laktoza (induktor), ona, u interakciji s represorom, mijenja svoju strukturu, zbog čega represor oslobađa operatora. RNA polimeraza se veže na promotor, počinje sinteza mRNA (transkripcija strukturnih gena). Zatim se na ribosomima stvaraju proteini prema programu mRNA-laktoznog operona. U prokariotskim organizmima jedna molekula mRNA prepisuje informacije iz svih strukturnih gena operona, tj. Operon je transkripcijska jedinica. Transkripcija se nastavlja sve dok molekule laktoze ostaju u citoplazmi stanice. Čim stanica obradi sve molekule, represor zatvara operator i sinteza mRNA prestaje.

Dakle, sinteza mRNA i, sukladno tome, sinteza proteina mora biti strogo regulirana, budući da stanica nema dovoljno resursa za istovremenu transkripciju i translaciju svih strukturnih gena. I pro- i eukarioti konstantno sintetiziraju samo one mRNA koje su neophodne za obavljanje osnovnih staničnih funkcija Ekspresija ostalih strukturnih gena odvija se pod strogom kontrolom regulatornih sustava koji pokreću transkripciju samo kada postoji potreba za određenim proteinom (proteini ).

REGULATORNI PROTEINI (od lat. regulo - dovodim u red, prilagođavam), skupina proteina. uključeni u regulaciju razgradnje. biokem. procesima. Važna skupina regulatornih proteina, kojima je posvećen ovaj članak, su proteini koji stupaju u interakciju s DNA i kontroliraju ekspresiju gena (ekspresija gena u svojstvima i svojstvima organizma). Velika većina ovih regulatornih proteina funkcionira na razini transkripcije (sinteza glasničke RNA, ili mRNA, na šabloni DNA) i odgovorni su za aktivaciju ili represiju (supresiju) sinteze mRNA (proteini aktivatori odnosno proteini represori) .

Represor je obično dimer dva identična polipeptidna lanca orijentirana u međusobno suprotnim smjerovima. Represori fizički sprječavaju RNA polimerazu da se veže za DNA na promotorskom mjestu (mjesto vezanja enzima RNA polimeraze ovisne o DNA koji katalizira sintezu mRNA na DNA šabloni) i da započne sintezu mRNA. Pretpostavlja se da represor samo sprječava početak transkripcije i ne utječe na elongaciju mRNA.

Represor može kontrolirati sintezu na - l. jedan protein ili niz proteina. čiji je izraz usklađen. U pravilu, to su enzimi koji služe jednom metabolizmu. staza; njihovi geni su dio jednog operona (skup međusobno povezanih gena i susjednih regulatornih regija).

Mn. represori mogu postojati u aktivnim i neaktivnim oblicima, ovisno o tome jesu li ili ne povezani s induktorima ili korepresorima (odnosno, supstratima u prisutnosti kojih se brzina sinteze određenog enzima specifično povećava ili smanjuje; vidi Regulatori enzima); ove interakcije imaju nekovalentnu prirodu.

Za učinkovitu ekspresiju gena potrebno je ne samo da induktor inaktivira represor, već i da se specifični realizira. pozitivan signal uključivanja, koji je posredovan regulatornim proteinima koji rade "u paru" s cikličkim. adenozin monofosfat (cAMP). Potonji se veže na specifične regulatorne proteine (tzv. CAP-protein-aktivator katabolitnih gena, odnosno proteini. aktivator katabolizma-BAC). Ovo je dimer s molom. m. 45 000. Nakon vezanja na cAMP stječe sposobnost vezanja na specifične. regije na DNA, naglo povećavajući učinkovitost transkripcije gena odgovarajućeg operona. Istodobno, CAP ne utječe na brzinu rasta lanca mRNA, ali kontrolira stupanj inicijacije transkripcije - vezanje RNA polimeraze na promotor. Za razliku od represora, CAP (u kompleksu s cAMP) olakšava vezanje RNA polimeraze na DNA i čini inicijaciju transkripcije učestalijom. Mjesto pričvršćivanja CAP-a na DNA naliježe izravno na promotor sa strane suprotne od one na kojoj je operator lokaliziran.

