У 1961 р. Франсуа Жакоб і Жак Моно провели ряд експериментів, бажаючи зрозуміти природу індукції синтезу ферментів у E.coli. Вважають, що в клітинах E.coli синтезується близько 800 ферментів. Синтез деяких з них відбувається безперервно і їх називають конститувними ферментами ; інші утворюються тільки в присутності певного індуктора, який може й не бути субстратом даного фермента. Такі ферменти, прикладом яких є - галактозадаза, наз. індуцибельними ферментами.

E.coli швидко росте в культуральному середовищі, що містить глюкозу. При перенесенні клітин в ті ж самі умови, але із лактозою замість глюкози, ріст починається не одразу,а після короткої затримки, але потім іде з такою ж швидкістю, як і за наявності глюкози. Проведені дослідження показали, що для росту в лактозному середовищі необхідна наявність двох речовин, які E.coli звичайно не синтезує : - галактозидазу, що гідролізує лактозу до глюкози та галактози, і лактозопермеазу, що робить клітину здатною швидко вбирати лактозу з середовища. Це може бути прикладом того, як зміна в умовах середовища - заміна глюкози лактозою - індукує синтез певного фермента. Інші експерименти з E.coli показали, що високий вміст в середовищі амінокислоти триптофана перешкоджає виробництву триптофансинтетази - фермента, що є необхідним для синтезу триптофана клітиною. Синтез - галактозидази є прикладом індукції, а перешкодження синтезу триптофансинтетази - прикладом репресії фермента. На основі цих спостережень Жакоб і Моно запропонували механізм, що пояснює індукцію і репресію - механізм ‘вмикання і вимикання’ генів (за це відкриття вони отримали Нобелевську премію у 1965 р.).

ТЕОРІЯ ОПЕРОНА

Генетичні інструкції, що визначають амінокислотну послідовність згадуваних вище білків, містяться в структурних генах, причому інструкції для - галактозидази і лактозопермеази тісно зчеплені в одній хромосомі. Активність цих генів регулюється ще одним геном, який називають геном - регулятором і який перешкоджає переходу структурних генів до активного стану. Ген - регулятор може знаходитись на деякій відстані від структурних генів. Докази його існування було отримано при вивченні мутованих клітин E.coli, що були позбавлені цього гена і тому виробляли - галактозидазу безперервно. Ген - регулятор містить генетичну інформацію для синтезу репресора, котрий перешкоджає активності структурних генів. Репресор діє на структурні гени не прямо, а опосередковано, здійснюючи вплив на регіон, що прилягає до структурних генів і називається оператором. Оператор і структурні гени, якими він управляє в сукупності наз. опероном.

Репресор є особливим алостеричним білком, який або зв’язується з оператором, придушуючи його активність (‘вимикає’ його), або не зв’язується з ним, дозволяючи проявляти активність (залишає ‘ввімкненим’). Коли оператор ввімкнено, на структурних генах відбувається транскрипція і утворення мРНК, яку рибосоми і тРНК транслюють в поліпептиди ; а коли оператор вимкнено, мРНК не утворюється, а отже, кодовані нею поліпептиди не синтезуються.

Механізм, від якого залежить, чи приєднається алостеричний білок до оператора, простий і в той же час чутливий до змін внутрішніх умов в клітині. В молекулі репресора є якнайменше два активних регіони ; до одного з них може приєднуватись молекула індуктора, а інший існує для приєднання до оператора, що вимикає весь оперон.

У еукаріотів не було виявлено оперонів. Кожна цитоплазматична мРНК несе інформацію про синтез лише одного білка. Однак у рослин зустрічаються системи регуляції. Мутації, що проявляються в необмеженому утворенні груп ферментів, було виявлено у кукурудзи (Zeamays) та ослинника (Oenothera).

ЗВОРОТНІЙ ЗВ’ЯЗОК

Окрім генетичних механізм, котрі змінюють функції клітин, контролюючи синтез окремих ферментів, відомий ряд фізіологічних контролюючих систем, що здійснюють пряму інгібіцію шляхом зворотнього зв’язку. Це сприяє досягненню досить сталої концентрації різних малих молекул в клітині. Регуляторні молекули такого типу корегують потік метаболітів певним метаболічним шляхом завдяки тимчасовому збільшенню або зменшенню активності ключових ферментів. Наприклад, перший фермент у тій чи іншій послідовності реакцій звичайно інгібується кінцевим продуктом цього метаболічного шляху за принципом негативного зворотнього зв’язку ; таким чином, якщо накопичується забагато кінцевого продукту, подальше надходження попередників до даного метаболічного шляху автоматично інгібується.

У випадку розгалудження або перетину метаболічних шляхів, що відбувається досить часто, є, як правило, декілька точок, в яких здійснюється контроль різними кінцевими продуктами. Наскільки важливі такі процеси регуляції за принципом зворотнього зв’язку, видно з малюнка.

На цьому малюнку зображена регуляція ферментативної активності в послідовностях реакцій, що ведуть до утворення амінокислот.

Регуляція за принципом зворотнього зв’язку може спрацьовувати майже миттєво і є оборотною ; крім того, певний кінцевий продукт може інгібувати ферменти, що каталізують його синтез, і при цьому бути активатором ферментів іншого метаболічного шляху.

Отже, ми описали декілька механізмів регуляції ферментативної активності в клітині, а також кілька важливих факторів, які супроводжують цей процес у прокаріотичних і еукаріотичних клітин.

Перелік використаної літератури

1) А.Грін, У.Стаут, Д.Тейлор ‘Біологія’

2) Б.Альбертс, Д.Брей, Дж.Льюіс, М.Рефф, К.Робертс,

Дж.Уотсон ‘Молекулярна біологія клітини’

3) Р.Рейвн, Р.Еверт, С.Айкхорн ‘Сучасна ботаніка’

4) К.Віллі, Д.Детьє ‘Біологія’

5) А.Ленінджер ‘Біохімія’

6) Т.Кемті ‘Основи ферментативної активності’

7) М.Діксон, Е.Уебб ‘Ферменти’