Следует подчеркнуть, что в клетках есть специальные механизмы, регулирующие активность генов, благодаря чему в каждый данный момент синтезируются только те белки и в таких количествах, которые ей необходимы. По своим функциям все гены подразделяют на структурные и функциональные. Структурные гены дают информацию о последовательности аминокислот в белках и нуклеотидов в различных видах РНК. Функциональные гены регулируют работу структурных генов. К ним относятся гены-операторы, позволяющие или не позволяющие считывать информацию со структурных генов, и гены-регуляторы, дающие информацию о синтезе особого белка-репрессора, способного блокировать ген-оператор. Единица считывания информации у прокариот называется оперон, а у эукариот - транскриптон.
Схема регуляции транскрипции у прокариот была предложена французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 г. на примере лактозного оперона кишечной палочки. Группа структурных генов, управляемая одним геном-оператором, образует оперон. В состав оперона входит также небольшой участок ДНК - промотор - место первичного прикрепления РНК-полимеразы - фермента, катализирующего реакции ДНК-зависимого синтеза и-РНК, и инициатор - определенная последовательность нуклеотидов, с которой начинается транскрипция. Ген-оператор включает и выключает структурные гены при считывании информации. В конце структурных генов имеется терминатор транскрипции (определенная последовательность нуклеотидов, отсоединяющая РНК-полимеразу от ДНК). Ген-регулятор, находящийся обычно на некотором расстоянии от оперона, постоянно активен и на основе его информации синтезируется особый белок-репрессор. Последний обладает способностью блокировать ген-оператор, вступая с ним в химическое взаимодействие, в результате чего считывания информации со структурных генов не происходит, т. е. оперон «не работает» (рис. 117).
Рис. 117. Схема регуляции транскрипции у прокариот (оперон не «работает»)
Если в клетку поступает индуктор (вещество, которое расщепляется под действием ферментов, закодированных в данном опероне), то он связывает белок-репрессор, освобождая ген-оператор. РНК-полимераза разрывает связи между двумя цепочками ДНК оперона, начиная с промотора, и по принципу комплементарности информация с кодирующей цепочки структурных генов переписывается на и-РНК (считывание информации с кодирующей цепочки идет в направлении 3' → 5'). Затем и-РНК поступает в рибосомы, где синтезируются ферменты, разлагающие индуктор (рис. 118). Когда последние молекулы индуктора разрушены, освобождается белок-репрессор, который снова блокирует ген-оператор. Работа оперона прекращается, а при поступлении новых порций индуктора опять возобновляется.
Рис. 118. Схема регуляции транскрипции у прокариот (оперон «работает»)
Для каждого оперона имеется свой специфический индуктор. Например, для лактозного оперона индуктором является лактоза, для фруктозного - фруктоза и т. д.
У прокариот процессы транскрипции и трансляции могут протекать одновременно, т. е. цепь и-РНК еще продолжает синтезироваться, а к ее 5'-концу уже присоединяются рибосомы и начинается синтез полипептидов.
РЕГУЛЯЦИЯ РАБОТЫ ГЕНОВ У ЭУКАРИОТ
Схема регуляции транскрипции у эукариот разработана Г.П. Георгиевым (1972 г.). Принцип регуляции (обратная связь) сохраняется, но механизмы ее, по сравнению с прокариотами, являются более сложными. Единица транскрипции у эукариот называется транскриптоном. Он состоит из неинформативной и информативной зон. Неинформативная (акцепторная) зона начинается промотором с инициатором транскрипции. Далее следуют несколько генов-операторов, за которыми расположена информативная зона. Информативная (структурная) зона образована, как правило, одним структурным геном, в конце которого расположен терминатор транскрипции. Структурные гены эукариот имеют вставки из неинформативных - «молчащих» - участков ДНК - интронов. Информативные участки структурных генов называются экзонами.
