Оригинал взят у 
galicarnax в Пазитифф и негатифф в регуляции генов
Для того, чтобы гены работали (экспрессировались), нужно, как минимум, чтобы они скопировались из ДНК в мРНК специальной молекулярной машинкой - РНК-полимеразой. А для этого нужно, чтобы все было в порядке с промотором - небольшой последовательностью на ДНК в самом начале оперона, которую узнает РНК-полимераза. Там она прочно связывается с ДНК, разводит ее нити, и начинает копирование (транскрипцию).
Но внутри промотора у триптофанового оперона имеется другая, меньшая последовательность, которая называется оператором. Эту последовательность узнает регуляторный белок - триптофановый репрессор. Если он присоединен к оператору, то доступ к промотору для РНК-полимеразы закрыт, и гены будут молчать.
Вся фишка в том, что триптофановый репрессор регулируется обратной связью: для того, чтобы он мог присоединиться к оператору на ДНК, он должен быть соединен с двумя молекулами триптофана. Это его активное состояние. Если он не соединен с молекулами триптофана, то имеет немного другую пространственную конфигурацию, которая не позволяет ему присоединиться прочно к оператору - это неактивное состояние репрессора.
Ну дальше уже понятно. Если в клетке триптофана досаточно (поступает из внешней среды в готовом виде), он связывается с репрессором, тот связывается с оператором, РНК-полимеразе доступ закрывается, гены молчат, триптофан не производится. Если триптофана мало или нет вообще, репрессор "выключен", с оператором не связывается, доступ РНК-полимеразе открывается, гены экспрессируются, триптофан производится.
galicarnax в Пазитифф и негатифф в регуляции генов
Общеобразовательное. Пример гениальной простоты. Да и вообще - красивая штука, которую легко понять тем, кто далёк от молекулярной биологии.
Начну с оперонов, для тех, кто не знает. Оперон - это группа рядом расположенных генов, которые регулируются одним общим промотором. То есть эти гены либо все вместе молчат, либо все вместе копируются в одну общую мРНК и затем транслируются в белки. Замечательно то, что в оперонах обычно (не всегда) группируются гены, продукты которых работают в одном и том же метаболическом пути. Более того, гены в опероне расположены обычно в том же порядке, в каком работают их продукты.
Пример - триптофановый оперон кишечной палочки. В нем сгруппированы пять генов, продукты которых участвуют в синтезе триптофана (одна из 20 аминокислот). Если же оный присутствует в среде обитания и производить его метаболически нет необходимости (например, бактерия находится в кишечнике млекопитающего, которое только что съело белковую пищу), то все пять генов молчат.
Как же гены узнают, когда им надо работать, а когда нет? Неужели они "чувствуют" присутствие триптофана?
Ответ - да, они его именно чувствуют. Здесь вступают в игру обратные связи.
Начну с оперонов, для тех, кто не знает. Оперон - это группа рядом расположенных генов, которые регулируются одним общим промотором. То есть эти гены либо все вместе молчат, либо все вместе копируются в одну общую мРНК и затем транслируются в белки. Замечательно то, что в оперонах обычно (не всегда) группируются гены, продукты которых работают в одном и том же метаболическом пути. Более того, гены в опероне расположены обычно в том же порядке, в каком работают их продукты.
Пример - триптофановый оперон кишечной палочки. В нем сгруппированы пять генов, продукты которых участвуют в синтезе триптофана (одна из 20 аминокислот). Если же оный присутствует в среде обитания и производить его метаболически нет необходимости (например, бактерия находится в кишечнике млекопитающего, которое только что съело белковую пищу), то все пять генов молчат.
Как же гены узнают, когда им надо работать, а когда нет? Неужели они "чувствуют" присутствие триптофана?
Ответ - да, они его именно чувствуют. Здесь вступают в игру обратные связи.
Для того, чтобы гены работали (экспрессировались), нужно, как минимум, чтобы они скопировались из ДНК в мРНК специальной молекулярной машинкой - РНК-полимеразой. А для этого нужно, чтобы все было в порядке с промотором - небольшой последовательностью на ДНК в самом начале оперона, которую узнает РНК-полимераза. Там она прочно связывается с ДНК, разводит ее нити, и начинает копирование (транскрипцию).
