Механизм индукции—репрессии ферментов

Как известно, специфическая структура каждого белка-фермента определяется геном, т. е. специфической молекулярной структурой ДНК в соответствующем участке хромосомы. В настоящее время предложен механизм регуляции биосинтеза белков-ферментов, основанный на явлениях индукции и репрессии (см. кн. I, стр. 490). [c.437]

Регуляция биосинтеза аминокислот, основанная на изменении концентрации ферментов, — это генный уровень регуляции. Если данная аминокислота присутствует в достаточном количестве, гены, кодирующие ферменты этого пути, репрессируются, когда же ее концентрация снижается, происходит индукция генов и ферменты начинают вырабатываться в большом количестве. Механизм генетической репрессии приведен в главе 29. [c.407]

Механизмы индукции и репрессии предохраняют клетку от напрасной траты аминокислот и энергии на образование ненужных в данных условиях ферментов, однако, когда появляется необходимость, эти ферменты могут быстро синтезироваться. [c.15]

Механизм, регулирующий синтез ферментов, называется репрессией. Это — подавление синтеза их под влиянием избыточно- го количества продукта реакции, который, накопившись в системе и действуя в цепи отрицательной обратной связи, служит сигналом о прекращении синтеза ферментов, которые теперь клетке не нужны. Во многих случаях регуляция может осуществляться и по принципу положительной обратной связи, т. е. клетка реагирует на сигналы, не только тормозящие, но и наоборот, стимулирующие образование требуемого набора ферментов. В частности, это происходит тогда, когда в среде появляются компоненты, которые клетка должна разрушить до соединений, нужных для ее роста. В подобных случаях раньше говорили об адаптации или образовании адаптивных ферментов. Усиление биосинтеза ферментов иначе называют индукцией. [c.89]

Описанный выше двойной механизм индукции и репрессии делает возможным взаимодействие между цитоплазмой и ядром для обеспечения тонкой регуляции метаболизма клетки. В случае какого-либо простого метаболического пути исходный субстрат и конечный продукт могут играть роль соответственно индуктора и репрессора. Благодаря этому клетка может синтезировать фермент в таком количестве, которое необходимо в данное время для поддержания количества конечного продукта на нужном уровне. Такой способ регуляции метаболизма чрезвычайно экономичен. Отрицательная обратная связь, осуществляемая путем инактивации первого фермента в результате его связывания с конечным продуктом, быстро блокирует данный метаболический путь, но не препятствует синтезу других ферментов. В модели, предложенной Жакобом и Моно, конечный продукт, присоединяясь к молекуле ре- [c.179]

Изменение количества синтезируемых ферментов в клетке идет в результате действия механизмов индукции и репрессии. Индукцией называют процесс увеличения количества соответствующего фермента в клетке под влиянием субстрата. Последний индуцирует образование главным образом ферментов обмена веществ в процессах энергетического катаболизма. Если в состав ДНК входит несколько генОв, определяющих синтез относящихся к разным субстратам ферментов, то в конкретных условиях среды, содержащей определенные субстраты, целесообразно синтезировать только те ферменты, для действия которых в среде имеется субстрат. [c.46]

Этап функционирования ферментов 6 может оказаться рост-лимитирующим звеном метаболизма лишь при отсутствии в клетке необходимого количества фермента (либо у дефектных мутантов, у которых фермент малоактивен, хотя и синтезируется в большом количестве). В первом случае обычно включается механизм индукции синтеза фермента субстратом или происходит снятие репрессии, оказываемой конечным продуктом. Для конструктивных ферментов возможна также стимуляция на уровне трансляции. Только при недостаточной эффективности всех этих механизмов регуляции количество фермента может оказаться неадекватным условиям роста. [c.72]

Приведенные выще 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. соИ, 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. Молекулярные механизмы индукции, репрессии и дерепрессии осуждаются в гл. 41. [c.101]

