Биосинтез ферментов и его регуляция на генетическом уровне. Конститутивные и индуцибельные (адаптивные) ферменты. Репрессия и индукция биосинтеза ферментов

Первичная структура фермента, как и любого другого белка, определяется той информацией, которая записана в информационной (матричной) РНК (мРНК) и считывается с помощью трехбуквенного (триплетного) кода. Нуклеотидная последовательность мРНК в свою очередь определяется комплементарной последовательностью оснований ДНК-матрицы, т.е. соответствующего гена. В результате мутаций нуклеотидная последовательность ДНК может измениться, и будут синтезироваться белки с измененной первичной структурой. Если новая аминокислота сильно отличается по своим свойствам от исходной, изменения могут охватить высокие уровни структурной организации и может произойти частичная или полная утрата каталитической активности (впрочем, в редких случаях наблюдается, напротив, ее повышение). Мутации в различных генетических локусах могут приводить к нарушению синтеза самых разных ферментов и тем самым к развитию многих генетических заболеваний.

Клетки могут синтезировать специфические ферменты в ответ на присутствие специфических низкомолекулярных индукторов. Индукцию ферментов можно проиллюстрировать на следующем примере. Клетки Escherichia coli,выращенные на глюкозе, не способны сбраживать лактозу из-за отсутствия фермента b-галактозидазы, гидролизующей лактозу, которая распадается на глюкозу и галактозу. Если в питательную среду добавить лактозу или некоторые другие b-галактозиды, то индуцируется синтез b-галактозидазы, и культура клеток обретает способность сбраживать лактозу.

Индуктор (лактоза) является субстратом индуцируемого белка (b-галактозидазы). Многие индукторы одновременно служат субстратами ферментов, которые они индуцируют, однако в роли индукторов могут выступать и соединения, структурно сходные с субстратом, но сами не являющиеся субстратами. И наоборот, соединение может быть субстратом, но не являться индуктором. Нередко какое-либо соединение индуцирует сразу несколько ферментов данного катаболического пути. В этих случаях говорят, что структурные гены, кодирующие группу катаболических ферментов, составляют оперон и все ферменты, кодируемые генами оперона, индуцируются единственным индуктором (координированная индукция). Способность регулировать синтез ферментов с помощью того или иного питательного вещества позволяет бактерии использовать это питательное вещество с максимальным для себя преимуществом; в то же время «ненужные» ферменты бактерия не синтезирует.

Ферменты, концентрация которых в клетке не зависит от добавления индукторов, называются конститутивными.Данный фермент может быть конститутивным для одного штамма, индуцируемым для другого и вообще отсутствовать в третьем. Обычно клетки содержат небольшое, но измеримое количество соответствующего фермента даже в отсутствие индуктора. Это – базовый уровень. Величина отклика данного организма на введение индуктора определяется генетически. При индукции различных штаммов может наблюдаться повышение содержания фермента, варьирующее от двукратного до тысячекратного. Таким образом, содержащаяся в клетке наследственная генетическая информация определяет и характер, и величину реакции на введение индуктора. Следовательно, понятия «конститутивный» и «индуцируемый» относительны: они характеризуют лишь крайние точки всего спектра возможных реакций.

Индукция ферментов наблюдается и у эукариот. Примерами индуцируемых ферментов у млекопитающих являются триптофанпирролаза, треониндегидраза, тирозин-a-оксоглутарат-трансаминаза, инвертаза, ферменты цикла мочевины, HMG-СоА-редуктаза и цитохром Р-450.

Бактерии, способные синтезировать определенный метаболит, при наличии этого метаболита в среде могут приостановить его синтез в результате репрессии. В этом случае небольшая молекула, например пурин или аминокислота, действуя как корепрессор, блокирует синтез ферментов, участвующих в биосинтезе самого корепрессора. Например, добавление гистидина в среду, на которой растет бактерия Salmonella typhimurium, подавляет (репрессирует) синтез всех ферментов биосинтеза гистидина; добавление в среду лейцина репрессирует синтез первых трех ферментов, которые участвуют исключительно в биосинтезе лейцина. В обоих случаях гены ферментов, ответственных за биосинтез данного метаболита, образуют оперон: добавление в среду конечного продукта биосинтеза, гистидина или лейцина, вызывает координированную репрессию. Координированная репрессия наблюдается не для всех путей биосинтеза. После удаления из среды корепрессора или же при истощении его запасов биосинтез соответствующих ферментов возобновляется. Это явление называют дерепрессией. Дерепрессия может быть координированной и некоординированной.

Приведенные выше примеры иллюстрируют репрессию конечным продуктом по принципу обратной связи, характерную для процессов биосинтеза в бактериях. Сходное явление – катаболитная репрессия – состоит в том, что одно из промежуточных соединений в цепочке катаболических ферментативных реакций репрессирует синтез катаболических ферментов. Оно было впервые обнаружено при изучении культуры Е. coli, растущей на среде, которая содержит в качестве источника углерода не глюкозу, а другое соединение (X). Добавление глюкозы репрессировало синтез ферментов, участвующих в катаболизме X. Это явление вначале называли «эффект глюкозы», но потом обнаружилось, что сходные эффекты могут вызывать и другие окисляемые питательные вещества; поэтому был предложен термин «катаболитная репрессия». Катаболитная репрессия осуществляется при участии сАМР.

В разветвленных процессах биосинтеза, например при биосинтезе аминокислот с разветвленными боковыми цепями или аминокислот семейства аспартата, ферменты начальных стадий участвуют в биосинтезе нескольких аминокислот. Если в среду, на которой растут бактерии, добавить лизин, репрессируется синтез ферментов, участвующих исключительно в биосинтезе лизина (Enz_L). Добавление в среду треонина вызывает репрессию ферментов, участвующих только в биосинтезе треонина (Enz_T). Это – примеры простой репрессии конечным продуктом. В то же время ферменты Enz₁ и Enz₂ участвуют одновременно в биосинтезе и лизина, и треонина. Если бы репрессию их синтеза вызывал каждый из конечных продуктов по отдельности, то наблюдался бы недостаток другой аминокислоты. Если же в среду добавить одновременно и лизин, и треонин, то ферменты Enz, и Enz₂ окажутся излишними; их репрессия была бы выгодна бактерии, поскольку позволила бы более эффективно использовать имеющиеся питательные вещества. В присутствии всех конечных продуктов, образующихся на различных ответвлениях пути биосинтеза, может наблюдаться мультивалентная репрессия. Это происходит только тогда, когда все конечные продукты, синтезируемые данным набором ферментов, присутствуют в избытке. Следовательно, для полной репрессии аспартокиназы необходимо присутствие не только лизина и треонина, но также еще и метионина и изолейцина.