Краткое содержание: Параграф §25 / Биология 10 класс

Регуляция генетической активности: Общие принципы

Регуляция транскрипции и трансляции является фундаментальным процессом, обеспечивающим функционирование клеток и организмов. Генетическая информация, содержащаяся в ДНК, определяет набор белков, синтезируемых клеткой, что, в свою очередь, определяет её функции. Однако, не все гены в клетке активны одновременно. В многоклеточном организме клетки разных тканей выполняют специализированные функции и синтезируют только необходимый для них набор белков. Генетическая единица регуляции синтеза белка у прокариотов называется опероном.

Механизм регуляции у прокариотов

У прокариотов (например, у бактерий) регуляция синтеза белков, как правило, осуществляется на уровне транскрипции и связана с работой оперона. Оперон включает в себя один или несколько структурных генов, несущих информацию о синтезе мРНК, а также регуляторные участки ДНК: промотор (посадочная площадка для фермента РНК-полимеразы) и оператор. Взаимодействие между промотором и структурными генами в опероне регулируется особым белком – репрессором. Репрессор, связываясь с оператором, блокирует движение РНК-полимеразы по ДНК, что делает невозможным синтез мРНК и, следовательно, синтез соответствующего белка (фермента).

Взаимодействие репрессора с оператором может быть модифицировано определенными веществами, которые называются корепрессорами или активаторами. Например, вещество (корепрессор) может связаться с репрессором, изменить его конформацию, и тем самым, активировать его способность связываться с оператором, что приводит к блокировке транскрипции. Это позволяет клетке быстро реагировать на изменение внешней среды, включая или выключая синтез нужных ферментов в зависимости от наличия питательных веществ.

Особенности регуляции у эукариотов

У эукариотов регуляция активности генов намного сложнее, чем у прокариотов. Это обусловлено рядом факторов:

• Геном эукариотов содержит значительно больше ДНК и имеет более сложное строение (линейные хромосомы, наличие «молчащих» участков).

• Регуляция должна происходить на разных уровнях: внутри клетки (транскрипция, трансляция, процессинг, модификация белков) и на уровне всего организма (гормональная регуляция, нервная система).

• В многоклеточном организме необходима скоординированная работа клеток в различных тканях.

Координация на уровне организма чаще всего осуществляется с помощью гормонов. Гормоны, вырабатываемые железами внутренней секреции, действуют как на расстоянии, так и локально. Они связываются со специфическими рецепторами на поверхности или внутри клеток. Это взаимодействие либо активирует, либо репрессирует определённые гены, что приводит к изменению характера синтеза белка и, как следствие, изменению функций клетки. Например, гормон роста (соматотропин), связываясь с рецептором на мембране клетки, активирует внутриклеточный сигнальный путь (тирозинкиназный рецептор \(\rightarrow\) белки STAT-белки), что стимулирует транскрипцию ряда генов и увеличивает скорость синтеза белков, способствуя росту хрящевой и мышечной ткани. Другие гормоны, например, андрогены, стимулируют образование белка в половых органах, мышцах и скелете, активируя транскрипцию в соответствующих клетках.

Удивительные факты о ДНК и геноме

Геном человека содержит около 20-25 тысяч генов, но при этом ДНК в клетках человека насчитывает примерно 3 млрд. нуклеотидных пар. Удивительным является тот факт, что 99,9% ДНК у всех людей одинакова, а индивидуальность определяется лишь 0,1% генома, которые регулируют обмен веществ, склонность к болезням и реакцию на внешние факторы.

В процессе развития некоторых организмов, например, у круглых червей (Nematoda), происходит диминуция хроматина — явление, когда часть ДНК выбрасывается из ядра и разрушается в цитоплазме в соматических клетках, но не в половых. Это приводит к тому, что соматические клетки, потерявшие гены, не способны синтезировать полный набор белков, характерный для организма. Диминуция хроматина считается эволюционным приобретением, так как избавляет нематод от необходимости использовать многие сложные механизмы регуляции генов. Однако, следствием диминуции хроматина является невозможность регенерации тканей (кроме покровной) у этих червей.

Общая длина молекул ДНК, содержащихся в 46 хромосомах человека, составляет почти 2 метра. Если бы генетический триплетный код был представлен буквами алфавита, то ДНК одной клетки человека хватило бы для шифровки 1000 толстых томов текста!