panel
Biologi protein pengatur. Fungsi pengaturan protein

Biologi protein pengatur. Fungsi pengaturan protein

Rencana:

1 Protein yang terlibat dalam pensinyalan antar sel
2 Protein reseptor
3 Protein pengatur intraseluler
- 3.1 Protein pengatur transkripsi
- 3.2 Faktor regulasi translasi
- 3.3 faktor regulasi penyambungan
- 3.4 Protein kinase dan protein fosfatase

pengantar

Fungsi pengaturan protein— implementasi oleh protein pengaturan proses dalam sel atau organisme, yang dikaitkan dengan kemampuan mereka untuk menerima dan mengirimkan informasi. Tindakan protein pengatur bersifat reversibel dan, sebagai suatu peraturan, membutuhkan keberadaan ligan. Semakin banyak protein pengatur baru yang terus-menerus ditemukan; saat ini, mungkin hanya sebagian kecil dari mereka yang diketahui.

Ada beberapa jenis protein yang melakukan fungsi pengaturan:

protein - reseptor yang menerima sinyal
protein sinyal - hormon dan zat lain yang melakukan pensinyalan antar sel (banyak, meskipun tidak semua, di antaranya adalah protein atau peptida)
protein pengatur yang mengatur banyak proses di dalam sel.

1. Protein yang terlibat dalam pensinyalan antar sel

Protein hormon (dan protein lain yang terlibat dalam pensinyalan antar sel) mempengaruhi metabolisme dan proses fisiologis lainnya.

Hormon- zat yang terbentuk di kelenjar endokrin, dibawa oleh darah dan membawa sinyal informasi. Hormon menyebar secara acak dan hanya bekerja pada sel-sel yang memiliki protein reseptor yang sesuai. Hormon berikatan dengan reseptor spesifik. Hormon biasanya mengatur proses yang lambat, misalnya, pertumbuhan jaringan individu dan perkembangan tubuh, tetapi ada pengecualian: misalnya, adrenalin (lihat artikel adrenalin) adalah hormon stres, turunan dari asam amino. Ini dilepaskan ketika impuls saraf bekerja pada medula adrenal.Pada saat yang sama, jantung mulai berdetak lebih sering, tekanan darah meningkat dan respons lain terjadi. Ini juga bekerja pada hati (memecah glikogen). Glukosa dilepaskan ke dalam darah dan digunakan oleh otak dan otot sebagai sumber energi.

2. Protein reseptor

Protein reseptor juga dapat dikaitkan dengan protein dengan fungsi pengaturan. Protein membran - reseptor mengirimkan sinyal dari permukaan sel ke dalam, mengubahnya. Mereka mengatur fungsi sel dengan mengikat ligan yang "duduk" pada reseptor ini di luar sel; akibatnya, protein lain di dalam sel diaktifkan.

Sebagian besar hormon bekerja pada sel hanya jika ada reseptor tertentu pada membrannya - protein atau glikoprotein lain. Misalnya, reseptor 2-adrenergik terletak di membran sel hati. Di bawah tekanan, molekul adrenalin mengikat reseptor 2-adrenergik dan mengaktifkannya. Reseptor yang diaktifkan kemudian mengaktifkan protein G, yang mengikat GTP. Setelah banyak langkah transduksi sinyal menengah, fosforolisis glikogen terjadi. Reseptor melakukan operasi transduksi sinyal pertama yang mengarah pada pemecahan glikogen. Tanpa itu, tidak akan ada reaksi selanjutnya di dalam sel.

3. Protein pengatur intraseluler

Protein mengatur proses yang terjadi di dalam sel menggunakan beberapa mekanisme:

interaksi dengan molekul DNA (faktor transkripsi)
oleh fosforilasi (protein kinase) atau defosforilasi (protein fosfatase) dari protein lain
dengan berinteraksi dengan ribosom atau molekul RNA (faktor regulasi translasi)
efek pada proses penghilangan intron (faktor regulasi penyambungan)
pengaruh pada laju peluruhan protein lain (ubiquitins, dll)

3.1. Protein pengatur transkripsi

faktor transkripsi- ini adalah protein yang, masuk ke dalam nukleus, mengatur transkripsi DNA, yaitu pembacaan informasi dari DNA ke mRNA (sintesis mRNA sesuai dengan templat DNA). Beberapa faktor transkripsi mengubah struktur kromatin, membuatnya lebih mudah diakses oleh RNA polimerase. Ada berbagai faktor transkripsi tambahan yang menciptakan konformasi DNA yang diinginkan untuk tindakan selanjutnya dari faktor transkripsi lainnya. Kelompok lain dari faktor transkripsi adalah faktor-faktor yang tidak mengikat langsung ke molekul DNA, tetapi digabungkan menjadi kompleks yang lebih kompleks menggunakan interaksi protein-protein.

3.2. Faktor regulasi translasi

Siaran- sintesis rantai polipeptida protein menurut cetakan mRNA, dilakukan oleh ribosom. Translasi dapat diatur dalam beberapa cara, termasuk dengan bantuan protein represor yang mengikat mRNA. Ada banyak kasus di mana penekan adalah protein yang dikodekan oleh mRNA ini. Dalam hal ini, regulasi umpan balik terjadi (contohnya adalah represi sintesis enzim treonil-tRNA sintetase).

