panele
Biologia białek regulatorowych. Funkcja regulacyjna białek

Biologia białek regulatorowych. Funkcja regulacyjna białek

Plan:

1 Białka zaangażowane w sygnalizację międzykomórkową
2 białka receptorowe
3 Wewnątrzkomórkowe białka regulacyjne
- 3.1 Białka regulujące transkrypcję
- 3.2 Translacyjne czynniki regulacyjne
- 3.3 splicing czynników regulacyjnych
- 3.4 Kinazy białkowe i fosfatazy białkowe

Wstęp

Funkcja regulacyjna białek— wdrożenie przez białka regulacji procesów w komórce lub organizmie, co wiąże się z ich zdolnością do odbierania i przekazywania informacji. Działanie białek regulatorowych jest odwracalne i z reguły wymaga obecności liganda. Wciąż odkrywanych jest coraz więcej nowych białek regulatorowych, obecnie znana jest prawdopodobnie tylko niewielka ich część.

Istnieje kilka rodzajów białek, które pełnią funkcję regulacyjną:

białka - receptory odbierające sygnał
białka sygnałowe - hormony i inne substancje, które wykonują sygnalizację międzykomórkową (wiele, choć nie wszystkie, to białka lub peptydy)
białka regulatorowe, które regulują wiele procesów w komórkach.

1. Białka zaangażowane w sygnalizację międzykomórkową

Białka hormonalne (i inne białka zaangażowane w sygnalizację międzykomórkową) wpływają na metabolizm i inne procesy fizjologiczne.

Hormony- substancje, które powstają w gruczołach dokrewnych, są przenoszone przez krew i przenoszą sygnał informacyjny. Hormony rozprzestrzeniają się losowo i działają tylko na te komórki, które posiadają odpowiednie białka receptorowe. Hormony wiążą się z określonymi receptorami. Hormony zazwyczaj regulują powolne procesy, na przykład wzrost poszczególnych tkanek i rozwój organizmu, ale są wyjątki: na przykład adrenalina (patrz artykuł adrenalina) to hormon stresu, pochodna aminokwasów. Uwalnia się, gdy impuls nerwowy działa na rdzeń nadnerczy, jednocześnie serce zaczyna bić częściej, wzrasta ciśnienie krwi i pojawiają się inne reakcje. Działa również na wątrobę (rozkłada glikogen). Glukoza jest uwalniana do krwi i jest wykorzystywana przez mózg i mięśnie jako źródło energii.

2. Białka receptorowe

Białka receptorowe można również przypisać białkom pełniącym funkcję regulacyjną. Białka błonowe - receptory przekazują sygnał z powierzchni komórki do wewnątrz, przekształcając ją. Regulują funkcje komórki poprzez wiązanie się z ligandem, który „usiadł” na tym receptorze poza komórką; w rezultacie aktywowane jest inne białko wewnątrz komórki.

Większość hormonów działa na komórkę tylko wtedy, gdy na jej błonie znajduje się pewien receptor - inne białko lub glikoproteina. Na przykład receptor β2-adrenergiczny znajduje się na błonie komórek wątroby. Pod wpływem stresu cząsteczka adrenaliny wiąże się z receptorem β2-adrenergicznym i aktywuje go. Aktywowany receptor aktywuje następnie białko G, które wiąże GTP. Po wielu pośrednich etapach transdukcji sygnału następuje fosforoliza glikogenu. Receptor wykonał pierwszą operację transdukcji sygnału prowadzącą do rozpadu glikogenu. Bez niego nie byłoby dalszych reakcji w komórce.

3. Wewnątrzkomórkowe białka regulacyjne

Białka regulują procesy zachodzące wewnątrz komórek za pomocą kilku mechanizmów:

interakcje z cząsteczkami DNA (czynniki transkrypcyjne)
przez fosforylację (kinaza białkowa) lub defosforylację (fosfataza białkowa) innych białek
poprzez interakcję z cząsteczkami rybosomu lub RNA (czynniki regulujące translację)
wpływ na proces usuwania intronów (czynniki regulacyjne splicingu)
wpływ na tempo rozpadu innych białek (ubikwityny itp.)

3.1. Białka regulujące transkrypcję

czynnik transkrypcyjny- jest to białko, które dostając się do jądra, reguluje transkrypcję DNA, czyli odczyt informacji z DNA na mRNA (synteza mRNA według wzorca DNA). Niektóre czynniki transkrypcyjne zmieniają strukturę chromatyny, czyniąc ją bardziej dostępną dla polimeraz RNA. Istnieją różne pomocnicze czynniki transkrypcyjne, które tworzą pożądaną konformację DNA dla późniejszego działania innych czynników transkrypcyjnych. Inną grupą czynników transkrypcyjnych są te czynniki, które nie wiążą się bezpośrednio z cząsteczkami DNA, ale łączą się w bardziej złożone kompleksy za pomocą oddziaływań białko-białko.

3.2. Translacyjne czynniki regulacyjne

Audycja- synteza łańcuchów polipeptydowych białek według wzorca mRNA, realizowana przez rybosomy. Translację można regulować na kilka sposobów, w tym za pomocą białek represorowych, które wiążą się z mRNA. Istnieje wiele przypadków, w których represorem jest białko kodowane przez ten mRNA. W tym przypadku następuje regulacja sprzężenia zwrotnego (przykładem tego jest zahamowanie syntezy enzymu syntetazy treonylo-tRNA).

