Белки, принимающие участие в регуляции метаболизма, сами могут служить лигандами (например, пептидные гормоны), т. е. взаимодействовать с другими белками, такими, как гормональные рецепторы, оказывая регуляторное действие. Другие регуляторные белки такие, как рецепторы гормонов или регуляторная субъединица протеинкиназы (фермент, активируемый цАМФ), обладают активностями, контролируемыми связыванием регуляторных лигандов (т. е. гормонов и цАМФ соответственно) (см. главу 4). Для того чтобы активности белков этого класса могли специфически регулироваться лигандами, такие молекулы прежде всего должны обладать участками, специфически (и, как правило, с высоким сродством) связывающими лиганд, что придает молекулам способность отличать лиганд от других химических соединений. Кроме того, белок должен обладать такой структурой, чтобы в результате связывания лиганда его конформация могла меняться, т. е. обеспечивать возможность оказания регуляторного действия. Например, у млекопитающих специфическое связывание цАМФ с регуляторной субъединицей отдельных протеинкиназ приводит к уменьшению сродства связи этой субъединицы с каталитической субъединицей фермента (см. главу 4). Это обусловливает диссоциацию обеих белковых субъединиц фермента. Каталитическая субъединица, освободившись из-под ингибиторного действия регуляторной субъединицы, активируется и катализирует фосфорилирование белков. Фосфорилирование изменяет свойства определенных белков, что сказывается на процессах, находящихся под контролем цАМФ. Взаимодействие стероидных гормонов со своими рецепторами вызывает в последних такие конформационные изменения, которые придают им способность связываться с клеточным ядром (см. главу 4). Это взаимодействие изменяет и другие свойства рецепторов, важные для опосредования эффекта стероидных гормонов на транскрипцию определенных видов мРНК.
Для того чтобы обладать столь специализированными и высокоспецифическими функциями, белки в результате эволюции генов, определяющих их аминокислотную последовательность, должны были приобрести ту структуру, которую они имеют в настоящее время. В некоторых случаях в процессе принимают участие и другие гены, кодирующие синтез продуктов, модифицирующих сами регуляторные белки (например, путем гликозилирования). Поскольку эволюция генов, по-видимому, происходила за счет таких механизмов, как мутация предсуществующих генов и рекомбинация участков различных генов (о чем говорилось), это наложило определенные ограничения на эволюцию белка. С эволюционной точки зрения, вероятно, было бы проще видоизменить присутствующие структуры, чем создавать совершенно новые гены. В связи с этим существование некоторой гомологии в аминокислотных последовательностях различных белков может и не быть неожиданностью, так как их гены могли возникнуть вследствие эволюции общих предшественников. Поскольку, как отмечалось выше, участки белков, приспособленные для связывания регуляторных лигандов, таких, как цАМФ и стероиды или их аналоги, уже должны были существовать ко времени появления этих лигандов, легко представить себе, как модификация генов таких белков может привести к синтезу других белков, сохраняющих высокую специфичность связывания регуляторного лиганда.
На рис. 2-2 приведена одна из гипотетических схем эволюции примитивной глюкотрансферазы в три существующие типа регуляторных белков: бактериальный цАМФ-связывающий белок (CAP или CRP), регулирующий транскрипцию нескольких генов, кодирующих ферменты, которые принимают участие в метаболизме лактозы , а также цАМФ-связывающий белок млекопитающих, который регулирует активность цАМФ-зависимой протеинкиназы, опосредующей действие цАМФ у человека (см. главу 4), и аденилатциклазу (см. главу 4). Применительно к бактериальному белку и киназе АТФ-связывающие участки примитивной глюкокиназы эволюционировали в направлении приобретения большей специфичности связывания цАМФ. Бактериальный белок приобрел также дополнительную полинуклеотид (ДНК)-связывающую способность. Эволюция киназы предполагает приобретение глюкофосфотрансферазной способности фосфорилировать белки. Наконец, из глюкокиназы путем замены АДФ-генерирующей функции на цАМФ-генерирующую могла бы образоваться и аденилатциклаза. Эти заключения не могут не быть сугубо гипотетическими; тем не менее они показывают, как могла осуществляться молекулярная эволюция перечисленных регуляторных белков.
Рис.2-2. Предположительное происхождение цАМФ-зависимой протеинкиназы, аденилатциклазы и бактериального цАМФ-связывающего регуляторного белка (Baxter, MacLeod ).
