"Биология (углублённый уровень)", Высоцкая Л.В., Дымшиц Г.М., Рувинский А.О. и др./ Под ред. Шумного В.К., Дымшица Г.М.
Белок строится по информации, записанной в ДНК: сначала её копия появляется в виде матричной РНК, затем рибосома переводит последовательность РНК в цепочку аминокислот. Эти этапы называются транскрипцией и трансляцией. Клетка регулирует их интенсивность, чтобы производить нужные белки в нужном количестве и не расходовать ресурсы напрасно. У бактерий одним из способов управления служит оперон, а у эукариот активность белка контролируется на нескольких этапах.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Транскрипция — синтез молекулы РНК на матрице ДНК. Фермент считывает одну цепь ДНК и подбирает к её основаниям комплементарные основания РНК: напротив A в ДНК встаёт U в РНК, напротив T — A, а G и C соответствуют друг другу. Поэтому порядок нуклеотидов РНК копирует информацию гена, но не совпадает с матричной цепью ДНК буквально. Так клетка получает рабочую копию инструкции.
Трансляция — синтез полипептидной цепи на рибосоме по последовательности кодонов матричной РНК. Кодон — группа из трёх нуклеотидов, задающая аминокислоту или сигнал начала либо завершения синтеза. Рибосома последовательно считывает кодоны и соединяет аминокислоты в заданном порядке. Этот этап превращает запись нуклеотидов в последовательность компонентов белка.
Регуляция экспрессии генов — изменение активности генов, от которого зависит количество синтезируемых РНК и белков. Экспрессией называют использование информации гена для образования его продукта. Регуляция может усиливать или ослаблять отдельные этапы этого процесса, а не обязательно выключать ген полностью. Благодаря ей клетка подстраивает работу под свои задачи и условия.
Оперон — группа генов прокариот и связанных с ними регуляторных участков ДНК, совместно контролирующих синтез РНК. Регуляторные участки служат местами связывания белков, которые влияют на работу генов. Поскольку несколько генов могут управляться вместе, бактерия согласованно производит белки одного процесса. Это удобно, например, когда нужно использовать определённое вещество из окружающей среды.
Информация для сборки белка хранится в ДНК, но рибосомы используют матричную РНК как непосредственную инструкцию. Во время транскрипции фермент раскрывает участок ДНК и синтезирует на одной цепи комплементарную РНК. Затем мРНК переносит последовательность кодонов к месту трансляции; у эукариот она выходит из ядра в цитоплазму. Такое копирование позволяет сохранить ДНК и использовать её сведения для производства белков.
При трансляции рибосома удерживает мРНК и считывает её по три нуклеотида за раз. К каждому кодону подходит транспортная РНК с комплементарным участком — антикодоном; связанная с ней аминокислота соответствует этому кодону. Рибосома соединяет принесённую аминокислоту с растущей цепью и переходит к следующему кодону. Так последовательность нуклеотидов определяет порядок аминокислот, а стоп-кодон завершает сборку.
Клетке невыгодно постоянно синтезировать все возможные белки: на это уходят энергия и вещества, необходимые для роста и других процессов. Кроме того, некоторый белок нужен лишь в определённой ткани или при конкретных условиях. Регуляция позволяет включать нужную активность, снижать ненужную и менять количество продукта. Поэтому экспрессия генов помогает клетке и экономить ресурсы, и быстро отвечать на изменения.
У бактерий регуляторный белок может связываться с участком ДНК оперона. Если к оператору присоединяется репрессор, он мешает РНК-полимеразе начать транскрипцию или продолжить её, и РНК генов образуется мало. В некоторых оперонах молекула-индуктор связывается с репрессором и меняет его форму. Тогда репрессор теряет способность удерживаться на операторе, и транскрипция становится возможной.
У эукариот регуляция действует не только на начало транскрипции, но и на обработку РНК, её сохранность и доступность для рибосом. На этапе трансляции клетка может менять вероятность того, что мРНК будет использована, или скорость синтеза белка. Причина такого многоступенчатого контроля — необходимость точно согласовать работу генов с типом клетки и её состоянием. В результате одинаковая ДНК в разных клетках может давать разные количества и наборы белков.
| Уровень регуляции | Что регулируется | Возможный механизм | Результат |
|---|---|---|---|
| Транскрипция | Синтез РНК по ДНК | Регуляторный белок связывается с участком ДНК и меняет работу РНК-полимеразы | Изменяется количество мРНК и, как следствие, потенциальное количество белка |
| Трансляция | Синтез полипептида по мРНК | Регуляция доступности мРНК для рибосомы или начала её считывания | Меняется количество белка, образующегося с данной мРНК |
Сначала определите, на каком этапе действует указанный механизм: при создании РНК или при сборке белка. Затем проследите, что именно меняется — количество мРНК либо интенсивность её использования рибосомами. Таблица показывает возможные механизмы, а не единственные варианты регуляции.