Работу транскриптона регулируют несколько генов-регуляторов, дающих информацию для синтеза ряда белков- репрессоров. Индукторами в клетках эукариот являются сложные молекулы (например, гормонов). Когда индукторы освобождают гены-операторы от белков-репрессоров, РНК-полимераза разрывает водородные связи между двумя цепочками ДНК транскриптона (направление считывания информации с кодирующей цепочки 3'→5'), начиная с инициатора транскрипции. Согласно правилу комплементарности, на кодирующей цепочке сначала синтезируется большая молекула проинформационной РНК, списывающая информацию (порядок нуклеотидов) как с информативной, так и с неинформативной зон. В дальнейшем в ядре клетки происходит процессинг - ферментативное разрушение неинформативной части РНК и расщепление ферментами рестриктазами информативной части на фрагменты, соответствующие экзонам. Молекулы и-РНК формируются посредством сплайсинга (сплавления) отдельных информативных фрагментов (соответствующих экзонам) ферментами лигазами. Процессы, происходящие в ядре с проинформационной РНК (процессинг и сплайсинг), называется созреванием. В начале зрелой и-РНК имеется кодон-инициатор, а в конце - кодон-терминатор трансляции. Далее зрелая и-РНК выходит из ядра и поступает в рибосомы, где и происходит синтез соответствующих белков-ферментов, расщепляющих индуктор. Включение и выключение транскриптона происходит примерно так же, как и у оперона (рис. 119).
Рис. 119. Схема регуляции транскрипции у эукариот
Следовательно, у эукариот синтез и-РНК и ее трансляция происходят независимо друг от друга в разных частях клетки в разное время - сначала транскрипция и созревание в ядре, а затем трансляция в рибосомах цитоплазмы.
Энергетический обмен (катаболизм) - совокупность реакций ферментативного расщепления сложных органических соединений, сопровождающихся выделением энергии.
Часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть аккумулируется в макроэргических связях АТФ и используется затем для обеспечения всех разнообразных процессов жизнедеятельности клетки: биосинтетических реакций, поступления веществ в клетку, проведения импульсов, сокращения мышц, выделения секретов и др.
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ, аденозинтри- фосфат) является обязательным компонентом любой живой клетки. АТФ - мононуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, пятиуглеродного моносахарида рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, которые соединены друг с другом высокоэнергетическими (макроэргическими) связями. В процессе гидролиза (присоединения воды) от АТФ отщепляется фосфатная группа и АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфат), а при последующем отщеплении фосфатной группы - в АМФ (аденозинмонофосфат). Отщепление одной молекулы фосфатной группы сопровождается выделением около 40 кДж энергии. Обратный процесс превращения АМФ в АДФ и АДФ в АТФ (фосфорилирование) происходит преимущественно в митохондриях путем присоединения остатка фосфорной кислоты с выделением воды и поглощением большего (более 40 кДж на каждый этап) количества энергии. Реакции присоединения к АТФ и отсоединения от АТФ фосфатной группы катализирует фермент АТФаза.
Выделяют три этапа энергетического обмена: подготовительный, анаэробный и аэробный.
Подготовительный этап энергетического обмена протекает в пищеварительном тракте животных и человека или в цитоплазме клеток (вторичных лизосомах - внутриклеточное переваривание) всех живых существ. На этом этапе крупные органические молекулы под действием ферментов расщепляются на мономеры: белки до аминокислот, жиры до глицерина и жирных кислот, крахмал и гликоген до моносахаридов, нуклеиновые кислоты до нуклеотидов. Распад веществ сопровождается выделением небольшого количества энергии, рассеивающейся в виде тепла.
Анаэробный (бескислородный) этап энергетического обмена (анаэробное дыхание) протекает в цитоплазме клеток. Мономеры, образовавшиеся на первом этапе, подвергаются дальнейшему многоступенчатому расщеплению без участия кислорода. Например, при гликолизе (расщеплении глюкозы, происходящем в животных клетках) одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3), которая в определенных клетках (мышечных), восстанавливается до молочной кислоты. На этом этапе моль глюкозы выделяет около 200 кДж энергии. Часть ее (около 80 кДж) идет на синтез двух молекул АТФ, а остальная (около 120 кДж) рассеивается в виде тепла. Суммарное уравнение этой реакции выглядит следующим образом:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 → 2С3Н4О3 + 2АТФ + 2Н2О.