Хотя многие детали в картине эволюции белков отсутствуют, имеющиеся в настоящее время сведения о структуре белков и генов дают некоторые основания для анализа вопроса о том, произошли ли гены некоторых полипептидных гормонов из общего гена-предшественника . Отдельные полипептидные гормоны можно сгруппировать по структурному сходству. Нет ничего удивительного в том, что гормоны, относящиеся к одной группе, могут обладать и сходством вызываемых ими физиологических эффектов, а также сходным механизмом действия. Так, гормон роста (СТГ), пролактин и хорионический соматомаммотропин (плацентарный лактоген) характеризуются высокой степенью гомологии аминокислотной последовательности. Гликопротеидные гормоны - тиротропный гормон (ТТГ), хорионический гонадотропин человека (ХГЧ), фолликулостимулирующий (ФСГ) и лютеинизирующий (ЛГ) гормоны - состоят из двух субъединиц, каждый, одна из которых (А-цепь) идентична или почти идентична у всех гормонов данной группы . Аминокислотная последовательность субъединиц В в различных гормонах, хотя и не идентична, но имеет структурную гомологию. Вероятно, именно эти различия В-цепей имеют решающее значение для придания специфичности взаимодействию каждого гормона с его тканью-мишенью. Инсулин обнаруживает некоторые структурные аналоги и обладает общей биологической активностью с другими факторами роста, такими, как соматомедин и неподавляемая инсулиноподобная активность (НИПА) .
Что касается группы гормонов, к которой принадлежит гормон роста, то нуклеотидная последовательность мРНК, кодирующих их синтез, частично выяснена . Для каждой аминокислоты необходимы три нуклеотида в ДНК (и, следовательно, в транскрибируемой с нее мРНК). Хотя данному триплету нуклеотидов; (кодон) соответствует именно данная аминокислота, для одной и той же аминокислоты могут существовать несколько кодонов. Такая «вырожденность» генетического кода обусловливает возможность большей или меньшей гомологии нуклеотидных последовательностей двух данных генов, определяющих структуру двух гормонов, чем имеется в белках. Так, если два белка обладают случайной гомологией аминокислотной последовательности, то последовательности нуклеиновых кислот могли бы обнаруживать большие различия. Однако в отношении генов, кодирующих синтез гормонов группы соматотропина, это не так; гомология последовательности нуклеиновых кислот выше, чем гомология аминокислотной последовательности . Гормон роста человека и хорионический соматомаммотропин, которые имеют 87% гомологию аминокислотных последовательностей, в своих мРНК имеют 93% гомологию последовательностей нуклеиновых кислот. Гормоны роста человека и крысы обладают 70% гомологией аминокислотных последовательностей, а их мРНК обнаруживают 75% гомологию последовательности нуклеиновых кислот. В некоторых участках мРНК гормона роста крысы и хорионического соматомаммотропина человека (мРНК двух разных гормонов у двух биологических видов) гомология составляет 85% (рис. 2-3). Таким образом, лишь минимальные изменения оснований в ДНК обусловливают различия гормонов. Следовательно, эти данные подтверждают заключение о том, что гены таких гормонов образовались в ходе эволюции из общего предшественника. С позиций изложенных представлений о символах и вызываемых ими реакциях существенно, что каждый из трех гормонов данной группы обладает влиянием на рост (см. далее). Гормон роста представляет собой фактор, определяющий линейный рост. Пролактин играет важную роль в процессах лактации и тем самым обеспечивает рост новорожденного. Хорионический соматомаммотропин, хотя его физиологическое значение точно не установлено, может оказывать существенное влияние на внутриутробный рост, направляя поступающие в организм матери пищевые вещества на рост плода .
РЕГУЛЯТОРНЫЕ БЕЛКИ
(от лат. regulo-привожу в порядок, налаживаю), группа белков, участвующих в регуляции разл. биохим. процессов. Важная группа Р. б., к-рым посвящена эта статья,-белки, взаимодействующие с ДНК и управляющие экспрессией генов (выражение гена в признаках и св-вах организма). Подавляющее большинство таких Р. б. функционирует на уровне транскрипции
(синтез матричных РНК, или мРНК, на ДНК-матрице) и отвечает за активацию или репрессию (подавление) синтеза мРНК (соотв. белки-активаторы и белки-репрессоры).
Известно ок. 10 репрессоров. Наиб. изучены среди них репрессоры прокариот (бактерии, синезеленые водоросли), регулирующие синтез ферментов, участвующих в метаболизме лактозы (lac-репрессор) в Escherichia coli (E.coli), и репрессор бактериофага А,. Их действие реализуется путем связывания со специфич. участками ДНК (операторами) соответствующих генов и блокирования инициации транскрипции кодируемых этими генами мРНК.
Репрессор представляет собой обычно димер из двух идентичных полипептидных цепей, ориентированных во взаимно противоположных направлениях. Репрессоры физически препятствуют РНК-полимеразе
присоединиться к ДНК в промоторном участке (место связывания ДНК-зависимой РНК-полимеразы-фермента, катализирующего синтез мРНК на ДНК-матрице) и начать синтез мРНК. Предполагают, что репрессор препятствует только инициации транскрипции и не оказывает влияния на элонгацию мРНК.
