2. Генная регуляция метаболизма (30 баллов).

Генная регуляция метаболизма.

Индуцируемый ферменты синтезируются клеткой в ответ на воздействие определенного фактора внешней среды, в качестве которого выступает, как правило, какой-либо 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 микроорганизмов 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. Например, в состав lag-оперона E.coli входят три гена: ген z –кодирующий аминокислотную последовательность β-галактозидазы, 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 заключаются в связывании РНК-полимеразы, ответственной за синтез и-РНК, которая переносит информацию о 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 максимальную скорость транскрипции гена и, как следствие, количество синтезируемого фермента.

На участке ДНК между промотором и опероном к молекуле присоединяется репрессор – аллостерический 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 (аллолактоза β-Д-гал(1-6) Д-глю) 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. В ряде случаев имеет место позитивная регуляция индукции. Например, ферменты метаболизма арабинозы у E.coli синтезируются под контролем белка-репрессора, 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.

Аутогенная регуляция. В данном случае в качестве репрессора выступает фермент, информация о синтезе которого зашифрована на контролируемом участке ДНК. Индуктором, как правило, является продукт катаболизма, образующийся под действием фермента.

(+) (-) Х₁ – нуклеотидные предшественники;

Х ₁ Х₂ Х₂ – специфическая и-РНК;

Х₃ – аминокислотные предшественники

Х ₃ Х₄ Х₄ – фермент катаболизма;

Х₅ – субстрат;

Х ₅ Х₆ Х₆ – продукт-индуктор.

ЛАКТОЗА АРАБИНОЗА

Репрессор ген в ген а ген d Р ген с ДНК

п ромотор lag-оперон

z y a РНК

эпимераза изоме- киназа

раза

репрессор

арабиноза

Аутоиндукция. Сущность этого явления заключается в перестройке метаболизма 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 белок-репрессор 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. Таким образом, 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. Катаболическая репрессия заключается в блокировании синтеза ферментов, отвечающих за расщепление лактозы, галактозы, мальтозы и др. сахаров, продуктами расщепления глюкозы. Синтез ферментов, ответственных за включение углеводов в процесс гликолиза индуцируется циклическим аденозин-монофосфатом (ц АМФ), который взаимодействует со специфическим белком-активатором катаболизма (БАК; сар-белок). В результате образуется активированный комплекс, связывающийся с промотором и тем самым инициирующий транскрипцию соответствующих генов. Образование продуктов катаболизма глюкозы ингибирует синтез ц-АМФ и в результате блокирует транскрипцию генов, несущих информацию о синтезе ферментов катаболизма лактозы, мальтозы и др. сахаров.