Регуляция может осуществляться на многих уровнях, но главную роль играют регуляторные механизмы двух типов. Один из них основан на том, что состав окружающей среды влияет на скорость и интенсивность синтеза различных ферментов. Этот механизм, относительно медленно действующий, регулирующий обмен путем индукции и репрессии, описан в гл. 29. Следует обратить внимание, что скорости синтеза и распада регуляторных ферментов чаще всего регулируются гормонами. [c.447]

Как и в случае репрессии, механизм индукции может быть реализован посредством изменения скорости синтеза белка-фермента или превращения готового неактивного предшественника в фермент. Кроме того, субстрат фермента также может при известных условиях связываться с молекулой специфического белка (репрессора) и действовать в качестве индуктора, включая структурный ген, контролирующий синтез того фермента, для которого данный субстрат является компонентом индуктора. [c.437]

Понятие ферментная система находит свое выражение также на уровне генетического аппарата клетки. Согласно современным представлениям специфическая структура каждого белка-фермента определяется (детерминируется) отдельным геном, т. е. специфической молекулярной структурой ДНК в соответствующем участке хромосомы. В настоящее время существует стройная система представлений о механизме регуляции синтеза ферментов в клетках, созданная на основании изучения явлений индукции и репрессии и представлений о механизме белкового синтеза. [c.159]

Биосинтез белков является объектом генетического контроля. В бактериях, во всяком случае, он проявляется на уровне синтеза информационной РНК посредством взаимодействия особого ( регуляторного ) белка со специфическим участком ДНК (см. часть 22 и разд. 24.2.3). В тканях животных на механизмы, контролирующие уровень ферментов, влияют также ингибиторы синтеза РНК [149]. Детали этих механизмов контроля не важны в контексте данного раздела. Важным моментом является факт, что существуют механизмы регуляции концентрации ферментов на определенном метаболитическом пути посредством конечного продукта этого пути. Так, в бактериальных системах хорошо изучены индуцируемые ферменты. Пока субстраты этих ферментов присутствуют в среде, биосинтеза ферментов не происходит. Часто синтез нескольких ферментов какого-либо одного метаболи-тического пути индуцируется присутствием субстрата первого фермента этого пути. Индукция субстратом, таким образом, представляет собой механизм повышения концентрации системы ферментов по мере появления рабочей необходимости . Соответствующий механизм, понижающий избыточную концентрацию фермента, если последний или система ферментов производит слишком большие количества определенного метаболита, получил название репрессии по принципу обратной связи. Классическим примером этого механизма является ингибирование биосинтеза гистидина в Salmonella typhimurium высокими концентрациями гистидина. Концентрации всех десяти ферментов биосинтетической цепи в ответ на изменение концентрации гистидина изменяются совершенно одинаково [150]. [c.535]

Основные механизмы, регулирующие катаболические пути, — индукция синтеза ферментов и катаболитная репрессия. Катаболические пути, в которых функционируют конститутивные ферменты, регулируются большей частью посредством аллостерических воздействий на активность ферментов. Одна из задач катаболических путей — обеспечение клетки энергией. У большинства прокариот возможности генерации энергии намного превышают потребности в ней клетки. Количество АТФ, которое можно синтезировать с помощью имеющихся в клетках аэробных прокариот ферментов гликолитического и дыхательного путей, значительно больше количества АТФ, необходимого для процессов биосинтеза и поддержания жизнедеятельности. Поэтому клетки должны обладать способностью контролировать потребление энергодающих субстратов и, следовательно, выработку клеточной энергии. Основной принцип контроля прост АТФ синтезируется только тогда, когда он необходим. Иными словами, интенсивность энергетических процессов у прокариот регулируется внутриклеточным содержанием АТФ. [c.123]

