Работа генов в любом организме – прокариотическом, эукариотическом, одноклеточном или многоклеточном – контролируется и координируется.

Различные гены обладают неодинаковой временной активностью. Одни из них характеризуются постоянной активностью. Такие гены отвечают за синтез белков, необходимых клетке или организму на протяжении всей жизни, например, гены, продукты которых участвуют в синтезе АТФ. Большинство же генов обладает непостоянной активностью, они работают только в определенные моменты, когда появляется необходимость в их продуктах – белках. Гены различаются и по уровням своей активности (низкий или высокий).

Белки клетки классифицируются как регуляторные и структурные. Регуляторные белки синтезируются на регуляторных генах и контролируют работу структурных генов. Структурные гены кодируют структурные белки, выполняющие структурную, ферментативную, транспортную и другие функции (кроме регуляторной!).

Регуляция синтеза белка осуществляется на всех этапах этого процесса: транскрипции, трансляции и посттрансляционной модификации либо путем индукции, либо путем репрессии.

Регуляция активности генов эукариотических организмов намного сложнее регуляции экспрессии генов прокариот, что определяется сложностью организации эукариотического организма и особенно многоклеточного. В 1961 г. французские ученые Ф. Жакоб, Ж. Моно и А. Львов сформулировали модель генетического контроля синтеза белков, катализирующих усвоение клеткой лактозы – концепцию оперона.

Опероном называют группу генов, работа которых контролируется одним геном-регулятором.

Ген-регулятор – это ген, обладающий постоянной низкой активностью, на нем синтезируется белок-репрессор – регуляторный белок, который может соединяться с оператором, инактивируя его.

Оператор – точка начала считывания генетической информации, он управляет работой структурных генов.

В структурных генах лактозного оперона содержится информация о ферментах, участвующих в метаболизме лактозы. Поэтому лактоза будет служить индуктором – агентом, инициирующим работу oпepoна.

Промотор – место прикрепления РНК-полимеразы.

Терминатор – место окончания синтеза иРНК.

Генетические инструкции, определяющие аминокислотную последовательность упомянутых выше белков, заключены в структурных генах, причем инструкции для β-галактозидазы и лактозопермеазы тесно сцеплены в одной хромосоме. Активность этих генов регулируется еще одним геном, который называют геном-регулятором и который препятствует переходу структурных генов в активное состояние. Ген - регулятор может находиться на некотором расстоянии от структурных генов. Доказательства его существования получены при изучении мутантных клеток Е. coli, лишенных этого гена и поэтому вырабатывающих β-галактозидазу непрерывно. Ген - регулятор содержит генетическую информацию для синтеза репрессора, который препятствует активности структурных генов. Репрессор действует на структурные гены не прямо, а опосредованно, оказывая влияние на участок, примыкающий к структурным генам и называемый оператором. Оператор и управляемые им структурные гены в совокупности называют опероном (рис. 22.29).

Репрессор представляет собой особый аллостерический белок, который либо связывается с оператором, подавляя его активность ("выключает" его), либо не связывается с ним, позволяя ему проявлять активность (оставляет его включенным). Когда оператор включен, на структурных генах осуществляется транскрипция и происходит образование мРНК, которую рибосомы и тРНК транслируют в полипептиды; а когда оператор выключен, мРНК не образуется и кодируемые ею полипептиды не синтезируются (рис. 22.29).

Основные структуры и процессы, участвующие в регуляции белкового синтеза согласно гипотезе Жакоба-Моно. Цифры указывают последовательность событий

Механизм, от которого зависит, присоединится ли аллостерический белок к оператору или нет, прост и при этом чувствителен к изменениям условий внутри клетки. В молекуле репрессора имеется по меньшей мере два активных участка; к одному из них может присоединиться молекула индуктора, а другой служит для присоединения к оператору, выключающего весь оперон.