3.3. splicing czynników regulacyjnych

W genach eukariotycznych istnieją regiony, które nie kodują aminokwasów. Regiony te nazywane są intronami. Są one najpierw transkrybowane na pre-mRNA podczas transkrypcji, a następnie wycinane przez specjalny enzym. Ten proces usuwania intronów, a następnie późniejszego zszywania ze sobą końców pozostałych odcinków nazywamy splicingiem (sieciowaniem, splicingiem). Splicing przeprowadza się przy użyciu małych RNA, zwykle związanych z białkami, zwanych czynnikami regulacyjnymi splicingu. Splicing obejmuje białka o aktywności enzymatycznej. Nadają pre-mRNA pożądaną konformację. Do złożenia kompleksu (spliceosomu) konieczne jest zużycie energii w postaci rozszczepialnych cząsteczek ATP, dlatego kompleks ten zawiera białka o aktywności ATPazy.

Istnieje alternatywne splicing. Cechy splicingu są określane przez białka, które są w stanie wiązać się z cząsteczką RNA w regionach intronów lub obszarach na granicy egzon-intron. Białka te mogą zapobiegać usuwaniu niektórych intronów, a jednocześnie sprzyjać wycinaniu innych. Ukierunkowana regulacja splicingu może mieć istotne implikacje biologiczne. Na przykład u muszki owocówki Drosophila alternatywny splicing leży u podstaw mechanizmu determinacji płci.

3.4. Kinazy białkowe i fosfatazy białkowe

Najważniejszą rolę w regulacji procesów wewnątrzkomórkowych odgrywają kinazy białkowe – enzymy aktywujące lub hamujące aktywność innych białek poprzez przyłączanie do nich grup fosforanowych.

Kinazy białkowe regulują aktywność innych białek poprzez fosforylację - dodanie reszt kwasu fosforowego do reszt aminokwasowych zawierających grupy hydroksylowe. Fosforylacja zwykle zmienia funkcjonowanie białka, np. aktywność enzymatyczną, a także położenie białka w komórce.

Istnieją również fosfatazy białkowe – białka odszczepiające grupy fosforanowe. Kinazy białkowe i fosfatazy białkowe regulują metabolizm, a także sygnalizację w komórce. Fosforylacja i defosforylacja białek to jeden z głównych mechanizmów regulacji większości procesów wewnątrzkomórkowych.

Cykl aktywacji białka G pod działaniem receptora.

Ściągnij
To streszczenie jest oparte na artykule z rosyjskiej Wikipedii. Synchronizacja zakończona 18.07.11 07:59:14
Podobne streszczenia:

BIAŁKA REGULACYJNE

(od łac. regulo - uporządkuj, dostosuj), grupa białek biorących udział w regulacji rozkładu. biochem. procesy. Ważną grupą R. b., w tym artykule poświęconym Krymowi, są białka, które oddziałują z DNA i kontrolują ekspresję genów (ekspresję genów w znakach i właściwościach organizmu). Zdecydowana większość takich R. zrobiłaby. działa na poziomie transkrypcje(synteza informacyjnego RNA lub mRNA na matrycy DNA) i jest odpowiedzialna za aktywację lub represję (tłumienie) syntezy mRNA (odpowiednio białek aktywatorowych i białek represorowych).

Znane ok. 10 represorów. Naib. Wśród nich badane są represory prokariotyczne (bakterie, sinice), które regulują syntezę enzymów biorących udział w metabolizmie laktozy (represor lac) u Escherichia coli (E. coli) oraz represor bakteriofaga A. Ich działanie realizowane jest poprzez wiązanie z konkretem. odcinki DNA (operatory) odpowiednich genów i blokowanie inicjacji transkrypcji mRNA kodowanego przez te geny.

Represor jest zwykle dimerem dwóch identycznych łańcuchów polipeptydowych zorientowanych we wzajemnie przeciwnych kierunkach. Represory fizycznie utrudniają polimeraza RNA połączyć DNA w regionie promotora (miejsce wiązania zależnej od DNA polimerazy RNA-enzymu, który katalizuje syntezę mRNA na matrycy DNA) i rozpocząć syntezę mRNA. Zakłada się, że represor zapobiega jedynie inicjacji transkrypcji i nie wpływa na wydłużenie mRNA.

Represor może kontrolować syntezę do. jedno białko lub kilka białek, których ekspresja jest skoordynowana. Z reguły służą one jednemu metabolizmowi. ścieżka; ich geny są częścią jednego operonu (zestawu połączonych genów i sąsiednich regionów regulatorowych).

Mn. represory mogą istnieć zarówno w formie aktywnej, jak i nieaktywnej, w zależności od tego, czy są związane z induktorami lub korepresorami (odpowiednio substratami, w obecności których specyficznie zwiększa lub zmniejsza szybkość syntezy określonego enzymu; zob. Regulatory enzymów); te interakcje mają charakter niekowalencyjny.

Dla wydajnej ekspresji genów konieczne jest nie tylko dezaktywowanie represora przez induktor, ale także realizacja konkretnego. pozytywny sygnał włączenia, w którym pośredniczy R.b., działający „w parze” z cyklicznym. monofosforan adenozyny (cAMP). Ten ostatni jest związany z konkretnym R.b. (tzw. aktywator białek CAP genów katabolicznych lub aktywator katabolizmu białek – BAC). To jest dimer z molo. m. 45 tys.. Po związaniu się z cAMP, nabiera zdolności podczepiania się do specyfiku. regiony na DNA, gwałtownie zwiększając wydajność transkrypcji genów odpowiedniego operonu. Jednocześnie CAP nie wpływa na tempo wzrostu łańcucha mRNA, ale kontroluje etap inicjacji transkrypcji – przyłączenia polimerazy RNA do promotora. W przeciwieństwie do represora CAP (w kompleksie z cAMP) ułatwia wiązanie polimerazy RNA z DNA i sprawia, że inicjacja transkrypcji jest częstsza. Miejsce przyłączenia CAP do DNA przylega bezpośrednio do promotora od strony przeciwnej niż ta, w której zlokalizowany jest operator.

Pozytywną regulację (np. operon E. coli lac) można opisać uproszczonym schematem: wraz ze spadkiem stężenia glukozy (głównego źródła węgla) wzrasta cAMP, który wiąże się z SAR, a powstały kompleks z promotorem lac . W efekcie następuje stymulacja wiązania polimerazy RNA z promotorem i zwiększenie szybkości transkrypcji genów kodujących to-żyto, co pozwala komórce przestawić się na wykorzystanie innego źródła węgla-laktozy. Istnieją inne specjalne R.b. (np. białko C), którego funkcjonowanie jest opisane bardziej złożonym schematem; kontrolują wąski zakres genów i mogą działać zarówno jako represory, jak i aktywatory.

Represory i aktywatory specyficzne dla operonu nie wpływają na specyficzność samej polimerazy RNA. Ten ostatni poziom regulacji jest realizowany w przypadkach dotyczących massir. zmiana w spektrum eksprymowanych genów. Tak więc w E. coli geny kodujące szok cieplny, które ulegają ekspresji w wielu stresujących warunkach komórki, są odczytywane przez polimerazę RNA tylko wtedy, gdy w jej klasie znajduje się specjalny R.b.-t. nazywa współczynnik 32 . Cała rodzina tych R.b. (czynniki s), które zmieniają specyficzność promotora polimerazy RNA stwierdzono u prątków i innych bakterii.

Dr. odmiana R. b. zmienia katalizator Polimeraza RNA Saint-va (tzw. białka antyterminatorowe). Tak więc w bakteriofagu X znane są dwa takie białka, które modyfikują polimerazę RNA żyta tak, aby nie podlegały komórkowych sygnałom terminacji (końca) transkrypcji (jest to konieczne do aktywnej ekspresji genów fagowych).

Ogólny schemat genetyczny kontrola, w tym funkcjonowanie R. b., ma również zastosowanie do bakterii i komórek eukariotycznych (wszystkich organizmów, z wyjątkiem bakterii i sinic).

Eukariotyczny komórki reagują na zewn. sygnały (dla nich na przykład) w zasadzie w taki sam sposób, jak komórki bakteryjne reagują na zmiany stężenia składników odżywczych. w-w w środowisko, tj. przez odwracalną represję lub aktywację (derepresję) poszczególnych genów. W tym samym czasie R. b., jednocześnie kontrolując duża liczba geny, mogą być używane w rozkładzie. kombinacje. Podobna kombinacja genetyczna regulacja może zapewnić zróżnicowanie. rozwój całego złożonego organizmu wielokomórkowego dzięki interakcji. stosunkowo niewielka liczba kluczy R. b.

W systemie regulacji aktywności genów u eukariontów występuje dodatek. poziom nieobecny w bakteriach, a mianowicie translacja wszystkich nukleosomów (powtarzających się podjednostek chromatyna), które są częścią jednostki transkrypcyjnej, w aktywną (zdekondensowaną) formę w tych komórkach, w których ta jednostka powinna być funkcjonalnie aktywna. Zakłada się, że w grę wchodzi zestaw specyficznych R. b., które nie mają analogów u prokariontów. Nie tylko rozpoznają szczegóły. odcinki chromatyny (lub. DNA), ale także powodują pewne zmiany strukturalne w sąsiednich obszarach. R., podobnie jak aktywatory i represory bakterii, najwyraźniej uczestniczą w regulacji późniejszej transkrypcji oddzielnych genów w obszarach activir. chromatyna.

Ekstensywna klasa R.b. eukariota- białka receptorowe hormony steroidowe.

Sekwencja aminokwasowa R.b. tak zwane zakodowane. geny regulacyjne. Inaktywacja mutacyjna represora prowadzi do niekontrolowanej syntezy mRNA, a w konsekwencji pewnego białka (w wyniku tłumaczenie- synteza białek na matrycy mRNA). Takie organizmy nazywane są mutanty konstytutywne. Utrata aktywatora powoduje trwały spadek syntezy regulowanego białka.

Oświetlony.: Strayer L., Biochemia, przeł. z angielskiego, t. 3, M., 1985, s. 112-25.

P. L. Iwanow.

Encyklopedia chemiczna. - M.: Encyklopedia radziecka. Wyd. I. L. Knunyants. 1988 .

Zobacz, jakie „BIAŁKA REGULACYJNE” znajdują się w innych słownikach:

wiewiórki- specyficzny dla zaciągnięć Heterogenna grupa białek jądrowych biorących udział w procesie aktywacji genów w zaciągnięciach chromosomów polietylenowych; białka te obejmują właściwe czynniki transkrypcyjne (polimeraza RNA II, białka regulatorowe itp.), a także szereg ... ... Podręcznik tłumacza technicznego

Białka specyficzne dla Puff- Białka specyficzne dla zaciągnięć * Białka specyficzne dla zaciągnięć * Białka specyficzne dla zaciągnięć to niejednorodna grupa białek jądrowych biorących udział w procesie aktywacji genów w zaciągnięciach chromosomów polietylenowych. Te białka to enzymy, które...