Репрессор может контролировать синтез к.-л. одного белка или целого ряда белков, экспрессия к-рых носит координированный характер. Как правило, это , обслуживающие один метаболич. путь; их гены входят в состав одного оперона (совокупность связанных между собой генов и прилегающих к ним регуляторных участков).
Мн. репрессоры могут существовать как в активной, так и в неактивной форме в зависимости от того, связаны они или нет с индукторами или корепрессорами (соотв.
субстраты, в присут. к-рых специфически повышается или понижается скорость синтеза определенного фермента; см. Регуляторы ферментов
);
эти взаимод. имеют нековалент-ную природу.
Для эффективной экспрессии генов необходимо не только, чтобы репрессор был инактивирован индуктором, но также реализовался и специфич. положит. сигнал включения, к-рый опосредуется Р. б., работающими "в паре" с циклич. аденозинмонофосфатом (цАМФ). Последний связывается со специфическими Р. б. (т. наз. САР-белок-активатор ката-болитных генов, или белковый активатор катаболизма-БАК). Это димер с мол. м. 45 тыс. После связывания с цАМФ он приобретает способность присоединяться к специфич. участкам на ДНК, резко увеличивая эффективность транскрипции генов соответствующего оперона. При этом САР не влияет на скорость роста цепи мРНК, а контролирует стадию инициации транскрипции-присоединение РНК-полимеразы к промотору. В противоположность реп-рессору САР (в комплексе с цАМФ) облегчает связывание РНК-полимеразы с ДНК и делает акты инициации транскрипции более частыми. Участок присоединения САР к ДНК примыкает непосредственно к промотору со стороны, противоположной той, где локализован оператор.
Позитивную регуляцию (напр., lac-оперона E.coli) можно описать упрощенной схемой: при понижении концентрации глюкозы (осн. источника углерода) увеличивается цАМФ, к-рый связывается с САР, а образовавшийся комплекс-с lac-промотором. В результате стимулируется связывание РНК-полимеразы с промотором и возрастает скорость транскрипции генов, к-рые кодируют , позволяющие клетке переключаться на использование др. источника углерода-лактозы. Существуют и др. специальные Р. б. (напр., белок С), функционирование к-рых описывается более сложной схемой; они контролируют узкий спектр генов и могут выступать в роли как репрессоров, так и активаторов.
Репрессоры и оперон-специфичные активаторы не влияют на специфичность самой РНК-полимеразы. Этот последний уровень регуляции реализуется в случаях, предполагающих массир. изменение спектра экспрессирующихся генов. Так, у E.coli гены, кодирующие теплового шока, к-рые экспрессируются при целом ряде стрессовых состояний клетки, считываются РНК-полимеразой только тогда, когда в ее сослав включается особый Р. б.-т. наз. фактор s 32 . Целое семейство этих Р. б. (s-факторы), изменяющие про-моторную специфичность РНК-полимеразы, обнаружены у бацилл и др. бактерий.
Др. разновидность Р. б. изменяет каталитич. св-ва РНК-полимеразы (т. наз. белки-антитерминаторы). Так, у бактериофага X известны два таких белка, к-рые модифицируют РНК-полимеразу так, что она не подчиняется клеточным сигналам терминации (окончания) транскрипции (это необходимо для активной экспрессии фаговых генов).
Общая схема генетич. контроля, включающая функционирование Р. б., приложима также к бактериям и к клеткам эукариот (все организмы, за исключением бактерий и сине-зеленых водорослей).
Эукариотич. клетки реагируют на внеш. сигналы (для них это, напр., ) в принципе так же, как бактериальные клетки реагируют на изменения концентрации питат. в-в в окружающей среде, т. е. путем обратимой репрессии или активации (дерепрессии) отдельных генов. При этом Р. б., одновременно контролирующие большого числа генов, могут использоваться в разл. комбинациях. Подобная комбинационная генетич. регуляция может обеспечивать дифференцир. развитие всего сложного многоклеточного организма благодаря взаимод. относительно небольшого числа ключевых Р. б.
В системе регуляции активности генов у эукариот имеется дополнит. уровень, отсутствующий у бактерий, а именно-перевод всех нуклеосом (повторяющихся субъединиц хроматина),
входящих в состав транскрипционной единицы, в активную (деконденсированную) форму в тех клетках, где данный должен быть функционально активен. Предполагается, что здесь задействован набор специфических Р. б., не имеющих аналогов у прокариот. Эти не только узнают специфич. участки хроматина (или. ДНК), но и вызывают определенные структурные изменения в прилежащих областях. Р. б., подобные активаторам и репрессорам бактерий, по-видимому, участвуют в регуляции последующей транскрипции отдельных генов в районах активир. хроматина.
