19. Основные принципы регуляции обмена веществ у микроорганизмов. Индукция и репрессия ферментных белков.

В микробных клетках функционируют различные системы регуляции обмена веществ. За счет одних систем регуляции изменяется (регулируется) количество синтезируемых ферментов, другие – регулируют активность ферментов. Посредниками в осуществлении этих механизмов являются низкомолекулярные соединения, которые либо синтезируются клеткой, либо поступают в клетку из окружающей среды.

Информация о синтезе ферментов, равно как и других белков, записана в геноме. Геном определяет качественный ферментный состав (т.е. набор ферментов) клетки микроорганизма.

Изменение количества синтезируемых ферментов в клетке идет в результате действия механизмов индукции и репрессии.

Индукцией называют процесс увеличения количества соответствующего фермента в клетке под влиянием субстрата.

Клетка имеет два типа ферментов, различающихся по механизму регуляции их синтеза: конститутивные и индуцибельные.

Конститутивными называют ферменты, синтез которых не зависит от факторов внешней среды.

Индуцибельные ферменты синтезируются клеткой в ответ на воздействие определенного фактора внешней среды (индуктора).

Индуктором (фактором внешней среды), как правило, бывает какой-либо компонент питательной среды для культивирования. Наличие такого вещества в среде приводит к значительному ускорению синтеза ферментов, отвечающих за его расщепление и утилизацию (что является результатом усиления матричной активности соответствующих генов).

Репрессией синтеза ферментов называют другой существующий регуляторный механизм, который останавливает синтез ферментов в присутствии специальных веществ (репрессоров) в определенных концентрациях. Это механизм предотвращения перепроизводства низкомолекулярных веществ, который позволяет остановить синтез ферментов, не требующихся в данный момент клетке.

Т.О. индукторы и репрессоры (вместе обозначаются как эффекторы) – это вещества, которые приводят к изменению скорости синтеза белков при добавлении их к культуре (физиологические сигналы).

В настоящее время система регуляции синтеза индуцибельных ферментов детально изучена на примере -галактозидазы мутантными штаммами Е. coli французскими учеными Жакобом и Моно. Описание системы дано на примере 1ас-оперона, – участка хромосомы, в котором сгруппированы гены, определяющие структуру ферментов с близкими функциями. Данный оперон опбеспечивает за синтез -галактозидазы, расщепляющей -галактозидную связь в молекуле дисахарида лактозы.

В состав lac-оперона Е. coli входят три гена ( см. рисунок).

Ген z кодирует аминокислотную последовательность -галактозидазы, катализирующей расщепление лактозы на глюкозу и галактозу.

Ген у — структурный ген для пермеазы, необходимой для транспорта лактозы в клетку.

-ген служит структурным геном для транс-ацетилазы, фермента с неопределенной функцией.

Все три структурных гена образуют одну транскрипционную единицу (оперон), которая под действием одного и того же эффектора транскрибируется в виде одной так называемой полигенной (полицистронной) мРНК. Оперон находится под контролем специального участка молекулы ДНК, расположенного в начале оперона. Первая часть этого регуляторного участка известна под названием промотора (Р).

Промотор (Р) — это участок ДНК, на котором происходит присоединение РНК-полимеразы, чтобы инициировать синтез мРНК. Транскрипция каждого гена зависит от его промотора.

Непосредственно по соседству с промотором расположен оператор О, место связывания репрессора.

Репрессоры представляют собой олигомерные аллостерические белки, содержащие в каждой субъединице по два специфических центра. Один из этих центров обладает сродством ко всей или части нуклеотидной последовательности оператора, воспринимающего репрессор, а другой, специфический центр — к молекуле индуктора. Присоединение индуктора к репрессору во втором аллостерическом центре ведет к изменению конформации репрессорного белка, вследствие чего снижается сродство первого аллостерического центра к оператору. При этом оператор освобождается от репрессора.

Синтез репрессорного белка детерминирует (определяет) регуляторный ген (i) локализованный непосредственно перед lac-опероном

Механизма деятельности lac-оперона.

В отсутствие индуктора синтез ферментов деградации лактозы подавлен. Белок-репрессор связан с оператором, структурные гены блокированы, их транскрипция не происходит. В присутствии индуктора конформация репрессора изменяется и сродство репрессорного белка к оперону нарушается. Оператор при наличии индуктора не блокирован, происходит транскрипция структурных генов и далее — синтез ферментов в соответствии с информацией, переданной мРНК, на рибосомы.

Использование регуляторного механизма индукции ферментов дает возможность значительно увеличить синтез этих фepментов. Например, при длительном выращивании культуры Е. coli на среде с лактозой содержание -галактозидазы увеличивается в 1000 раз. После индукции количество этого фермента в клетке достигает 3% общего содержания белков. Аналогичная картина наблюдается при работе с продуцентом амилазы — плесневыми грибами рода Aspergillus