Задача 1. На участке ДНК синтезируется молекула матричной РНК. Нужно назвать описанный процесс и не спутать его с образованием белка. Для этого сопоставим матрицу и продукт: здесь исходной молекулой служит ДНК, а результатом — РНК. Это признаки транскрипции.
Ответ: описана транскрипция. Ключ к решению — назвать и матрицу, и продукт, потому что слова «синтез» самого по себе недостаточно для выбора процесса.
Задача 2. В клетке бактерии присутствует лактоза. Нужно объяснить, как это может повлиять на гены оперона, обеспечивающие её использование. Сначала учитываем, что такие гены выгодно включать, когда субстрат доступен. В типичной модели лактозного оперона производное лактозы действует как индуктор и меняет свойства репрессора.
Ответ: присутствие лактозы способствует снятию репрессии и усилению транскрипции генов оперона. Так клетка производит белки для использования доступного вещества, а не синтезирует их постоянно без необходимости.
Задача 3. Мутация мешает репрессору связываться с оператором оперона. Нужно предсказать изменение транскрипции и объяснить его. Рассуждаем от места мутации: изменён оператор, то есть участок ДНК, с которым должен взаимодействовать регуляторный белок. Сам репрессор может сохраниться, но не сможет выполнить эту функцию на данном участке.
Ответ: транскрипция генов, вероятнее всего, усилится или будет происходить постоянно на более высоком уровне. Это вывод именно о снятии репрессии; он не означает, что все прочие механизмы регуляции тоже исчезли.
Смешивать транскрипцию и трансляцию. Оба слова обозначают этапы синтеза белка, поэтому их легко принять за один процесс. Но при транскрипции продуктом служит РНК, а при трансляции — полипептид. Проверь себя вопросами «что является матрицей?» и «что образуется?».
Переворачивать направление передачи информации. Обычно при синтезе белка сведения идут от ДНК через РНК к белку, а не от белка к нуклеиновой кислоте. Путаница возникает, если считать все молекулы равноправными источниками инструкции. Проверь последовательность этапов: сначала создаётся РНК-копия, затем по ней собирается цепь аминокислот.
Считать, что регуляция всегда полностью выключает ген. Иногда репрессор действительно мешает транскрипции, но активность может также лишь снижаться или усиливаться. Это заблуждение появляется, когда регуляцию сводят к одному примеру с опероном. Проверяй, говорится ли в условии о полном прекращении синтеза или только об изменении его уровня.
Полагать, что все клетки организма производят одинаковые белки. У клеток обычно одна и та же основная ДНК, но активны у них разные гены. Поэтому набор белков зависит от типа клетки, её задач и условий. Проверь себя: одинаковая инструкция в библиотеке не означает, что каждая клетка использует все её разделы одновременно.
Для понимания темы нужны знания о строении ДНК и РНК, комплементарности оснований, генетическом коде и роли рибосом. Они помогают проследить путь от последовательности нуклеотидов до последовательности аминокислот. Позже эти представления пригодятся при изучении мутаций: изменение ДНК может повлиять на РНК и белок. Регуляция экспрессии также объясняет специализацию клеток, развитие организма и некоторые молекулярные причины наследственных заболеваний.
Чем транскрипция отличается от трансляции?
При транскрипции на матрице ДНК синтезируется РНК. При трансляции рибосома использует последовательность кодонов матричной РНК, чтобы собрать полипептид из аминокислот.
Как рибосома определяет, какую аминокислоту присоединить к цепи?
Каждой аминокислоте соответствует один или несколько кодонов матричной РНК. Транспортная РНК с комплементарным антикодоном связывается с кодоном и приносит соответствующую аминокислоту.
Зачем клетке регулировать активность генов?
Регуляция позволяет клетке производить белки только тогда и в таком количестве, когда они нужны. Это помогает экономить энергию и строительные вещества, а также приспосабливаться к изменению условий.
Как репрессор влияет на работу оперона?
Репрессор — белок, который может связаться с оператором, участком ДНК рядом с генами оперона. Такое связывание мешает транскрипции или снижает её, поэтому нужная РНК образуется в меньшем количестве.
Почему клетки одного организма синтезируют разные наборы белков?
В разных типах клеток активны разные гены, хотя ДНК в основном одинакова. Поэтому клетки производят белки, соответствующие их функциям, а активность генов также меняется под влиянием условий.
§ 17. Биосинтез белков. Регуляция транскрипции и трансляции