Обширный класс Р. б. эукариот
-рейепторные белки
стероидных гормонов.
Аминокислотная последовательность Р. б. кодируется т. наз. регуляторными генами. Мутационная инактивация репрессора приводит к неконтролируемому синтезу мРНК, и, следовательно, определенного белка (в результате транс-ляции-
синтеза белка на мРНК-матрице). Такие организмы наз. конститутивными мутантами. Утрата в результате активатора приводит к стойкому снижению синтеза регулируемого белка.
Лит.:
Страйер Л., Биохимия, пер. с англ., т. 3, М., 1985, с. 112-25.
П. Л. Иванов.
Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .
Смотреть что такое "РЕГУЛЯТОРНЫЕ БЕЛКИ" в других словарях:
белки - специфичные для пуфов Разнородная группа ядерных белков, участвующих в процессе активации генов в пуфах политенных хромосом; к этим белкам относятся факторы собственно транскрипции (РНК полимераза II, регуляторные белки и др.), а также ряд… … Справочник технического переводчика
Белки специфичные для пуфов - Белки, специфичные для пуфов * бялкі, спецыфічныя для пуфаў * puff specific proteins разнородная группа ядерных белков, участвующих в процессе активации генов в пуфах политенных хромосом. К этим белкам относятся ферменты, осуществляющие… …
У этого термина существуют и другие значения, см. Белки (значения). Белки (протеины, полипептиды) высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью альфа аминокислот. В живых организмах… … Википедия
Высокомол. прир. полимеры, построенные из остатков аминокислот, соединенных амидной (пептидной) связью ЧСОЧNHЧ. Каждый Б. характеризуется специфич. аминокислотной последовательностью и индивидуальной пространств, структурой (конформацией). На… … Химическая энциклопедия
БЕЛКИ, высокомолекулярные органические соединения, биополимеры, построенные из 20 видов L a аминокислотных остатков, соединенных в определенной последовательности в длинные цепи. Молекулярная масса белков варьируется от 5 тыс. до 1 млн. Название… … Энциклопедический словарь
Белки регуляторные - * бялкі рэгуляторныя * regulatory proteins белки, осуществляющие регуляцию матричных процессов путем их посадки на регуляторные области ДНК. Белки, связывающиеся с поврежденной ДНК * бялкі, якія звязваюцца з пашкоджанай ДНК * DNA damage binding… … Генетика. Энциклопедический словарь
Протеины, высокомолекулярные органич. соединения, построенные из остатков аминокислот. Играют первостепенную роль в жизнедеятельности, выполняя многочисл. функции в их строении, развитии и обмене веществ. Мол. м. Б. от БЕЛКИ’ 5000 до мн.… …
- (Sciurus), род беличьих. Дл. тела 20 31 см. Хорошо лазают и передвигаются по деревьям. Длинный (20 30 см) пышный хвост служит рулём при прыжках. Ок. 40 видов, в Сев. полушарии и на С. Юж. Америки, в горных и равнинных лесах, включая островные… … Биологический энциклопедический словарь
БЕЛКИ́, протеины, высокомолекулярные органич. соединения, построенные из остатков аминокислот. Играют первостепенную роль в жизнедеятельности всех организмов, участвуя в их строении, развитии и обмене веществ. Мол. м. Б. от 5000 до мн. миллионов … Биологический энциклопедический словарь
белки - белки, протеины, высокомолекулярные органические вещества, построенные из остатков аминокислот. Играют важнейшую роль в жизнедеятельности всех организмов, входя в состав их клеток и тканей и выполняя каталитические (ферменты), регуляторные… … Сельское хозяйство. Большой энциклопедический словарь
(от
лат. regulo-привожу в порядок, налаживаю), группа белков, участвующих в регуляции
разл. биохим. процессов. Важная группа Р. б., к-рым посвящена эта статья,-белки,
взаимодействующие с ДНК и управляющие экспрессией генов (выражение гена в признаках
и св-вах организма). Подавляющее большинство таких Р. б. функционирует на уровне
транскрипции
(синтез матричных РНК, или мРНК, на ДНК-матрице) и отвечает
за активацию или репрессию (подавление) синтеза мРНК (соотв. белки-активаторы
и белки-репрессоры).
Известно ок. 10 репрессоров.
Наиб. изучены среди них репрессоры прокариот (бактерии, синезеленые водоросли),
регулирующие синтез ферментов, участвующих в метаболизме лактозы (lac-репрессор)
в Escherichia coli (E.coli), и репрессор бактериофага А,. Их действие реализуется
путем связывания со специфич. участками ДНК (операторами) соответствующих генов
и блокирования инициации транскрипции кодируемых этими генами мРНК.