3.3. faktor regulasi penyambungan

Dalam gen eukariotik, ada daerah yang tidak mengkode asam amino. Daerah ini disebut intron. Mereka pertama kali ditranskripsi menjadi pra-mRNA selama transkripsi, tetapi kemudian dipotong oleh enzim khusus. Proses penghilangan intron ini, dan kemudian jahitan berikutnya bersama-sama dari ujung bagian yang tersisa disebut penyambungan (crosslinking, splicing). Penyambungan dilakukan dengan menggunakan RNA kecil, biasanya terkait dengan protein, yang disebut faktor pengatur penyambungan. Penyambungan melibatkan protein dengan aktivitas enzimatik. Mereka memberikan pra-mRNA konformasi yang diinginkan. Untuk merakit kompleks (spliceosome), perlu mengkonsumsi energi dalam bentuk molekul ATP yang dapat dibelah; oleh karena itu, kompleks ini mengandung protein dengan aktivitas ATPase.

Ada splicing alternatif. Fitur splicing ditentukan oleh protein yang mampu mengikat molekul RNA di daerah intron atau daerah di perbatasan ekson-intron. Protein ini dapat mencegah penghapusan beberapa intron dan pada saat yang sama mempromosikan eksisi yang lain. Regulasi penyambungan yang ditargetkan dapat memiliki implikasi biologis yang signifikan. Misalnya, pada lalat buah Drosophila, penyambungan alternatif mendasari mekanisme penentuan jenis kelamin.

3.4. Protein kinase dan protein fosfatase

Peran paling penting dalam pengaturan proses intraseluler dimainkan oleh protein kinase - enzim yang mengaktifkan atau menghambat aktivitas protein lain dengan melampirkan gugus fosfat padanya.

Protein kinase mengatur aktivitas protein lain dengan fosforilasi - penambahan residu asam fosfat ke residu asam amino yang memiliki gugus hidroksil. Fosforilasi biasanya mengubah fungsi protein, seperti aktivitas enzimatik, serta posisi protein dalam sel.

Ada juga protein fosfatase - protein yang memotong gugus fosfat. Protein kinase dan protein fosfatase mengatur metabolisme serta memberi sinyal di dalam sel. Fosforilasi dan defosforilasi protein adalah salah satu mekanisme utama regulasi sebagian besar proses intraseluler.

Siklus aktivasi G-protein di bawah aksi reseptor.

unduh
Abstrak ini didasarkan pada sebuah artikel dari Wikipedia Rusia. Sinkronisasi selesai 18/07/11 07:59:14
Abstrak serupa:

PROTEIN REGULASI

(dari lat. regulo - menertibkan, menyesuaikan), sekelompok protein yang terlibat dalam regulasi penguraian. biokimia. proses. Kelompok penting R. b., artikel ini dikhususkan untuk Krimea, adalah protein yang berinteraksi dengan DNA dan mengontrol ekspresi gen (ekspresi gen dalam tanda dan sifat tubuh). Sebagian besar R. seperti itu akan. beroperasi pada tingkat transkripsi(sintesis messenger RNA, atau mRNA, pada template DNA) dan bertanggung jawab untuk aktivasi atau represi (penekanan) sintesis mRNA (masing-masing, protein aktivator dan protein represor).

Dikenal sekitar 10 represor. Naib. dipelajari di antaranya adalah represor prokariotik (bakteri, ganggang biru-hijau), yang mengatur sintesis enzim yang terlibat dalam metabolisme laktosa (lac-repressor) pada Escherichia coli (E. coli), dan represor bakteriofag A. Tindakan mereka diwujudkan dengan mengikat spesifik. bagian DNA (operator) dari gen yang sesuai dan menghalangi inisiasi transkripsi mRNA yang dikodekan oleh gen ini.

Represor biasanya merupakan dimer dari dua rantai polipeptida identik yang berorientasi pada arah yang saling berlawanan. Penindas secara fisik menghalangi RNA polimerase bergabung dengan DNA di daerah promotor (tempat pengikatan enzim RNA polimerase yang bergantung pada DNA yang mengkatalisis sintesis mRNA pada cetakan DNA) dan memulai sintesis mRNA. Diasumsikan bahwa represor hanya mencegah inisiasi transkripsi dan tidak mempengaruhi pemanjangan mRNA.

Represor dapat mengontrol sintesis untuk - l. satu protein atau sejumlah protein, yang ekspresinya terkoordinasi. Sebagai aturan, ini melayani satu metabolisme. jalur; gen mereka adalah bagian dari satu operon (satu set gen yang saling berhubungan dan daerah regulasi yang berdekatan).

M N. represor dapat ada baik dalam bentuk aktif dan tidak aktif, tergantung pada apakah mereka terkait dengan penginduksi atau korepresor (masing-masing, substrat, dengan adanya yang secara khusus meningkatkan atau menurunkan laju sintesis enzim tertentu; lihat. Regulator Enzim); interaksi ini memiliki sifat non-kovalen.

Untuk ekspresi gen yang efisien, perlu tidak hanya represor diinaktivasi oleh penginduksi, tetapi juga yang spesifik direalisasikan. positif sinyal nyala, yang dimediasi oleh R. b., bekerja "berpasangan" dengan siklik. adenosin monofosfat (cAMP). Yang terakhir ini terkait dengan R spesifik. b. (yang disebut CAP protein-aktivator gen katabolit, atau protein katabolisme aktivator-BAC). Ini adalah dimer dengan dermaga. m.45 ribu Setelah mengikat cAMP, ia memperoleh kemampuan untuk melekat pada spesifik. daerah pada DNA, secara tajam meningkatkan efisiensi transkripsi gen dari operon yang sesuai. Pada saat yang sama, CAP tidak mempengaruhi laju pertumbuhan rantai mRNA, tetapi mengontrol tahap inisiasi transkripsi - perlekatan RNA polimerase ke promotor. Berbeda dengan represor, CAP (dalam kompleks dengan cAMP) memfasilitasi pengikatan RNA polimerase ke DNA dan membuat inisiasi transkripsi lebih sering. Tempat perlekatan CAP ke DNA berbatasan langsung dengan promotor dari sisi yang berlawanan dengan lokasi operator.