Termin ten ma inne znaczenia, patrz Białka (znaczenia). Białka (białka, polipeptydy) o dużej masie cząsteczkowej materia organiczna, składający się z alfa aminokwasów połączonych w łańcuch wiązaniem peptydowym. W żywych organizmach ... ... Wikipedia

Wysokomol. naturalny polimery zbudowane z reszt aminokwasowych połączonych wiązaniem amidowym (peptydowym) hSOCHNHCH. Każda B. charakteryzuje się swoistością. sekwencja aminokwasów i poszczególne przestrzenie, budowa (konformacja). Na… … Encyklopedia chemiczna

BIAŁKA, wysokocząsteczkowe związki organiczne, biopolimery, zbudowane z 20 rodzajów reszt aminokwasowych L a, połączonych w określonej kolejności w długie łańcuchy. Masa cząsteczkowa białek waha się od 5 tysięcy do 1 miliona Nazwa ... ... słownik encyklopedyczny

Białka regulatorowe- * Białka regulatorowe * Białka regulatorowe - białka regulujące procesy macierzy poprzez przyłączanie ich do regulatorowych regionów DNA. Białka wiążące się z uszkodzonym DNA Genetyka. słownik encyklopedyczny

Białka, organiczne o wysokiej masie cząsteczkowej związki zbudowane z reszt aminokwasowych. Odgrywają w życiu pierwszorzędną rolę, występując licznie. funkcje w ich strukturze, rozwoju i metabolizmie. Mol. m. B. od PROTEINS ’5000 do wielu innych ... ...

- (Sciurus), rodzaj wiewiórek. Długość ciało 20 31 cm Dobrze się wspinają i poruszają się po drzewach. Długi (20-30 cm) puszysty ogon służy jako ster podczas skoku. OK. 40 gatunków na północy. półkuli i na północy południa. Ameryka, w lasach górskich i nizinnych, w tym na wyspie ... ... Biologiczny słownik encyklopedyczny

BIAŁKA, białka, makrocząsteczki organiczne. związki zbudowane z reszt aminokwasowych. Odgrywają podstawową rolę w życiu wszystkich organizmów, uczestnicząc w ich budowie, rozwoju i metabolizmie. Mol. m. B. od 5000 do min. milion... Biologiczny słownik encyklopedyczny

wiewiórki- białka, białka, wielkocząsteczkowe substancje organiczne zbudowane z reszt aminokwasowych. Odgrywają ważną rolę w życiu wszystkich organizmów, będąc częścią ich komórek i tkanek oraz pełniąc funkcję katalityczną (enzymy), regulatorową…… Rolnictwo. Duży słownik encyklopedyczny

Takie jak receptory hormonalne lub podjednostka regulatorowa kinazy białkowej (enzym aktywowany przez cAMP) mają aktywności, które kontrolują wiązanie ligandów regulatorowych (tj. odpowiednio hormonów i cAMP). Aby aktywność białek tej klasy była specyficznie regulowana przez ligandy, takie cząsteczki muszą przede wszystkim posiadać miejsca, które specyficznie (i z reguły z dużym powinowactwem) wiążą ligand, co daje cząsteczkom zdolność do rozróżniania ligandy z innych związków chemicznych. Ponadto białko musi mieć taką strukturę, aby w wyniku wiązania liganda jego konformacja mogła ulec zmianie, tj. umożliwić działania regulacyjne. Na przykład u ssaków specyficzne wiązanie cAMP z podjednostką regulatorową poszczególnych kinaz białkowych powoduje zmniejszenie powinowactwa wiązania tej podjednostki do podjednostki katalitycznej enzymu. Powoduje to dysocjację obu podjednostek białkowych enzymu. Podjednostka katalityczna, uwolniona z hamującego działania podjednostki regulatorowej, jest aktywowana i katalizuje fosforylację białek. Fosforylacja zmienia właściwości niektórych białek, co wpływa na procesy zachodzące pod kontrolą cAMP.

Jeśli chodzi o grupę hormonów, do której należy hormon wzrostu, częściowo zidentyfikowano sekwencję nukleotydową mRNA kodującą ich syntezę (Baxter J.D.ea, 1979). Każdy aminokwas wymaga trzech nukleotydów w DNA (a zatem w transkrybowanym z niego mRNA). Chociaż dany tryplet nukleotydów (kodon) odpowiada danemu aminokwasowi, może istnieć kilka kodonów dla tego samego aminokwasu. Ta „degeneracja” kodu genetycznego sprawia, że sekwencje nukleotydowe dwóch danych genów, które determinują strukturę dwóch hormonów, są mniej lub bardziej homologiczne niż te występujące w białkach. Tak więc, jeśli dwa białka mają losową homologię sekwencji aminokwasów, to sekwencje kwasy nukleinowe może pokazać duże różnice. Jednak w odniesieniu do genów kodujących syntezę hormonów z grupy somatotropin tak nie jest; homologia sekwencji kwasu nukleinowego jest wyższa niż homologia sekwencji aminokwasowej (Baxter J.D. ea, 1979). Ludzki hormon wzrostu i somatomamotropina kosmówkowa, które mają 87% homologii sekwencji aminokwasów, mają 93% homologię sekwencji kwasu nukleinowego w swoich mRNA. Hormony wzrostu ludzkiego i szczurzego wykazują 70% homologię sekwencji aminokwasów, a ich mRNA wykazują 75% homologię sekwencji kwasu nukleinowego. W niektórych regionach mRNA szczurzego hormonu wzrostu i ludzkiej somatomammotropiny kosmówkowej (mRNA dwóch różnych hormonów u dwóch gatunków) homologia wynosi 85%. Tak więc tylko minimalne zmiany zasad w DNA powodują różnice hormonalne. Dlatego dane te potwierdzają wniosek, że geny tych hormonów wyewoluowały od wspólnego przodka. Z punktu widzenia powyższych wyobrażeń o symbolach i reakcjach, jakie wywołują, istotne jest, że każdy z trzech hormonów z tej grupy ma wpływ na wzrost. Hormon wzrostu jest czynnikiem warunkującym wzrost liniowy. Prolaktyna odgrywa ważną rolę w procesach laktacji i tym samym zapewnia wzrost noworodka. Somatomammotropina kosmówkowa, chociaż jej znaczenie fizjologiczne nie zostało jednoznacznie ustalone, może mieć istotny wpływ na wzrost wewnątrzmaciczny, kierując do organizmu matki składniki odżywcze, które wpływają na wzrost płodu (

