ДПА. Відповіді. Біологія. Барна

27. Структурні та регуляторні гени

Усі гени містяться в молекулі ДНК, яка самовідтворюється. Кожний з них є певною ділянкою цієї молекули. За своїми функціями гени неоднакові. Одні з них несуть інформацію про послідовність амінокислот у білковій молекулі, інші — регулюють активність перших і цим контролюють процес надходження інформації від ДНК до і-РНК. Перша група генів одержала назву структурних, друга — регуляторних. Структурні гени, які контролюють синтез ферментів в одному ланцюзі реакцій, розташовані поряд один з одним. Вони складають єдиний блок, званий опероном, і здійснюють послідовні етапи синтезу одного ферменту, працюючи злагоджено, як один елемент. Структурна (інформативна) зона оперону, яка несе інформацію для синтезу білків, розташована в міждисковій частині хромосоми, а регуляторна (акцепторна) її частина входить до складу дисків. Гени в опероні або всі активні, або всі пасивні. Гени одного оперона здійснюють всі послідовні реакції синтезу кінцевого продукту. Тому синтезуються або всі ферменти в ланцюзі реакції, або не синтезується жоден з них. Група генів одного оперона включається в процес синтезу і виключається з нього одночасно. «Вмикання» і «вимикання» структурних генів складає сутність усього процесу регуляції. Функції вмикання і вимикання виконує особлива ділянка молекули ДНК — ген-оператор, розташований на початку оперона. Ген-оператор перебуває в активному стані доти, доки до нього не приєднається молекула репресора. Тільки-но репресор зв’язується з геном-опероном, увесь оперон «вимикається» і його гени стають неактивними. Якщо репресора немає, структурні гени «вмикаються» і відбувається синтез молекул РНК, які несуть у цитоплазму інформацію для синтезу всього набору ферментів, що виробляє цей оперон.

Репресор — речовина білкової природи. Його синтезує ген, розташований на певній відстані від оперона. Цей ген називають геном-регулятором. Ген-регулятор безперервно посилає до цитоплазми і-РНК, які містять інформацію для синтезу білків-репресорів. Таким чином, функція гена-регулятора полягає в керуванні синтезом молекул репресора, які потім з’єднуються з оператором і впливають на механізм активації структурних генів оперона. Роботу гена-регулятора, що виробляє молекули репресора, направляє і контролює цитоплазма клітини. Ця робота залежить від зовнішніх умов.

Поки кінцевий продукт утворюється у потрібній клітині кількості, репресор перебуває в неактивному стані, ген-оператор «вимкнутий» і структурні гени працюють. Тільки-но кінцевий продукт починає вироблятися в більшій кількості, ніж це потрібно клітині у даний момент, він вступає в реакцію з репресором, який активується і, зв’язуючись з геном-оператором «вимикає» роботу всієї системи. Але коли в клітині знову виникає необхідність у цій біохімічній реакції, дія репресора знімається. Відбувається це через індукцію. Індуктором зазвичай слугує та речовина, яка переробляється за участі даного ферменту, тобто є його субстратом. Молекули цієї речовини, з’єднуючись з репресором, одночасно звільняють ген-оператор, який «вмикає» роботу структурних генів, і синтез необхідного продукту відновлюється. Сигнал на включення в роботу оперона дає вихідна речовина реакції, яка відбувається за участі синтезованого ферменту, а сигнал на його «вимикання» надходить від речовини, яка утворюється в результаті цієї реакції. Дія такої двосторонньої системи сигналізації ґрунтується на властивості молекул репресора з’єднуватись і з геном-оператором, і з молекулами індуктора. Механізм генної регуляції синтезу ферментів добре вивчений у молочнокислих бактерій, що розщеплюють молочний цукор за допомогою ферменту галактозидази. Бактерія поглинає лактозу і розщеплює її за допомогою ферменту галактозидази. Якщо в розчині лактози немає, то фермент для її розщеплення не потрібний, тому репресор, що виробляє ген-регулятор, входить у взаємодію з геном-оператором і «замикає» його. Цим припиняється робота структурних генів, на яких синтезується і-РНК, що слугує матрицею для вироблення ферменту галактози. Якщо лактоза з’являється в середовищі навколо клітини, вона, діючи як індуктор, взаємодіє з репресором і зв’язує його. Одночасно із цим ген-оператор звільняється від репресора й активує структурні гени: починається синтез і-РНК й утворення ферменту галактозидази. Нові порції репресора, які виробляє ген-регулятор, теж зв’язуються лактозою. Доки в середовищі навколо клітини є лактоза, доти весь час утворюється фермент, що її розщеплює. З вичерпанням запасів лактози репресор звільняється і «вимикає» роботу структурних генів. Утворення непотрібного більше клітині ферменту галактозидази припиняється. Як бачимо, генетична система клітини, використовуючи механізми індукції та репресії, може регулювати початок і закінчення синтезу певного ферменту та здійснювати цей процес з потрібною швидкістю.

Підсумкові контрольні роботи можна знайти тут