Regulasi positif (misalnya, E. coli lac operon) dapat dijelaskan dengan skema yang disederhanakan: dengan penurunan konsentrasi glukosa (sumber karbon utama), peningkatan cAMP, yang mengikat SAR, dan kompleks yang dihasilkan ke promotor lac . Akibatnya, pengikatan RNA polimerase ke promotor dirangsang dan laju transkripsi gen meningkat, to-rye encode, memungkinkan sel untuk beralih ke penggunaan sumber karbon-laktosa lain. Ada R. b. khusus lainnya. (misalnya, protein C), yang fungsinya dijelaskan oleh skema yang lebih kompleks; mereka mengendalikan rentang gen yang sempit dan dapat bertindak sebagai represor dan aktivator.

Represor dan aktivator spesifik operon tidak mempengaruhi spesifisitas RNA polimerase itu sendiri. Peraturan tingkat terakhir ini diwujudkan dalam kasus-kasus yang melibatkan massir. perubahan spektrum gen yang diekspresikan. Jadi, pada E. coli, gen yang mengkode kejutan panas, yang diekspresikan dalam sejumlah kondisi stres sel, dibaca oleh RNA polimerase hanya jika R. b.-t khusus termasuk dalam kelasnya. ditelepon faktor s 32 . Seluruh keluarga R. b. (s-faktor) yang mengubah spesifisitas promotor RNA polimerase telah ditemukan pada basil dan bakteri lainnya.

dr. keragaman R. b. mengubah katalitik Saint-va RNA polimerase (yang disebut protein anti-terminator). Jadi, pada bakteriofag X, dua protein tersebut diketahui, untuk mengubah RNA polimerase sehingga tidak mematuhi sinyal seluler penghentian (akhir) transkripsi (ini diperlukan untuk ekspresi aktif gen fag).

Skema umum genetik kontrol, termasuk fungsi R. b., juga berlaku untuk bakteri dan sel eukariotik (semua organisme, kecuali bakteri dan ganggang biru-hijau).

Eukariotik sel merespon ext. sinyal (untuk mereka, misalnya,) pada prinsipnya, dengan cara yang sama seperti sel bakteri bereaksi terhadap perubahan konsentrasi nutrisi. dalam-dalam lingkungan, yaitu, dengan represi reversibel atau aktivasi (derepresi) gen individu. Pada saat yang sama, R.b., secara bersamaan mengendalikan jumlah yang besar gen, dapat digunakan dalam dekompos. kombinasi. Genetik kombinasional serupa regulasi dapat memberikan diferensiasi. perkembangan seluruh organisme multiseluler kompleks karena interaksi. jumlah kunci yang relatif kecil R. b.

Dalam sistem pengaturan aktivitas gen pada eukariota, terjadi penambahan. tingkat yang tidak ada pada bakteri, yaitu, terjemahan semua nukleosom (subunit berulang) kromatin), yang merupakan bagian dari unit transkripsi, menjadi bentuk aktif (terdekondensasi) dalam sel-sel di mana yang satu ini harus aktif secara fungsional. Diasumsikan bahwa satu set R. b. spesifik terlibat di sini, yang tidak memiliki analog pada prokariota. Ini tidak hanya mengenali spesifik. bagian dari kromatin (atau. DNA), tetapi juga menyebabkan perubahan struktural tertentu di daerah yang berdekatan. R., mirip dengan aktivator dan represor bakteri, tampaknya, berpartisipasi dalam regulasi transkripsi berikutnya dari gen terpisah di daerah aktivir. kromatin.

Kelas ekstensif R. b. eukariota- protein reseptor hormon steroid.

Urutan asam amino R. b. yang disebut dikodekan. gen pengatur. Inaktivasi mutasi represor menyebabkan sintesis mRNA yang tidak terkontrol, dan, akibatnya, protein tertentu (sebagai akibatnya terjemahan- sintesis protein pada template mRNA). Organisme seperti itu disebut mutan konstitutif. Hilangnya aktivator menyebabkan penurunan terus-menerus dalam sintesis protein yang diatur.

Lit.: Strayer L., Biokimia, trans. dari bahasa Inggris, vol.3, M., 1985, hal. 112-25.

P.L. Ivanov.

ensiklopedia kimia. - M.: Ensiklopedia Soviet. Ed. I.L. Knunyants. 1988 .

Lihat apa itu "PROTEIN REGULASI" di kamus lain:

tupai- spesifik untuk embusan Sekelompok protein nukleus heterogen yang terlibat dalam proses aktivasi gen dalam embusan kromosom politen; protein ini termasuk faktor transkripsi yang tepat (RNA polimerase II, protein pengatur, dll), serta sejumlah ... ... Buku Pegangan Penerjemah Teknis

Protein khusus engah- Protein khusus untuk puff * protein spesifik puff * protein spesifik puff adalah kelompok heterogen protein nuklir yang terlibat dalam proses aktivasi gen dalam puff kromosom polytene. Protein ini adalah enzim yang...