Białka zaangażowane w regulację metabolizmu mogą same służyć jako ligandy (na przykład hormony peptydowe), tj. oddziaływać z innymi białkami, takimi jak receptory hormonów, wywierając działanie regulacyjne. Inne białka regulatorowe, takie jak receptory hormonów lub podjednostka regulatorowa kinazy białkowej (enzym aktywowany przez cAMP), wykazują aktywność kontrolowaną przez wiązanie ligandów regulatorowych (tj. odpowiednio hormonów i cAMP) (patrz rozdział 4). Aby aktywność białek tej klasy była specyficznie regulowana przez ligandy, takie cząsteczki muszą przede wszystkim posiadać miejsca, które specyficznie (i z reguły z dużym powinowactwem) wiążą ligand, co daje cząsteczkom zdolność do rozróżniania ligand z innych związków chemicznych. Ponadto białko musi mieć taką strukturę, aby w wyniku wiązania liganda jego konformacja mogła ulec zmianie, czyli dawać możliwość wywierania działania regulacyjnego. Na przykład u ssaków specyficzne wiązanie cAMP z podjednostką regulatorową pewnych kinaz białkowych powoduje zmniejszenie powinowactwa wiązania tej podjednostki do podjednostki katalitycznej enzymu (patrz rozdział 4). Powoduje to dysocjację obu podjednostek białkowych enzymu. Podjednostka katalityczna, uwolniona z hamującego działania podjednostki regulatorowej, jest aktywowana i katalizuje fosforylację białek. Fosforylacja zmienia właściwości niektórych białek, co wpływa na procesy zachodzące pod kontrolą cAMP. Oddziaływanie hormonów steroidowych z ich receptorami powoduje takie zmiany konformacyjne tych ostatnich, które dają im zdolność wiązania się z jądrem komórkowym (patrz rozdział 4). Ta interakcja zmienia również inne właściwości receptora, które są ważne w pośredniczeniu w działaniu hormonów steroidowych na transkrypcję niektórych typów mRNA.
Aby pełnić tak wyspecjalizowane i wysoce specyficzne funkcje, białka, w wyniku ewolucji genów determinujących ich sekwencję aminokwasową, musiały nabyć taką strukturę, jaką posiadają obecnie. W niektórych przypadkach w procesie biorą udział również inne geny, kodujące syntezę produktów modyfikujących same białka regulatorowe (np. poprzez glikozylację). Ponieważ ewolucja genów najwyraźniej nastąpiła z powodu takich mechanizmów, jak mutacja wcześniej istniejących genów i rekombinacja odcinków różnych genów (jak omówiono), nałożyło to pewne ograniczenia na ewolucję białka. Z ewolucyjnego punktu widzenia prawdopodobnie łatwiej byłoby modyfikować obecne struktury niż tworzyć zupełnie nowe geny. Pod tym względem istnienie pewnej homologii w sekwencjach aminokwasowych różnych białek może nie być nieoczekiwane, ponieważ ich geny mogły powstać w wyniku ewolucji wspólnych prekursorów. Ponieważ, jak zauważono powyżej, regiony białek przystosowane do wiązania ligandów regulatorowych, takich jak cAMP i steroidy lub ich analogi, musiały już istnieć przed pojawieniem się tych ligandów, łatwo sobie wyobrazić, jak modyfikacja genów takich białek może prowadzić do synteza innych białek, które zachowują wysoką specyficzność wiązania liganda regulatorowego.
Na ryc. Rycina 2-2 przedstawia jeden z hipotetycznych schematów ewolucji prymitywnej glukotransferazy w trzy istniejące typy białek regulatorowych: bakteryjne białko wiążące cAMP (CAP lub CRP), które reguluje transkrypcję kilku genów kodujących enzymy biorące udział w metabolizmie laktozy , jak również ssacze białko wiążące cAMP, które reguluje aktywność zależnej od cAMP kinazy białkowej, która pośredniczy w działaniu cAMP u ludzi (patrz rozdział 4) oraz cyklazy adenylanowej (patrz rozdział 4). W odniesieniu do białka i kinazy bakteryjnej, miejsca wiązania ATP prymitywnej glukokinazy ewoluowały w kierunku uzyskania większej swoistości wiązania cAMP. Białko bakteryjne nabyło również dodatkową zdolność wiązania polinukleotydów (DNA). Ewolucja kinazy obejmuje nabycie zdolności glukofosfotransferazy do fosforylowania białek. Wreszcie cyklaza adenylanowa może być również utworzona z glukokinazy poprzez zastąpienie funkcji generującej ADP funkcją generującą cAMP. Wnioski te muszą być wyłącznie hipotetyczne; niemniej jednak pokazują, jak mogła nastąpić ewolucja molekularna wymienionych białek regulatorowych.