Репрессор представляет
собой обычно димер из двух идентичных полипептидных цепей, ориентированных во
взаимно противоположных направлениях. Репрессоры физически препятствуют РНК-полимеразе
присоединиться к ДНК в промоторном участке (место связывания ДНК-зависимой
РНК-полимеразы-фермента, катализирующего синтез мРНК на ДНК-матрице) и начать
синтез мРНК. Предполагают, что репрессор препятствует только инициации транскрипции
и не оказывает влияния на элонгацию мРНК.
Репрессор может контролировать
синтез к.-л. одного белка или целого ряда белков, экспрессия к-рых носит координированный
характер. Как правило, это ферменты, обслуживающие один метаболич. путь; их
гены входят в состав одного оперона (совокупность связанных между собой генов
и прилегающих к ним регуляторных участков).
Мн. репрессоры могут существовать
как в активной, так и в неактивной форме в зависимости от того, связаны они
или нет с индукторами или корепрессорами (соотв. субстраты, в присут. к-рых
специфически повышается или понижается скорость синтеза определенного фермента;
см. Регуляторы ферментов
);
эти взаимод. имеют нековалент-ную природу.
Для эффективной экспрессии
генов необходимо не только, чтобы репрессор был инактивирован индуктором, но
также реализовался и специфич. положит. сигнал включения, к-рый опосредуется
Р. б., работающими "в паре" с циклич. аденозинмонофосфатом (цАМФ).
Последний связывается со специфическими Р. б. (т.наз. САР-белок-активатор ката-болитных
генов, или белковый активатор катаболизма-БАК). Это димер с мол. м. 45 тыс.
После связывания с цАМФ он приобретает способность присоединяться к специфич.
участкам на ДНК, резко увеличивая эффективность транскрипции генов соответствующего
оперона. При этом САР не влияет на скорость роста цепи мРНК, а контролирует
стадию инициации транскрипции-присоединение РНК-полимеразы к промотору. В противоположность
реп-рессору САР (в комплексе с цАМФ) облегчает связывание РНК-полимеразы с ДНК
и делает акты инициации транскрипции более частыми. Участок присоединения САР
к ДНК примыкает непосредственно к промотору со стороны, противоположной той,
где локализован оператор.
Позитивную регуляцию (напр.,
lac-оперона E.coli) можно описать упрощенной схемой: при понижении концентрации
глюкозы (осн. источника углерода) увеличивается концентрация цАМФ, к-рый связывается
с САР, а образовавшийся комплекс-с lac-промотором. В результате стимулируется
связывание РНК-полимеразы с промотором и возрастает скорость транскрипции генов,
к-рые кодируют ферменты, позволяющие клетке переключаться на использование др.
источника углерода-лактозы. Существуют и др. специальные Р. б. (напр., белок
С), функционирование к-рых описывается более сложной схемой; они контролируют
узкий спектр генов и могут выступать в роли как репрессоров, так и активаторов.
Репрессоры и оперон-специфичные
активаторы не влияют на специфичность самой РНК-полимеразы. Этот последний уровень
регуляции реализуется в случаях, предполагающих массир. изменение спектра экспрессирующихся
генов. Так, у E.coli гены, кодирующие белки теплового шока, к-рые экспрессируются
при целом ряде стрессовых состояний клетки, считываются РНК-полимеразой только
тогда, когда в ее сослав включается особый Р.б.-т.наз. фактор s
32 .
Целое семейство этих Р.б. (s
-факторы), изменяющие про-моторную специфичность
РНК-полимеразы, обнаружены у бацилл и др. бактерий.
Др. разновидность Р.б.
изменяет каталитич. св-ва РНК-полимеразы (т.наз. белки-антитерминаторы). Так,
у бактериофага X известны два таких белка, к-рые модифицируют РНК-полимеразу
так, что она не подчиняется клеточным сигналам терминации (окончания) транскрипции
(это необходимо для активной экспрессии фаговых генов).
Общая схема генетич. контроля,
включающая функционирование Р.б., приложима также к бактериям и к клеткам эукариот
(все организмы, за исключением бактерий и сине-зеленых водорослей).
Эукариотич. клетки реагируют
на внеш. сигналы (для них это, напр., гормоны) в принципе так же, как бактериальные
клетки реагируют на изменения концентрации питат. в-в в окружающей среде, т.е.
путем обратимой репрессии или активации (дерепрессии) отдельных генов. При этом
Р.б., одновременно контролирующие активность большого числа генов, могут использоваться
в разл. комбинациях. Подобная комбинационная генетич. регуляция может обеспечивать
дифференцир. развитие всего сложного многоклеточного организма благодаря взаимод.
относительно небольшого числа ключевых Р. б.
