Молекулярные основы индукции фермента.

А. Индуктор отсутствует, и репрессор присоединяется к гену О, препятствуя транскрипции гена Z. В. Индуктор присутствует, и репрессор связывается с ним; транскрипция гена Z продолжается.

Количество р-галактозидазы

Эти мутантные гены были локализованы в хромосоме Е. colL У мутантов первой группы изменения захватывают один ген, называемый Z-геном. Это структурный ген для р-галактозидазыг т. е.. с этого гена транскрибируется мРНК, которая транслируется в фермент. У мутантов второй группы изменения захватывают два разных гена. Один из них расположен рядом с Z и называется О-геном. Другой — на небольшом расстоянии от первого и называется i-геном. Оба эти гена (i и О) регуляторные, т. е. они не влияют на структуру белка, а только определяют,* будет ли вообще синтезироваться белок и с какой скоростью.

Часы

Рис. 4г5. Динамика изменения числач клеток и количества синтезированной р-галактозидазы при культивировании Е. coli в

смеси глюкозы и лактозы.

На рис. 4-4 показаны взаимоотношения между этими тремя ле-кусами. Ген ъ транскрибируется и на его мРНК образуется белок, называемый репрессором;. он распознает ген О и связывается с ним. В результате соседний ген Z не транскрибируется. (Подавляется активность РНК-полимеразы.) Следовательно, фермент Р-галактозидаза не может синтезироваться. Однако белок-репрес-сор может также распознавать небольшую молекулу индуктора и связываться с ней. Если это происходит, то белок-репрессор уже не может связываться с геном О и препятствовать транскрипции гена Z. В результате синтезируются мРНК для р-галактозидазы и сам фермент. После рассмотрения этого механизма понятно, каким образом в результате мутации гена i синтезируется белок-репрессор, обладающий большим или меньшим сродством к гену О или индуктору, и каким образом мутации гена О влияют на его способность связываться с белком-репрессором.

В последнее время удалось выделить из Е- coli ц очистить бе-лок-репрессор р-галактозидазы. В настоящее время интенсивно изучается механизм взаимодействия белка-репрессора с ДНК (с геном О) ж с молекулами индуктора. Эти исследования особенно важны потому, что речь идет о первом изолированном белке-ре-прессоре и, несомненно, о прототипе многих подобных схем регуляции генов, по крайней мере у микроорганизмов.

Действует ли на синтез р-галактозидазы что-нибудь, кроме индуктора? Да, действует. На рис. 4-5 показано, как растет Е. coli в жидкой среде, содержащей как лактозу, так и глюкозу. Вместо плавного и непрерывного роста наблюдаются две различi О Z Y X

:j=T-::4-l I I I

мРНк\ мРНК

/\JXru\T Ay\yV^VV\/\A/\A/\/V\Ayvy^

Ч(!Ж О О О

р-Галактозидаза Пермеаза Трансацетилаза Рис. 4-6. Лактозпый оперон.

ные фазы роста. Во время первой фазы клетки используют глюкозу, а лактоза совершенно не расходуется. Более того, в этих клетках уровень р-галактозидазы очень низок и постоянен (р-га-лактозидаза не синтезируется). После того как запас глюкозы исчерпан, клетки на короткое время прекращают рост и начинают синтезировать р-галактозидазу. Вскоре они возобповляют рост и продолжают синтезировать фермерт.

Особое впимание следует обратить на рациональность действия Е. coli. Сталкиваясь с двумя разными и эквивалентными источниками энергии и питательных веществ — глюкозой и лактозой, клетки прежде всего используют глюкозу, для которой уже готова ферментативная система, и не синтезируют р-галактозидазу, пока в этом не возникнет необходимость. Химический механизм, позволяющий организму игнорировать ? индукционный сигнал, в настоящее время интенсивно изучается.

Индуцируются ли наряду с р-галактозидазой другие белки? Да. Известны еще два таких белка. Один из них — транспортный белок, облегчающий проникновение лактозы в клетку (поэтому он увеличивает скорость ее использования); он называется р-га(-лактозидпермеазой. Второй — фермент, соединяющий молекулы ацетата с |3-галактозидом — называется трансацетилазой. После добавления индуктора синтез всех трех белков — |3-галактозидазы, (^-галактозидпермеазы и р-галактозидтрансацетилазы — происходит координированно. Структурные гены для этих трех ферментов лежат рядом друг с другом (рис. 4-6). Гены-регуляторы i ж О определяют, будут ли транскрибироваться все три структурных гена — Z, У и X. Все пять рассмотренных генов — i, Of Z, Y, X — представляют собой функциональную единицу, называемую опе-роном.

Репрессия ферментов у бактерий

1 Salmonella typhimurium.— близкий родственник Е. coll — вызывает у мышей брюшной тиф. У людей брюшной тиф вызывают другие бактерии — Salmonella typhi.