Механизм узнавания аномальных или нефункциональных белков неизвестен, скорее всего, важную роль в нем играют особенности третичной структуры белков, и замена даже одной аминокислоты сильно снижает устойчивость белка к внутриклеточному прогеолизу. Последнее обстоятельство может существенно мешать получению микроорганизмов-сверхпродуцентов, у которых повышенное образование целевого продукта обусловлено мутациями по соответствующим ферментам. Такие ферменты будут восприниматься системой узнавания как аномальные и подвергаться протеолизу, что тормозит биосинтетические процессы, а иногда и рост микроорганизма. Специфический (АТР зависимый) протеолиз может дополнять регуляцию по механизму катаболитной репрессии. Например, у некоторых дрожжей глюкоза не только репрессирует синтез определенных ферментов (малатдегидрогена-зы, ФЕП-карбоксилазы), но и стимулирует их протеолитическую деградацию, по-видимому, за счет индукции или активации соответствующей протеи назы. Решающую роль играет протеолиз в так называемой 808-регуляции, т. е. активации 808-регулона, включающего около 20 генов, которые индуцируются в ответ на некото- [c.91]

Механизмы репрессии и индукции во многом близки между собой, иногда говорят, что оба процесса подобны двум сторонам одной медали. В управлении обоими важную роль играет вещество — репрессор, который может вызвать либо синтез всей группы ферментов, осуществляющей цепь реакций, либо подавить его, полностью парализовать. Действие репрессора определяется влиянием на него химического соединения — метаболита клетки, играющего роль регуляторного сигнала. Это тот самый метаболит (например, Ь-изолейцин), который является конечным продуктом реакции и которого в клетке нужно то больше, то меньше. Если в системе накопится его избыток, он может соединяться с репрессором, либо последний может оставаться свободным. При связывании репрессор либо активируется, либо инактивируется в зависимости от того, какая система имеет место в данном случае — репрессируемая или индуцируемая. В активном состоянии репрессор соединяется со специальным участком ДНК (геном-оператором), который выключает все структурные гены, [c.89]

К к уже отмечалось, количество данного фермента в органелле, клетке или ткани определяется соотношением между скоростями процессов его синтеза и распада (см. 911). В ходе многочисленных исследований удалось выяснить детали возможных механизмов контроля скорости биосинтеза ферментов. В гл. 11 описаны особенности важных в этом отношении процессов индукции и репрессии данные формы регуляции, по-видимому, направлены на то, чтобы поддерживать количество синтезированного фермента на уровне, соответствующем потребностям клетки. Ранние работы в этом направлении были проведены главным образом на прокариотах, но к настоящему времени получено много данных и для высших организмов. [c.116]

Наиболее эффективна регуляция первого этапа в цепи реакций. В предыдущих разделах мы говорили о том, что ферменты, стоящие в начале метаболических путей, находятся, как правило, под контролем нескольких регуляторных механизмов. В белковом синтезе основные регуляторные влияния также направлены на начальный этап — процесс транскрипции. Характерно также, что под контролем гормональной индукции или репрессии находятся в основном ключевые ферменты или их регуляторные белки. [c.59]

Регуляция концентрации белков путем индукции и репрессии. Этот механизм регуляции немыслим без его дополнения механизмом разрушения соответствующих белков (ферментов, гормонов и др.) в условиях, когда необходимость в них отпала. [c.335]

Общую теорию регуляции синтеза белка разработали французские ученые, лауреаты Нобелевской премии Ф. Жакоб и Ж. Моно. Сущность этой теории сводится к выключению или включению генов как функционирующих единиц, к возможности или невозможности проявления их способности передавать закодированную в структурных генах ДНК генетическую информацию на синтез специфических белков. Эта теория, доказанная в опытах на бактериях, получила широкое признание, хотя в эукариотических клетках механизмы регуляции синтеза белка, вероятнее всего, являются более сложными (см. далее). У бактерий доказана индукция ферментов (синтез ферментов de novo) при добавлении в питательную среду субстратов этих ферментов. Добавление конечных продуктов реакции, образование которых катализируется этими же ферментами, напротив, вызывает уменьшение количества синтезируемых ферментов. Это последнее явление получило название репрессии синтеза ферментов. Оба явления—индукция и репрессия—взаимосвязаны. [c.535]

