Механизм индукции на примере Lac-оперона
Lac-оперон – это группа функционально связанных структурных генов Z, Y и A, несущих информацию о структуре трех ферментов, участвующих в превращении лактозы. Оперон имеет один промотор и один терминатор; поэтому все входящие в него гены транскрибируются в одну полицистронную молекулу мРНК. На мРНК, считанной с Lac-оперона, синтезируются различные белки, т.к. как каждый ген обладает собственным сайтом связывания рибосомы. Существует также ген I (I означает индуцибельный), который кодирует белок lac-репрессор. Репрессор может связываться с участком ДНК, называемым оператором. Наконец, есть участок ДНК, с которым может связываться белок, являющийся рецептором сАМР. Он назван белком-активатором катаболизма (БАК, САР) потому, что участвует в индукции и других ферментов, осуществляющих катаболизм субстратов. Организация Lac-оперона приведена на рис.30.13.
В Lac-опероне ген Z кодирует фермент β-галактозидазу, участвующую в расщеплении лактозы, ген Y ‒ β-галактозидпермеазу, необходимую для транспорта лактозы в клетку, ген А ‒ галактозидтрансацетилазу (белок А), участвующую в защите клетки от неметаболизирующихся, потенциально токсичных β-галактозидов.
В норме эти три белка синтезируются в течение нескольких минут, но в небольших количествах. Они не нужны клетке до тех пор, пока в среде есть глюкоза. Но как только глюкоза заменяется на лактозу, которая оказывается единственным источником энергии, через 1-2 мин клетки начинают синтезировать β-галактозидазу в больших количествах, достигая уровня, превышающего 1000 молекул на клетку. Теперь Е.соli может использовать лактозу в качестве источника углерода и энергии. Однако если помимо лактозы есть и глюкоза, клетка не продуцирует указанные выше ферменты. Эта регуляция осуществляется на уровне инициации транскрипции оперона.
Рис.30.13. Организация и регуляция Lac-оперона у E.coli
В качестве индуктора Lac-оперона выступает лактоза (либо аллолактоза). Белок-репрессор Lac-оперона – тетрамер, состоящий из четырех субъединиц с молекулярной массой 37 кДа каждая. Он имеет 2 центра связывания: – один с операторным участком ДНК, другой – с индуктором. Активный белок-репрессор способен связываться с оператором, тем самым не позволяя РНК-полимеразе присоединяться к промотору и начинать транскрипцию Lac-оперона.
Если затем индуцированные лактозой клетки Е.соli перенести на свежую среду, содержащую вместо лактозы глюкозу, транскрипция Lac-оперона прекратится. Таким образом, индукция ферментов – это экономичный процесс. Индуцируемые ферменты синтезируются лишь тогда, когда в них возникает потребность. Если один индуктор вызывает синтез группы связанных ферментов или белков, как в данном случае, такой процесс называют координированной индукцией.
Е.соli и другие бактерии способны в ответ на различные специфические индукторы синтезировать большое количество разных связанных друг с другом ферментов или их групп. Такая способность позволяет бактериям быстро приспособиться к новым условиям и экономно использовать самые разнообразные питательные вещества, которые появляются в окружающей среде.
В большинстве случаев индуцибельными являются опероны, ответственные за синтез ферментов, катализирующих катаболические реакции (распад аминокислот, сбраживание сахаров и др.). Индукторами таких оперонов, переводящих активный репрессор в неактивное состояние, являются субстраты этих катаболических ферментов.