69. Регуляция синтеза белка путем индукции (схема).
Индукция лактозного оперона (отрицательный контроль). Лактозный оперон (/ас-оперон) Escherichia coli содержит /ас-промотор, /ас-оператор и структурные гены для трех ферментов: $-галактозидазы, пермеазы и трансацетилазы (рис. 16.7). Этот оперон был тщательно исследован; удалось выделить его ДНК; была определена нуклеотидная последовательность области промотор-оператор; были выделены и исследованы регуляторные белки.
Оперон находится под отрицательным контролем, т.е. регуляторный белок (/ас-репрессор) остается связанным с оператором и препятствует транскрипции до тех пор, пока отсутствует индуктор. Внешним индуктором служит лактоза (а-В-галактозил-р-1,4-В-глюкоза). Она транспортируется с помощью пермеазы и превращается в аллолактозу (a-D-ra-лактозил-р-1,6-В-глюкозу), действующую как индуктор (внутренний). Катализатором этого превращения служит (3-галактозидаза. Оба фермента -пермеаза и (3-галактозидаза-присутствуют и в неиндуциро-ванных клетках, но в концентрациях, составляющих менее 0,001 от их концентраций после полной индукции. Связав аллолактозу, /ас-репрессор претерпевает конформационное изменение, уменьшающее его сродство к ДНК оператора, и в результате освобождает оперон для транскрипции.
Лактозный оперон подвержен также второму контролю - положительному. Это означает, что транскрипция происходит лишь тогда, когда с промотором связан второй регуляторный белок-САР, или CRP.
Сокращения CAP (catabolite activator protein) и CRP (cyclic AMP receptor protein) - синонимы. Связывание CAP служит необходимым условием для присоединения РНК-полимеразы к ДНК. Однако САР может связаться с промотором только в том случае, если в клетке в достаточно высокой концентрации присутствует циклический AMP (сАМР). Катаболитная репрессия /ас-оперона. Если в питательной среде для Escherichia coli содержатся лактоза и глюкоза, синтез ферментов /ас-оперона подавляется (см. рис. 16.6 и 16.7). Такое действие глюкозы обусловлено тем, что в ее присутствии внутриклеточная концентрация сАМР остается низкой. Глюкоза (так же как фруктоза и глкжозо-6-фос-фат) репрессирует и другие индуцибельные пути катаболизма (расщепление арабинозы, галактозы, сорбитола, глицерола и др.).
Снижение концентрации сАМР под действием глюкозы обусловлено, вероятно, локализацией фермента аденилатциклазы, при участии которого образуется сАМР:
Фермент в клетке связан с мембраной. Его активность высока, если система транспорта Сахаров находится в фосфорилированной форме. Если же эта система затрачивает много энергии на транспорт Сахаров (что связано с их фосфорилированием), активность аденилатциклазы снижается.
Индукция арабинозного оперона (положительный контроль). Араби-нозный оперон Е. coli подвержен похожительной регуляции, так же как рамнозный и мальтозный опероны. Он содержит структурные гены ara В, ara А и ara D для ферментов, участвующих в превращении L-араби-нозы в D-ксилулозо-З-фосфат. Экспрессия оперона индуцируется араби-нозой. Как и многие другие системы катаболизма, оперон подвергается регуляции в области промотора, с которым связан САР, активированный циклическим AMP. Кроме того, в этом опероне есть еще два регулируемых участка - оператор и инициатор. С оператором связан регу-ляторный белок, кодируемый геном ara С. Этот белок действует как репрессор-присоединяясь к оператору, он препятствует транскрипции. Однако в присутствии арабинозы он становится активатором-присоединяется к промотору и делает возможной транскрипцию. Таким образом, арабинозный оперон находится под влиянием как отрицательного, так и положительного контроля со стороны специфического белка-регулятора.