Microbiology

Индукция р-галактозидазы. Один из наиболее изученных примеров ин дукции синтеза ферментов-это синтез фермента, необходимого для ис пользования лактозы клетками Escherichia coli (рис. 16.1). Лактоза-ди-сахарид, который, прежде чем вступить на путь катаболизма гексоз, должен быть расщеплен:

Р-Галактоэидаза
Лактоза + НгО----------- » D-Глкжоза + D-Галактоза

Клетки дикого типа, растущие на среде с глюкозой, содержат лишь едва заметные следы (3-галактозидазы. Если же выращивать их на среде с лактозой или иным р-галактозидом, то р-галактозидазная активность увеличивается в 1000 раз: этот фермент может составлять около 3% все го клеточного белка! Он обычно образуется только в присутствии инду цирующего вещества-лактозы. Изучению механизма регуляции суще­ственно помогло применение не используемого бактерией индуктора-2-пропил-р-тиогалактозида. Добавление этого вещества приводит к «обманной» индукции р-галактозидазы: фермент образуется, но не может гидролизовать соединение, индуцировавшее его синтез, и сделать его доступным для дальнейших превращений.

Репрессия конечным продуктом. Влияние конечного продукта биосинте тического пути на концентрацию ферментов этого пути можно проил люстрировать на примере синтеза аргинина (рис. 16.3). Аргинин синте­зируется из глутамата (см. рис. 7.17) через орнитин, цитруллин и аргининосукцинат:

При выращивании клеток Escherichia coli на минимальной среде кон центрация одного из ферментов биосинтеза аргинина - орнитин :карба-моил-трансферазы (ОКТазы)-оказывается «обычной». При добавлении к минимальной среде аргинина (20 мкг/мл) образование ОКТазы сразу же прекращается вследствие репрессии. В результате дальнейшего роста клеток в присутствии аргинина происходит «разбавление» фермента, и его активность падает до очень низкого уровня. Если теперь отмыть клетки от аргинина и перенести их в минимальную среду, не содержа щую этой аминокислоты, то сразу же произойдет дерепрессия и синтез ОКТазы возобновится. Спустя короткое время концентрация фермента во много раз превысит его содержание в исходной суспензии клеток (рис. 16.4).

Лишь постепенно, после того как синтез анаболических ферментов приведет к образованию и накоплению аргинина, активность ОКТазы вновь снизится и достигнет «обычного» уровня.

На мутантах, дефектных по одному из ферментов биосинтеза аргинина, путем опытов в хемостате удалось показать, что состояние дерепрессии может сохраняться: если рост клеток лимитируется аргини ном, активность фермента в 25 раз выше «обычного» уровня.

Теоретически регуляция синтеза ферментов могла бы осуществляться как при транскрипции, так и при трансляции. Как выяснилось, экспрес сия генов у прокариот регулируется главным образом на уровне тран­скрипции. Большинство генов, кодирующих структуру полипептидных цепей, подвержено регуляции-точнее, регулируется их транскрипция. От условий среды и состояния клеточного метаболизма зависит, будут ли синтезироваться определенные ферменты, т.е. будут ли вообще и с какой частотой транскрибироваться соответствующие гены.

Для такой регуляции нужно, чтобы к ДНК из других частей клетки поступали определенные сигналы. Сигнальные вещества, или молекулы-эффекторы, представляют собой низкомолекулярные соединения, такие как сахара или их производные, аминокислоты или нуклеотиды. По скольку такие эффекторы не могут вступать в прямое взаимодействие с ДНК, посредником для каждого из них служит определенный регуля-торный белок. Если эффектор присутствует в клетке в высокой концен трации, то в результате специфического присоединения к регуляторному белку он изменяет его кон формацию и тем самым-его способность связываться с ДНК. Регуляторный белок, который связывается с ДНК в отсутствиеэффектора (индуктора), называют репрессором. Если же бе лок связывается с ДНК в присутствииэффектора (корепрессора), его на зывают апорепрессором.

Пути биосинтеза. Как. правило, путем ингибирования конечным продук том регулируется первый фермент данной биосинтетической последова тельности реакций. Если в клетке происходит избыточное образование и накопление конечного продукта, то в результате торможения первого фермента деятельность всей цепи тотчас же замедляется.  В процессе биосинтеза изолейцина из треонина таким ферментом служит треонин-дезаминаза:

Регулируемые и нерегулируемые нефункциональные ферменты (изо-зимы). Следует отметить, что не всякая треониндезаминаза ингибирует-ся изолеицином. Если Escherichia coli растет в аэробных условиях на среде с глюкозой и солями аммония, то ее клетки содержат только од ну треониндезаминазу, на анаболическую функцию которой указывает аллостерическое торможение изолеицином. Но если клетки растут в анаэробных условиях на среде со смесью аминокислот (пептон и гид-ролизат казеина), то происходит репрессия синтеза анаболической трео-ниндезаминазы и образуется изозим, обладающий катаболической ак тивностью и подверженный аллостерическому регулированию только со стороны AMP и ADP.