Ryż. 2-2. Proponowane pochodzenie zależnej od cAMP kinazy białkowej, cyklazy adenylanowej i bakteryjnego białka regulacyjnego wiążącego cAMP (Baxter, MacLeod).
Choć brakuje wielu szczegółów w obrazie ewolucji białek, dostępne obecnie informacje o budowie białek i genów dają podstawy do analizy pytania, czy geny niektórych hormonów polipeptydowych pochodzą od wspólnego genu prekursorowego. Poszczególne hormony polipeptydowe można pogrupować według ich podobieństwa strukturalnego. Nie ma nic dziwnego w tym, że hormony należące do tej samej grupy mogą wywoływać podobne efekty fizjologiczne, a także podobny mechanizm działania. Tak więc hormon wzrostu (GH), prolaktyna i somatomamotropina kosmówkowa (laktogen łożyskowy) charakteryzują się wysoki stopień homologia sekwencji aminokwasów. Hormony glikoproteinowe - hormon tyreotropowy (TSH), ludzka gonadotropina kosmówkowa (hCG), hormony folikulotropowe (FSH) i luteinizujące (LH) - składają się z dwóch podjednostek, z których każda (łańcuch A) jest identyczna lub prawie identyczna dla wszystkie hormony danej grupy. Sekwencja aminokwasowa podjednostek B w różnych hormonach, choć nie identyczna, ma homologię strukturalną. To właśnie te różnice w łańcuchach B prawdopodobnie będą miały decydujące znaczenie dla nadania specyficzności interakcji każdego hormonu z jego tkanką docelową. Insulina wykazuje pewne analogi strukturalne i ma wspólną aktywność biologiczną z innymi czynnikami wzrostu, takimi jak somatomedyna i niehamowana aktywność insulinopodobna (NIPA).
W przypadku grupy hormonów, do której należy hormon wzrostu, częściowo wyjaśniona została sekwencja nukleotydów mRNA kodującego ich syntezę. Każdy aminokwas wymaga trzech nukleotydów w DNA (a więc w transkrybowanym z niego mRNA). Chociaż ta trójka nukleotydów; (kodon) odpowiada temu konkretnemu aminokwasowi, może istnieć kilka kodonów dla tego samego aminokwasu. Taka „degeneracja” kodu genetycznego sprawia, że sekwencje nukleotydowe dwóch danych genów, które determinują strukturę dwóch hormonów, są mniej lub bardziej homologiczne niż te występujące w białkach. Tak więc, jeśli dwa białka mają losową homologię sekwencji aminokwasowych, wówczas sekwencje kwasu nukleinowego mogą wykazywać duże różnice. Jednak w odniesieniu do genów kodujących syntezę hormonów z grupy somatotropin tak nie jest; Homologia sekwencji kwasu nukleinowego jest wyższa niż homologia sekwencji aminokwasów. Ludzki hormon wzrostu i ludzka somatomammotropina kosmówkowa, które mają 87% homologię sekwencji aminokwasów, mają 93% homologię sekwencji kwasu nukleinowego w swoich mRNA. Hormony wzrostu ludzkiego i szczurzego wykazują 70% homologię sekwencji aminokwasów, a ich mRNA wykazują 75% homologię sekwencji kwasu nukleinowego. W niektórych regionach mRNA szczurzego hormonu wzrostu i ludzkiej somatomammotropiny kosmówkowej (mRNA dwóch różnych hormonów u dwóch gatunków biologicznych) homologia wynosi 85% (ryc. 2-3). Tak więc tylko minimalne zmiany zasad w DNA powodują różnice hormonalne. Dlatego dane te potwierdzają wniosek, że geny tych hormonów wyewoluowały od wspólnego przodka. Z punktu widzenia powyższych wyobrażeń o symbolach i reakcjach, jakie wywołują, istotne jest, że każdy z trzech hormonów tej grupy ma wpływ na wzrost (patrz niżej). Hormon wzrostu jest czynnikiem warunkującym wzrost liniowy. Prolaktyna odgrywa ważną rolę w procesach laktacji i tym samym zapewnia wzrost noworodka. Somatomammotropina kosmówkowa, choć jej fizjologiczne znaczenie nie zostało dokładnie ustalone, może mieć istotny wpływ na wzrost wewnątrzmaciczny, kierując składniki odżywcze do organizmu matki na wzrost płodu.

Ryż. 2-3. Homologia sekwencji aminokwasowych (AA) w szczurzym hormonie wzrostu (GRH) i ludzkiej somatomammotropinie kosmówkowej (ludzki laktogen łożyskowy, PLC) oraz sekwencje kwasów nukleinowych w informacyjnym RNA kodującym syntezę tych dwóch hormonów. Nazwy aminokwasów są skrócone, podobnie jak nazwy kwasów nukleinowych. Pokazano region odpowiadający sekwencji aminokwasowej 134-149. Podkreślono niehomologiczne kwasy nukleinowe i aminokwasy (Baxter et al.). U - urydyna, C - cytozyna, A - adenozyna, G - guanozyna.

Praca genów w każdym organizmie – prokariotycznym, eukariotycznym, jednokomórkowym czy wielokomórkowym – jest kontrolowana i koordynowana.

