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.
Арабиноза, связавшись с репрессом приводит его в активированное состояние.
Аутогенная регуляция. В данном случае в качестве репрессора выступает фермент, информация о синтезе которого зашифрована на контролируемом участке ДНК. Индуктором является продукт катабо-лизма, образующийся под действием фермента
Аутоиндукция. Сущность-в перестройке метабо-лизма клетки в направлении синтеза за счет внутриклеточных компонентов. Так, культура гриба Asp.niger, культивируемая в условиях дефицита источников азота, вырабатывает индуктор, ускоряющий синтез протеаз.
Репрессия. При регуляции метаболизма по механизму репрессии белок-репрессор в отсутствии эффектора находится в неактивном состоянии, т.е. транскрипция генов и синтез фермента не ограничены. При достижении определенной концентрации продукта катаболизма, образующегося при участии фермента, репрессор переходит в активную форму, блокируя транскрипцию. Т.о., продукт метаболизма в данном случае выступает в роли специфического эффектора (корепрессора), ингибирующего синтез фермента.
Частным случаем данного механизма является катаболическая репрессия, тесно связанная с глюкозным эффектом. Она заключается в блокировании синтеза ферментов, отвечающих за расщепление лактозы, галактозы, мальтозы и др. сахаров, продуктами расщепления глюкозы. Синтез ферментов, ответственных за включение углеводов в процесс гликолиза индуцируется циклическим аденозин-монофосфатом (ц АМФ), который взаимодействует со специфическим белком-активатором катаболизма (БАК; сар-белок). В результате образуется активированный комплекс, связывающийся с промотором и тем самым инициирующий транскрипцию соответствующих генов. Образование продуктов катаболизма глюкозы ингибирует синтез ц-АМФ и в результате блокирует транскрипцию генов, несущих информацию о синтезе ферментов катаболизма лактозы, мальтозы и др. сахаров.