Но внутри промотора у триптофанового оперона имеется другая, меньшая последовательность, которая называется оператором. Эту последовательность узнает регуляторный белок - триптофановый репрессор. Если он присоединен к оператору, то доступ к промотору для РНК-полимеразы закрыт, и гены будут молчать.
Вся фишка в том, что триптофановый репрессор регулируется обратной связью: для того, чтобы он мог присоединиться к оператору на ДНК, он должен быть соединен с двумя молекулами триптофана. Это его активное состояние. Если он не соединен с молекулами триптофана, то имеет немного другую пространственную конфигурацию, которая не позволяет ему присоединиться прочно к оператору - это неактивное состояние репрессора.
Ну дальше уже понятно. Если в клетке триптофана досаточно (поступает из внешней среды в готовом виде), он связывается с репрессором, тот связывается с оператором, РНК-полимеразе доступ закрывается, гены молчат, триптофан не производится. Если триптофана мало или нет вообще, репрессор "выключен", с оператором не связывается, доступ РНК-полимеразе открывается, гены экспрессируются, триптофан производится.
Вот так все это выглядит (для простоты показана только одна молекула триптофана на репрессоре, в реальности присоединяются две):
Таким образом, триптофановый репрессор и оператор образуют простое триггерное устройство, включающее и выключающее синтез триптофана в зависимости от его наличия. Так как активное состояние репрессора выключает гены, то такой режим называется негативной регуляцией (описанная схема, конечно, упрощена; чуть подробнее можно почитать на вики).
Но существуют режимы и позитивной регуляции. Дело в том, что некоторые промоторы в стандартном состоянии малофункциональны. РНК-полимераза к ним либо прикрепляется непрочно, либо не может раскрыть спираль ДНК и начать копирование. Возле таких промоторов имеются сайты для регуляторных белков. Связываясь с ДНК возле промотора, регуляторный белок способствует прочному прикреплению РНК-полимеразы и началу транскрипции. В этом случае активное состояние регуляторного белка включает гены, и режим называется позитивной регуляцией, а сами регуляторные белки такого типа - активаторами.
Большинство генетических триггеров сочетают в себе негативные и позитивные схемы регуляции. Один из простейших примеров такого типа - лактозный оперон той же кишечной палочки. В нем сгруппированы три гена, продукты которых необходимы для танспортировки лактозы внутрь клетки и ее расщепления. Источником углеводов "по умолчанию" для кишечной палочки является глюкоза. Если в питательной среде присутсвует и глюкоза, и лактоза, предпочтение отдается первой, а лактозный метаболизм выключен. Входными данными для лактозного триггера является уже не один, а два сигнала (концентрации глюкозы и лактозы), причем логика этого триггера такова, что оперон включается только при одновременном выполнении двух условий: лактоза должна присутствовать, глюкоза должна отсутствовать. В остальных трех возможных вариантах оперон выключен:
Глюкоза есть, лактоза есть -> оперон выключен
Глюкоза есть, лактозы нет -> оперон выключен
Глюкозы нет, лактозы нет -> оперон выключен
Глюкозы нет, лактоза есть -> оперон ВКЛЮЧЕН
Обратная связь осуществляется здесь следующим образом.
а) Негативная регуляция. Наличие лактозы приводит к повышению концентрации ее изомера - аллолактозы. Последняя является сигнальной молекулой для репрессора лактозного оперона (в предыдущем примере эту роль играл триптофан). Она связывается с репрессором, изменяя его конфигурацию. Это приводит к тому, что он отсоединяется от ДНК (в случае триптофанового репрессора было наоборот - связывание триптофана делало репрессор активным, а тут связывание аллолактозы с репрессором делает его неактивным).
б) Позитивная регуляция. Активатором лактозного оперона является белок CAP (Catabolite Activator Protein). Сигнальной молекулой для него является cAMP (циклический аденозинмонофосфат). В свою очередь, концентрация cAMP зависит от концентрации глюкозы: чем больше глюкозы, тем меньше cAMP.
Все остальное понятно из рисунка:
Схема на рисунке немного упрощена. В реальности у лактозного оперона имеется несколько сайтов для связывания репрессоров, отличающихся эффективностью, хотя тот, что на рисунке, оказывает наибольшее влияние.
