12.Регуляция биосинтеза

Живые клетки имеют точно запрограммированные механизмы, регулирующие синтез различных белков таким образом, что в любой клетке присутствует определенное количество молекул каждого белка. ДНК бактерии E.Coli содержит гены для более чем 3000 различных белков. Однако 3000 белков бактерии присутствуют в клетке не в оди­наковых количествах. Некоторые белки существуют в незначительном количестве копий, тогда как количество других постоянно и достаточно велико. Благодаря регуляции синтеза ферментов в клетках любого типа создается «правильный» набор ферментов, обеспечивающих нор­мальное протекание основных клеточных процессов. Регуляция позво­ляет бактериям экономно использовать аминокислоты для синтеза тех белков, которые нужны им лишь в очень малых количествах или толь­ко изредка.

У высших организмов процессы регуляции белкового синтеза значительно сложнее. Хотя каждая клетка эукариот содержит полным геном данного организма, в клетках данного типа экспрессируется; только часть структурных генов. Почти во всех клетках высших жи­вотных присутствуют наборы основных ферментов, необходимые для реализации главных путей метаболизма. Однако клетки разных типов, например, клетки мышц, мозга, печени, содержат свойственные только им структуры и выполняют только им присущие биологические функ­ции, реализация которых обеспечивается наборами специализирован­ных белков. Биосинтез разных наборов специализированных белков должен быть точно запрограммирован в последовательности и време­ни их появления в ходе строго упорядоченной дифференцировки и роста высших организмов. Пока не все известно о регуляции экспрес­сии генов в эукариотических организмах с их многочисленными хро­мосомами. Однако сегодня наука располагает значительной информа­цией о регуляции синтеза белка у прокариот.

Бактерии содержат конститутивные и индуцируемые ферменты. Конститутивные ферменты присутствуют в бактериальных клетках постоянных количествах независимо от метаболического состояния организма (ферменты гликоза). Концентрация индуцируемых фермен­тов меняется, они синтезируются только по мере надобности, когда в среду добавляют его субстрат, особенно если этот субстрат является единственным источником углерода. Таким ферментом может быть β-галактозидаза, которая способствует расщеплению лактозы на глюкозу и галактозу. В обычных условиях, когда в среде есть глюкоза, бактерия E.Coli лактозу не усваивает, так как фермента β-галактозидазы очень мало (~ 5 молекул). Однако если поместить E.Coli в среду с лактозой в качестве единственного источника углерода и энергии, то через 1-2 мин клетки начинают синтезировать фермент β-галактозидазу в боль­ших количествах (-1000 молекул на одну клетку). Если в среду доба­вить глюкозу, синтез фермента β-галактозидазы прекращается. Таким образом, индуцируемые ферменты синтезируются только тогда, когда в них есть необходимость.

Другой важный тип изменения концентрации ферментов в бак­териальной клетке, противоположной по своему проявлению индук­ции ферментов, - репрессия ферментов. Когда клетки бактерии E.Coli растут в среде, содержащей в качестве единственного источника азота соль аммония, им приходится синтезировать все азотсодержащие со­единения из иона NH4T и углерода. Такие клетки должны иметь все ферменты для синтеза 20 аминокислот. Если же в среду добавим, одну какую-нибудь аминокислоту (гистидин), то клетка перестает выраба­тывать весь набор ферментов, необходимых для синтеза гистидина из NH4+, а для остальных 19 аминокислот синтез ферментов продолжает­ся. Выключение синтеза ферментов, ответственных за образование гистидина, вызванное добавлением гистидина, называется репрессией ферментов.