В клетках растительных организмов и некоторых дрожжевых грибов распад глюкозы идет путем спиртового брожения. При этом пировиноградная кислота, образовавшаяся в процессе гликолиза, декарбоксилируется с образованием уксусного альдегида, а затем восстанавливается до этилового спирта. Суммарное уравнение спиртового брожения выглядит следующим образом:
С6Н12О6 + 2АДФ + 2Н3РО4 → 2С2Н5ОН + 2АТФ + 2СО2.
В ходе бескислородного этапа энергетического обмена распад одного моля глюкозы сопровождается синтезом двух молекул АТФ. У анаэробных организмов (некоторые бактерии, внутрикишечные паразиты) этот этап является конечным. Гликолиз протекает и в некоторых тканях многоклеточных организмов, способных функционировать в анаэробных условиях, например в поперечно-полосатых мышцах во время больших нагрузок. При этом в мышцах накапливается молочная кислота, что является одной из причин их утомления. Во время отдыха мышц она включается в следующий (кислородный) этап энергетического обмена. Реакции гликолиза относительно неэффективны, так как конечные продукты содержат еще большое количество энергии. Чаще всего для анаэробного высвобождения энергии используется глюкоза. При ее недостатке в анаэробный этап энергетического обмена могут вовлекаться аминокислоты и жирные кислоты.
Кислородный (аэробный) этап энергетического обмена (аэробное дыхание) имеет место только у аэробных организмов. Он заключается в дальнейшем окислении молочной (или пировиноградной) кислоты до конечных продуктов - СО2 и Н2О. Этот процесс протекает в митохондриях с участием ферментов и кислорода. Образовавшаяся в процессе гликолиза пировиноградная кислота соединяется с коферментом А и в таком виде (ацетил КоА) поступает в матрикс митохондрий. Митохондрии содержат три группы ферментов: цикла Кребса (матрикс), тканевого дыхания (кристы) и окислительного фосфорилирования (АТФ- сомы). Пировиноградная кислота поступает в цикл Кребса, ферменты которого (дегидрогеназы) постепенно отщепляют от нее протоны и электроны, а углерод образует диоксид углерода. Диоксид углерода выделяется из митохондрии, а протоны и электроны поступают в систему ферментов тканевого дыхания (дыхательной цепи) и, накапливаясь по разные стороны внутренней мембраны митохондрии, создают разность потенциалов. Когда она достигает критического значения (около 200 мВ), протоны проходят через специальные ионные каналы в АТФ-сомах, содержащие ферменты окислительного фосфорилирования (АТФазы). В этот момент протоны присоединяют электроны, превращаются в водород, который соединяется с кислородом с образованием воды, а выделяющаяся при этом энергия идет на присоединение остатка фосфорной кислоты к АМФ или АДФ. Данный процесс сопровождается выделением 2600 кДж энергии (при расщеплении двух молей пировиноградной кислоты, образовавшихся при анаэробном распаде одного моля глюкозы), из которых 1440 кДж идет на синтез 36 молекул АТФ. Уравнение кислородного этапа выглядит так:
2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ → 36АТФ + 6СО2 + 42Н2О.
Суммарное уравнение анаэробного и аэробного этапов энергетического обмена имеет следующий вид:
С6Н12О6 + 38АДФ + 38Н3РО4 + 6О2 → 38АТФ + 6СО2 + 44Н2О.
Таким образом, в ходе второго и третьего этапов энергетического обмена при расщеплении одного моля глюкозы образуется 38 молекул АТФ. На это расходуется 1520 кДж (40 кДж • 38), а всего выделяется 2800 кДж энергии. Следовательно, 55% энергии, высвобождаемой при расщеплении глюкозы, аккумулируется клеткой в молекулах АТФ, а 45% рассеивается в виде тепла. Основную роль в обеспечении клеток энергией играет кислородный этап.
Аналогичным образом в энергетический обмен могут вступать аминокислоты и жирные кислоты. При расщеплении аминокислот помимо диоксида углерода и воды образуются азотсодержащие продукты (аммиак, мочевина), выводящиеся через выделительную систему.