Кстати, организация генов в опероны - прокариотная фича. У эукариот каждый ген регулируется индивидуально.
Триптофановый и лактозный триггеры - два простейших примера регуляции генов. У высших эукариот, таких как мы с вами, типичный ген контролируется десятками регуляторных белков (напр., гормонов), как репрессоров, так и активаторов. Это позволяет клетке настроить нужный уровень экспрессии гена в зависимости от десятков входных сигналов.
Рисунки (c) Garland Science 2008, Molecular Biology of the Cell 5/e
Таким образом, триптофановый репрессор и оператор образуют простое триггерное устройство, включающее и выключающее синтез триптофана в зависимости от его наличия. Так как активное состояние репрессора выключает гены, то такой режим называется негативной регуляцией (описанная схема, конечно, упрощена; чуть подробнее можно почитать на вики).
Но существуют режимы и позитивной регуляции. Дело в том, что некоторые промоторы в стандартном состоянии малофункциональны. РНК-полимераза к ним либо прикрепляется непрочно, либо не может раскрыть спираль ДНК и начать копирование. Возле таких промоторов имеются сайты для регуляторных белков. Связываясь с ДНК возле промотора, регуляторный белок способствует прочному прикреплению РНК-полимеразы и началу транскрипции. В этом случае активное состояние регуляторного белка включает гены, и режим называется позитивной регуляцией, а сами регуляторные белки такого типа - активаторами.
Большинство генетических триггеров сочетают в себе негативные и позитивные схемы регуляции. Один из простейших примеров такого типа - лактозный оперон той же кишечной палочки. В нем сгруппированы три гена, продукты которых необходимы для танспортировки лактозы внутрь клетки и ее расщепления. Источником углеводов "по умолчанию" для кишечной палочки является глюкоза. Если в питательной среде присутсвует и глюкоза, и лактоза, предпочтение отдается первой, а лактозный метаболизм выключен. Входными данными для лактозного триггера является уже не один, а два сигнала (концентрации глюкозы и лактозы), причем логика этого триггера такова, что оперон включается только при одновременном выполнении двух условий: лактоза должна присутствовать, глюкоза должна отсутствовать. В остальных трех возможных вариантах оперон выключен:
Глюкоза есть, лактоза есть -> оперон выключен
Глюкоза есть, лактозы нет -> оперон выключен
Глюкозы нет, лактозы нет -> оперон выключен
Глюкозы нет, лактоза есть -> оперон ВКЛЮЧЕН
Обратная связь осуществляется здесь следующим образом.
а) Негативная регуляция. Наличие лактозы приводит к повышению концентрации ее изомера - аллолактозы. Последняя является сигнальной молекулой для репрессора лактозного оперона (в предыдущем примере эту роль играл триптофан). Она связывается с репрессором, изменяя его конфигурацию. Это приводит к тому, что он отсоединяется от ДНК (в случае триптофанового репрессора было наоборот - связывание триптофана делало репрессор активным, а тут связывание аллолактозы с репрессором делает его неактивным).
б) Позитивная регуляция. Активатором лактозного оперона является белок CAP (Catabolite Activator Protein). Сигнальной молекулой для него является cAMP (циклический аденозинмонофосфат). В свою очередь, концентрация cAMP зависит от концентрации глюкозы: чем больше глюкозы, тем меньше cAMP.
Все остальное понятно из рисунка:
Схема на рисунке немного упрощена. В реальности у лактозного оперона имеется несколько сайтов для связывания репрессоров, отличающихся эффективностью, хотя тот, что на рисунке, оказывает наибольшее влияние.
Кстати, организация генов в опероны - прокариотная фича. У эукариот каждый ген регулируется индивидуально.
Триптофановый и лактозный триггеры - два простейших примера регуляции генов. У высших эукариот, таких как мы с вами, типичный ген контролируется десятками регуляторных белков (напр., гормонов), как репрессоров, так и активаторов. Это позволяет клетке настроить нужный уровень экспрессии гена в зависимости от десятков входных сигналов.
Рисунки (c) Garland Science 2008, Molecular Biology of the Cell 5/e
