Регуляция синтеза ферментов у бактерий

Хромосома бактерий состоит из групп отдельных генов, имеющих общую регуляцию и объединяемых в опероны. Оперон - это группа функционально связанных между собой генов. Белки, кодируемые генами одного оперона – это ферменты, катализирующие разные этапы одного метаболического пути. Транскрипция генов оперона ведет к синтезу общей иРНК.

Рассмотрим строение оперона на примере лактозного оперона (Lac-оперона) (рис. 1).

Lac-оперон состоит из кодирующей области, представленной тремя структурными генами, ответственными за синтез ферментов: β-галактозидазы, β-галактозидпермеазы и β-галактозидтрансацетилазы; а также из промоторно-операторной области. Оператор (обозначается как О) представляет собой небольшой участок ДНК, который граничит с первым структурным геном. С оператором может связываться белок-репрессор, блокируя начало транскрипции. Промотор (Р)– это небольшой участок ДНК перед оператором, служит местом связывания ДНК-зависимой РНК-полимеразы (транскриптазы) и от него начинается транскрипция ДНК. Оператор и промотор в некоторой степени перекрываются таким образом, что когда репрессор связан с ДНК в области оператора, то транскриптаза не может связаться с промотором и транскрипция структурных генов не происходит. Следовательно, промотор, оператор и структурные гены образуют оперон.

Транскрипционная активность входящих в оперон генов регулируется специальным геном-регулятором, или регуляторным геном (обозначается как ген R), который может располагаться рядом со структурными генами либо на некотором расстоянии от них. Ген R кодирует синтез специфического белка-репрессора. Репрессор – аллостерический белок, имеющий два центра связывания: один центр узнает оператор, другой – взаимодействует с эффектором или индуктором. Для Lac-оперона индуктором является лактоза, которая связывается с репрессором, переводит его в неактивную форму, в результате чего репрессор отсоединяется от оператора.

Рис. 1 - Работа лактозного оперона бактерий E. сoli: А – без лактозы, Б – с лактозой

Различают опероны индуцибельные и репрессибельные. Индуцибельные опероны ответственны за катаболизм углеводов: лактозы, арабинозы, галактозы и других углеводов. Лактозный оперон подвержен регуляции двух типов: 1) негативной (отрицательной); 2) позитивной (положительной).

1) Механизм негативной регуляции. В отсутствие лактозы молекула репрессора, активная в свободном состоянии, связывается с оператором, закрывая при этом промотор, что препятствует связыванию с ним РНК-полимеразы и началу транскрипции структурных генов.

2) Механизм позитивной регуляции. При этом типе регуляции РНК-полимераза может связаться с промотором лишь тогда, когда к промотору присоединен регуляторный белок БАК (расшифровывается: белок-активатор катаболитных оперонов). В свою очередь, БАК может связаться с промотором только в том случае, если в клетке в достаточно высокой концентрации присутствует циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Если в клетке цАМФ отсутствует, то БАК не способен взаимодействовать с промотором. Это было установлено с использованием феномена диауксии.

Диауксия –это приспособление микроорганизмов к росту в средах, содержащих два разных источника углерода. При диауксии микроорганизмы используют сначала один из источников с помощью конститутивного фермента, а затем другой – с помощью индуцибельного фермента. Диауксия является одним из проявлений катаболитной репрессии.

Катаболитная репрессия –это репрессия глюкозой. Означает замедление или остановку синтеза ферментов, участвующих в катаболизме сахаров при выращивании бактерий в присутствии глюкозы, т.е. неспособность бактерий усваивать различные углеводы в присутствии глюкозы, как более эффективного источника энергии. Катаболитная репрессия наблюдается и в тех случаях, когда вместо лактозы используется какой-то другой углевод. Катаболитная репрессия глюкозой может быть снята, если в среду добавить цАМФ.