Istilah ini memiliki arti lain, lihat Protein (arti). Protein (protein, polipeptida) dengan berat molekul tinggi bahan organik, terdiri dari asam amino alfa yang dihubungkan dalam rantai oleh ikatan peptida. Dalam organisme hidup ... ... Wikipedia

Visokomol. alami polimer yang dibangun dari residu asam amino yang dihubungkan oleh ikatan amida (peptida) hSOCHNHCH. Setiap B. dicirikan oleh kekhususan. urutan asam amino dan ruang individu, struktur (konformasi). Pada … … Ensiklopedia Kimia

PROTEIN, senyawa organik molekul tinggi, biopolimer, dibangun dari 20 jenis residu asam amino L a, terhubung dalam urutan tertentu menjadi rantai panjang. Berat molekul protein bervariasi dari 5 ribu hingga 1 juta.Nama ... ... kamus ensiklopedis

Protein pengatur- * Protein pengatur * Protein pengatur - protein yang mengatur proses matriks dengan menempelkannya ke daerah pengatur DNA. Protein yang mengikat DNA yang rusak Genetika. kamus ensiklopedis

Protein, organik dengan berat molekul tinggi senyawa yang dibangun dari residu asam amino. Mereka memainkan peran utama dalam kehidupan, melakukan banyak. berfungsi dalam struktur, perkembangan, dan metabolismenya. mol. m.B. dari PROTEIN '5000 ke banyak lainnya ... ...

- (Sciurus), genus tupai. Panjangnya tubuh 20 31 cm Mereka memanjat dengan baik dan bergerak melalui pohon. Ekor lebat yang panjang (20-30 cm) berfungsi sebagai kemudi saat melompat. OKE. 40 spesies, di Utara. belahan bumi dan ke utara selatan. Amerika, di hutan pegunungan dan dataran rendah, termasuk pulau ... ... Kamus ensiklopedis biologi

PROTEIN, protein, makromolekul organik. senyawa yang dibangun dari residu asam amino. Mereka memainkan peran utama dalam kehidupan semua organisme, berpartisipasi dalam struktur, perkembangan, dan metabolisme mereka. mol. m.B. dari 5000 menjadi mn. juta... Kamus ensiklopedis biologi

tupai- protein, protein, zat organik molekul tinggi yang dibangun dari residu asam amino. Mereka memainkan peran penting dalam kehidupan semua organisme, menjadi bagian dari sel dan jaringan mereka dan melakukan katalitik (enzim), pengatur ... ... Pertanian. Kamus ensiklopedis besar

Seperti reseptor hormon atau subunit pengatur protein kinase (enzim yang diaktifkan oleh cAMP) memiliki aktivitas yang mengontrol pengikatan ligan pengatur (yaitu, hormon dan cAMP, masing-masing). Agar aktivitas protein kelas ini diatur secara spesifik oleh ligan, molekul tersebut pertama-tama harus memiliki situs yang secara spesifik (dan, sebagai aturan, dengan afinitas tinggi) mengikat ligan, yang memberi molekul kemampuan untuk membedakan ligan dari senyawa kimia lainnya. Selain itu, protein harus memiliki struktur sedemikian rupa sehingga, sebagai akibat dari pengikatan ligan, konformasinya dapat berubah, mis. memungkinkan tindakan regulasi. Misalnya, pada mamalia, pengikatan spesifik cAMP ke subunit pengatur protein kinase individu menghasilkan penurunan afinitas pengikatan subunit ini ke subunit katalitik enzim. Hal ini menyebabkan disosiasi kedua subunit protein enzim. Subunit katalitik, yang dilepaskan dari aksi penghambatan subunit pengatur, diaktifkan dan mengkatalisis fosforilasi protein. Fosforilasi mengubah sifat protein tertentu, yang mempengaruhi proses di bawah kendali cAMP.

Adapun kelompok hormon yang termasuk hormon pertumbuhan, urutan nukleotida mRNA yang mengkode sintesisnya telah diidentifikasi sebagian (Baxter J.D. ea, 1979). Setiap asam amino membutuhkan tiga nukleotida dalam DNA (dan oleh karena itu dalam mRNA yang ditranskripsi darinya). Meskipun triplet nukleotida (kodon) tertentu sesuai dengan asam amino tertentu, mungkin ada beberapa kodon untuk asam amino yang sama. "Degenerasi" kode genetik ini memungkinkan urutan nukleotida dari dua gen tertentu, yang menentukan struktur kedua hormon, menjadi lebih atau kurang homolog daripada yang ditemukan dalam protein. Jadi, jika dua protein berbagi homologi urutan asam amino acak, maka urutannya asam nukleat dapat menunjukkan perbedaan yang besar. Namun, sehubungan dengan gen yang mengkode sintesis hormon kelompok somatotropin, ini tidak terjadi; homologi urutan asam nukleat lebih tinggi dari homologi urutan asam amino (Baxter J.D. ea, 1979). Hormon pertumbuhan manusia dan somatomammotropin korionik, yang memiliki homologi urutan asam amino 87%, memiliki homologi urutan asam nukleat 93% dalam mRNA mereka. Hormon pertumbuhan manusia dan tikus berbagi homologi urutan asam amino 70%, dan mRNA mereka menunjukkan homologi urutan asam nukleat 75%. Di beberapa daerah mRNA hormon pertumbuhan tikus dan human chorionic somatomammotropin (mRNA dua hormon berbeda dalam dua spesies), homologinya adalah 85%. Jadi, hanya sedikit perubahan basa DNA yang menyebabkan perbedaan hormon. Oleh karena itu, data ini mendukung kesimpulan bahwa gen untuk hormon ini berevolusi dari nenek moyang yang sama. Dari sudut pandang gagasan di atas tentang simbol dan reaksi yang ditimbulkannya, penting bahwa masing-masing dari tiga hormon dalam kelompok ini memiliki efek pada pertumbuhan. Hormon pertumbuhan merupakan faktor yang menentukan pertumbuhan linier. Prolaktin memainkan peran penting dalam proses laktasi dan dengan demikian memastikan pertumbuhan bayi baru lahir. Somatomammotropin korionik, meskipun signifikansi fisiologisnya belum ditetapkan dengan jelas, dapat memiliki efek signifikan pada pertumbuhan intrauterin dengan mengarahkan nutrisi yang masuk ke tubuh ibu yang memengaruhi pertumbuhan janin (

