Вопрос о регуляции биосинтеза белков принадлежит к центральным проблем биологической науки. Жизнедеятельность живых организмов обеспечивается наличием тонкой, гибкой, согласованно действующей системы регуляции.
Все разнообразие физиологических проявлений организма связана с функциональными особенностями белков. Поэтому клетка располагает определенные биохимические механизмы, регулирующие их биосинтез. Оптимальное соотношение между количеством и качеством определенных белков играет важную роль в обеспечении ряда жизненно важных процессов как для одноклеточных, так и для многоклеточных организмов. При изменении условий существования прекращается синтез одних и начинается синтез других белков. Стимуляция биосинтеза белков, сопровождается увеличением их количества, называется индукции, а торможение синтеза белков - репрессии. Возможно, в клетках есть вещества, которые сигнализируют о состоянии метаболизма в клетке или в организме. Такими веществами в прокариот могут быть питательные вещества, которые поступают в клетку, метаболиты и некоторые внутриклеточные регуляторы (типа циклических нуклеотидов). У многоклеточных организмов, особенно сложноорганизованных, кроме автономных внутриклеточных регуляторов, значительное место занимают внеклеточные регуляторы синтеза белков (например, гормоны). Они покоряют деятельность генетического аппарата биосинтеза белков конкретной клетки, ткани или органа потребностям целого организма. Многие закономерности живых организмов раскрываются при изучении механизмов регуляции биосинтеза белков. Например, микроорганизмы очень быстро приспосабливаются к изменению условий существования. У высших организмов является строгая координация последовательностей процессов роста, дифференциации клеток и развития. Приспособленность, изменчивость, наследственность, опухолевая трансформация и много других биологических явлений могут быть объяснены только с точки зрения регуляции биосинтеза белков.
Клетки живых организмов способны синтезировать огромное количество разнообразных белков, однако они никогда не синтезируются все, то есть в организмах идет выборочный синтез белков в соответствии с функциями, которые они должны выполнять. Например, у кишечной палочки содержание одних белков не превышает 10 молекул на клетку, а содержание других достигает 50000. Соматические клетки (а это все клетки организма, кроме половых) многоклеточного организма имеют одинаковую генетическую информацию. Так, почти во всех клетках млекопитающих присутствуют наборы основных белков-ферментов, необходимых для реализации основных путей метаболизма. Однако клетки разных типов, например клетки мозга, печени, мышц, поджелудочной железы и т.д., содержат присущие только им белковые структуры и выполняют только им присущие биологические функции. Например, клетки скелетных мышц содержат огромное количество сократительных белков (миозин, актин), тогда как в печени их очень мало. Клетки мозга имеют набор ферментов, необходимых для синтеза различных медиаторов нервных импульсов, в то время как клетки печени их вообще не содержат. Вместе с тем, в печени млекопитающих являются все ферменты, необходимые для синтеза мочевины, тогда как в других тканях их нет. Для клеток эритроцитов характерно высокое содержание гемоглобина, клетки поджелудочной железы вырабатывают много ферментных белков и белок-гормон инсулин. Это связано с тем, что большая часть генетической информации, локализованной в ДНК, заблокирована (зарепресована), т.е. не реализуется в процессах биосинтеза белка. Таким образом, из поколения в поколение передается не только генетическая информация, но и система ее регуляции. Все это свидетельствует о том, что в живых организмах существуют механизмы регуляции скорости белкового синтеза. Они функционируют под влиянием внутренних и внешних факторов на каждой из стадий сложного процесса биосинтеза белка, начиная от ДНК к образованию полипептида. На схеме указано основные процессы, от скорости которых зависит концентрация белка в живой клетке: 1 - транскрипция, 2 - созревание и транспорт мРНК из ядра в цитоплазму (для эукариот), 3 - трансляция, 4 - время существования (жизни) мРНК и ее распада , 5 - протеолиз белка. Различают белки конститутивные и индуцибельной. Конститутивные белки, и в том числе конститутивные ферменты - это белки, которые синтезируются клеткой в постоянных количествах с постоянной скоростью независимо от наличия других субстратов. Уровень конститутивного синтеза зависит от скорости синтеза мРНК, скорости прикрепления к ней рибосом, считывания матрицы и срока жизни мРНК. Транскриптон, который отвечает за синтез конститутивного белка, не содержит активно действующего оператора (см. ниже). К ним относятся и ферменты, участвующие в главных путях катаболизма, например в гликолизе.
Белки, скорость синтеза которых резко меняется в зависимости от различных условий, получили название адаптивных или индуцибельной. Количество молекул индуцибельной белков варьируется в значительных пределах. Конечно, индуцибельной фермент содержится в бактериальной клетке лишь в мизерных количествах. Если же в среде появится значительное количество его субстрата, например, при его добавлении в питательную среду, особенно если этот субстрат представляет собой единственный источник энергии и углерода для клеток, то концентрация такого фермента может быстро возрасти в тысячу и более раз. Описано большое количество случаев ферментативной индукции микроорганизмов. Так, например, кислород индуцирует образование цитохромов у дрожжей. Явления индукции позволяют понять причину устойчивости некоторых штаммов микроорганизмов к пенициллину. Пенициллин индуцирует появление фермента пенициллиназы в некоторых бактерий, который и разрушает антибиотик. Вещества, которые способны индуцировать синтез фермента или группы ферментов, получили название индукторов. Индукторами могут быть и посторонние организму лекарственные средства (ксенобиотики). После приема, накапливаясь, они индуцируют синтез ферментов, катализирующих их метаболизм, вследствие чего лекарственный препарат может метаболизироваться и выводиться из организма. Как синтетические, так и природные препараты обезвреживаются аналогичными ферментными реакциями.
Другим важным типом изменения концентрации ферментов в бактериальной клетке, противоположным по своим проявлением индукции, является репрессия ферментов, то есть прекращение их синтеза в присутствии конечных продуктов реакций, катализируемых этими ферментами. Так, бактерии типа кишечной палочки могут прекрасно расти на питательной среде, имеет своим источником азота сернокислый аммоний, а за источник углерода - глюкозу. Из этих веществ они синтезируют все необходимые для их роста аминокислоты (20), пуриновые и пиримидиновые основания, сахара, липиды, т.е. включают очень сложные метаболические пути синтеза. Но если в питательную среду внести готовую аминокислоту, например триптофан, то ее синтез останавливается - наблюдается репрессия целого ряда ферментов, которые катализируют процессы биосинтеза данной аминокислоты. Индукция и репрессия является принципу отражения клеточной экономии. Процессы регуляции биосинтеза белков очень сложные, и поныне еще полностью не выяснены, особенно в высших организмов (эукариот). Однако на сегодня собрано значительную информацию о регуляции синтеза белка в прокариот.