Różne geny mają różną aktywność czasową. Niektóre z nich charakteryzują się stałą aktywnością. Takie geny są odpowiedzialne za syntezę białek niezbędnych komórce lub organizmowi przez całe życie, na przykład geny, których produkty biorą udział w syntezie ATP. Większość genów ma okresową aktywność, działają tylko w określonych momentach, kiedy istnieje zapotrzebowanie na ich produkty - białka. Geny różnią się również poziomem aktywności (niski lub wysoki).

Białka komórkowe są klasyfikowane jako regulatorowe i strukturalne. Białka regulatorowe syntetyzowane na genach regulatorowych i kontrolujące pracę genów strukturalnych. Geny strukturalne kodują białka strukturalne, które pełnią funkcje strukturalne, enzymatyczne, transportowe i inne (poza regulatorowymi!).

Regulacja syntezy białek odbywa się na wszystkich etapach tego procesu: transkrypcji, translacji i modyfikacji potranslacyjnej, poprzez indukcję lub represję.

Regulacja aktywności genów w organizmach eukariotycznych jest znacznie bardziej skomplikowana niż regulacja ekspresji genów prokariotycznych, o czym decyduje złożoność organizacji organizmu eukariotycznego, a zwłaszcza wielokomórkowego. W 1961 roku francuscy naukowcy F. Jacob, J. Monod i A. Lvov sformułowali model kontroli genetycznej syntezy białek katalizujących przyswajanie laktozy przez komórkę – pojęcie operonu.

Operon to grupa genów kontrolowanych przez pojedynczy gen regulatorowy.

Gen regulatorowy to gen o stałej niskiej aktywności, na którym syntetyzowane jest białko represorowe – białko regulatorowe, które może wiązać się z operatorem, inaktywując go.

Operator jest punktem wyjścia do odczytywania informacji genetycznej, kontroluje pracę genów strukturalnych.

Geny strukturalne operonu laktozy zawierają informacje o enzymach biorących udział w metabolizmie laktozy. Dlatego laktoza będzie służyć jako induktor - środek inicjujący pracę operonu.

Promotor jest miejscem przyłączenia polimerazy RNA.

Terminator jest miejscem zakończenia syntezy mRNA.

W przypadku braku induktora system nie działa, ponieważ represor „wolny” od induktora – laktoza – jest podłączony do operatora. W takim przypadku enzym polimeraza RNA nie może katalizować procesu syntezy mRNA. Jeśli laktoza (induktor) znajduje się w komórce, to oddziałując z represorem, zmienia swoją strukturę, w wyniku czego represor uwalnia operatora. Polimeraza RNA wiąże się z promotorem, rozpoczyna się synteza mRNA (transkrypcja genów strukturalnych). Następnie na rybosomach powstają białka zgodnie z programem operonu mRNA-laktoza. W organizmach prokariotycznych jedna cząsteczka mRNA przepisuje informacje ze wszystkich genów strukturalnych operonu, tj. Operon to jednostka transkrypcyjna. Transkrypcja trwa tak długo, jak cząsteczki laktozy pozostają w cytoplazmie komórki. Gdy tylko wszystkie cząsteczki są przetwarzane przez komórkę, represor zamyka operator i zatrzymuje się synteza mRNA.

Tak więc synteza mRNA i odpowiednio synteza białek muszą być ściśle regulowane, ponieważ komórka nie ma wystarczających zasobów do jednoczesnej transkrypcji i translacji wszystkich genów strukturalnych. Zarówno pro-, jak i eukarionty nieustannie syntetyzują tylko te mRNA, które są niezbędne do wykonywania podstawowych funkcji komórkowych.Ekspresja innych genów strukturalnych odbywa się pod ścisłą kontrolą układów regulacyjnych, które wyzwalają transkrypcję tylko wtedy, gdy istnieje zapotrzebowanie na określone białko (białka ).

BIAŁKA REGULACYJNE (od łac. regulo - uporządkuj, dostosuj), grupa białek. zaangażowany w regulację rozkładu. biochem. procesy. Ważną grupą białek regulatorowych, której poświęcony jest ten artykuł, są białka oddziałujące z DNA i kontrolujące ekspresję genów (ekspresję genów w charakterystyce i właściwościach organizmu). Zdecydowana większość tych białek regulatorowych działa na poziomie transkrypcji (synteza informacyjnego RNA lub mRNA na matrycy DNA) i jest odpowiedzialna za aktywację lub represję (supresję) syntezy mRNA (odpowiednio białka aktywatorowe i białka represorowe) .

Represor jest zwykle dimerem dwóch identycznych łańcuchów polipeptydowych zorientowanych we wzajemnie przeciwnych kierunkach. Represory fizycznie zapobiegają przyłączaniu polimerazy RNA do DNA w miejscu promotora (miejsce wiązania enzymu polimerazy RNA zależnej od DNA, który katalizuje syntezę mRNA na matrycy DNA) i rozpoczynaniu syntezy mRNA. Zakłada się, że represor zapobiega jedynie inicjacji transkrypcji i nie wpływa na wydłużenie mRNA.

Represor może kontrolować syntezę do. pojedyncze białko lub szereg białek. którego ekspresja jest skoordynowana. Z reguły są to enzymy obsługujące jeden metabolizm. ścieżka; ich geny są częścią jednego operonu (zestawu połączonych genów i sąsiednich regionów regulatorowych).

Mn. represory mogą występować zarówno w postaci aktywnej, jak i nieaktywnej, w zależności od tego, czy są związane z induktorami lub korepresorami (odpowiednio substraty, w obecności których szybkość syntezy konkretnego enzymu jest specyficznie zwiększona lub zmniejszona; patrz Regulatory enzymów); te interakcje mają charakter niekowalencyjny.