Каждое из множества разнообразных веществ создается в клетке в строго необходимых для роста пропорциях в результате фер-ментативньк реакций. Координация химических превращений, обеспечивающая экономность метаболизма, осуществляется у микроорганизмов тремя основными механизмами регуляцией активности ферментов, в том числе путем ретроингибирования регуляцией объема синтеза ферментов (индукция и репрессия биосинтеза ферментов) катаболитной репрессией. [c.34]

РИС. 6-15. Некоторые механизмы контроля метаболических реакций. На всех приведенных в книге рисунках модуляция активности фермента аллостерическими эффекторами, а также модуляция активности генов (транскрипция и трансляция) обозначается пунктирными линиями, отходящими от соответствующего метаболита. Линии заканчиваются знаком минус в случае ингибирования идерепрессиии знаком плюс в случае активации и депрессии. Кружки соответствуют прямому действию иа ферменты, а квадратики — репрессии или индукции синтеза ферментов. (Подобная схема представлена в работе [66а].) [c.64]

Bom случае репрессор включает транскрипцию, во втором он ее выключает. Это взаимодействие в свою очередь контролируется аллостерическим взаимодействием с низкомолекулярным соединением, играющим регуляторную роль. Негативный апорепрессор может, например, инактивироваться под действием индуктора или активироваться под действием корепрессора. Следовательно, индукп ия и дерепрессия как формально, так и в смысле механизма, по существу, эквивалентны. Индукция и репрессия ферментов у микроорганизмов — широко распространенные явления. Из шести указанных выше оперонов три, относящиеся к обмену сахаров, индуцируются субстратами ферментов или структурными аналогами этих субстратов (как это и следует ожидать исходя из приведенных выше определений) опероны, контролирующие биосинтез аминокислот, репрессируются самими этими аминокислотами. [c.536]

Свойства репрессоров. Репрессор — это аллостериче-ский белок. Репрессоры могут быть неактивными и могут активироваться путем взаимодействия с соответствующим корепрессором, принимая конформацию, позволяющую осуществляться реакции с оператором,— репрессия фермента. Репрессоры могут образовываться и в активной форме. Тогда действие соответствующего индуктора заключается в таком изменении молекул репрессора, при котором разрушается их связь с оператором,— индукция фермента. Г ены ферментов, синтез которых не зависит от регуляции (конститутивные ферменты), вообще не имеют репрессора, или же он биологически неактивен. Выделенные до настоящего времени репрессоры (из бактерий) представляют собой кислые белки с молекулярной массой в пределах 30 ООО... 150 ООО. В клетке одновременно присутствуют приблизительно 5—10 молекул репрессора. Репрессоры связываются только с двухцепочечной спиралью ДНК, но не с одноцепочечной, денатурированной ДНК. До сйх пор до конца не выяснен механизм распознавания репрессором соответствующего оператора. [c.388]

Как видим, генетическая система клетки, используя механизмы индукции и репрессии, может принимать сигналы о необходимости начала и окончания синтеза того или иного фермента и осуществлять этот процесс с заданной скоростью. Таким образом, механизм регуляции белкового синтеза представляет собой совершенную самонастраивающуюся и самоуправляющуюся биокибер-иетнческую систему, основанную на принципе действия обратной связи. Поступление управляющей информации от ДНК на синтез определенного фермента регулируется потоком обратной информации о произведенном количестве этого фермента и потребности в нем клетки в каледый данный период. [c.161]

В основе индукции синтеза ферментов лактозного оперона л ежит механизм негативной регуляции исходно репрессор запрещает транскрипцию генов лактозного оперона индукция. заключается в инактиви-ровании репрессора аллостерическим эф,фектором —индуктором. Таким образом, И В случае индукции путем негативной регуляции, и в случае репрессии синтеза ферментов взаимодействие репрессора с оператором лр.иводит к подавлению процесса транскрипции соответствующих структурных генов. Различие заключается в том, что при индукции путем негативной. регуляции эффектор (индукто р), взаимодействуя с репрессором, понижает сродство последнего к оператору, а в случае репрессии эффектор (корепрессор) пО(В ы.шает это сродство. [c.121]