В системе регуляции активности
генов у эукариот имеется дополнит. уровень, отсутствующий у бактерий, а именно-перевод
всех нуклеосом (повторяющихся субъединиц хроматина),
входящих в состав
транскрипционной единицы, в активную (деконденсированную) форму в тех клетках,
где данный ген должен быть функционально активен. Предполагается, что здесь
задействован набор специфических Р. б., не имеющих аналогов у прокариот. Эти
белки не только узнают специфич. участки хроматина (или. ДНК), но и вызы
вают
определенные структурные изменения в прилежащих областях. Р.б., подобные активаторам
и репрессорам бактерий, по-видимому, участвуют в регуляции последующей транскрипции
отдельных генов в районах активир. хроматина.
Обширный класс Р.б. эукариот
-рейепторные
белки
стероидных гормонов.
Аминокислотная последовательность
Р.б. кодируется т.наз. регуляторными генами. Мутационная инактивация репрессора
приводит к неконтролируемому синтезу мРНК, и, следовательно, определенного белка
(в результате транс-ляции-
синтеза белка на мРНК-матрице). Такие организмы
наз. конститутивными мутантами. Утрата в результате мутации активатора приводит
к стойкому снижению синтеза регулируемого белка.
===
Исп. литература для статьи «РЕГУЛЯТОРНЫЕ БЕЛКИ»
:
Страйер Л.,
Биохимия, пер. с англ., т. 3, М., 1985, с. 112-25.
П.Л.Иванов.
Страница «РЕГУЛЯТОРНЫЕ БЕЛКИ» подготовлена по материалам химической энциклопедии.
Постоянно открывают всё новые и новые регуляторные белки, в настоящее время известна, вероятно, только малая их часть.
Существует несколько разновидностей белков, выполняющих регуляторную функцию:
- белки-рецепторы , воспринимающие сигнал;
- сигнальные белки-гормоны и другие вещества, осуществляющие межклеточную сигнализацию (многие из них, хотя далеко не все, являются белками или пептидами);
- регуляторные белки, которые регулируют многие процессы внутри клеток.
Белки, участвующие в межклеточной сигнализации
Белки-гормоны (и другие белки, участвующие в межклеточной сигнализации) оказывают влияние на обмен веществ и другие физиологические процессы.
Гормоны - это вещества, которые образуются в железах внутренней секреции, переносятся кровью и несут информационный сигнал. Гормоны распространяются безадресно и действуют только на те клетки, которые имеют подходящие белки-рецепторы. Гормоны связываются со специфическими рецепторами. Обычно гормоны регулируют медленные процессы, например, рост отдельных тканей и развитие организма, однако есть и исключения: например, адреналин - гормон стресса, производное аминокислот. Он выделяется при воздействии нервного импульса на мозговой слой надпочечников . При этом начинает чаще биться сердце, повышается кровяное давление и наступают другие ответные реакции. Также он действует на печень (расщепляет гликоген). Глюкоза выделяется в кровь, и её используют мозг и мышцы как источник энергии.
Белки-рецепторы
К белкам с регуляторной функцией можно отнести также белки-рецепторы. Мембранные белки-рецепторы передают сигнал с поверхности клетки внутрь, преобразовывая его. Они регулируют функции клеток за счет связывания с лигандом, который «сел» на этот рецептор снаружи клетки; в результате активируется другой белок внутри клетки.
Большинство гормонов действуют на клетку, только если на её мембране есть определенный рецептор - другой белок или гликопротеид. Например, β2- адренорецептор находится на мембране клеток печени. При стрессе молекула адреналина связывается с β2- адренорецептором и активирует его. Далее активированный рецептор активирует G-белок , который присоединяет ГТФ . После многих промежуточных этапов передачи сигнала происходит фосфоролиз гликогена. Рецептор осуществил самую первую операцию по передаче сигнала, ведущего к расщеплению гликогена . Без него не было бы последующих реакций внутри клетки.
Внутриклеточные регуляторные белки
Белки регулируют процессы, происходящие внутри клеток, при помощи нескольких механизмов:
- взаимодействия с молекулами ДНК (транскрипционные факторы);
- при помощи фосфорилирования (протеинкиназы) или дефосфорилирования (протеинфосфатазы) других белков;
- при помощи взаимодействия с рибосомой или молекулами РНК (факторы регуляции трансляции);
- воздействия на процесс удаления интронов (факторы регуляции сплайсинга);
- влияния на скорость распада других белков (убиквитины и др.).
Белки-регуляторы транскрипции
Транскрипционный фактор - это белок, который, попадая в ядро , регулирует транскрипцию ДНК, то есть считывание информации с ДНК на мРНК (синтез мРНК по матрице ДНК). Некоторые транскрипционные факторы изменяют структуру хроматина, делая его более доступным для РНК-полимераз. Существуют различные вспомогательные транскрипционные факторы, которые создают нужную конформацию ДНК для последующего действия других транскрипционных факторов. Еще одна группа транскрипционных факторов - это те факторы, которые не связываются непосредственно с молекулами ДНК, а объединяются в более сложные комплексы с помощью белок-белковых взаимодействий.
