Обмен веществ и энергии в клетках организма - Рената Арменаковна Петросова 2004

Регуляция обменных процессов в клетке
Клеточный гомеостаз

Клетка работает как единый, слаженный механизм, с высокой степенью точности, согласованности и целесообразности. Регуляция химической активности клетки происходит в значительной степени автоматически и связана с белками. Именно они являются основой всех процессов жизнедеятельности клетки. Белки-ферменты обеспечивают все реакции обмена веществ, строительные белки определяют специфические особенности клетки, ее форму, регуляторные белки стимулируют или тормозят работу ткани, органа, клетки в целом, наконец, реализацию информации в ДНК. В сущности, все особенности организма определяются теми белками, которые синтезируются в его клетках.

В ДНК любой клетки организма закодирована информация обо всех белках, которые входят в их состав. В клетках бактерий находится несколько миллионов генов, а у человека их около трех миллиардов. Это количество генов содержится во всех клетках организма, тем не менее клетки у многоклеточного организма весьма разнообразны по структуре и по функциям, в них синтезируются и накапливаются различные молекулы РНК и белков. Исследования ученых показали, что это связано не с потерей части генов в ДНК при дифференцировке клеток, а с изменением их активности. Доказательством служит возможность вырастить из одной клетки организма новый организм, полностью идентичный исходному. Так, например, из клетки образовательной ткани растений, культивируемых на искусственной питательной среде, можно получить взрослое растение. По каким же правилам различные наборы генов активизируются в определенной клетке? Каков механизм регуляции их активности?

Впервые на этот вопрос попытались ответить в 1961 г. ученые Франсуа Жакоб и Жак-Люсьен Моно. Проведя ряд экспериментов на бактериях с пересаживанием их на разные искусственные среды, они обнаружили, что синтез некоторых ферментов у бактерий может как подавляться, так и активизироваться в зависимости от среды.

Ф. Жакоб и Ж.-Л. Моно предположили существование механизмов, включающих (активирующих) и выключающих (репрессирующих) гены. Такими регуляторами могли быть только белки. Согласно гипотезе Жакоба и Моно, на ДНК существует два вида генов: структурные гены, которые определяют структуру ферментов или других белков с различной функцией, и регуляторные гены, которые ответственны за синтез специальных регуляторных белков. Регуляторные белки связываются непосредственно с ДНК и определяют активность того или иного участка.

Ген-регулятор содержит генетическую информацию для синтеза белка-регулятора, который воздействует на определенный участок молекулы ДНК — оператор. За оператором находится зона структурного гена, но для функционирования последнего необходимо связывание белка-регулятора с оператором или, наоборот, освобождение оператора от белка-регулятора (рис. 26, А). Участок на ДНК, состоящий из зоны оператора и структурного гена, называется опероном. Таким образом, белок-регулятор руководит работой всего оперона.

Рис. 26. А — схема оперонной регуляции активности генов (схема Жакоба и Моно); Б — механизм двойной регуляции клеточного метаболизма (сплошной линией показана прямая регуляция, пунктиром — обратная связь)

В настоящее время имеются данные о том, что на ДНК существует специальная зона рядом с оператором, где связывается фермент РНК-полимераза, обеспечивающий процесс транскрипции. Эта же зона определяет, на какой из цепей ДНК будет происходить синтез РНК.

Белки-регуляторы включают и выключают активность структурных генов, причем иногда для включения одного структурного гена необходимо несколько белков-регуляторов. Возможно, в клетке существует разветвленная система взаимодействия белков, согласно которой одни регуляторные гены действуют на другие и т. д. Комбинация нескольких регуляторных белков осуществляет активацию или торможение структурных генов. Однако не все регуляторные белки равны по значимости. Имеются такие регуляторы, которые координируют работу целой системы генов-регуляторов органа и организма. Например, отсутствие одного-единственного регулятора мужского полового гормона тестостерона приводит к тому, что эмбрион с мужским типом наследственной информации развивается по женскому типу.

Биосинтез белка состоит из целого ряда реакций, поэтому на пути от ДНК к белку контроль может осуществляться на любом этапе. Первичный контроль синтеза белков осуществляется на уровне транскрипции при участии регуляторных белков. Кроме того, он может осуществляться на этапе созревания иPHК (процессинга), транспорта РНК из ядра в цитоплазму, в процессе трансляции и, наконец, после синтеза белка при его модификации.

Кроме прямой регуляции, идущей от белка-регулятора к структурному гену, в клетке осуществляется и обратная регуляция — от структурного белка или продукта, синтез которого катализирует данный белок, к регуляторному белку (рис. 26, Б). Так, при возрастании концентрации конечного синтезируемого продукта это вещество может связываться с регуляторным белком, который, в свою очередь, заблокирует синтез иPHК, а следовательно, и синтез белка. В этом случае происходит ингибирование по типу обратной связи.

Процесс регуляции довольно сложен и, несомненно, находится под контролем генетического аппарата клетки. Механизм двойной регуляции активности генов обеспечивает взаимодействие содержимого цитоплазмы, ядра и внешней среды, весь клеточный метаболизм. При повышении концентрации в клетке какого-либо продукта за счет обратной связи происходит блокирование дальнейшего синтеза, при понижении концентрации синтез вновь может возобновиться.

Рассмотрим еще один пример, связанный с изменением количества АТФ в клетке. Концентрация АТФ поддерживается в клетке на определенном уровне. Ее понижение служит сигналом для ферментов, расщепляющих глюкозу. Структура ферментов изменяется, они активизируются. Начинается активный распад глюкозы, сопровождающийся синтезом АТФ. Пока клетка использует активно АТФ, ее синтез продолжается. Как только активность клеточных процессов понижается или прекращается, концентрация АТФ возрастает до уровня нормы и блокирует деятельность ферментов, расщепляющих глюкозу.

Клетка сохраняет свою стабильность и устойчивость за счет динамического равновесия между ядром и цитоплазмой, клеткой в целом и внешней средой. Это свойство живой системы носит название гомеостаза. Гомеостатические механизмы в клетке разнообразны. Это буферные системы клетки, обеспечивающие постоянство pH среды, оперонная регуляция процессов синтеза веществ, изменение концентрации веществ в клетке, а также и другие механизмы. На клеточном уровне происходит саморегуляция и оптимальное функционирование живой системы.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какие два типа белков по характеру деятельности синтезируются в клетке? В чем их основное различие?

2. Как происходит регуляция деятельности клетки на уровне ДНК?

3. В чем смысл регуляции обменных процессов в клетке?

4. Какие системы, поддерживающие клеточный гомеостаз, вам известны? В чем их особенность?