Действительное количество фермента, присутствующего в любой данный момент времени, определяется относительными скоростями его синтеза и распада, а также концентрациями различного рода ингибиторов и активаторов. Как правило, распад ферментов протекает медленно и не известно ни одного специального примера, когда содержание фермента регулировалось бы его распадом. В то же время показано, что существует высокоспецифичная регуляция синтеза ферментов, осуществляемая за счет гормональных механизмов, механизма репрессии и дерепрессии (индукции), а также других пока еще недостаточно изученных процессов. Такая регуляция синтеза ферментов мол ет быть абсолютно по спе ,ифичности, но осуществляется она медленно. У бактерий для значительных изменений содержан 1я фермента таким путем необходимы минуты, а у высших растений— часы. [c.16]

Конечно, совсем по-иному должно обстоять дело с конститутивными ферментами, разлагающими глюкозу. Эта ферментная система работает очень интенсивно, и концентрация ферментов должна здесь постоянно поддерживаться на очень высоком уровне. Тем не менее она не бывает слишком высокой. Возможности регуляции здесь следующие. Во-первых, индуктор и корепрессор могут быть родственны друг другу, т. е. либо индуктор возникает из корепрессора (или наоборот), либо индуктор и корепрессор образуются одновременно, на одной предшествующей стадии. Во-вторых, между индуктором и корепрессором может устанавливаться постоянное количественное соотношение (нечто подобное известно в органической химии), которое как раз таково, чтобы отдача информации опероном все время держалась на постоянном (высоком) уровне. Однако все это, собственно говоря, домыслы, лишенные экспериментального подтверждения. Возможно, в действительности все выглядит совершенно иначе. Но одно кажется совершенно ясным наше разделение ферментов на регулируемые и нерегулируемые (конститутивные) не вполне правильно. Лучше было бы говорить о ферментах, концентрация которых стабильно поддерживается на каком-то постоянном, весьма низком (нанример, ферменты биосинтеза коферментов) или высоком уровне (например, ферменты разложения глюкозы), и о ферментах, концентрация которых может сильно варьировать, т. е. быть очень высокой или нулевой в зависимости от требований (синтез аминокислот — регуляция посредством репрессии распад лактозы — регуляция посредством индукции). Поскольку нам важно, чтобы читатель хорошо усвоил принцип регуляции, попробуем кратко резюмировать все то, что мы рассказали. Итак, регуляция осуществляется посредством репрессоров, имеющих двойную (аллостерия) специфичность во-нервых, в отношении генов-операторов, находящихся в геноме, и, во-вторых, в отношении определенных малых молекул (корепрес-соров или индукторов), находящихся в цитоплазме. К. Брэш в своей книге Классическая и молекулярная генетика так хорошо описал все эти механизмы, что лучше всего привести здесь его собственные слова [c.287]

Другой механизм управления синтезом нужного фермента — это индукция и репрессия (рис. 156). Например, фермент -галакто-зидаза — нндуцибельный фермент у Е. соИ, уровень которого повышается в присутствии небольшой молекулы (аллолактозы), называемой индуктором. Аминокислоты, присутствующие в окружающей среде, могут снижать образование ферментов, ответственных за их биосинтез. Тогда эти ферменты относят к репрессибель-ным, а метаболиты, вызывающие снижение синтеза такого фермента, называют корепрессорами. [c.235]

Первые исследования механизма генетического контроля были посвящены синтезу -галактозидазы, осуществляющей гидролиз дисахарида лактозы до моносахаридов глюкозы и галактозы в клетке Е. соИ. Опыты привели к открытию белка-репрессора лактозного оперона, включающего транскрипцию структурных генов (в данном случае, гена -галактозидазы, а также пермеазы и галактозид-транс-ацетилазы). Это достигается путем связывания репрессора с операторным участком ДНК длиной в 21 нуклеотид, перекрывающимся с последовательностью промотора. В результате блокируется доступ РНК-полимеразы к ее участку связывания и транскрипция цистронов делается невозможной. Для индукции и репрессии синтеза белка, т.е. изменения скорости процесса в противоположных направлениях, необходимо наличие в модели регуляторного механизма еще одного элемента индуктора, который должен, с одной стороны, контролировать действия белка-репрессора лактозного оперона, а с другой -быть связанным прямо или косвенно с функцией синтезируемого фермента. Такой индуктор действительно был обнаружен, и им оказался субстрат -галактозидазы лактоза, точнее, аллолактоза, близкая по строению и образующаяся в присутствии лактозы. [c.118]