Protein yang terlibat dalam regulasi metabolisme sendiri dapat berfungsi sebagai ligan (misalnya, hormon peptida), yaitu, berinteraksi dengan protein lain, seperti reseptor hormon, memberikan efek pengaturan. Protein pengatur lainnya, seperti reseptor hormon atau subunit pengatur protein kinase (enzim yang diaktifkan oleh cAMP), memiliki aktivitas yang dikendalikan oleh pengikatan ligan pengatur (yaitu, hormon dan cAMP, masing-masing) (lihat Bab 4). Agar aktivitas protein kelas ini diatur secara spesifik oleh ligan, molekul tersebut pertama-tama harus memiliki situs yang secara spesifik (dan, sebagai aturan, dengan afinitas tinggi) mengikat ligan, yang memberi molekul kemampuan untuk membedakan ligan dari senyawa kimia lainnya. Selain itu, protein harus memiliki struktur sedemikian rupa sehingga, sebagai akibat dari pengikatan ligan, konformasinya dapat berubah, yaitu memberikan kemungkinan untuk melakukan tindakan pengaturan. Misalnya, pada mamalia, pengikatan spesifik cAMP ke subunit pengatur protein kinase tertentu menghasilkan penurunan afinitas pengikatan subunit ini ke subunit katalitik enzim (lihat Bab 4). Hal ini menyebabkan disosiasi kedua subunit protein enzim. Subunit katalitik, yang dilepaskan dari aksi penghambatan subunit pengatur, diaktifkan dan mengkatalisis fosforilasi protein. Fosforilasi mengubah sifat protein tertentu, yang mempengaruhi proses di bawah kendali cAMP. Interaksi hormon-hormon steroid dengan reseptor-reseptornya menyebabkan perubahan-perubahan konformasi pada reseptor-reseptor tersebut yang memberi mereka kemampuan untuk mengikat inti sel (lihat Bab 4). Interaksi ini juga mengubah sifat reseptor lain yang penting dalam memediasi efek hormon steroid pada transkripsi jenis mRNA tertentu.
Untuk memiliki fungsi khusus dan sangat spesifik, protein, sebagai hasil dari evolusi gen yang menentukan urutan asam amino mereka, harus memperoleh struktur yang mereka miliki saat ini. Dalam beberapa kasus, gen lain juga mengambil bagian dalam proses, pengkodean sintesis produk yang memodifikasi protein pengatur itu sendiri (misalnya, dengan glikosilasi). Karena evolusi gen, tampaknya, terjadi karena mekanisme seperti mutasi gen yang sudah ada sebelumnya dan rekombinasi bagian gen yang berbeda (seperti yang dibahas), ini memberlakukan pembatasan tertentu pada evolusi protein. Dari sudut pandang evolusi, mungkin akan lebih mudah untuk memodifikasi struktur yang ada daripada membuat gen yang sama sekali baru. Dalam hal ini, keberadaan beberapa homologi dalam urutan asam amino dari berbagai protein mungkin tidak terduga, karena gen mereka dapat muncul sebagai akibat dari evolusi prekursor umum. Karena, seperti disebutkan di atas, daerah protein yang diadaptasi untuk mengikat ligan pengatur, seperti cAMP dan steroid atau analognya, harus sudah ada pada saat ligan ini muncul, mudah untuk membayangkan bagaimana modifikasi gen protein tersebut dapat menyebabkan sintesis protein lain yang mempertahankan spesifisitas pengikatan ligan pengatur yang tinggi.
pada gambar. Gambar 2-2 menunjukkan salah satu skema hipotetis untuk evolusi glukotransferase primitif menjadi tiga jenis protein pengatur yang ada: protein pengikat cAMP bakteri (CAP atau CRP), yang mengatur transkripsi beberapa gen yang mengkode enzim yang terlibat dalam metabolisme laktosa , serta protein pengikat cAMP mamalia yang mengatur aktivitas protein kinase yang bergantung pada cAMP, yang memediasi kerja cAMP pada manusia (lihat Bab 4), dan adenilat siklase (lihat Bab 4). Berkenaan dengan protein bakteri dan kinase, situs pengikatan ATP dari glukokinase primitif telah berevolusi untuk memperoleh spesifisitas pengikatan cAMP yang lebih besar. Protein bakteri juga memperoleh kapasitas pengikatan polinukleotida (DNA) tambahan. Evolusi kinase melibatkan perolehan kemampuan glukofosfotransferase untuk memfosforilasi protein. Akhirnya, adenilat siklase juga dapat dibentuk dari glukokinase dengan mengganti fungsi penghasil ADP dengan fungsi penghasil cAMP. Kesimpulan-kesimpulan ini tidak bisa tidak murni hipotetis; namun demikian, mereka menunjukkan bagaimana evolusi molekuler dari protein pengatur yang disebutkan dapat terjadi.