Dla wydajnej ekspresji genów konieczne jest nie tylko dezaktywowanie represora przez induktor, ale także realizacja konkretnego. pozytywny sygnał włączania, w którym pośredniczą białka regulatorowe działające „w parze” z cyklicznym. monofosforan adenozyny (cAMP). Ten ostatni wiąże się ze specyficznymi białkami regulatorowymi (tzw. CAP-białko-aktywatorem genów katabolizmu lub białkami. aktywator katabolizmu-BAC). To jest dimer z molo. m. 45 tys.. Po związaniu się z cAMP, nabiera zdolności podczepiania się do specyfiku. regiony na DNA, gwałtownie zwiększając wydajność transkrypcji genów odpowiedniego operonu. Jednocześnie CAP nie wpływa na tempo wzrostu łańcucha mRNA, ale kontroluje etap inicjacji transkrypcji – przyłączenia polimerazy RNA do promotora. W przeciwieństwie do represora CAP (w kompleksie z cAMP) ułatwia wiązanie polimerazy RNA z DNA i sprawia, że inicjacja transkrypcji jest częstsza. Miejsce przyłączenia CAP do DNA przylega bezpośrednio do promotora od strony przeciwnej niż ta, w której zlokalizowany jest operator.

Pozytywną regulację (np. operonu E. coli lac) można opisać w sposób uproszczony: wraz ze spadkiem stężenia glukozy (głównego źródła węgla) wzrasta stężenie cAMP, które wiąże się z CAP, a wynikowy kompleks zwiększa się wraz z promotorem lac. W rezultacie stymuluje się wiązanie polimerazy RNA z promotorem i wzrasta szybkość transkrypcji genów kodujących enzymy umożliwiające komórce przełączenie się na inne źródło węgla, laktozę. Istnieją inne specjalne białka regulatorowe (np. białko C), których działanie opisuje bardziej złożony schemat; kontrolują wąski zakres genów i mogą działać zarówno jako represory, jak i aktywatory.

Represory i aktywatory specyficzne dla operonu nie wpływają na specyficzność samej polimerazy RNA. Ten ostatni poziom regulacji jest realizowany w przypadkach dotyczących massir. zmiana w spektrum eksprymowanych genów. Tak więc w E. coli geny kodujące białka szoku cieplnego, które ulegają ekspresji w wielu stresujących warunkach komórki, są odczytywane przez polimerazę RNA tylko wtedy, gdy specjalne białko regulatorowe, tzw. współczynnik s32. W prątkach i innych bakteriach znaleziono całą rodzinę tych białek regulatorowych (czynników s), które zmieniają specyficzność promotora polimerazy RNA.

Dr. wiele białek regulatorowych zmienia katalitycznie. właściwości polimerazy RNA (tzw. białek antyterminatorowych). Na przykład, w bakteriofagu X znane są dwa takie białka, które modyfikują polimerazę RNA tak, że nie podlega ona komórkowym sygnałom terminacji (końca) transkrypcji (jest to konieczne do aktywnej ekspresji genów fagowych).

Ogólny schemat genetyczny kontrola, w tym funkcjonowanie białek regulatorowych, ma również zastosowanie do bakterii i komórek eukariotycznych (wszystkie organizmy z wyjątkiem bakterii i sinic).

Eukariotyczny komórki reagują na zewn. sygnały (dla nich np. hormony) w zasadzie tak samo, jak komórki bakteryjne reagują na zmiany stężenia składników odżywczych. substancje w środowisku, tj. poprzez odwracalną represję lub aktywację (derepresję) poszczególnych genów. Jednocześnie białka regulatorowe, które jednocześnie kontrolują aktywność dużej liczby genów, mogą być stosowane w procesie rozkładu. kombinacje. Podobna kombinacja genetyczna regulacja może zapewnić zróżnicowanie. rozwój całego złożonego organizmu wielokomórkowego dzięki interakcji. stosunkowo niewiele kluczowych białek regulatorowych

W systemie regulacji aktywności genów u eukariontów występuje dodatek. poziom nieobecny w bakteriach, a mianowicie translacja wszystkich nukleosomów (powtarzających się podjednostek chromatyny), które tworzą jednostkę transkrypcyjną do postaci aktywnej (zdekondensowanej) w tych komórkach, w których gen ten powinien być funkcjonalnie aktywny. Zakłada się, że w grę wchodzi zestaw specyficznych białek regulatorowych, które nie mają analogów u prokariontów. Białka te nie tylko rozpoznają specyficzne odcinki chromatyny (lub. DNA), ale także powodują pewne zmiany strukturalne w sąsiednich obszarach. białka regulatorowe, takie jak aktywatory i represory bakterii, najwyraźniej są zaangażowane w regulację późniejszej transkrypcji poszczególnych genów w obszarach activir. chromatyna.

Obszerna klasa białek regulatorowych, białek receptorowych eukariotycznych hormonów steroidowych.

Sekwencja aminokwasowa białek regulatorowych jest kodowana przez tzw. geny regulacyjne. Inaktywacja mutacyjna represora prowadzi do niekontrolowanej syntezy mRNA, aw konsekwencji pewnego białka (w wyniku syntezy białka translacyjnego na matrycy mRNA). Takie organizmy nazywane są mutanty konstytutywne. Utrata aktywatora w wyniku mutacji prowadzi do trwałego spadku syntezy regulowanego białka.