Регуляция синтеза ферментов

Общие принципы регуляции синтеза ферментов

Регуляция синтеза ферментов

Регулирование конечным продуктом активности аллостерического фермента определенного биосинтетического пути обеспечивает мгновенную реакцию, приводящую к изменению выхода этого продукта. Если последний оказывается ненужным, отпадает надобность и в ферментах, участвующих в его синтезе.

Проявлением максимальной экономичности клеточного метаболизма служат выработанные клеткой механизмы, регулирующие ее ферментный состав. Очевидна целесообразность синтеза только тех ферментов, которые необходимы в конкретных условиях.

Показано, что у прокариот в одних условиях фермент может содержаться в количестве не более 1 — 2 молекул, в других — составлять несколько процентов от клеточной массы.

Количество определенного фермента в клетке может регулироваться на нескольких уровнях: на этапе транскрипции, трансляции, а также в процессе сборки и разрушения ферментного белка (см. рис. 28). В иерархии регуляторных воздействий наиболее сложный механизм, контролирующий количество ферментов в клетке, связан с процессом транскрипции.

Специфические химические сигналы могут инициировать или блокировать транскрипцию определенного участка ДНК в иРНК. В случае индукции образованная иРНК участвует в определенной последовательности реакций, называемой трансляцией и заканчивающейся синтезом полипептидных цепей.

Регуляция белкового синтеза на уровне трансляции может осуществляться на любом из ее этапов, например на этапе инициации, элонгации и др. Не исключена также возможность изменения времени жизни иРНК. под воздействием разных эффекторов, в том числе конечных продуктов метаболических путей.

Хотя механизмы регуляции синтеза белка на уровне трансляции еще точно не установлены, ясно, что на этом этапе имеются широкие возможности для регуляции скорости синтеза различных белков.

Известно, что фермент может выполнять метаболическую функцию после приобретения соответствующей структуры. Скорость образования структур высшего порядка также находится под контролем определенных молекул.

Таким образом, контроль на уровне сборки функционально активного фермента может играть существенную роль в метаболической регуляции.

Наконец, скорость разрушения фермента под воздействием специфических метаболических сигналов будет также определять его концентрацию в клетке.

Регуляция синтеза ферментов на этапе транскрипции основана на том, что “считывание” бактериальных генов происходит избирательно и скорость образования копий соответствующих иРНК (а отсюда и дальнейшая их трансляция в белки) находится под сложным контрольным механизмом.

Скорость синтеза ферментов, определяемая этой стадией, может меняться в разной степени. По данному признаку все ферменты делятся на два класса.

Ферменты, синтез которых в растущей клетке происходит с постоянной скоростью в результате постоянного транскрибирования соответствующих генов и, следовательно, они присутствуют в клетке в более или менее постоянной концентрации, называются конститутивными.

К ним относятся, например, гликолитические ферменты. Метаболические пути, функционирующие с участием конститутивных ферментов, контролируются посредством других регуляторных воздействий, например аллостерического ингибирования.

Кроме этого в бактериальных клетках имеются ферменты, количества которых могут резко меняться в зависимости от состава питательных веществ среды. Это происходит в результате того, что гены, детерминирующие эти ферменты, включаются или выключаются по мере надобности. Их называют индуцибельными.

При отсутствии в среде субстратов этих ферментов последние содержатся в клетке в следовых количествах. Если в среду добавить вещество, служащее субстратом определенного фермента, происходит быстрый синтез этого фермента в клетке, т. е. имеет место индукция синтеза фермента.

Если же в питательной среде в готовом виде содержится вещество, являющееся конечным продуктом какого-либо биосинтетического пути, происходит быстрое прекращение синтеза ферментов этого пути. Это явление получило название репрессии конечным продуктом. Ферменты, синтез которых подавляется конечным продуктом, могут быть дерепрессированы, т. е.

скорость их синтеза превысит обычную, если концентрация конечного продукта упадет до очень низкого уровня. Дерепрессия этих ферментов аналогична явлению индукции.

Репрессия конечным продуктом. Все биосинтетические пути находятся под контролем механизма репрессии конечным продуктом. Точно так же образование большинства анаболических ферментов регулируется путем репрессии их синтеза.

Репрессия осуществляется особыми присутствующими в клетке веществами — репрессорами.

Факторами, модифицирующими активность репрессоров, могут быть конечные продукты биосинтетических путей, а также промежуточные продукты некоторых катаболических или амфиболических путей.

Репрессия может быть координированной, т. е. синтез каждого фермента данного пути в одинаковой степени подавляется конечным продуктом. Часто синтез ферментов одного пути репрессируется в разной степени.

В разветвленных биосинтетических путях механизмы репрессии могут быть модифицированы (как и механизмы ингибирования), чтобы лучше обеспечить регуляцию нескольких конечных продуктов из общего исходного субстрата. Синтез многих ферментов в таких путях репрессируется только при совместном действии всех конечных продуктов.

Если реакция на общем участке разветвленного пути катализируется изоферментами, синтез каждого из них находится под контролем “своего” конечного продукта.

Механизм репрессии конечным продуктом на уровне транскрипции стал проясняться с 50-х гг. Большой вклад в это внесли работы Ф. Жакоба и Ж. Моно. Было показано, что наряду со структурными генами, кодирующими синтез ферментов, в бактериальном геноме существуют специальные регуляторные гены.

Один из них — ген-регулятор (ген R), функция которого заключается в регуляции процесса транскрипции структурного гена (или генов).

Ген-регулятор кодирует синтез специфического аллостерического белка-репрессора, имеющего два центра связывания: один узнает определенную последовательность нуклеотидов на участке ДНК, называемом оператором (ген О), другой — взаимодействует с эффектором.

Ген-оператор расположен рядом со структурным геном (генами) и служит местом связывания репрессора. В отличие от операторных генов гены-регуляторы расположены на некотором расстоянии от структурных генов (продукты регулярных генов — репрессоры являются свободно диффундирующими белковыми молекулами).

Часто структурные гены, относящиеся к одному биохимическому пути, объединены в группу, составляющую вместе с оператором единицу транскрипции и регуляции — оперон.

Все структурные гены, объединенные в оперон, имеют один операторный участок, локализованной на краю оперона, и координирование регулируются одним репрессором.

Оперон представляет собой весьма рациональную и эффективную систему регуляции метаболического пути.

Индукция синтеза ферментов. В большинстве случаев регуляция путем индукции характерна для катаболических путей, где в качестве индукторов выступают обычно субстраты этих путей. Классический пример индуцибельного фермента — (3-галактозидаза Е. coli.

Оказалось, что если клетки Е. coli выращивать в среде, содержащей глюкозу, то они не могут использовать лактозу.

Если такие клетки поместить в среду, где лактоза — единственный источник углерода, после некоторого периода в них происходит интенсивный синтез фермента (3-галактозидазы, катализирующего гидролиз лактозы на D-глюкозу и D-галактозу. С помощью этого фермента Е.

coli может теперь использовать лактозу в качестве единственного источника углерода. Если затем клетки, растущие на среде с лактозой, перенести на среду с глюкозой, синтез (3-галактозидазы прекращается.

Изучение индукции (3-галактозидазы у Е. coli позволило установить, что рост клеток на среде с лактозой происходит не в результате отбора мутантов, у которых способность использовать лактозу есть следствие мутации.

Способностью синтезировать этот фермент обладают все клетки.

Было также показано, что в процессе индукции происходит не активирование уже имеющегося в клетках фермента (З-галактозидазы, а его синтез de novo из аминокислот.

Источник: https://studopedia.net/14_59745_obshchie-printsipi-regulyatsii-sinteza-fermentov.html

ПОИСК

Регуляция синтеза ферментов
    Регуляция синтеза белка у прокариот. В 1961 г французские исследователи Ф. Жакоб и Ж. Моно впервые провели фундаментальные исследования индукции генов, кодирующих (З-галактозидазу и связанные с ней ферменты в клетках кищечной палочки Е. соИ. Эти исследования помогли им сформулировать гипотезу об опероне и регуляции синтеза белка в клетках прокариот.