Гистидип — это одна из наиболее важных аминокислот; он присутствует почти во всех белках. Бактерия Salmonella typhimurium 1 может сама синтезировать гистидин или использовать готовый гистидин из окружающей среды. На рис. 4-7 схематически представлен путь биосиптеза гистидина у бактерии S. typhimurium (и у многих других организмов). Длинные, а иногда удивительные названия промежуточных продуктов биосинтеза гистидина для наших целей неважны, и я включил эти названия в схему на рис. 4-7 только для того, чтобы показать, что для синтеза гистидина требуется девять ферментов. Из окружающей среды поглощается глюкоза, аммиак и фосфорные соли и синтезируются два ключевых, промежуточных продукта — фосфорибозилпирофосфат и аденозинтрифосфат (АТФ). Существенно подчеркнуть, что оба оти соединения клетка использует для многих целей и синтез гистидина — только одна из пих. Первый фермент, участвующий в биосиптезе гистидина, связывает эти два промежуточных продукта, при этом образуется фосфорибозил-АТФ, который, претерпевая серию преобразований с участием восьми других фермептов, в конце концов превращается в гистидип. Следовательно, для того чтобы синтезировать гистидин, S. typhimurium должна израсходовать значительную часть энергии и 'питательных веществ па синтез не менее девяти различных белков; содержание этих белков может доходить до нескольких процентов от общего белка клетки, а для каких-либо других целей они не используются. Если S. typhimurium будет получать из окружающей среды достаточное колиНесколько

промежуточных

реакций

Л

/ \

функции

Фосфорибозил-пирофосфат

Аденозин-трифосфат (АТФ)

Другш функци

Гистидин

Фермвнт(^

!й2»да/п (7)

Фосфорибозил-АТФ 1

Ш&пидинш

Фврмент(Т)

Тистидинаясросфат

л

Фермент(7)

Имидазол-аи/етолфосфат

\ I I

Фосфорцбоэил-АМФ

Фермент(^

Фосфорибозил-формамиш-аминоцмндазол-карбоксамид-риботид

I I

Фосфорибулозил- формамино-аминоимидазол-карбоксамид-риботид

i 1

I о»

li

1 I

Фермент(Т)

Фермент (з^

_Имидазол _ глицерофосфат

.л.

Аминоимидазол -' карбоксамид-' риботид

Рис. 4-7. Биосинтез гистидина.

чество гистидина, будет ли она синтезировать эти девять теперь уже бесполезных ферментов? Нет. Присутствие гистидина вызывает почти немедленное прекращение синтеза всех девяти белков. Удаление гистидина приводит почти мгновенно к возобновлению их синтеза; принято говорить, что девять ферментов могут быть репрессированы, а сам процесс получил название репрессии ферментов.

Как осуществляется репрессия ферментов? В осповных чертах почти так же, как и индукция фермента. Гены для девяти белков сцеплены вместе; они запимают определенную область бактериальной хромосомы и называются гистидиновым опероном. Гены-регуляторы, соответствующие гепам i и О лактозного оперона (но отличающиеся от них), связаны с девятью структурными генами, они осуществляют контроль на уровне транскрипции. Действие этих регуляторных генов, по-видимому, опосредуется репрессор-ным белком, специфичным для гистидинового оперона. Основное отличие состоит, вероятно, в том, что в случае лактозного оперона исходный продукт (лактоза или ее аналог) препятствует действию репрессорного белка и благодаря этому вызывает синтез фермента, а в случае гистидинового оперона конечный продукт (гистидин) усиливает действие репрессорного белка, и в результате синтез ферментов прекращается. Однако в отсутствие гистидина специфический репрессорный белок неактивен и синтез девяти ферментов осуществляется беспрепятственно (рис. 4-8).

Относится ли репрессия ферментов к общим для микроорганизмов явлениям? Да, ферментативные реакции, приводящие к образованию почти всех аминокислот, пуринов, пиримидинов, рибопук-леотидов, дезоксирибонуклеотидов, пекоторых витаминов и многих других соединений, по-видимому, могут быть репрессированы. Это относится главным образом к бактериям, но также и к другим микроорганизмам, а до некоторой степени даже к клеткам высших животных и растений.

Направленный синтез ферментов в клетках животных

1 Основной источник пищи для животных — белки, причем разные виды животных поедают белки животного, растительного или микробного происхождения. Поглощенные белки гидролизуются протеазами да аминокислот, среди которых есть и тирозин. Затем аминокислоты окисляются и распадаются, снабжая организм энергией и питательными веществами, необходимыми для поддержания жизнедеятельности и роста. Многие из этих процессов происходят в печени.

В печени крыс и других животных имеется фермент тирозин-аминотрансфераза. Этот фермент катализирует первую реакцию расщепления тирозина Обычно в клетках печени содержание этого фермента относительно невелико, но при действии на печень

Исходный субстрат биосинтеза

\

\ Связывается с белком-\ репрессором и инакти-\^ирует его

\

Результат: транскрипция и трансляция

Белок-репрессор

Ген-оперштр Отрукт^ный

Структурный ген Z

Структурный ген 3

Связывается с

/ белком-репрвссором j и активирует егс\

Конечный продукт биосинтеза

Результат:

нет транскрипцт нет трансляции

Рис, 4-8. Схема индукции и репрессии фермента.

специфического стероидного гормона, который синтезируется в надпочечниках и переносится током крови, уровень тирозинами-нотрансферазы резко повышается, в некоторых случаях в 20 раз. Удаление гормона приводит к быстрому снижению количества фермента до исходного.

Для изучения этого явлепия исследователям не понадобил