Beras. 2-2. Usulan asal protein kinase yang bergantung pada cAMP, adenilat siklase, dan protein pengatur pengikat cAMP bakteri (Baxter, MacLeod).
Meskipun banyak detail dalam gambaran evolusi protein yang hilang, informasi yang tersedia saat ini tentang struktur protein dan gen memberikan beberapa dasar untuk menganalisis pertanyaan apakah gen dari beberapa hormon polipeptida berasal dari gen prekursor yang sama. Hormon polipeptida individu dapat dikelompokkan menurut kesamaan struktural mereka. Tidak ada yang mengejutkan dalam kenyataan bahwa hormon yang termasuk dalam kelompok yang sama mungkin memiliki efek fisiologis serupa yang disebabkan oleh mereka, serta mekanisme aksi yang serupa. Jadi, hormon pertumbuhan (GH), prolaktin dan chorionic somatomammotropin (laktogen plasenta) dicirikan oleh derajat tinggi homologi urutan asam amino. Hormon glikoprotein - hormon thyrotropic (TSH), human chorionic gonadotropin (hCG), hormon perangsang folikel (FSH) dan luteinizing (LH) - terdiri dari dua subunit, masing-masing, salah satunya (rantai A) identik atau hampir identik untuk semua hormon dari kelompok tertentu. Urutan asam amino dari subunit B dalam berbagai hormon, meskipun tidak identik, memiliki homologi struktural. Perbedaan-perbedaan dalam rantai-B inilah yang mungkin menjadi sangat penting untuk memberikan spesifisitas pada interaksi setiap hormon dengan jaringan targetnya. Insulin menunjukkan beberapa analog struktural dan berbagi aktivitas biologis dengan faktor pertumbuhan lain seperti somatomedin dan aktivitas seperti insulin yang tidak ditekan (NIPA).
Adapun kelompok hormon yang termasuk hormon pertumbuhan, urutan nukleotida dari mRNA yang mengkode sintesisnya telah dijelaskan sebagian. Setiap asam amino membutuhkan tiga nukleotida dalam DNA (dan karenanya dalam mRNA yang ditranskripsi darinya). Meskipun triplet nukleotida ini; (kodon) sesuai dengan asam amino khusus ini, mungkin ada beberapa kodon untuk asam amino yang sama. "Degenerasi" kode genetik semacam itu memungkinkan urutan nukleotida dari dua gen yang diberikan, yang menentukan struktur kedua hormon, menjadi lebih atau kurang homolog daripada yang ditemukan dalam protein. Jadi, jika dua protein berbagi homologi urutan asam amino acak, maka urutan asam nukleat dapat menunjukkan perbedaan besar. Namun, sehubungan dengan gen yang mengkode sintesis hormon kelompok somatotropin, ini tidak terjadi; homologi urutan asam nukleat lebih tinggi dari homologi urutan asam amino. Hormon pertumbuhan manusia dan somatomammotropin korionik manusia, yang memiliki homologi urutan asam amino 87%, memiliki homologi urutan asam nukleat 93% dalam mRNA mereka. Hormon pertumbuhan manusia dan tikus berbagi homologi urutan asam amino 70%, dan mRNA mereka menunjukkan homologi urutan asam nukleat 75%. Di beberapa daerah mRNA hormon pertumbuhan tikus dan human chorionic somatomammotropin (mRNA dua hormon berbeda dalam dua spesies biologis), homologinya adalah 85% (Gbr. 2-3). Jadi, hanya sedikit perubahan basa DNA yang menyebabkan perbedaan hormon. Oleh karena itu, data ini mendukung kesimpulan bahwa gen untuk hormon ini berevolusi dari nenek moyang yang sama. Dari sudut pandang gagasan di atas tentang simbol dan reaksi yang ditimbulkannya, penting bahwa masing-masing dari ketiga hormon kelompok ini memiliki efek pada pertumbuhan (lihat di bawah). Hormon pertumbuhan merupakan faktor yang menentukan pertumbuhan linier. Prolaktin memainkan peran penting dalam proses laktasi dan dengan demikian memastikan pertumbuhan bayi baru lahir. Somatomammotropin korionik, meskipun signifikansi fisiologisnya belum ditetapkan secara pasti, dapat memiliki efek signifikan pada pertumbuhan intrauterin, mengarahkan nutrisi yang masuk ke tubuh ibu untuk pertumbuhan janin.

Beras. 2-3. Homologi sekuens asam amino (AA) pada rat growth hormone (GRH) dan human chorionic somatomammotropin (human plasental lactogen, PLC) dan sekuens asam nukleat dalam messenger RNA yang mengkode sintesis kedua hormon ini. Nama-nama asam amino disingkat, begitu pula nama-nama asam nukleat. Wilayah yang sesuai dengan urutan asam amino 134-149 ditampilkan. Asam nukleat dan asam amino non-homolog digarisbawahi (Baxter et al.). U - uridin, C - sitosin, A - adenosin, G - guanosin.

Pekerjaan gen dalam organisme apa pun - prokariotik, eukariotik, uniseluler atau multiseluler - dikendalikan dan dikoordinasikan.