Факторы регуляции трансляции
Трансляция - синтез полипептидных цепей белков по матрице мРНК, выполняемый рибосомами. Регуляция трансляции может осуществляться несколькими способами, в том числе и с помощью белков-репрессоров, которые, связываются с мРНК. Известно много случаев, когда репрессором является белок, который кодируется этой мРНК. В этом случае происходит регуляция по типу обратной связи (примером этого может служить репрессия синтеза фермента треонил-тРНК-синтетазы).
Факторы регуляции сплайсинга
Внутри генов эукариот есть участки, не кодирующие аминокислот. Эти участки называются интронами . Они сначала переписываются на пре-мРНК при транскрипции, но затем вырезаются особым ферментом. Этот процесс удаления интронов, а затем последующее сшивание концов оставшихся участков называют сплайсингом (сшивание, сращивание). Сплайсинг осуществляется с помощью небольших РНК, обычно связанных с белками, которые называются факторами регуляции сплайсинга. В сплайсинге принимают участие белки, обладающие ферментативной активностью. Они придают пре-мРНК нужную конформацию. Для сборки комплекса (сплайсосомы) необходимо потребление энергии в виде расщепляемых молекул АТФ, поэтому в составе этого комплекса есть белки, обладающие АТФ-азной активностью.
Существует альтернативный сплайсинг . Особенности сплайсинга определяются белками, способными связываться с молекулой РНК в областях интронов или участках на границе экзон-интрон. Эти белки могут препятствовать удалению одних интронов и в то же время способствовать вырезанию других. Направленная регуляция сплайсинга может иметь значительные биологические последствия. Например, у плодовой мушки
Хорошо изученными примерами взаимодействия белков и ДНК, не зависящего от нуклеотидной последовательности ДНК, является взаимодействие со структурными белками. В клетке ДНК связана с этими белками, образуя компактную структуру, которая называется хроматин. У прокариот хроматин образован при присоединении к ДНК небольших щелочных белков - гистонов, менее упорядоченный хроматин прокариот содержит гистон-подобные белки . Гистоны формируют дискообразную белковую структуру - нуклеосому, вокруг каждой из которых вмещается два оборота спирали ДНК. Неспецифические связи между гистонами и ДНК образуются за счёт ионных связей щелочных аминокислот гистонов и кислотных остатков сахарофостфатного остова ДНК . Химические модификации этих аминокислот включают метилирование, фосфорилирование и ацетилирование . Эти химические модификации изменяют силу взаимодействия между ДНК и гистонами, влияя на доступность специфических последовательностей для факторов транскрипции и изменяя скорость транскрипции . Другие белки в составе хроматина, которые присоединяются к неспецифическим последовательностям - белки с высокой подвижностью в гелях, которые ассоциируют большей частью с согнутой ДНК . Эти белки важны для образования в хроматине структур более высокого порядка . Особая группа белков, присоединяющихся к ДНК это белки, которые ассоциируют с одноцепочечной ДНК. Наиболее хорошо охарактеризованный белок этой группы у человека - репликационный белок А, без которого невозможно протекание большинства процессов, где расплетается двойная спираль, включая репликацию, рекомбинацию, и репарацию. Белки этой группы стабилизируют одноцепочечную ДНК и предотвращают формирование стеблей-петель или деградации нуклеазами .
В то же время другие белки узнают и присоединяются к специфическим последовательностям. Наиболее изученная группа таких белков - различные классы факторов транскрипции, то есть белки, регулирующие транскрипцию. Каждый из этих белков узнаёт свою последовательность, часто в промоторе и активирует или подавляет транскрипцию гена. Это происходит при ассоциации факторов транскрипции с РНК-полимеразой либо напрямую, либо через белки-посредники. Полимераза ассоциирует сначала с белками, а потом начинает транскрипцию . В других случаях факторы транскрипции могут присоединяться к ферментам, которые модифицируют находящиеся на промоторах гистоны, что изменяет доступность ДНК для полимераз .
Так как специфические последовательности встречаются во многих местах генома, изменения в активности одного типа фактора транскрипции может изменить активность тысяч генов . Соответственно, эти белки часто регулируются в процессах ответа на изменения в окружающей среде, развития организма и дифференцировки клеток. Специфичность взаимодействия факторов транскрипции с ДНК обеспечивается многочисленными контактами между аминокислотами и основаниями ДНК, что позволяет им «читать» последовательность ДНК. Большинство контактов с основаниями происходит в главной бороздке, где основания более доступны .
Ферменты, модифицирующие ДНК
Топоизомеразы и хеликазы
Основные статьи : Топоизомеразы , Хеликазы
В клетке ДНК находится в компактном т. н. суперскрученном состоянии, иначе она не смогла бы в ней уместиться. Для протекания жизненно важных процессов ДНК должна быть раскручена, что производится двумя группами белков - топоизомеразами и хеликазами.