[c.471]

    Важнейшим этапом регуляции синтеза липидов служит активация ацетил-СоА — карбоксилазы цитратом (гл. 8, разд. В,2 рис. 11-1). Помимо этого, синтез и распад триглицеридов, накапливающихся в печени и жировой ткани, находятся под сложным гормональным контролем.

Так, адреналин и глюкагон, стимулируя образование с АМР, вызывают активацию липаз, которые расщепляют триглицериды таким путем происходит мобилизация жировых депо.

С другой стороны, инсулин способствует накоплению жиров этот эффект обусловлен не только увеличением активности ферментов липогенеза, и в первую очередь АТР-зависимого цитратрасщепляющего фермента [уравнение (7-70)], но также ингибированием образования с АМР и, как следствие, подавлением липолиза в клетках. Наконец, сывороточная липопротеидлипаза.

(называемая также осветляющим фактором ) расщепляет липиды, входящие в состав сывороточных липопротеидов, в процессе прохождения последних через мелкие капилляры. Освобождающиеся при этоМ жирные кислоты поступают в клетки, где вновь включаются в состав-липидов [44]. [c.556]

    Второй пример касается выработки фермента щелочной фосфатазы у кишечной палочки. Щелочная фосфатаза у этого микроба вырабатывается только тогда, когда в среде нет необходимых количеств неорганического фосфата. Функция щелочной фосфатазы [состоит в том, чтобы производить неорганический фосфат, когда его нет в среде в готовом виде, за счет отщепления его от различных органических соединений. Наоборот, при накоплении неорганического фосфата синтез фермента, за ненадобностью , прекращается. Регуляция синтеза этого белка-фермента оказалась следующей. Для цистрона-оператора и структурного цистрона, ответственных за синтез щелочной фосфатазы, имеется свой цистрон-регулятор. Однако этот цистрон-регулятор вырабатывает репрессор, который непосредственно не действует на цистрон-оператор и не может его закрыть. При этом цистрон-оператор открыт и благодаря этому структурный цистрон вырабатывает информационную РНК, которая является матрицей для синтеза белка-фермента щелочной фосфатазы, вследствие чего фермент продуцируется непрерывно. Однако, если во внешней среде появился неорганический фосфат, то он, взаимодействуя с репрессором, его активирует. Активированный репрессор начинает действовать на цистрон-оператор и, следовательно, на структурный цистрон, прекращая его деятельность, и в результате всего этого прекращается образование щелочной фосфатазы. [c.94]

    Регуляция синтеза ферментов [c.117]

    Количество определенного фермента в клетке может регулироваться на нескольких уровнях на этапе транскрипции, трансляции, а также в процессе сборки и разрушения ферментного белка (см. рис. 28). В иерархии регуляторных воздействий наиболее сложный механизм, контролирующий количество ферментов в клетке, связан с процессом транскрипции.

Специфические химические сигналы могут инициировать или блокировать транскрипцию определенного участка ДНК в иРНК. В случае индукции образованная иРНК участвует в определенной последовательности реакций, называемой трансляцией и заканчивающейся синтезом полипеп-тидных цепей.

Регуляция белкового синтеза на уровне трансляции может осуществляться на любом из ее этапов, например на этапе инициации, элонгации и др. Не исключена также возможность изменения времени жизни иРНК под воздействием разных эффекторов, в том числе конечных продуктов метаболических путей.

Хотя механизмы регуляции синтеза белка на уровне трансляции еще точно не установлены, ясно, что на этом этапе имеются широкие возможности для регуляции скорости синтеза различных белков. [c.117]

    Лимитирующей стадией процесса трансляции является ее инициация. Наиболее подробно описан процесс изменения скорости инициации трансляции в результате фосфорилирования фактора инициации №2. Реакция катализируется ферментом 1р2-киназой, причем присоединение фосфатной группы инактивирует фактор инициации. Этот феномен был изучен на примере синтеза гемоглобина в ретикулоцитах. Сначала было установлено, что глобин синтезируется только в присутствии гема. Затем была выстроена вся система регуляции синтеза глобина. Оказалось, что активация ХР -киназы происходит за счет ее фосфорилирования цАМФ-зависимой протеинкиназой. Взаимодействие этой протеинкиназы с цАМФ и ее активацию блокирует гем, выполняя тем самым негативный контроль синтеза гемоглобина. [c.475]

    Регуляция синтеза белка осуществляется также на стадии процессинга белка. Модификации новосинтезированных полипептидов осуществляются при помощи соответствующих ферментов, активность которых, в свою очередь, находится под генетическим контролем. К этим модификациям относятся метилирование, фосфорилирование, гликозилирование, а также ограниченный протеолиз. [c.475]

    Клетки живых организмов обладают способностью синтезировать огромное количество разнообразных белков. Однако они никогда не синтезируют все белки. Количество и разнообразие белков, в частности ферментов, определяются степенью их участия в метаболизме.

Более того, интенсивность обмена регулируется скоростью синтеза белка и параллельно контролируется аллостерическим путем (см. главу 4). Таким образом, синтез белка регулируется внешними и внутренними факторами и условиями, которые диктуют клетке синтез такого количества белка и такого набора белков, которые необходимы для выполнения физиологических функций.

Все это свидетельствует о весьма сложном, тонком и целесообразном механизме регуляции синтеза белка в клетке. [c.535]

    Велики заслуги генной инженерии в изучении раковых заболеваний 1) открыты ретровирусы (РНК-вирусы), содержащие ревертазу, – фермент, катализирующий синтез ДНК на основе РНК. РНК-вирусы могут долго размножаться в клетках, не делая их злокачественными.

При переходе в форму ДНК, эти вирусы интегрируются в геном и кодируют белок, который трансформирует нормальную клетку в злокачественную. Такие вирусы называют онковирусами. Последовательности генов, кодирующих трансформирующие белки, получили название онкогенов и именно на подавление их активности сейчас направлены основные усилия в борьбе с онкологическими заболеваниями.

Сегодня все исследователи пришли к выводу, что причиной рака является нарушение регуляции работы генов. [c.63]

    Заманчивые перспективы связаны с исследованием возможностей регуляции действия простагландинов путем избирательного влияния на ферменты их синтеза, В 1971 г. стало известно, что уже около ста лет в медицине борются с воспалительными процессами путем угнетения синтеза простагландинов. Было обнаружено, что аспирин является эффективным ингибитором ферментов [c.207]

    Обе р-ции катализирует Армент глутаминсинтетаза-аде-нилилтрансфераза. У бактерий и синезеленых водорослей Г., по-видимому, принимает также участие в регуляции синтеза ряда ферментов, в т. ч. нитрогеназы (см. Азотфиксация). [c.588]

    В случае лактозного оперона лактоза — субстрат для Р-галактозидазы — индуцирует синтез фермента за счет инактивации белка-репрессора и восстановления функционирования оперона. Иное явление наблюдается в процессе регуляции синтеза ферментов, осуществляющих образование аминокислоты триптофана в той же клетке Е. соН. [c.472]

    На основании работ по синтезу индуцируемых ферментов у мутантов кишечной палочки совместно с Ж- Л. Моно выдвинул (1961) гипотезу о переносе генетической информации при участии информационной рибонуклеиновой кислоты и о механизме генетической регуляции синтеза белка у бактерий (концепция оперона). [c.187]

    Основное направление научных работ—изучение механизма функционирования бактериальных биокатализаторов. Разработал (1950— 1960) теорию переноса генетической информации с ДНК на рибосомы при участии информационной РНК.

На основании работ по синтезу индуцируемых ферментов у мутантов кищечной палочки совместно с Ф.

Жакобом выдвинул (1961) гипотезу о переносе генетической информации при участии информационной РНК и о механизме генетической регуляции синтеза белка у бактерий (концепция оперона). [c.343]

    Влияние на уровне генного аппарата регуляция кумарином и его аналогами процессов митоза и синтеза ферментов, регуляция активности функционирующих ферментов. [c.116]

    Наиболее чувствительный тип регуляции синтеза аминокислот-это аллостерическое ингибирование первой реакции биосинтетического пути конечным продуктом данной последовательности реакций (разд. 9.18 и 13.11). Первая реакция биосинтетического пути обычно необратима и катализируется аллостерическим ферментом. На рис.

22-8 аллостерическая регуляция показана на примере синтеза изолейцина из треонина, о котором мы уже говорили ранее (разд. 9.18). Конечный продукт-изолейцин-действует как отрицательный модулятор первой реакции этого пути.

Такого рода аллостерическая, или нековалентная, модуляция синтеза аминокислот обеспечивает у бактерий быстрый ответ на изменение ситуации. [c.660]

    ЛИ же концентрация этой аминокислоты понизится и окажется уже недостаточной, клетки начинают вырабатывать больше таких ферментов. Регуляция этого типа осушествляется путем изменений в активности генов, кодирующих соответствующие ферменты.

Всякий раз, когда продукт данного биосинтетического пути присутствует в достаточной концентрации, гены, кодирующие ферменты этого пути, инактивируются, или репрессируются. Когда же концентрация продукта данной последовательности реакций снижается, эти гены дерепрессируют-ся и ферменты начинают вырабатываться в большем количестве.

Дальше мы познакомимся с тем, как синтез ферментов регулируется при помощи механизмов генетической репрессии (гл. 29). [c.662]

    Кроме ряда оперонов с их регуляторными генами бактерии обладают и другими механизмами регуляции белкового синтеза. Некоторые из них позволяют осуществлять регуляцию не по принципу все или ничего , а за счет постепенной аттенуации, т. е. снижения скорости синтеза белка.

Механизмы, чувствительные к концентрации аммиака или других источников азота, дают возможность бактериям приспособить свое белковое хозяйство к скудным условиям существования.

Из сказанного ясно, что бактерии обладают тончайшими механизмами регуляции синтеза своих ферментов, позволяющими им оптимизировать свой метаболизм в соответствии с принципом максимальной экономии. [c.960]

    Общую теорию регуляции синтеза белка разработали французские ученые, лауреаты Нобелевской премии Ф. Жакоб и Ж. Моно.

Сущность этой теории сводится к выключению или включению генов как функционирующих единиц, к возможности или невозможности проявления их способности передавать закодированную в структурных генах ДНК генетическую информацию на синтез специфических белков.

Эта теория, доказанная в опытах на бактериях, получила широкое признание, хотя в эукариотических клетках механизмы регуляции синтеза белка, вероятнее всего, являются более сложными (см. далее). У бактерий доказана индукция ферментов (синтез ферментов de novo) при добавлении в питательную среду субстратов этих ферментов.

Добавление конечных продуктов реакции, образование которых катализируется этими же ферментами, напротив, вызывает уменьшение количества синтезируемых ферментов. Это последнее явление получило название репрессии синтеза ферментов. Оба явления—индукция и репрессия—взаимосвязаны. [c.535]

    Теоретически регуляция синтеза ферментов могла бы осуществляться как при транскрипции, так и при трансляции. Как выяснилось, экспрессия 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 [c.

480]

    Регуляция синтеза ферментов у бактерий [c.65]

    Если вновь синтезированный белок является ферментом, то в результате цепи реакций от гена ДНК) к РНК и от РНК к белку устанавливается связь между геном и специфическим ферментом. По этому вопросу разработано несколько теорий, однако еще не доказано, что механизм действия генов сводится исключительно к регуляции синтеза ферментов [c.432]

    Неожиданно было обнаружено, что фосфатидилсерин-синтетаза Е. oli прочно связывается с рибосомами [128]. Этот фермеит, обеспечивающий включение серина в фосфолипиды (стадия ж на рис.

12-8), ответствен за синтез основных липидных компонентов мембран Е. соИ. Локализация этого важного фермента иа рибосомах, возможно, каким-то образом связана с наличием общей регуляции синтеза белков и липидов.

[c.246]

    Р. представляют собой миогочнслеш1ую и разнородную по св-вам группу ферментов. Ойи присутствуют в разл. тканях и клетках организмов.

Считается, что эти ферменты участвуют во внутриклеточном обмене в-в, разрушении чужеродных РНК, в регуляции синтеза беяка (путем регуляции скорости гидролиза матричных РНК), в процессах синтеза и созревания разл. типов клеточвых РНК. [c.263]

    Одним из уникальных свойств живых организмов является удивительная их способность к сохранению сбалансированности катаболических (биодегра-дативных) и анаболических (биосинтетических) процессов.

При этом в клетках одновременно совершаются процессы синтеза, распада и взаимопревращения сотен и тысяч разнообразных веществ, которые в свою очередь регулируются множеством механизмов, обеспечивающих постоянство внутренней среды организма.

Некоторые из этих регуляторных механизмов, среди которых важная роль принадлежит механизмам регуляции синтеза и каталитической активности ферментов, будут рассмотрены далее. [c.152]

    Регуляция синтеза ферментов на этапе транскрипции основана на том, что считывание бактериальных генов происходит избирательно и скорость образования копий соответствующих иРНК (а отсюда и дальнейшая их трансляция в белки) находится под сложным контрольным механизмом.

Скорость синтеза ферментов, определяемая этой стадией, может меняться в разной степени. По данному признаку все ферменты делятся на два класса.

Ферменты, синтез которых в растущей клетке происходит с постоянной скоростью в результате постоянного транскрибирования соответствующих генов и, следовательно, они присутствуют в клетке в более или менее постоянной концентрации, называются конститутивными. К ним относятся, например, гли-колитические ферменты.

Метаболические пути, функционирующие с участием конститутивных ферментов, контролируются посредством других регуляторных воздействий, например аллостериче-ского ингибирования. [c.118]

    Подобно аскорбиновой кислоте, биофлавоноиды участвуют в регуляции синтеза коллагена. Они ингибируют фермент гиалуронидазу, что приводит к стабилизации межклеточной соединительной ткани и стенок сосудов.

Кроме того, биофлавоноиды защищают адреналин от окисления и обладают детоксицирующим действием, связывая тяжелые металлы в комплексы. Шикимовая кислота является исходным продуктом синтеза биофлавоноидов в растительных клетках.

[c.130]

    Катализируется эта реакция ферментом киназой фосфорютазы Ь, который также существует как в активной, так и неактивной формах. Активация киназы фосфорилазы Ь происходит подобно активации фосфорилазы, т. е. путем ее фосфорилирования, которое катализируется цАМФ-зависимой протеинкиназой (гл. 13).

Важная роль в активации киназы фосфорилазы принадлежит также Са ” -кальмодулину — белку, участвующему в регуляции активности многих киназ (гл. 13). Активация протеинкиназы при участии цАМФ, который, в свою очередь, образуется из АТФ в реакции катализируемой аденилатциклазой, стимулируется гормонами адреналином и глюкагоном.

Увеличение содержания этих гормонов приводит в результате каскадной цепи реакций к превращению фосфорилазы Ь в фосфорилазу а и, следовательно, к освобождению глюкозы в виде глюкозо-1-фосфата из запасного полисахарида гликогена. Обратное превращение фосфорилазы а в фосфорилазу Ь катализируется ферментом протеинфосфатазой. На рис. 18.

6 приведен каскадный механизм мобилизации гликогена. Активация первого фрагмента каскада — аденилатциклазы — в конечном счете активирует распад гликогена и одновременно ингибирует фермент его синтеза — гликогенсинтазу (гл. 20).

Следовательно, фосфорилирование гликогенфосфорилазы и гликогенсинтазы приводит к противоположным изменениям их активности гликогенсинтаза ингибируется, а гликогенфосфорилаза активируется, что вызывает повышение содержания глюкозы в мышцах, печени и крови, т. е. происходит быстрое включение реакций, поставляющих энергию. [c.251]

    Второй тип регуляции синтеза аминокислот – путем изменения концентрации фермента. Такие ферменты не имеют аллостериче-ских отрицательных модуляторов. [c.124]

    Основные научные работы посвящены изучению ферментов обмена белков и нуклеиновых кислот, энзимологии генетических процессов, цитохимии. Одним из первых доказал существование регуляции синтеза белков на уровне генов.

Доказал, что наряду с известным реирессорным механизмом в клетках действует и позитивный механизм регуляции транскринции, основанный на способности белков (в частности, РНК-полимеразы) узнавать определенные нуклео- [c.

539]

    Регуляция синтезов в цитоплазме может протекать не только через активирование или ограничение функций РНК, но и на уровне ферментов, участвующих в образовании конституционных веществ.

Такого рода регуляция по принципу фид-бэк-эффекта (feed-ba k-effe t) обычно приводит к накоплению физиологически ингибиторных продуктов (в том числе фенолов), которые подавляют функции не только отдельных ферментов или ферментных систем, осуществляющих синтезы этих продуктов, но и других ферментов и даже ингибируют деятельность отдельных клеточных органелл. Накопившиеся тормозящие продукты (природные ингибиторы) могут подавлять как нормальный ростовой процесс, так и его активированные формы. Последовательные этапы ростового процесса контролируются специфическими парами эндогенных регуляторов, один из которых является активатором, а другой — тормозителем. [c.216]

    Этот аллостерический регулятдрный фермент (рис. 1) имеет два каталитических кластера, в каждом из которых находится по три свернутые в третичную структуру полипептидные цепи и три регуляторных кластера (показаны красным цветом), содержащие по две полипептидные цепи.

Один каталитический кластер с тремя полипептидными цепями в свернутой конформации обведен более жирной линией. За ним виден другой каталитический кластер. Структуру этого фермента установили по данным рентгеноструктурного анализа Уильям Лип-ском и его сотрудники в Гарвардском университете .

Вопросы, связанные с ролью этого фермента в синтезе нуклеотидов и с его регуляцией, будут рассмотрены в гл. 22. [c.262]

    Живые клетки имеют точно запрограммированные механизмы, регулирующие синтез различных белков таким образом, что в любой клетке присутствует определенное количество молекул каждого белка, позволяющее ей осуществлять свои метаболические процессы плавно и с максимальной эффективностью. Мы уже знаем, что ДНК Е. соИ содержит гены для более чем 3000 разных белков.

Однако 3000 белков Е. соН присутствуют в клетке не в одинаковых количествах. Реально число копий отдельных белков может быть различным более того, число копий некоторых из них постоянно, тогда как число копий других может варьировать. Одна клетка Е.

oli содержит около 15000 рибосом значит, каждый из 50 (или большего числа) рибосомных белков присутствует в клетке в 15 ООО копий. Число копий гликолитических ферментов также, по-видимому, поддерживается в клетке на постоянном и очень высоком уровне. Вместе с тем р-галактозидаза обычно присутствует в клетке Е.

соИ в очень малых количествах-всего около пяти молекул. Однако, как мы увидим ниже, число молекул этого фермента может резко увеличиваться в ответ на изменения в доступности определенных питательных веществ в окружающей среде.

Благодаря регуляции синтеза ферментов в клетках любого типа создается правильный набор ферментов, обеспечивающий нормальное протекание основных клеточных процессов. Регуляция позволяет также бактериям экономно использовать аминокислоты для синтеза тех белков, которые нужны им лишь [c.953]

    У высших организмов процессы биосинтеза белка регулируются значительно сложнее. Хотя каждая клетка позвоночного содержит полный геном данного организма, в клетке данного типа экспрессируется только часть структурных генов.

Почти во всех клетках высших животньк присутствуют наборы основных ферментов, необходимые для реализации главных путей метаболизма.

Однако клетки разных типов, например клетки мышц, мозга, печени, содержат свойственные только им структуры и выполняют только им присущие биологические функции, реализация которых обеспечивается наборами специализированных белков.

Например, клетки скелетных мьшщ содержат огромное количество ориентированных миозиновых и актиновых нитей (разд. 14.14), тогда как в печени миозина и актина очень мало.

Точно так же клетки мозга содержат ферменты, необходимые для синтеза большого числа различных веществ-медиаторов нервных импульсов, в то время как клетки печени этих ферментов вообще не содержат, Вместе с тем в печени млекопитающих присутствуют все ферменты, необходимые для образования мочевины, тогда как в других тканях этих ферментов нет и они не обладают способностью синтезировать мочевину (разд. 19.15). Кроме того, биосинтез разных наборов специализированных белков должен быть точно запрограммирован в последовательности и времени их появления в ходе строго упорядоченной дифференцировки и роста высших организмов. Пока нам сравнительно мало что известно о регуляции экспрессии генов в эукариотических организмах с их многочисленными хромосомами. Однако сегодня мы располагаем значительной информацией о регуляции синтеза белка у прокариот. К ней мы сейчас и перейдем. [c.954]

    Бактерии регулируют активности своих ферментов с помощью двух механизмов, названных Г. Корнбергом [9] тонким контролем и грубым контролем. Их действие можно продемонстрировать следующим образом.

Предположим, что бактериальная культура растет экспоненциально в присутствии С-глюкозы, так что радиоактивный изотоп включается во все клеточные компоненты, в том числе и в аминокислоты различнглх белков. Если затем к такой культуре добавить С-изолейцин, то, как показали Р.

Робертс и сотрудники [10], немедленно прекращается включение С в изолейц ин, но не в другие аминокислоты. Это пример тонкого контроля , когда количество ферментов, присутствующих в клетке, не изменяется, но ферменты, катализирующие синтез изолейцина, быстро перестают функционировать.

В результате такой регуляции в клетках прекращается синтез изолейцина, ставший бессмысленным в условиях, когда эта аминокислота имеется в клетке в избытке. Предположим теперь, что эти бактерии способны расти на среде, где роль единственного источника углерода выполняет изолейцин. При переносе на та- [c.56]

Источник: https://www.chem21.info/info/278322/

Как регулируется активность ферментов?

Регуляция синтеза ферментов

Активность ферментов в клетке непостоянна во времени. Ферменты чутко реагируют на ситуацию, в которой оказывается клетка, на факторы, воздействующие на нее как снаружи, так и изнутри.

цель такой чувствительности ферментов – отреагировать на изменение окружающей среды, приспособить клетку к новым условиям, дать должный ответ на гормональные и иные стимулы, а в некоторых ситуациях – предоставить клетке шанс выжить.

Способы регуляции активности ферментов

В клетке имеется несколько способов регуляции активности ферментов – одни способы подходят для любых ферментов, другие более специфичны.

1. Доступность субстрата или кофермента

Здесь работает закон действия масс – фундаментальный закон химической кинетики: при постоянной температуре скорость химической реакции пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ. Или упрощенно – скорость, с которой вещества реагируют друг с другом, зависит от их концентрации. Таким образом, изменение количества хотя бы одного из субстратов прекращает или начинает реакцию.

Например, для цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) таким субстратом является оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота). Наличие оксалоацетата “подталкивает” реакции цикла, что позволяет вовлекать в окисление молекулы ацетил-SКоА.

2. Компартментализация

Компартментализация – это сосредоточение ферментов и их субстратов в одном компартменте (одной органелле) – в эндоплазматическом ретикулуме, митохондриях, лизосомах, ядре, плазматической мембране и т.п.

Например, ферменты цикла трикарбоновых кислот и β-окисления жирных кислот расположены в митохондриях, ферменты синтеза белка – в рибосомах.

3. Генетическая регуляция

Генетическая регуляция (изменение количества фермента) может происходить в результате увеличения или снижения его синтеза. С этой точки зрения ферменты можно подразделить на три группы:

  1. Конституитивные – такие ферменты, которые образуются в клетке постоянно, независимо от наличия субстрата (NO-синтаза, ферменты гликолиза, β-окисления жирных кислот, репарации ДНК).
  2. Индуцируемые – синтез этих ферментов возрастает при наличии соответствующих стимулов (индукторов).
  3. Репрессируемые – образование таких ферментов в клетке при необходимости подавляется. 

Изменение скорости синтеза фермента (индукция или репрессия) обычно зависит от количества определенных гормонов или метаболитов процесса.

Примеры индуцируемых ферментов:

  • гормоны глюкокортикоиды стимулируют синтез ферментов глюконеогенеза, что обеспечивает стабильность концентрации глюкозы в крови при длительном голоданиии и устойчивость ЦНС к стрессу,
  • исчезновение пищеварительных ферментов при длительном голодании и индукция их синтеза в восстановительный период в результате возобновления секреции гормонов ЖКТ,
  • при беременности и после родов в молочной железе индуцируется синтез фермента лактозосинтазы под воздействием лактотропного гормона,
  • токсические субстраты (например, этанол и барбитураты) стимулируют в печени синтез “своего” изофермента цитохрома Р450, который окисляет и обезвреживает эти вещества.

Примеры репрессируемых ферментов:

4. Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов

Ограниченный (частичный) протеолиз проферментов подразумевает, что синтез некоторых ферментов осуществляется в виде более крупного предшественника и при поступлении в нужное место этот фермент активируется через отщепление от него одного или нескольких пептидных фрагментов. Подобный механизм защищает внутриклеточные структуры от повреждений.

Примером служит активация протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта (трипсиноген, пепсиноген, прокарбоксипептидазы), факторов свертывающей системы крови, лизосомальных ферментов (катепсины).

Секреция ряда ферментов за пределы клетки в неактивном состоянии позволяет предохранить клетки от повреждения (пищеварительные ферменты) или сохранить белок в плазме крови до наступления определенного момента (факторы свертывания крови, белки системы комплемента, калликреин-кининовой и ренин-ангиотензиновой систем).

5. Аллостерическая регуляция

Аллостерические ферменты построены из двух и более субъединиц: одни субъединицы содержат каталитический центр, другие имеют аллостерический центр и являются регуляторными. Присоединение эффектора к аллостерической (регуляторной) субъединице изменяет конформацию белка и, соответственно, активность каталитической субъединицы.

Аллостерические ферменты обычно стоят в начале метаболических путей, и от их активности зависит течение многих последующих реакций. Поэтому они часто называются ключевыми ферментами.

Общий принцип аллостерической регуляции

В качестве отрицательного регулятора может выступать конечный или промежуточный метаболит биохимического процесса или продукт данной реакции, т.е включается механизм обратной отрицательной связи.

Если регуляторами являются начальный метаболит или субстрат реакции, то говорят о прямой регуляции, она может быть как положительной, так и отрицательной.

Также регулятором могут быть метаболиты биохимических путей, каким то образом связанных с данной реакцией. 

Например, фермент энергетического окисления глюкозы, фосфофруктокиназа, регулируется промежуточными и конечными продуктами этого распада. При этом АТФ, лимонная кислота, фруктозо-1,6-дифосфат являются ингибиторами, а фруктозо-6-фосфат и АМФ – активаторами фермента. 

Еще один пример: в большинстве клеток организма (кроме печени) при регуляции синтеза холестерола аллостерическим ингибитором ключевого фермента этого процесса ГМГ-КоА-редуктазы выступает сам холестерол, что быстро и точно регулирует его количество.

В то же время в адипоцитах синтез нейтрального жира (триацилглицеролов) никак не ограничивается количеством конечного продукта, что позволяет клетке накапливать жир в гигантском количестве.

6. Белок-белковое взаимодействие

Термин белок-белковое взаимодействие обозначает ситуацию, когда в качестве регулятора выступают не метаболиты биохимических процессов, а специфичные белки. В целом ситуация схожа с аллостерическим механизмом: после влияния каких-либо факторов на специфичные белки изменяется активность этих белков, и они, в свою очередь, воздействуют на нужный фермент. 

1. К примеру, мембранный фермент аденилатциклаза является чувствительным к воздействию мембранного G-белка, который сам активируется при действии на клетку некоторых гормонов (например, адреналина и глюкагона).

Более подробно механизм активации G-белка можно посмотреть здесь.

2. Еще примером белок-белкового взаимодействия может быть регуляция активности протеинкиназы А через механизм ассоциации-диссоциации.

Протеинкиназа А является тетрамерным ферментом, состоящим из 2 каталитических (С) и 2 регуляторных (R) субъединиц. Активатором для протеинкиназы А является цАМФ. Присоединение цАМФ к регуляторным субъединицам фермента вызывает их отхождение от каталитических субъединиц. Каталитические субъединицы при этом активируются.

7. Ковалентная (химическая) модификация

Ковалентная модификация заключается в обратимом присоединении или отщеплении определенной группы, благодаря чему изменяется активность фермента.

Чаще всего такой группой является фосфорная кислота, реже метильные и ацетильные группы. Фосфорилирование фермента происходит по остаткам серина и тирозина.

Присоединение фосфорной кислоты к белку осуществляют ферменты протеинкиназы, отщепление – протеинфосфатазы.

Ферменты могут быть активны как в фосфорилированном, так и в дефосфорилированном состоянии.

Например, в мышцах ферменты гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза

  • при нагрузке фосфорилируются, при этом фосфорилаза гликогена становится активной и начинает расщепление гликогена и сжигание глюкозы, а гликогенсинтаза при этом неактивна.
  • во время отдыха при синтезе гликогена оба фермента дефосфорилируются, синтаза при этом становится активной, фосфорилаза – неактивной.

Источник: https://biokhimija.ru/fermenty/reguljacija-fermentov.html

Регуляция синтеза ферментов в бактериальной клетке

Регуляция синтеза ферментов

19

Условные обозначения: Р – промотор, О – оператор, 1,2,3 – структурные гены, Т – терминатор.

Регулирующая деятельность оператора заключается в том, что он, в зависимости от условий существования клетки, то”открывает” то “закрывает” доступ ферменту РНК-полимеразе к структурным генам оперона (“открыт”-“закрыт”), и сам контролируется специальными белками-репрессорами.

Эти белки проявляют строгую специфичность, взаимодействуя только с определёнными операторами, а их структура закодирована в специальных генах – р е г у л я т о р а х (в состав оперона эти гены не входят).

Очевидно, что генов-регуляторов столько, сколько адаптивных оперонов (генов) присутствует в конкретном геноме.

Белки-репрессоры являются а л л о с т е р и ч е с к и м и белками, т.е имеют два центра, способных менять свою активность в зависимости от условий существования клетки.

Один из них, будучи в в активном состоянии, способен соединяться с зоной оператора, блокируя весь оперон и закрывая доступ РНК-полимеразе к структурным генам. Второй центр – центр узнавания с у б с т р а т а реакции или конечного продукта ее.

Активация (индукция) репрессоров осуществляется двояким образом – различным в биохимических реакциях синтеза и расщепления. Соответственно, различно контролируется и деятельность оперонов по синтезу ферментов в этих реакциях.

РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА ФЕРМЕНТОВ В БИОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ РАСЩЕПЛЕНИЯ

В биохимических реакциях расщепления индуктором (побудителем деятельности оперона является само расщепляемое вещество (субстрат реакции).

В отсутствии субстрата реакции белки-репрессоры активны относительно оператора, соединяются с ним, и информация со структурных генов на синтез ферментов для расщепления субстрата не снимается.

И, наоборот, если к питательной среде, на которой растет клетка, добавляется субстрат, то последний вступает во взаимодействие с репрессорами, делая их неактивными относительно оператора. При этом открывается доступ к структурным генам оперона, и снимается информация на синтез ферментов.

Примерно так происходит регуляция деятельности оперона кишечной палочки, содержащего информацию на синтез ферментов, расщепляющих молочный сахар лактозу. Лактоза – сложный сахар, состоящий из молекул галактозы и глюкозы. Клетке требуется отщепить от

20

молекулы лактозы глюкозу, транспортировать ее в клетку и подготовить ее к усвоению (на расщепление глюкозы ферменты в клетке присутствуют всегда, так как их синтез контролируется конститутивными генами). Для этой реакции требуется три фермента. И, таким образом, лактозный оперон кишечной палочки состоит из трёх структурных генов.

При отсутствии в питательной среде лактозы оператор лактозного оперона блокируется активным белком-репрессором – синтез ферментов отсутствует. При добавлении в питательную среду лактозы её молекулы соединяются с белками-репрессорами, делая их неактивными относительно оператора.

При этом открывается доступ к структурным генам на синтез ферментов расщепления.

РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА ФЕРМЕНТОВ В БИОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ СИНТЕЗА В биохимических реакциях синтеза роль регуляторов активности

репрессоров выполняют конечные продукты синтеза. Если клетка полностью использует образующийся при синтезе продукт, то в отсутствии лишних молекул этого продукта белки-репрессоры неактивны в отношении оператора. Структурные гены доступны для РНКполимеразы, осуществляющей синтез и-РНК для синтеза ферментов.

Как только потребности клетки в синтезируемом продукте будут удовлетворены полностью и в цитоплазме появятся неиспользованные молекулы, они соединяются с белками-репрессорами. Такой комплекс проявляет повышенную активность относительно операторов, блокируя их. Синтез ферментов прекращается.

5. Вопросы для определения исходного уровня знаний

1.Как называется триплет Т-РНК, комплементарный кодону И-РНК? – а)

2.Перечислите основные этапы синтеза белка в эукариотической клетке: а), б), в), г)

3.Сколько кодирующих триплетов в генетическом коде? – а)

4.Перечислите основные компоненты оперона прокариот: – а), б), в)

5.В каких периодах жизненного цикла клетки осуществляется транскрипция? – а), б)

6.Зная кодон РНК аминокислоты фенилаланина (УУА), напишите антикодон т-РНК: а)

7.Перечислите основные свойства генетического кода: а), б), в), г), д)

8.Как называется участок оперона, взаимодействующий с РНКполимеразой?– а)

9.Сущность процессинга проматричной и-РНК у эукариот: а), б), в), г)

10.Какие условия необходимы для транскрипции? – а), б), в), г)

21

11.Классификация генов в зависимости от их активности в онтогенезе: а),

б)

12.Структурная классификация генов: а), б), в), г), д)….

13.Функциональная классификация генов: а), б), в), г), д)…

14.В каких ДНК нарушается свойство универсальности генетического кода? – а)

15.Чем отличается первичный транскрипт от зрелой и-РНК? – а), б), в)…

16.Основные направления потока наследственной информации: а), б), в), г), д), е)

17.. Какую роль выполняет фермент эндонуклеаза (“выгрызаза”) в ходе редупликации ДНК? – а)

18.Как называются смысловые (а) и “бессмысленные” (б) участки сложного эукариотического гена? – а), б)

19.Какую роль выполняет участок РНК “cap” при синтезе белка? а)

20.Этапы процессинга первичного транскрипта: а), б), в), г)

21.В каком направлении считывается информация с м-РНК? а)

6. Основа ориентировочного действия (ООД) для проведения самостоятельной работы Задание 1. Составьте поэтапную схему репликации ДНК с указанием

основных условий и ферментативного обеспечения. Репликация молекулы ДНК – это многоступенчатый,

полиферментативный процесс. Он состоит из нескольких этапов: растягивание нитей, раскручивание, синтез РНК, вырезание их, удвоение участков ДНК, их сшивание.

3 а д а ч а 1: Составить схему репликации участка молекулы ДНК, имеющего следующий нуклеотидный состав:

3'ГЦЦАГТТЦТЦГАТТЦЦАТГГЦЦТГ5 ' 5ЦГГТЦААГАГЦТААГГТАЦЦГГАЦ3

(условно считать, что один репликон равен 8 нуклеотидам).

За д а ч а 2: Изобразить двунитчатую ДНК, состоящую из 30 мономеров и провести её редупликацию, при условии, что точка инициации находится между 15 и 16 нуклеотидами, а фрагмент Оказаки равен пяти нуклеотидам.

Задание 2. Охарактеризуйте следующие свойства генетического кода: триплетность. неперекрываемость, вырожденность,

универсальность, колинеарность. однонаправленность.

3 а д а ч а 3: Начало а-цепи гемоглобина быка соответствует следующему чередованию аминокислот: гли-иле-вал-глу-гли-цис-ала–сер- вал. Восстановите участок ДНК, кодирующий данную последовательность (для решения данной задачи используйте таблицу ключевых кодонов).

22

Задание 3. Разобрать теоретический материал по транскрипции ДНК в эукариотической клетке. Изобразить в тетради схему этапов процессинга РНК.

3 а д а ч а 4: Начало гена триптофансинтетазы мухи дрозофилы соответствует следующему составу нуклеотидов: 5'ТАЦГТТАЦТАТАЦТТТТАГААГГГ3' Последние три триплета входят с состав интрона. Каков по составу аминокислот фрагмент полипептида кодируется данным участком гена?

Задание 4. Изобразить в тетрадях поэтапную схему процесса трансляции и схему строения т-РНК.

3 а д а ч а 5: Отрезок ДНК имеет следующий состав эксонов: 3' Т А Ц Г Т Т А Ц Т А Т А Ц Т Т5'

Какие типы т-РНК будут принимать участие в трансляции? В каком направлении будет считываться информация с м-РНК?

Задание 5. Решить задачу на обратную транскрипцию.

3адача 6: Один из участков гена арбовируса клещевого энцефалита имеет следующий состав нуклеотидов: 5'УЦЦУУУЦАУУАГЦАААААГГА3'. Изобразите поэтапную схему реализации данной информации. Каков аминокислотный состав кодируемого данным фрагментом гена полипептида?

Задание 6. Изобразить в тетради схему оперона а) в реакции расщепления лактозы (3 фермента)

б) в реакции синтеза аргинина из триптофана (4 фермента).

7. Контроль результатов усвоения.

1.Тестовый контроль. (Раздаётся на листах по вариантам).

2.Обсуждение докладов УИРС. Темы:

1.Обратная транскрипция.

2.Генная инженерия – проблемы и перспективы.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Лекционные записи.

2.Биология, под ред. В.Н.Ярыгина. – М., Медицина, 1985. 3.Богоявленский Ю.К. с соавт. Руководство к лабораторным занятиям по биологии. – М.,Медицина, 1988.

4.Хелевин Н.В., Лобанов А.М., Колесова О.Ф. Задачник по общей биологии и медицинской генетике.– М., 1984.

23

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Дж. Уотсон. Молекулярная биология. – М., 1978.

2.П. Зенгбуш. Молекулярная и клеточная биология.– М., 1982.

3.Рис Э., Стернберг М. От клеток к атомам.– М.:Мир, 1988.

4.Айала Ф., Кайгер Д. Современная генетика. В 3-х томах.– М.: Мир, 1988.

5.Фогель Ф., Мотульски А. Генетика человека. В 3-х томах.– М.: Мир, 1989-1990.

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА к практическому занятию № 6

1.Тема: Принципы временной организации клеток. Клеточный цикл, его периодизация. Проблемы клеточной пролиферации в медицине.

2.Мотивационная характеристика: Изучение биологических основ репродукции клеток позволит врачу более глубоко осмыслить функциональные возможности тканей и органов в норме и патологии на разных этапах онтогенеза, а также процессы физиологической и репаративной регенерации.

3.Цель занятия: Изучить формы деления эукариотических клеток, их значение в механизме сохранения и передачи наследственной информации. Разобрать динамику, особенности строения хромосом в различные периоды жизненного цикла клетки.

Конкретные цели:

Знать: 1.Периодизацию клеточного цикла 2.Поведение хромосом в разные фазы митотическо

го деления 3.Строение интерфазной и метафазной хромосом

4.Строение политенных хромосом Уметь: 1. Идентифицировать фазы митоза

4. Материал, изучение которого необходимо для данного занятия.

(основа ориентировочного действия при самостоятельной подготовке дома)

Учебный элементИстокиСамоконтроль
1.Жизненный и1.ЛекцииВ тетрадях изобразить
митотический циклы2.Биология под ред.схемы жизненного и

Источник: https://studfile.net/preview/3815095/page:6/

Лекция 23

Регуляция синтеза ферментов

Тема 23. Регуляция метаболизма бактерий

1. Регуляция клеточного метаболизма

2. Свойства аллостерических белков

3. Регуляция активности ферментов

4. Регуляция синтеза ферментов у бактерий

5. Механизмы функционированиярепрессибельных оперонов

2. Свойства аллостерических белков

Рис. 1– Субъединица аллостерического фермента

  • Эффекторами могут быть конечные продукты данного метаболического пути, субстраты ферментов, а также некоторые конечные продукты родственных метаболических путей. Они представляют собой низкомолекулярные соединения или это могут быть вещества, концентрация которых отражает состояние клеточного метаболизма, например, АТФ, АДФ, АМФ, ацетил-КоА, фосфоенолпируват и НАДН2.
  • Если действие эффектора приводит к понижению каталитической активности фермента, такой эффектор называется отрицательным или ингибитором.
  • Активатором или положительным называют эффектор, действие которого повышает каталитическую активность фермента. Активатором чаще всего бывает субстрат данного регуляторного фермента.

