Теория Жакоба-Моно. Механизмы регуляции метаболизма микробной клетки на генном уровне

Индуцируемый ферменты синтезируются клеткой в ответ на воздействие определенного фактора внешней среды, в качестве которого выступает какой-либо компонент внешней среды – эффектор.

Под эффекторами понимают вещества, вызывающие изменение скорости синтеза белков при их попадании в микробную клетку. При этом вещества, индуцирующие синтез клеткой определенного фермента называют индукторами, а вещества, подавляющие синтез – репрессорами. Регуляция метаболизма мко на генном уровне основана на использовании механизмов индукции и репрессии синтеза клеточных ферментов.

Индукция. Впервые механизм индукции был изучен Жакобом и Моно на примере синтеза индуцируемого фермента β-галактозидазы E.coli.

Гены, определяющие структуру ферментов с близкими функциями, сгруппированы в хромосоме в единичный оперон. (в состав lag-оперона E.coli входят три гена: ген z-кодирующий аминокислотную последовательность β-галактозидазы, ген у-структурный ген пермеазы (транспорт лактозы в клетку), ген а-структурный ген ацилазы. Оперон находится под контролем регуляторного участка молекулы ДНК - промотора.

Функции промотора заключаются в связывании РНК-полимеразы, ответственной за синтез и-РНК, которая переносит информацию об аминокислотной последовательности определенного фермента или группы ферментов. Последовательность пуриновых и пиримидиновых оснований в промоторе определяет, с какой частотой РНК-полимераза будет присоеди-няться к нему, т.е. задает мах скорость транскрипции гена и количество синтезируемого фермента.

На участке ДНК между промотором и опероном к молекуле присоединяется репрессор-аллостеричес-кий белок, каждая субъединица которого имеет сродство к нуклеоидной последовательности молекулы ДНК в месте присоединения; второй способен присоединять молекулу эффектора (индуктора или репрессора).

Жакоб и Моно предложили следующую модель деятельности lag-оперона E.coli. В отсутствии индуктора белок-репрессор связан с молекулой ДНК, блокируя структурные гены, т.е. синтез β-галактозидазы подавлен. При присоединении к аллостерическому центру индуктора изменяется конформация белка-репрессора и его сродство с молекулой ДНК. В результате высвобождаются структурные гены и активируется синтез ферментов. Данный механизм получил название негативной регуляции индукции синтеза ферментов.

Имеет место позитивная регуляция индукции. Например, ферменты метаболизма арабинозы у E.coli синтезируются под контролем белка-репрессора, способного осуществлять позитивную регуляцию. В отсутствии арабинозы ферменты, участвующие в ее расщеплении (изомераза, киназа, эпимераза), синтезируются клеткой E.coli в малых количествах, т.к. репрессор блокирует транскрипцию соответствующего оперона.