Причины модификаций, очевидно, не сводятся только к механизмам репрессии и индукции ферментов. По-видимому, существуют и некоторые спонтанные нарушения в действии генов, которые могут быть причинами морфозов и фенокопий. Впервые попытку исследования таких случайных модификаций предпринял Б. Л. Астауров в 1927 г. Он исследовал открытую им мутацию tetraptera у D. melanogaster. Эта репрессивная мутация приводит к превращению галтер, или жужжалец, во вторую пару крыльев. Б. Л. Астауров обратил внимание на сильное варьирование в проявлении мутантного признака, даже в условиях постоянной среды и гомозиготности по исследуемой мутантной аллели. Признак tetraptera варьировал не только от особи к особи размер дополнительной пары крыльев был неодинаков, но наблюдалось различие в его проявлении на левой и правой сторонах тела дрозофилы. На основе полученных результатов Б. Л. Астауров сделал вывод о закономерной неустойчивости в действии гена, экспрессия которого может спонтанно варьировать, и, по-видимому, эта неустой- [c.447]

Механизмы, посредством которых клетки и целые организмы координируют и регулируют весь набор метаболических процессов, представляют интерес для ученых, работающих в самых разных областях биомедицинских наук. Сюда можно отнести проблемы канцерогенеза, сердечно-сосудистых заболеваний, старения, физиологии микроорганизмов, дифференцировки, метаморфоза, действия гормонов и лекарственных препаратов. Во всех этих областях наблюдаются примеры нарушений регуляции работы ферментов, имеющие важное медицинское значение. Например, изучение экспериментальных опухолей показывает, что во многих раковых клетках наблюдаются нарушения регуляции, приводящие к изменению пропорций при образовании ферментов (отсутствие их индукции или репрессии). Это подтверждает хорошо известное положение, согласно которому одним из фундаментальных признаков раковых клеток является нарушение системы генетического контроля. Или другой пример некоторые он-когенные вирусы содержат ген, кодирующий тирози-новую протеинкиназу когда эта киназа экспрессируется в клетках хозяина, она фосфорилирует многие белки и ферменты, которые в норме не фосфори-лированы, что приводит к серьезным изменениям клеточного фенотипа. Изменения подобного характера, по-видимому, лежат в основе целой категории клеточных трансформаций, вызываемых онкогенны-ми вирусами. И наконец, последняя из упомянутых [c.98]

В биохимических системах эти механизмы дублируются, за-параллеливаются более инерционными механизмами. Таковы, например, репрессия синтеза ферментов Е, . .., Еп конечными продуктами (обратная связь) и индукция синтеза этих ферментов ИСХОДНЫМ субстратом 5о. [c.23]

Примером регуляции путем репрессии синтеза может служить гистидиновый оперон бактерий Salmonella typhimurium. Этот оперон содержит 10 структурных генов, кодирующих 10 ферментов, необходимых для синтеза гистидина. Ферменты образуются только в том случае, когда в среде нет готового гистидина и клетки вынуждены сами синтезировать его из других веществ добавление гистидина в среду прекращает синтез ферментов. Несмотря на противоположный результат индукции и репрессии синтеза белков, их молекулярные механизмы очень сходны. В действии гистидинового оперона легко разобраться, если на рис. 4.22 вместо в присутствии лактозы поставить в отсутствие гистидина , вместо в отсутствие лактозы — в ирису ствии гистидина и вместо 3 структурных генов лак-тозного оперона — 10 структурных генов, кодирующих ферменты для синтеза гистидина. [c.143]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология