книги из ГПНТБ / Кретович В.Л. Введение в энзимологию

Ф РАН С УА Ж АКОБ II Ж А К МОНО

прекращения биосинтеза ферментного белка. Нужно отметить, что кортизон индуцирует синтез в печени целого ряда ферментов, теснейшим образо.м связанных с синтезом глюкозы. В данном слу­ чае регулирующее действие на обмен веществ одного из гормонов, выделяемых корой надпочечииков, сводится к индукции синтеза ферментов, контролирующих новообразование глюкозы (глюконеогенез) в печени животного.

Спрашивается, каким же образом, благодаря каким молеку­ лярным механизмам осуществляется индукция или репрессия синтеза того или иного фермента? Где, в каких местах, на каких рецепторах клетки происходит связывание индуктора или веще­ ства, вызывающего репрессию? Установлено, что индукторы и вещества, вызывающие репрессию, в конечном счете действуют на ДНК, содержащуюся в клеточном ядре. Воздействуя на опреде­ ленный участок молекулы ДНК, в котором заключена наслед­ ственная информация о синтезе данного фермента, они оказывают влияние на последующий синтез матричной РНК, передающей в рибосомы информацию, необходимую для синтеза этого фермента. Именно через ДНК осуществляется действие индукторов и репрес­ соров, в результате чего регулируется биосинтез ферментов в ри­ босоме.

28Х

Общая теория индукции и репрессии биосинтеза ферментов дана б». Жакобом и Ж. Моно. Рассмотрим ее па примере синтеза изолсйципа у Escherichia coli, этапы которого показаны ниже:

I

соон

L-ИзолеГщші

При добавке избытка изолейцина к питательной среде синтез его прекращается. В данном случае мы имеем прекрасный пример того, как конечный продукт длинной цепи биосинтетических реак­ ций по принципу обратной связи регулирует весь процесс био­ синтеза. Оказалось, что избыток изолейцина действует двояким

теза изолейцина (в том числе и треониндегидратазы). Нужно

важно отметить, что эти две стороны действия L-изолейцина иа клетки микроба совершенно независимы друг от друга. Это было показано опытами с мутантами Escherichia coli. Был получен мутантный штамм, у которого не наблюдалось ингибирования

1 По новой номенклатуре ферментов — треониндегидратаза,

трсошпідсгидратазы L-изолсйципом, а у другого мутанта пол­ ностью отсутствовало репрессирование синтеза всех ферментов биосинтетической цепи под влиянием L-изолейцина.

Исходя из того, что синтез каждого фермента в этой биосин­ тетической цепи определяется соответствующим геном, т. е. опре­ деленным участком молекулы ДЫК, мы можем представить себе механизм обратной связи в виде схемы 43.

На этой схеме показано, что L-изолейцин ингибирует актив­ ность первого фермента биосинтетической цепи — треониндогидратазы (А) и репрессирует синтез всех ферментов, принимающих участие в синтезе L-изолейцина (Б). Согласно теории Жакоба и Mono, соединения, индуцирующие и репрессирующие синтез того или иного фермента, воздействуют не непосредственно на структурные гены, контролирующие образование соответствующих ферментов (схема 43). По соседству с группой структурных генов в полннуклеотидной цепочке ДНК расположен так называемый о п е р а т о р , который контролирует, т. е. включает и выклю­ чает тот или иной «находящийся в его ведении» структурный геи, от которого зависит синтез соответствующего фермента. Работа оператора, в свою очередь, зависит от вещества, которое названо р е п р е с с о р о м .

Репрессор имеет белковую природу и образуется под влиянием г е н а - р е г у л я т о р а. Выделено несколько репрессоров, в том числе, например, /ас-репрессор Escherichia coli с молекуляр­ ной массой около 150 000, контролирующий синтез ферментов, участвующих в обмене лактозы.

Схема 43. Механизм обратной сняли при биосинтезе Ь-изолсі'щшіа у Esche­ richia coli (по Ж. Шаи/кё)

Репрессор может взаимодействовать как с соединениями, ин­ дуцирующими синтез данного фермента, так и с соединениями, репрессирующими его образование. Если мы имеем дело с репрес­ сируемой системой, как в случае биосинтеза L-изолейцшга, то последний, связываясь с репрессором, активирует его. Активи­ рованный репрессор, в свою очередь, как бы блокирует оператор, и этот последний прекращает действие «находящегося в его ве­ дении» структурного гена, в результате чего не может идти синтез соответствующий матричной РНК, а следовательно, и синтез соответствующего фермента. Если мы имеем дело с индуцируемой системой, как в случае биосинтеза ß-галактозидазы, то соедине­ ние, индуцирующее ее синтез, инактивирует репрессор, блокиру­ ющий соответствующий оператор, и этот последний, освободившись от влияния репрессора, пускает, «включает» «подчиненный ему» структурный ген, от которого зависят синтез соответствующей матричной РНК и синтез данного индуцируемого фермента.

Эта теория генетического контроля синтеза ферментов пред­ ставлена на схеме 44. Как видно на схеме, геи-регулятор «управ­ ляет» синтезом репрессора, который связывается с соответствую­ щим метаболитом, играющим роль регулирующего сигнала. В результате этого связывания репрессор активируется или ин­ активируется (в зависимости от того, является ли данная система ферментативных реакций индуцируемой или репрессируемой). Будучи активирован, репрессор блокирует геи-оператор, что приводит к «выключению» соответствующего структурного гена, от которого зависит синтез данного фермента.

Таким образом, теория Жакоба и Моно рассматривает репрес­ сию и индукцию синтеза ферментов как две неразрывные стороны

10* 291

Было установлено также, что белковая часть разных гемоглобипов несколько различается по своему аминокислотному составу. Так, гемоглобин нормальных людей отличается от гемогло­ бина людей, пораженных заболеванием, называемым серповид­ ноклеточной анемией, всего лишь да одну аминокислоту. Выяс­ нилось далее, что у разных организмов некоторые ферменты одного и того же наименования различаются по своему аминокис­ лотному составу и по структуре. Это хорошо изучено па примере ос-амилаз различного происхождения. Представление об этом дает табл. 9.

Видно, что различные а-амилазы сильно различаются по со­ держанию в них целого ряда аминокислот, например, лизина, се­ рина, лейцина, цистеина, аргинина, фенилаланина и некоторых других. Эти различия в аминокислотном составе приводят к тому,

Т а б л и ц а 9

Аминокислотный состав сс-ашілаз различного происхождения (содержание аминокислот выражено в количестве остатков аминокислоты на 11)0 тыс. г белка)

293

что а-амплазы из разных источников довольно значительно от­ личаются по некоторым свойствам, например, по поведению при электрофорезе, по тер.мостабплыіостн. Так, а-амплаза из Asper­ gillus oryzae несколько более термолабилыіа, чем а-амилаза из проросшего зерна ячменя.

Мы уже указывали ранее (с.м. стр. 137), что яркие примеры различий в физико-химических свойствах, а следовательно, и в молекулярной структуре одного и того же фермента у разных организмов были обнаружены при изучении ферментов термофиль­ ных бактерий.

Так, весьма термостабилытая глнцерал ьдегидфосфатдсгидрогеназа термофильной бактерии Bacillus stearothermophilus отли­ чается от того же фермента из других источников первичной структурой своей полипептидной цепи. Если обычно в глицеральдегидфосфатдегидрогеназе в положении 17 находится лейцин (а в ферменте из мышц омара — валпп), то в ферменте Bacillus stearothermophilus это место занимает фенилаланин. Кроме того, фермент Bacilus stearothermophilus отличается от ферментов из других источников также тем, что в положении 2 и 3 в нем рядом располагаются два остатка гистидина.

При исследовании первичной структуры рибонуклеазы круп­ ного рогатого скота и овцы были установлены специфические от­ личия фермента у этих животных. Остаток лизина, который в рибонуклеазе крупного рогатого скота находится в положении 37 (см. схему 2 ), заменен у овцы глютаминовой кислотой, а остаток треонина в положении 3 заменен в рибонуклеазе овцы серином. Детально изучены особенности альдолазы — чрезвычайно широ­ ко распространенного фермента, играющего важнейшую роль в углеводном обмене (см. стр. 239). Оказалось, что все исследован­ ные высокоочищенные и кристаллические препараты альдолазы самых разнообразных организмов могут быть разделены на два класса, весьма существенно различающихся по физико-химиче­ ским и каталитическим свойствам. Типичным представителем первого класса является мышечная альдолаза кролика, а вто­ рого — альдолаза дрожжей и бактерий. Различия в свойствах альдолаз этих двух типов показаны в табл. 1 0 .

Весьма детально исследована также первичная структура бел­ кового компонента цитохрома с у различных организмов. Было показано, что, наряду с определенным единством структуры этого важнейшего кофактора, имеются существенные различия в амино­ кислотном составе и последовательности аминокислот в полипеп­ тидной цепочке.

Таким образом, при одной и той же каталитической функции ферменты различных организмов различаются по аминокислот­ ному составу, по последовательности аминокислот и физико­ химическим свойствам.

Более того, в последние годы было показано, что некоторые ферменты в одном и том же организме, а иногда и в одной и той же

294

Т а б л и ц а 10

Каталитические и молекулярные свойства двух классов альдолаз

его ткани представлены различными молекулярными формами. Такие разнообразные молекулярные формы фермента у данного организма, катализирующие одну и ту же реакцию, но различаю­ щиеся по некоторым физическим, химическим и иммунохи-

друга при помощи различных вариантов электрофореза, ионного обмена, адсорбции, гельфильтрации, фракционирования солями и т. д.

Необходимо подчеркнутъ, что окончательное заключение о мо­ лекулярной гетерогенности фермента можно сделать только на основании изучения ряда свойств полученных фракций.

Впервые изоферменты были обнаружены при исследовании электрофоретических свойств лактатдегидрогеназы различных тканей животных. Этот фермент делится, как правило, на пять компонентов, один из которых движется к аноду, другой — к катоду, а три остальных занимают промежуточное положение (схема 45).

Форма лактатдегидрогеназы, которая двигалась к аноду, пре­ обладала в сердечной мышце. В скелетной мускулатуре в основном содержался компонент, который мигрировал к катоду. Все пять компонентов лактатдегидрогеназы состояли из четырех субъединиц и имели довольно близкие значения молекулярных масс. Амери­ канский биохимик Н. Каплан высказал предположение, что клетки ряда организмов могут вырабатывать субъединицы лактат­ дегидрогеназы двух типов. Они были обозначены буквами Н (сердечный тип, от английского слова «heart») и (мышечный

295

кивает, что изоферменты лактатдегидрогеназы состоят из субъ­ единиц с разной первичной структурой, которая в конечном

296