Микробиология - Гусев М.В.
Скачать (прямая ссылка):
Лактозный оперон Е. coli, состоящий из трех структурных генов, промотора и оператора, был первой ферментной системой, на которой Ж. Моно и Ф. Жакоб изучали механизм индукции синтеза ферментов (рис. 38). В отсутствие лактозы молекула репрессора, активная в сво-
цРНК
Рис. 38. Схематическое изображение индукции синтеза ферментов катаболизма лактозы у Е. coli. А. Ген-регулятор (R) образует репрессорный белок, связывающийся с оператором (О) и закрывающий промотор (P); транскрипции структурных генов (z, у, а) не происходит. Б. В присутствии индуктора образуется неактивный репрессор, теряющий способность связываться с оператором; промотор открыт, происходит транскрипция
днк
ГШ
цРНК
Репрессор СТО
Индуктор (лактоза)
ДНК
•т Полипелтидные цепи-
Инакти8иро8анный репрессор
бодном состоянии, связывается с оператором и подавляет транскрипцию структурных генов. Когда в клетку ,попадает лактоза, она 'связывается с репрессором, в результате образуется неактивный комплекс репрессора с индуктором, который не может взаимодействовать с оператором и, следовательно, препятствовать транскрипции структурных генов. В результате индуцируется синтез ферментов катаболизма лактозы. При удалении из клетки индуктора репрессор снова переходит в активное свободное состояние, связывается с оператором, что приводит к прекращению синтеза соответствующих ферментов.
В основе !индукции синтеза ферментов лактозного оперона лежит механизм негативной регуляции: исходно репрессор «запрещает» транскрипцию генов лактозного оперона; индукция заключается в ива.ктиви-ровании репрессора аллостерический эффектором —индуктором. Таким образом, и в 'случае индукции путем негативной !регуляции, и в случае репрессии синтеза ферментов взаимодействие репрессора с оператором приводит к подавлению процесса транскрипции соответствующих структурных генов. Различие заключается в том, что при индукции путем негативной ,регуляции эффектор (индуктор), взаимодействуя с репрессором, понижает сродство последнего к оператору, а в случае репрессии эффектор (коре пр ее сор) повышает это сродство.
121
Катаболитная репрессия. Кроме репрессии конечным продуктом, характерной для анаболических путей, описан тип репрессии, называемой юатабо лит ной и заключающейся в том, что быстро используемые клеткой источники энергии способны подавлять синтез ферментов других путей катаболизма, участвующих -в метаболизировании сравнительно медленно используемых !источников энергии. Катаболитную репрессию можно рассматривать как приспособление клетки .к использованию в первую очередь наиболее легко доступных источников энергии. В присутствии такого источника энергии потребление других субстратов, менее «удобных» для клетки, временно приостанавливается, и пути катаболизирования этих субстратов временно выключаются.
Выше отмечалось уже, что, если в среде для выращивания Е. coli одновременно содержатся глюкоза и лактоза, сначала используется глюкоза. Несмотря на присутствие индуктора лактозного оперона, ферменты, участвующие в катаболизме лактозы, не синтезируются и. Транскрипция генов лактозного оперона начинается, когда концентрация глюкозы в среде становится низкой. Таким образом, глюкоза препятствует синтезу ферментов лактозного оперона.
Как это осуществляется? Изучение механизма катаболитной репрессии (рис. 39) обнаружило, что этот тип регуляции тесно связан с внутриклеточным уровнем циклического АМФ, который в этом процессе функционирует в качестве эффектора. Он образует комплекс с аллостерическим белком — катаболитным активатором;' неактивным в сво-
?PHK
P OZY
ДНК
"2 Катааолитныи актидатор
Репрессор
Индуктор (лактоза)
Инактидиробанныи репрессор
(/РНК
иРНК
W Ж Ж Полипептидные цепи
Катаоолитный
Индуктор (лактоза)
+ актидатор О циклический AM?
Инактидиро данный JJ репрессор
Рис. 39. Схематическое изображение индукции синтеза ферментов катаболизма лактозы у Е. coli. А. В присутствии глюкозы и инактивированного индуктором репрессора не происходит транскрипции структурных генов лактозного оперона; катаболитный активатор находится в неактивном свободном состоя-/нии. Б. Циклический АМФ образует с катаболитным активатором комплекс, связывающийся с промотором и создающий условия для прикрепления к нему PHK-полимеразы и инициации транскрипции. Обозначения см. рис. 38
11 По этой причине индукция ферментов катаболизма лактозы, изображенная схематически на рис. 38,5, недостаточно полна.
122
«бодном состоянии. Этот, комплекс, в свою очередь присоединившись к определенному участку на промоторе, обеспечивает возможность связывания РНК-полимеразы с промотором и инициацию транскрипции.
Количество образующегося комплекса .......катаболитного активатора с
циклическим АМФ определяется концентрацией последнего, которая уменьшается при увеличении содержания глюкозы в среде. Таким образом, глюкоза вызывает изменение внутриклеточной концентрации циклического АМФ. Это соединение обнаружено в клетках всех прокариот. Его единственная функция у них — регуляторная. Циклический АМФ образуется из АТФ в реакции, катализируемой аденилат-циклазой, связанной с ЦПМ:
