Способность бактерий быстро приспосабливаться к изменяющимся условиям, и экономно использовать разнообразные питательные вещества достигается контролем белкового синтеза на уровне транскрипции за счет
изменения скорости образования иРНК. Другой путь регуляции скорости протеиносинтезу осуществляется на уровне трансляции. Механизм его изучен недостаточно и для бактерий он имеет второстепенное значение.
В клетках эукариот ведущую роль играет контроль биосинтеза белка на уровне трансляции. За счет регуляции скорости синтеза ферментов в клетке создается такое соотношение их концентраций, которое обеспечивает оптимальный уровень метаболизма, адекватный условиям окружающей среды. При этом следует учитывать то обстоятельство, что некоторые ферменты независимо от напряжения метаболизма содержатся в клетках бактерий в постоянной концентрации (конститутивные ферменты), количество других, в зависимости от условий, меняется в тысячу и более раз (индуцированные ферменты).
В первом случае в качестве примера можно назвать ферменты гликолиза, во втором - ß-галактозидазу, осуществляющий гидролитическое расщепление лактозы на глюкозу и галактозу.
Молекулярные и генетические механизмы регуляции скорости белкового синтеза у прокариот были разработаны Жакобом Ф. и Моно Ж. (1961-1964) и сформулированы в гипотезе оперона, получившая полное подтверждение в результате прямых биохимических исследований. Было обнаружено, что клетки Е.соии в среде, содержащей вместо глюкозы лактозу, начинают синтезировать в больших количествах, превышающих первоначальное содержание более в 103 раз, ß-галактозидазу и два других связанных с ней функционально ферменты - ß-галактозидпермеазу и белок А. Лактоза в данном процессе выступает как индуктор, а сам процесс называется координированной индукции.
Для объяснения механизма действия индуктора Жакоб Ф. Но Моно Ж. предложили схему (рис. 3.12). На ней три структурных гена (lac-гены) z, в и а и цепь ДНК, что им предшествует, включает две регуляторные участки - промотор (р) и оператор (о), а также регуляторный ген и, кодирующий белок-репрессор, расположены рядом. Эти гены были названы опероном. Кроме иас-оперона у бактерий идентифицированы и другие, превосходящие по сложности лактазной. Так, his-оперон кодирует девять ферментов, необходимых для биосинтеза аминокислоты гистидина.
Транскрипция иас-оперона может индуцироваться лактозой. Индуктор взаимодействует со вторым специфическим центром белка-репрес-ра (первым центром белок-репрессор связывается с опероном). Образование индуктор-репресорного комплекса приводит к снижению родства репрессор оператора и отделения комплекса от оператора. Освобожденная от белковой репрессии участок ДНК (оперон) становится доступной для РНК-полимеразы, с помощью которой осуществляется транскрипция z-, у-и а-генов, затем происходит трансляция иРНК, благодаря чему появляется доступ к новому источнику углерода и энергии - лактозы . Замена лактозы в традиционном питательной среде для E.coH субстратом D-глюкозой, легко метаболизируется, сопровождается диссоциацией комплекса индуктор-репрессор, что ведет к восстановлению у последнего присущей ему высокой родства к взаимодействию с оператором и ингибирование транскрипции структурных генов lac-оперона.
Молекулярная масса выделенного Гилбертом В. и Мюллер-Хиллом В. (1967) lac-репрессор - почти 150 тыс., а в клетке E.coli, как правило, находится лишь около 10 молекул этого белка. В состав некоторых оперона входит еще промотор, что включает 85 пар нуклеотидных остатков; расположен он между ингибиторной участком (ген i) и оператором. Часть промотора, расположенной ближе к оператору (около 40 пар остатков нуклеотидов), является местом связывания РНК-полимеразы. Функциональная роль нуклеотидной последовательности, что находится со стороны и-гена (около 38 пар остатков азотистых оснований), заключается в связывании особого белка, активирует катаболи-тный ген, - БАК, или САР (от англ. Catabolite protein activator). Под контролем САР-участка находится место связывания РНК-полимеразы. Когда в среде отсутствует глюкоза, белок САР и циклический АМФ, (цАМФ или сАМР) образуют комплекс, который при соединении с САР-участком ДНК, создает необходимые стерические условия для поступления РНК-полимеразы в область первичного связывания и дальнейшего продвижения фермента через зону свободного от ингибирования оператора (индуктор-репресорний комплекс не способен ингибировать оператор) до иас-генов и их транскрипции.
Наличие в среде глюкозы в количестве, обеспечивающем потребность клетки, сопровождается уменьшением содержания сАМР; создается препятствие для образования САР-сАМР-комплекса, что не позволяет РНК-полимеразы связаться с оператором и начать транскрипцию структурных z-, у-и а- генов. Таким образом, сАМР выполняет роль зонда, чутко реагирует на наличие в среде глюкозы. Концентрация сАМР зависит от отношения активностей аденилатциклазы, которая катализирует реакцию образования сАМР с АТФ, и фосфодиэстеразы, осуществляющей гидролиз сАМР. Описанный механизм регуляции синтеза ферментов позволяет клеткам прокариот поддерживать метаболизм на уровне, обеспечивает достижение максимального КПД.