Gen yang berbeda memiliki aktivitas temporal yang berbeda. Beberapa dari mereka ditandai dengan aktivitas konstan. Gen tersebut bertanggung jawab untuk sintesis protein yang diperlukan untuk sel atau organisme sepanjang hidup, misalnya, gen yang produknya terlibat dalam sintesis ATP. Sebagian besar gen memiliki aktivitas intermiten, mereka bekerja hanya pada saat-saat tertentu ketika ada kebutuhan untuk produk mereka - protein. Gen juga berbeda dalam tingkat aktivitasnya (rendah atau tinggi).

Protein sel diklasifikasikan sebagai pengatur dan struktural. Protein pengatur disintesis pada gen pengatur dan mengontrol kerja gen struktural. Gen struktural mengkodekan protein struktural yang melakukan struktural, enzimatik, transportasi dan fungsi lainnya (kecuali regulasi!).

Pengaturan sintesis protein dilakukan pada semua tahap proses ini: transkripsi, translasi dan modifikasi pasca-translasi, baik dengan induksi atau represi.

Regulasi aktivitas gen pada organisme eukariotik jauh lebih rumit daripada regulasi ekspresi gen prokariotik, yang ditentukan oleh kompleksitas organisasi organisme eukariotik, dan terutama organisme multiseluler. Pada tahun 1961, ilmuwan Prancis F. Jacob, J. Monod dan A. Lvov merumuskan model kontrol genetik dari sintesis protein yang mengkatalisis asimilasi laktosa oleh sel - konsep operon.

Operon adalah sekelompok gen yang dikendalikan oleh satu gen pengatur.

Gen pengatur adalah gen dengan aktivitas rendah yang konstan; protein represor disintesis di atasnya - protein pengatur yang dapat mengikat operator, menonaktifkannya.

Operator adalah titik awal untuk membaca informasi genetik, yang mengontrol kerja gen struktural.

Gen struktural operon laktosa mengandung informasi tentang enzim yang terlibat dalam metabolisme laktosa. Oleh karena itu, laktosa akan berfungsi sebagai induktor - agen yang memulai kerja operon.

Promotor adalah tempat perlekatan RNA polimerase.

Terminator adalah tempat terminasi sintesis mRNA.

Dengan tidak adanya induktor, sistem tidak berfungsi, karena penekan "bebas" dari induktor - laktosa - terhubung ke operator. Dalam hal ini, enzim RNA polimerase tidak dapat mengkatalisis proses sintesis mRNA. Jika laktosa (penginduksi) ditemukan di dalam sel, ia, berinteraksi dengan penekan, mengubah strukturnya, akibatnya penekan melepaskan operator. RNA polimerase mengikat promotor, sintesis mRNA dimulai (transkripsi gen struktural). Kemudian protein dibentuk pada ribosom sesuai dengan program operon mRNA-laktosa. Pada organisme prokariotik, satu molekul mRNA menulis ulang informasi dari semua gen struktural operon, mis. Operon adalah unit transkripsi. Transkripsi berlanjut selama molekul laktosa tetap berada di sitoplasma sel. Segera setelah semua molekul diproses oleh sel, represor menutup operator, dan sintesis mRNA berhenti.

Dengan demikian, sintesis mRNA dan, karenanya, sintesis protein harus diatur secara ketat, karena sel tidak memiliki sumber daya yang cukup untuk transkripsi dan translasi simultan semua gen struktural. Baik pro dan eukariota secara konstan mensintesis hanya mRNA yang diperlukan untuk melakukan fungsi seluler dasar. Ekspresi gen struktural lainnya dilakukan di bawah kendali ketat sistem regulasi yang memicu transkripsi hanya ketika ada kebutuhan akan protein tertentu (protein ).

PROTEIN REGULASI (dari lat. regulo - susun, sesuaikan), sekelompok protein. terlibat dalam regulasi dekomposer. biokimia. proses. Kelompok protein pengatur yang penting, yang dibahas dalam artikel ini, adalah protein yang berinteraksi dengan DNA dan mengontrol ekspresi gen (ekspresi gen dalam karakteristik dan sifat suatu organisme). Sebagian besar protein pengatur ini berfungsi pada tingkat transkripsi (sintesis messenger RNA, atau mRNA, pada templat DNA) dan bertanggung jawab atas aktivasi atau represi (penekanan) sintesis mRNA (protein aktivator dan protein represor, masing-masing) .

Represor biasanya merupakan dimer dari dua rantai polipeptida identik yang berorientasi pada arah yang saling berlawanan. Represor secara fisik mencegah RNA polimerase menempel pada DNA di situs promotor (tempat pengikatan RNA polimerase-enzim yang bergantung pada DNA yang mengkatalisis sintesis mRNA pada cetakan DNA) dan dari memulai sintesis mRNA. Diasumsikan bahwa represor hanya mencegah inisiasi transkripsi dan tidak mempengaruhi pemanjangan mRNA.

Represor dapat mengontrol sintesis untuk - l. protein tunggal atau berbagai protein. yang ekspresinya terkoordinasi. Sebagai aturan, ini adalah enzim yang melayani satu metabolisme. jalur; gen mereka adalah bagian dari satu operon (satu set gen yang saling berhubungan dan daerah regulasi yang berdekatan).

M N. represor dapat ada dalam bentuk aktif dan tidak aktif, tergantung pada apakah mereka terkait dengan penginduksi atau korepresor (masing-masing, substrat di mana laju sintesis enzim tertentu secara khusus meningkat atau menurun; lihat Regulator Enzim); interaksi ini memiliki sifat non-kovalen.

