Теория Жакоба-Моно. Механизмы регуляции метаболизма ... клетки на генном уровне.

Теория Жакоба-Моно. Механизмы регуляции метаболизма микробной
клетки на генном уровне.
Индуцируемый ферменты синтезируются клеткой в ответ на воздействие
определенного фактора внешней среды, в качестве которого выступает какойлибо компонент внешней среды – эффектор.
Под эффекторами понимают вещества, вызывающие изменение скорости
синтеза белков при их попадании в микробную клетку. При этом вещества,
индуцирующие
синтез
клеткой
определенного
фермента
называют
индукторами, а вещества, подавляющие синтез – репрессорами. Регуляция
метаболизма мко на генном уровне основана на использовании механизмов
индукции и репрессии синтеза клеточных ферментов.
Индукция. Впервые механизм индукции был изучен Жакобом и Моно на
примере синтеза индуцируемого фермента β-галактозидазы E.coli.
Гены, определяющие структуру ферментов с близкими функциями,
сгруппированы в хромосоме в единичный оперон. (в состав lag-оперона E.coli
входят три гена: ген z-кодирующий аминокислотную последовательность βгалактозидазы, ген у-структурный ген пермеазы (транспорт лактозы в клетку),
ген
а-структурный
ген
ацилазы.
Оперон
находится
под
контролем
регуляторного участка молекулы ДНК - промотора.
Функции
промотора
ответственной за синтез
заключаются
в
связывании
РНК-полимеразы,
и-РНК, которая переносит информацию об
аминокислотной последовательности определенного фермента или группы
ферментов. Последовательность пуриновых и пиримидиновых оснований в
промоторе определяет, с какой частотой РНК-полимераза будет присоединяться к нему, т.е. задает мах скорость транскрипции гена и
количество
синтезируемого фермента.
На участке ДНК между промотором и опероном к молекуле присоединяется
репрессор-аллостеричес-кий белок, каждая субъединица которого имеет
сродство
к нуклеоидной
последовательности
молекулы
ДНК в
месте
присоединения; второй способен присоединять молекулу эффектора (индуктора
или репрессора).
Жакоб и Моно предложили следующую модель деятельности lag-оперона
E.coli. В отсутствии индуктора белок-репрессор связан с молекулой ДНК,
блокируя структурные гены, т.е. синтез β-галактозидазы подавлен. При
присоединении к аллостерическому центру индуктора изменяется конформация
белка-репрессора
и
его
сродство
с
молекулой
ДНК.
В
результате
высвобождаются структурные гены и активируется синтез ферментов. Данный
механизм
получил
название
негативной
регуляции
индукции
синтеза
ферментов.
Имеет место позитивная регуляция индукции. Например, ферменты
метаболизма арабинозы у E.coli синтезируются под контролем белкарепрессора, способного осуществлять позитивную регуляцию. В отсутствии
арабинозы ферменты, участвующие в ее расщеплении (изомераза, киназа,
эпимераза), синтезируются клеткой E.coli в малых количествах, т.к. репрессор
блокирует транскрипцию соответствующего оперона.
Арабиноза, связавшись с репрессом приводит его в активированное
состояние.
Аутогенная регуляция. В данном случае в качестве репрессора выступает
фермент, информация о синтезе которого зашифрована на контролируемом
участке ДНК. Индуктором является продукт катабо-лизма, образующийся под
действием фермента
Аутоиндукция.Сущность-в перестройке метабо-лизма клетки в направлении
синтеза за счет внутриклеточных компонентов. Так, культура гриба Asp.niger,
культивируемая в условиях дефицита источников азота, вырабатывает
индуктор, ускоряющий синтез протеаз.
Репрессия. При регуляции метаболизма по механизму репрессии белокрепрессор в отсутствии эффектора находится в неактивном состоянии, т.е.
транскрипция генов и синтез фермента не ограничены. При достижении
определенной концентрации продукта катаболизма, образующегося при участии
фермента, репрессор переходит в активную форму, блокируя транскрипцию.
Т.о., продукт метаболизма в данном случае выступает в роли специфического
эффектора (корепрессора), ингибирующего синтез фермента.
Частным случаем данного механизма является катаболическая репрессия,
тесно связанная с глюкозным эффектом. Она заключается в блокировании
синтеза ферментов, отвечающих за расщепление лактозы, галактозы,
мальтозы и др. сахаров, продуктами расщепления глюкозы. Синтез
ферментов, ответственных за включение