3. Регуляция активности ферментов

  • Если конечный продукт накапливается в избытке, он подавляет активность первого фермента. Этот процесс называется ретроингибированием или ингибированием по принципу обратной связи. Примером такого типа регулирования является ингибирование биосинтеза изолейцина (см. схему 1 и 2). Превращение L-треонина в L-изолейцин включает пять ферментативных реакций:
  • При накоплении в клетке L-изолейцина он связывается с аллостерическим центром фермента L-треониндезаминазы, подавляя его активность, и синтез L-изолейцина прекращается:

Рис.2 – МолекулаL-треониндезаминазы

  • В разветвленных метаболических путях активность аллостерических ферментов регулируется сложнее, так как от активности первого фермента зависит биосинтез нескольких конечных продуктов. Ингибирование активности этого фермента может происходить двояко: в результате 1) мультивалентного либо 2) кумулятивного ингибирования (рис. 3).

– При мультивалентномингибировании необходимосвязывание с аллостерическими центрамивсех конечных продуктов. Каждый конечныйпродукт (эффектор) по отдельности,связавшись со «своим» аллостерическимцентром, не меняет активности фермента;

– При кумулятивном,или аддитивном(=суммарном),ингибированииприсоединение к ферменту одного конечногопродукта частично снижает его активность,с присоединением каждого последующегоконечного продукта эффект ингибированиянарастает:

Рис. 3 –Схема мультивалентного либо кумулятивногоингибирования в разветвленныхметаболических путях

  • В некоторых разветвленных биосинтетических путях ингибирование первого фермента выполняется не конечными продуктами каждой из ветвей, а промежуточным продуктом, который образуется непосредственно перед разветвлением. Накопление его в свою очередь контролируется конечными продуктами. Такой вид ингибирования получил название последовательного (рис. 4):

Рис. 4– Схема последовательного ретроингибирования

4. Регуляция синтеза ферментов убактерий

  • Оперон – это группа функционально связанных между собой генов. Промотор, оператор и структурные гены образуют оперон. Белки, кодируемые генами одного оперона, – это, как правило, ферменты, катализирующие разные этапы одного метаболического пути. Транскрипция генов оперона ведет к синтезу одной общей молекулы иРНК.

Рис.5 -Схематичное изображение лактозногооперона бактерийE.сoli

  • 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) и 2) позитивной (положительной).

Рис. 6– Механизм негативной,илиотрицательной,регуляции. Работа лактозного оперонабактерий E.сoli: А– без лактозы, Б – с лактозой.

  • Лактозный оперон подвержен также регуляции другого типа – позитивной, или положительной.
  • Белок БАК (расшифровывается: белок-активатор катаболитных оперонов), или САР (catabolite activator protein).
  • Диауксияэто 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 была описана у E. coli Ж. Моно, а затем было установлено, что 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.

5. Механизмы функционированиярепрессибельных оперонов

  • Репрессибельные опероны ответственны за синтез аминокислот аргинина, гистидина и триптофана.

Рис.7 – Работатриптофанового оперона бактерий E.coli: А – нет триптофана; Б – избытоктриптофана

  • Аттенуауция – механизм регуляции транскрипции генов, известный у ряда бактерий. Аттенуация является следствием преждевременной терминации синтеза иРНК в определенном участке гена – аттенуаторе.
  • Аттенуатор – регулируемый терминатор транскрипции бактерий. Например, между генами триптофанового оперона E. сoli содержится аттенуатор (trp L), который в условиях избытка триптофана обеспечивает снижение уровня синтеза trp- иРНК.
  • Установлено, что в отличие от репрессии, аттенуация зависит не от самой аминокислоты триптофана, а от образования активированной аминокислоты, присоединенной к транспортной РНК, т.е. триптофанил-тРНК.

! ! !Таким образом, и в случае индукции путемнегативной регуляции у Lac-оперона,и в случае репрессии синтеза ферментову Тrp-оперонавзаимодействие репрессора с операторомприводит к подавлению транскрипциисоответствующих структурных генов.Различие заключается в том, что прииндукции путем негативной регуляцииэффектор (индуктор), взаимодействуя срепрессором, понижает сродство репрессорак оператору, а в случае репрессии эффектор(корепрессор) повышает это сродство.

Источник: https://studfile.net/preview/5244852/

Регуляция синтеза ферментов

Регуляция синтеза ферментов

Регулирование конечным продуктом активности аллостерического фермента определенного биосинтетического пути обеспечивает мгновенную реакцию, приводящую к изменению выхода этого продукта. Если последний оказывается ненужным, отпадает надобность и в ферментах, участвующих в его синтезе.

Проявлением максимальной экономичности клеточного метаболизма служат выработанные клеткой механизмы, регулирующие ее ферментный состав. Очевидна целесообразность синтеза только тех ферментов, которые необходимы в конкретных условиях.

Показано, что у прокариот в одних условиях фермент может содержаться в количестве не более 1 — 2 молекул, в других — составлять несколько процентов от клеточной массы.

Количество определенного фермента в клетке может регулироваться на нескольких уровнях: на этапе транскрипции, трансляции, а также в процессе сборки и разрушения ферментного белка (см. рис. 28). В иерархии регуляторных воздействий наиболее сложный механизм, контролирующий количество ферментов в клетке, связан с процессом транскрипции.

Специфические химические сигналы могут инициировать или блокировать транскрипцию определенного участка ДНК в иРНК. В случае индукции образованная иРНК участвует в определенной последовательности реакций, называемой трансляцией и заканчивающейся синтезом полипептидных цепей.

Регуляция белкового синтеза на уровне трансляции может осуществляться на любом из ее этапов, например на этапе инициации, элонгации и др. Не исключена также возможность изменения времени жизни иРНК. под воздействием разных эффекторов, в том числе конечных продуктов метаболических путей.

Хотя механизмы регуляции синтеза белка на уровне трансляции еще точно не установлены, ясно, что на этом этапе имеются широкие возможности для регуляции скорости синтеза различных белков.

Известно, что фермент может выполнять метаболическую функцию после приобретения соответствующей структуры. Скорость образования структур высшего порядка также находится под контролем определенных молекул.

Таким образом, контроль на уровне сборки функционально активного фермента может играть существенную роль в метаболической регуляции.

Наконец, скорость разрушения фермента под воздействием специфических метаболических сигналов будет также определять его концентрацию в клетке.

Регуляция синтеза ферментов на этапе транскрипции основана на том, что “считывание” бактериальных генов происходит избирательно и скорость образования копий соответствующих иРНК (а отсюда и дальнейшая их трансляция в белки) находится под сложным контрольным механизмом.

Скорость синтеза ферментов, определяемая этой стадией, может меняться в разной степени. По данному признаку все ферменты делятся на два класса.

Ферменты, синтез которых в растущей клетке происходит с постоянной скоростью в результате постоянного транскрибирования соответствующих генов и, следовательно, они присутствуют в клетке в более или менее постоянной концентрации, называются конститутивными.

К ним относятся, например, гликолитические ферменты. Метаболические пути, функционирующие с участием конститутивных ферментов, контролируются посредством других регуляторных воздействий, например аллостерического ингибирования.

Кроме этого в бактериальных клетках имеются ферменты, количества которых могут резко меняться в зависимости от состава питательных веществ среды. Это происходит в результате того, что гены, детерминирующие эти ферменты, включаются или выключаются по мере надобности. Их называют индуцибельными.

При отсутствии в среде субстратов этих ферментов последние содержатся в клетке в следовых количествах. Если в среду добавить вещество, служащее субстратом определенного фермента, происходит быстрый синтез этого фермента в клетке, т. е. имеет место индукция синтеза фермента.

Если же в питательной среде в готовом виде содержится вещество, являющееся конечным продуктом какого-либо биосинтетического пути, происходит быстрое прекращение синтеза ферментов этого пути. Это явление получило название репрессии конечным продуктом. Ферменты, синтез которых подавляется конечным продуктом, могут быть дерепрессированы, т. е.

скорость их синтеза превысит обычную, если концентрация конечного продукта упадет до очень низкого уровня. Дерепрессия этих ферментов аналогична явлению индукции.

Репрессия конечным продуктом. Все биосинтетические пути находятся под контролем механизма репрессии конечным продуктом. Точно так же образование большинства анаболических ферментов регулируется путем репрессии их синтеза.

Репрессия осуществляется особыми присутствующими в клетке веществами — репрессорами.

Факторами, модифицирующими активность репрессоров, могут быть конечные продукты биосинтетических путей, а также промежуточные продукты некоторых катаболических или амфиболических путей.

Репрессия может быть координированной, т. е. синтез каждого фермента данного пути в одинаковой степени подавляется конечным продуктом. Часто синтез ферментов одного пути репрессируется в разной степени.

В разветвленных биосинтетических путях механизмы репрессии могут быть модифицированы (как и механизмы ингибирования), чтобы лучше обеспечить регуляцию нескольких конечных продуктов из общего исходного субстрата. Синтез многих ферментов в таких путях репрессируется только при совместном действии всех конечных продуктов.

Если реакция на общем участке разветвленного пути катализируется изоферментами, синтез каждого из них находится под контролем “своего” конечного продукта (см. рис. 31).

Механизм репрессии конечным продуктом на уровне транскрипции стал проясняться с 50-х гг. Большой вклад в это внесли работы Ф. Жакоба и Ж. Моно. Было показано, что наряду со структурными генами, кодирующими синтез ферментов, в бактериальном геноме существуют специальные регуляторные гены.

Один из них — ген-регулятор (ген R), функция которого заключается в регуляции процесса транскрипции структурного гена (или генов).

Ген-регулятор кодирует синтез специфического аллостерического белка-репрессора, имеющего два центра связывания: один узнает определенную последовательность нуклеотидов на участке ДНК, называемом оператором (ген О), другой — взаимодействует с эффектором.

Ген-оператор расположен рядом со структурным геном (генами) и служит местом связывания репрессора. В отличие от операторных генов гены-регуляторы расположены на некотором расстоянии от структурных генов (продукты регулярных генов — репрессоры являются свободно диффундирующими белковыми молекулами).

Часто структурные гены, относящиеся к одному биохимическому пути, объединены в группу, составляющую вместе с оператором единицу транскрипции и регуляции — оперон.

Все структурные гены, объединенные в оперон, имеют один операторный участок, локализованной на краю оперона, и координирование регулируются одним репрессором.

Оперон представляет собой весьма рациональную и эффективную систему регуляции метаболического пути.

Рис. 32. Триптофановый оперон Е. coli и механизм репрессии конечным продуктом. А — продукт гена-регулятора (R) — неактивная форма репрессора, неспособная связываться с оператором (О); промоторный участок (Р) открыт: происходит транскрипция структурных генов (Е, D, С, В, А). Б — в присутствии корепрессора образуется активный комплекс корепрессор — репрессор, связывающийся с оператором и закрывающий промотор; транскрипции не происходит (по Lehninger, 1974)

Процесс транскрипции начинается с прикрепления РНК-полимеразы, катализирующей синтез иРНК, к определенному участку ДНК, называемому промотором (Р).

Когда молекула репрессора “садится” на операторный участок, она “закрывает” промотор, тем самым препятствуя связыванию с ним РНК-полимеразы и началу транскрипции. У прокариот пять генов, кодирующих синтез ферментов триптофанового пути, образуют оперон (рис. 32).

Ген-регулятор обеспечивает синтез аллостерического белка — триптофанового репрессора, не активного в свободном состоянии. Последний в таком виде не связывается с операторным участком и, следовательно, не может препятствовать началу транскрипции.

Когда конечный продукт метаболического пути (триптофан) накапливается выше определенного уровня, он взаимодействует с репрессором и активирует его.

Активированный репрессор присоединяется к операторному участку и подавляет транскрипцию триптофанового оперона. Таким образом, триптофан является корепрессором.

Индукция синтеза ферментов. В большинстве случаев регуляция путем индукции характерна для катаболических путей, где в качестве индукторов выступают обычно субстраты этих путей. Классический пример индуцибельного фермента — (3-галактозидаза Е. coli.

Оказалось, что если клетки Е. coli выращивать в среде, содержащей глюкозу, то они не могут использовать лактозу.

Если такие клетки поместить в среду, где лактоза — единственный источник углерода, после некоторого периода в них происходит интенсивный синтез фермента (3-галактозидазы, катализирующего гидролиз лактозы на D-глюкозу и D-галактозу. С помощью этого фермента Е.

coli может теперь использовать лактозу в качестве единственного источника углерода. Если затем клетки, растущие на среде с лактозой, перенести на среду с глюкозой, синтез (3-галактозидазы прекращается.

Изучение индукции (3-галактозидазы у Е. coli позволило установить, что рост клеток на среде с лактозой происходит не в результате отбора мутантов, у которых способность использовать лактозу есть следствие мутации.

Способностью синтезировать этот фермент обладают все клетки. Было также показано, что в процессе индукции происходит не активирование уже имеющегося в клетках фермента (З-галактозидазы, а его синтез de novo из аминокислот.

Индуцированный синтез ферментов у микроорганизмов был описан в 30-х гг., но механизм этого процесса долгое время оставался непонятен.

Индуцированный синтез ферментов лежит в основе широко известного явления адаптации организмов к различным условиям.

Успехи, достигнутые в расшифровке механизмов регуляции клеточного метаболизма, позволили объяснить природу этого явления, его механизм и роль в клетке.

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. 33).

В отсутствие лактозы молекула репрессора, активная в свободном 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.

Катаболитная репрессия.

Кроме репрессии конечным продуктом, характерной для анаболических путей, описан тип репрессии, называемой катаболитной 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.

Рис. 33. Индукция синтеза ферментов катаболизма лактозы у Е. coli. А — ген-регулятор (R) образует репрессорный белок, связывающийся с оператором (О) и закрывающий промотор (Р); транскрипции структурных генов (z, у, а) не происходит; Б — в присутствии индуктора образуется неактивный репрессор, теряющий способность связываться с оператором; промотор открыт, происходит транскрипция

Выше уже отмечалось, 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. 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 обнаружило, что этот тип регуляции тесно связан с внутриклеточным уровнем циклического АМФ (цАМФ), который в этом процессе функционирует в качестве эффектора.

Он образует комплекс с аллостерическим белком — катаболитным активатором, не активным в свободном состоянии. Этот комплекс, присоединившись к определенному участку на промоторе, обеспечивает возможность связывания РНК-полимеразы с промотором и инициацию транскрипции.

Количество образующегося комплекса определяется концентрацией цАМФ, которая уменьшается при увеличении содержания глюкозы в среде. Таким образом, глюкоза вызывает изменение внутриклеточной концентрации цАМФ. Это соединение обнаружено в клетках всех прокариот.

Его единственная функция — регуляторная. Циклический АМФ образуется из АТФ в реакции, катализируемой аденилатциклазой, связанной с ЦПМ:

АТФ  цАМФ + пирофосфат.

Аденилатциклаза обладает высокой активностью, если компоненты системы транспорта глюкозы в клетку фосфорилированы. Это происходит в отсутствие глюкозы, которую необходимо транспортировать. Таким образом, активность аденилатциклазы возрастает при уменьшении концентрации глюкозы в среде.

Последнее приводит к повышению образования цАМФ и в конечном итоге к индукции синтеза ферментов катаболизма лактозы.

Наоборот, при высокой концентрации глюкозы в среде система ее транспорта находится в дефосфорилированном состоянии, следствием чего является уменьшение активности аденилатциклазы и соответственно количества цАМФ. Таким способом глюкоза через систему своего транспорта регулирует концентрацию цАМФ в клетке.

Поскольку катаболизм глюкозы связан с образованием метаболической энергии и запасанием ее в молекулах АТФ, через глюкозу в клетке связаны пулы АТФ и цАМФ: при увеличении количества АТФ уменьшается количество цАМФ и наоборот.

Особенностью всех ферментных систем, находящихся под контролем катаболитной репрессии, является участие в их индукции универсального комплекса, состоящего из белкового катаболитного активатора и цАМФ.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/11_222052_regulyatsiya-sinteza-fermentov.html

Book for ucheba
Добавить комментарий