Pozitivna regulacija (npr. operona E. coli lac) može se pojednostavljeno opisati: smanjenjem koncentracije glukoze (glavnog izvora ugljika) raste koncentracija cAMP-a koji se veže na CAP, a rezultirajući kompleks povećava se s lac promotorom. Kao rezultat toga, stimulira se vezanje RNA polimeraze na promotor i povećava se brzina transkripcije gena koji kodiraju enzime koji omogućuju prelazak stanice na drugi izvor ugljika, laktozu. Postoje i drugi posebni regulatorni proteini (npr. protein C), čije je djelovanje opisano složenijom shemom; oni kontroliraju uzak raspon gena i mogu djelovati i kao represori i kao aktivatori.

Represori i aktivatori specifični za operon ne utječu na specifičnost same RNA polimeraze. Ova posljednja razina regulacije ostvaruje se u slučajevima koji uključuju massir. promjena u spektru eksprimiranih gena. Dakle, u E. coli, geni koji kodiraju proteine toplinskog šoka, koji se eksprimiraju u nizu stresnih stanja stanice, čitaju se pomoću RNA polimeraze samo kada poseban regulatorni protein, tzv. faktor s32. Cijela obitelj ovih regulatornih proteina (s-faktora), koji mijenjaju specifičnost promotora RNA polimeraze, pronađena je u bacilima i drugim bakterijama.

Dr. niz regulacijskih proteina mijenja katalitički. svojstva RNA polimeraze (tzv. antiterminatorski proteini). Na primjer, u bakteriofagu X poznata su dva takva proteina koji modificiraju RNA polimerazu tako da ne posluša stanične signale završetka (kraja) transkripcije (to je neophodno za aktivnu ekspresiju fagnih gena).

Opća shema genetskog kontrola, uključujući funkcioniranje regulatornih proteina, također je primjenjiva na bakterije i eukariotske stanice (sve organizme osim bakterija i modrozelenih algi).

Eukariotski stanice odgovaraju na ekst. signale (za njih, na primjer, hormone) u načelu, na isti način kao što bakterijske stanice reagiraju na promjene u koncentraciji hranjivih tvari. tvari u okolišu, tj. reverzibilnom represijom ili aktivacijom (derepresijom) pojedinih gena. Istodobno, regulatorni proteini koji istodobno kontroliraju aktivnost velikog broja gena mogu se koristiti u dekomp. kombinacije. Slična kombinirana genetika regulacija može osigurati diferencijaciju. razvoj cjelokupnog složenog višestaničnog organizma zahvaljujući međudjelovanju. relativno malo ključnih regulatornih proteina

U sustavu regulacije aktivnosti gena u eukariota postoji dodatak. razina odsutna u bakterijama, naime, prevođenje svih nukleosoma (ponavljajućih podjedinica kromatina) koji čine transkripcijsku jedinicu u aktivni (dekondenzirani) oblik u onim stanicama gdje bi ovaj gen trebao biti funkcionalno aktivan. Pretpostavlja se da je ovdje uključen skup specifičnih regulatornih proteina koji nemaju analoga u prokariota. Ovi proteini ne samo da prepoznaju specifične dijelovima kromatina (ili. DNA), ali također uzrokuju određene strukturne promjene u susjednim područjima. Regulacijski proteini poput aktivatora i represora bakterija, očito, uključeni su u regulaciju naknadne transkripcije pojedinačnih gena u područjima activir. kromatin.

Opsežna klasa regulatornih proteina eukariotskih receptorskih proteina steroidnih hormona.

Aminokiselinska sekvenca regulacijskih proteina kodirana je tzv. regulatorni geni. Mutacijska inaktivacija represora dovodi do nekontrolirane sinteze mRNA, a posljedično i određenog proteina (kao rezultat sinteze translacijskih proteina na mRNA šabloni). Takvi se organizmi nazivaju konstitutivni mutanti. Gubitak aktivatora kao posljedica mutacije dovodi do trajnog smanjenja sinteze reguliranog proteina.