В последние годы большое внимание исследователей уделяется генетической роли ДНК.
Было показано, что способность к синтезу специфических белков и передача этой способности в поколениях связана с ДНК. Как известно, молекула ДНК представляет собой длинную двутяжную структуру, функционально неоднородную по своей длине. Различные участки молекулы ДНК ответственны за специфический синтез различных белков. Тем самым одна молекула ДНК может определять синтез большого числа различных белков клетки. За синтез каждого одного типа белков ответствен определенный участок молекулы ДНК. Такой участок молекулы ДНК, связанный с синтезом какого-либо одного белка в клетке, принято обозначать термином «цистрон» или, учитывая, что он определяет специфическую структуру этого белка, «структурный цистрон», или «структурный ген». Различные цистроны (гены) расположены линейно вдоль молекулы ДНК. При этом каждый цистрон занимает в молекуле фиксированное место, и порядок следования различных цистронов по длине молекулы строго постоянен для данного вида клеток.
Изменение последовательности пар нуклеотидов каждого структурного цистрона ведет к изменению химической и биологической специфичности данного белка. Химически это изменение выражается нарушением последовательности аминокислот в полипептидной цепи, а биологически — потерей специфической ферментативной функции, которой ранее обладал данный белок.
Синтез белка не происходит непосредственно на молекуле ДНК. На молекуле ДНК (на структурном цистроне) синтезируется соответствующая информационная, или матричная, РНК (м-РНК), которая передает в рибосому место синтеза белка, информацию. Таким образом, передача структурной информации идет по схеме: ДНК → м-РНК → белок. Клетка никогда не синтезирует всех белков, какие она может синтезировать, а лишь те, которые ей «требуются» в данный момент. При перемене условий существования прекращается синтез одних ферментов и начинается синтез некоторых новых ферментов.
У микроорганизмов явление синтеза новых ферментов хорошо известно в тех случаях, когда клетки получают новый субстрат, на который должен действовать фермент. Вещество, вызывающее (индуцирующее) подобный синтез, называют «индуктором» фермента, а сам фермент называют «индуцированным». Однако большинство ферментов образуются в значительных количествах в отсутствие внесенного извне индуктора. Такие ферменты называют «конститутивными».
Если клетки получают какое-либо вещество, которое они ранее синтезировали сами, в готовом виде, то образование ферментов, обеспечивающих синтез этого вещества, может прекратиться. Это явление называют репрессией. Репрессия фермента может быть вызвана также в результате накопления продукта деятельности этого фермента внутри клетки, когда дальнейший синтез этого продукта на какое-то время уже не требуется.
Общая схема регуляции синтеза белков предложена на основании фундаментальных работ группы Jacob и Monod в Пастеровском институте в Париже.
Помимо структурных цистронов, вдоль цепи ДНК расположены еще некоторые функциональные единицы, имеющие отношение к синтезу белка. Одними из таких функциональных единиц (участков на молекуле ДНК) являются регуляторные цистроны, или цистроны-регуляторы (гены-регуляторы). Цистроны-регуляторы контролируют деятельность соответствующих структурных цистронов. Если происходит изменение или нарушение цистрона-регулятора, то деятельность структурных цистронов оказывается бесконтрольной и они вырабатывают соответствующие специфические белки без учета потребностей в них клетки. Никаких нарушений в структуре и функции этих белков не отмечается. При нарушении регуляторного цистрона структурный цистрон всегда или почти всегда активируется к деятельности, т. е. к выработке м-РНК. Функция нормального цистрона-регулятора состоит в том, чтобы блокировать деятельность соответствующего структурного цистрона, когда эта деятельность не нужна. Регуляторный цистрон «запрещает» структурному цистрону производить м-РНК, а стало быть, клетка перестает вырабатывать и соответствующий белок. Регуляторный цистрон контролирует синтез вещества-посредника, которое действует на структурный цистрон. Это вещество называется репрессором. Оно действует исключительно специфично на строго определенные структурные цистроны. По своей химической природе репрессор, очевидно, является белком.