Untuk ekspresi gen yang efisien, perlu tidak hanya represor diinaktivasi oleh penginduksi, tetapi juga yang spesifik direalisasikan. positif sinyal nyala, yang dimediasi oleh protein pengatur yang bekerja "berpasangan" dengan siklik. adenosin monofosfat (cAMP). Yang terakhir ini mengikat protein pengatur spesifik (yang disebut CAP-protein-aktivator gen katabolit, atau protein. aktivator katabolisme-BAC). Ini adalah dimer dengan dermaga. m.45 ribu Setelah mengikat cAMP, ia memperoleh kemampuan untuk melekat pada spesifik. daerah pada DNA, secara tajam meningkatkan efisiensi transkripsi gen dari operon yang sesuai. Pada saat yang sama, CAP tidak mempengaruhi laju pertumbuhan rantai mRNA, tetapi mengontrol tahap inisiasi transkripsi - perlekatan RNA polimerase ke promotor. Berbeda dengan represor, CAP (dalam kompleks dengan cAMP) memfasilitasi pengikatan RNA polimerase ke DNA dan membuat inisiasi transkripsi lebih sering. Tempat perlekatan CAP ke DNA berbatasan langsung dengan promotor dari sisi yang berlawanan dengan lokasi operator.

Regulasi positif (misalnya, dari E. coli lac operon) dapat dijelaskan dengan cara yang disederhanakan: dengan penurunan konsentrasi glukosa (sumber karbon utama), konsentrasi cAMP, yang mengikat CAP, meningkat, dan kompleks yang dihasilkan meningkat dengan promotor lac. Akibatnya, pengikatan RNA polimerase ke promotor dirangsang dan laju transkripsi gen yang mengkode enzim yang memungkinkan sel untuk beralih ke sumber karbon lain, laktosa, meningkat. Ada protein pengatur khusus lainnya (misalnya, protein C), yang fungsinya dijelaskan oleh skema yang lebih kompleks; mereka mengendalikan rentang gen yang sempit dan dapat bertindak sebagai represor dan aktivator.

Represor dan aktivator spesifik operon tidak mempengaruhi spesifisitas RNA polimerase itu sendiri. Peraturan tingkat terakhir ini diwujudkan dalam kasus-kasus yang melibatkan massir. perubahan spektrum gen yang diekspresikan. Jadi, dalam E. coli, gen yang mengkode protein kejutan panas, yang diekspresikan dalam sejumlah kondisi stres sel, dibaca oleh RNA polimerase hanya ketika protein pengatur khusus, yang disebut. faktor s32. Seluruh keluarga protein pengatur ini (faktor-s), yang mengubah spesifisitas promotor RNA polimerase, telah ditemukan pada basil dan bakteri lainnya.

dr. berbagai protein pengatur mengubah katalitik. sifat RNA polimerase (yang disebut protein anti-terminator). Misalnya, pada bakteriofag X, dua protein tersebut diketahui memodifikasi RNA polimerase sehingga tidak mematuhi sinyal seluler penghentian (akhir) transkripsi (ini diperlukan untuk ekspresi aktif gen fag).

Skema umum genetik kontrol, termasuk fungsi protein pengatur, juga berlaku untuk bakteri dan sel eukariotik (semua organisme kecuali bakteri dan ganggang biru-hijau).

Eukariotik sel merespon ext. sinyal (untuk mereka, misalnya, hormon) pada prinsipnya, dengan cara yang sama seperti sel bakteri bereaksi terhadap perubahan konsentrasi nutrisi. zat di lingkungan, yaitu oleh represi reversibel atau aktivasi (derepresi) gen individu. Pada saat yang sama, protein pengatur yang secara bersamaan mengontrol aktivitas sejumlah besar gen dapat digunakan dalam penguraian. kombinasi. Genetik kombinasional serupa regulasi dapat memberikan diferensiasi. perkembangan seluruh organisme multiseluler kompleks karena interaksi. relatif sedikit protein pengatur utama

Dalam sistem pengaturan aktivitas gen pada eukariota, terjadi penambahan. tingkat yang tidak ada pada bakteri, yaitu, translasi semua nukleosom (subunit kromatin berulang) yang membentuk unit transkripsi menjadi bentuk aktif (terdekondensasi) dalam sel-sel di mana gen ini seharusnya aktif secara fungsional. Diasumsikan bahwa satu set protein pengatur spesifik yang tidak memiliki analog pada prokariota terlibat di sini. Protein ini tidak hanya mengenali spesifik bagian dari kromatin (atau. DNA), tetapi juga menyebabkan perubahan struktural tertentu di daerah yang berdekatan. protein pengatur seperti aktivator dan represor bakteri, tampaknya, terlibat dalam pengaturan transkripsi gen individu berikutnya di area aktivir. kromatin.

Kelas ekstensif protein pengatur protein reseptor eukariotik hormon steroid.

Urutan asam amino dari protein pengatur dikodekan oleh apa yang disebut. gen pengatur. Inaktivasi mutasi represor menyebabkan sintesis mRNA yang tidak terkontrol, dan, akibatnya, protein tertentu (sebagai akibat dari sintesis protein translasi pada template mRNA). Organisme seperti itu disebut mutan konstitutif. Hilangnya aktivator sebagai akibat mutasi menyebabkan penurunan terus-menerus dalam sintesis protein yang diatur.