Топоизомеразы - ферменты, которые имеют и нуклеазную и лигазную активности. Эти белки изменяют степень суперскрученности в ДНК. Некоторые из этих ферментов разрезают спираль ДНК и позволяют вращаться одной из цепей, тем самым уменьшая уровень суперскрученности, после чего фермент заделывает разрыв . Другие ферменты могут разрезать одну из цепей и проводить вторую цепь через разрыв, а потом лигировать разрыв в первой цепи . Топоизомеразы необходимы во многих процессах, связанных с ДНК, таких как репликация и транкрипция .
Хеликазы - белки, которые являются одним из молекулярных моторов. Они используют химическую энергию нуклеотидтрифосфатов, чаще всего АТФ, для разрыва водородных связей между основаниями, раскручивая двойную спираль на отдельные цепочки . Эти ферменты важны для большинства процессов, где белкам необходим доступ к основаниям ДНК.
Нуклеазы и лигазы
Нуклеаза , Лигаза
В различных процессах, происходящих в клетке, например, рекомбинации и репарации участвуют ферменты, способные разрезать и восстанавливать целостность нитей ДНК. Ферменты, разрезающие ДНК, носят название нуклеаз. Нуклеазы, которые гидролизуют нуклеотиды на концах молекулы ДНК называются экзонуклеазами, а эндонуклеазы разрезают ДНК внутри цепи. Наиболее часто используемые в молекулярной биологии и генетической инженерии нуклеазы - это рестриктазы, которые разрезают ДНК около специфических последовательностей. Например, фермент EcoRV (рестрикционный фермент № 5 из E. coli ) узнаёт шестинуклеотидную последовательность 5"-GAT|ATC-3" и разрезает ДНК в месте, указанном вертикальной линией. В природе эти ферменты защищают бактерии от заражения бактериофагами, разрезая ДНК фага, когда она вводится в бактериальную клетку. В этом случае нуклеазы - часть системы модификации-рестрикции . ДНК-лигазы сшивают сахарофосфатные основания в молекуле ДНК, используя энергию АТФ. Рестрикционные нуклеазы и лигазы используются в клонировании и фингерпринтинге.
ДНК-полимераза I (кольцеобразная структура, состоящая из нескольких одинаковых молекул белка, показанных разными цветами), лигирующая повреждённую цепь ДНК
Полимеразы
ДНК-полимераза
Существует также важная для метаболизма ДНК группа ферментов, которые синтезируют цепи полинуклеотидов из нуклеозидтрифосфатов - ДНК-полимеразы. Они добавляют нуклеотиды к 3"-гидроксильной группе предыдущего нуклеотида в цепи ДНК, поэтому все полимеразы работают в направлении 5"--> 3" . В активном центре этих ферментов субстрат - нуклеозидтрифосфат - спаривается с комплементарным основанием в составе одноцепочечной полинулеотидной цепочки - матрицы.
В процессе репликации ДНК, ДНК-зависимая ДНК-полимераза синтезирует копию исходной последовательности ДНК. Точность очень важна в этом процессе, так как ошибки в полимеризации приведут к мутациям, поэтому многие полимеразы обладают способностью к «редактированию» - исправлению ошибок. Полимераза узнаёт ошибки в синтезе по отсутствию спаривания между неправильными нуклеотидами. После определения отсутствия спаривания активируется 3"--> 5" экзонуклеазная активность полимеразы и неправильное основание удаляется . В большинстве организмов ДНК-полимеразы работают в виде большого комплекса, называемого реплисомой, которая содержит многочисленные дополнительные субъединицы, например, хеликазы .
РНК-зависимые ДНК-полимеразы - специализированный тип полимераз, которые копируют последовательность РНК на ДНК. К этому типу относится вирусный фермент обратная транскриптаза, который используется ретровирусами при инфекции клеток, а также теломераза, необходимая для репликации теломер . Теломераза - необычный фермент, потому что она содержит собственную матричную РНК .
Транскрипция осуществляется ДНК-зависимой РНК-полимеразой, которая копирует последовательность ДНК одной цепочки на мРНК. В начале транскрипции гена РНК-полимераза присоединяется к последовательности в начале гена, называемой промотором, и расплетает спираль ДНК. Потом она копирует последовательность гена на матричную РНК до тех пор, пока не дойдёт до участка ДНК в конце гена - терминатора, где она останавливается и отсоединяется от ДНК. Также как ДНК-зависимая ДНК-полимераза человека, РНК-полимераза II, которая транскрибирует большую часть генов в геноме человека, работает в составе большого белкового комплекса, содержащего регуляторные и дополнительные единицы .