На основании изложенных данных о механизме блокады структурных цистронов была предложена теория, объясняющая синтез индуцированных ферментов. Известно, например, что у ряда микроорганизмов синтез β-галактозидазы отмечается только тогда, когда в питательной среде находится лактоза. Лактоза проникает в клетку и посредством каких-то промежуточных механизмов связывает, инактивирует репрессор, который блокировал работу структурного цистрона. При этом регуляторный цистрон не перестает функционировать, а продолжает вырабатывать все новые количества репрессора, которые постоянно инактивируются поступающей из среды лактозой. Репрессии структурного цистрона не наблюдается, и пока в среде имеется лактоза, вырабатывается фермент. Как только поступление лактозы из среды прекратится, ее запасы будут исчерпаны, синтез β-галактозидазы прекращается. Это происходит из-за того, что репрессор больше не инактивируется и блокирует соответствующий структурный цистрон, ответственный за синтез β-галактозидазы. Механизм репрессии синтеза какого-либо фермента аналогичен механизму индукции, но вместо инактивации активного репрессора в случае индукции здесь имеет место активация ранее неактивного репрессора.
Один цистрон-регулятор может регулировать работу целой группы структурных цистронов. Как правило, такие структурные цистроны объединены также и пространственно, располагаясь рядом вдоль молекулы ДНК. Эта одновременно регулируемая группа пространственно сцепленных структурных цистронов получила название оперон. Весь оперон подчиняется одному цистрону-регулятору. Цистроны, связанные в оперон, определяют синтез белков, совместно участвующих в той или иной цепи обмена.
Например, усвоение лактозы требует не только β-галактозидазы, но и фермента пермеазы, которая активно переносит лактозу из внешней среды в клетку. Оказалось, что синтез этих белков начинается и прекращается одновременно и, хотя синтез определяется разными структурными цистронами, оба они подчиняются одному цистрону-регулятору. Оба эти структурные цистроны действительно оказались расположенными рядом в цепи ДНК, т. е. представляют собой единый оперон.
Репрессор, контролируемый цистроном-регулятором, не действует непосредственно на структурные цистроны. К регулируемому цистрону, если он одиночный, или к регулируемому оперону непосредственно примыкает участок ДНК, который называют цистроном-оператором, или геном-оператором. Именно он является местом действия репрессора, именно он управляет работой примыкающего к нему оперона или одиночного структурного цистрона. Если репрессор начинает активироваться и действовать на цистрон-оператор, то примыкающий к нему оперон или одиночный структурный цистрон перестает производить м-РНК. Тем самым связывание оператора активированным репрессором приводит к остановке работы смежного оперона или структурного цистрона.
Нарушение структуры цистрона-оператора никак не сказывается на структуре и функции производимых белков, но приводит к их нерегулируемому конститутивному синтезу так же, как и в случае нарушения цистрона-регулятора.
Помимо указанного, для жизнедеятельности клеток исключительное значение имеет аллостерический механизм регуляции синтеза метаболитов. Известно, что синтез большинства продуктов обмена веществ проходит ряд этапов, каждый из которых осуществляется благодаря деятельности определенного фермента. Установлено, что конечный результат ряда последовательных синтетических реакций определяется прежде всего активностью фермента, катализирующего «головную» реакцию. Этот фермент существенно отличается от остальных энзимов тем, что, помимо способности реагировать со своим субстратом, обладает специфической чувствительностью к конечному продукту. Конечный продукт обмена веществ, накапливаясь в клетке, угнетает активность первого фермента и тем самым регулирует образование самого себя по принципу отрицательной обратной связи. На поверхности молекулы фермента имеется участок, к которому может присоединиться молекула конечного продукта — «аллостерического эффектора» («аллостерический» обозначает пространственно несходный). Структура такого фермента, также называемого аллостерическим, отличается особенно большой гибкостью, и малейшие ее изменения влияют на состояние и активность каталитического центра. Изменения эти могут вызвать лишь строго определенные метаболиты-эффекторы. Примером может служить аллостерическая регуляция синтеза валина. При повышении концентрации конечного продукта — валина последний воздействует на «головной» фермент, угнетая его активность. В результате цепь взаимосвязанных синтезов блокируется на первом же этапе. Таким образом, механизмы регулирования, химические по своей природе, носят кибернетический характер.