Лактоза и синтез галактозидазы

Рис. 16.1. Индукция образования -галактозидазы. После добавления к питательной среде лактозы начинается синтез -галактозидазы.

Бактерии кишечной палочки Е. соИ в нормальной среде содержат в очень незначительном количестве фермент -галактозидазу, расщепляющий лактозу. При добавлении в питательную среду лактозы происходит значительное увеличение количества этого фермента, т. е. лактоза индуцирует синтез -галактозидазы. [c.438]

Если в клетку из окружающей среды попадает индуктор фермента— субстрат (например, Лактоза, являющаяся индуктором р-галактозидазы), то он инактивирует репрессор, структурный ген освобождается и происходит синтез р-галактозидазы. Такие синтезируемые в определенных условиях ферменты называют [c.46]

Изменение количества фермента. На бактериях хорошо изучен феномен индуцированного (индуцирующего) синтеза ферментов при выращивании их на среде, где единственным источником углерода и энергии служит тот или иной углевод, например глюкоза. Замена в среде глюкозы на лактозу (индуктор) приводит к индуцированному или адаптивному (после небольшого периода лаг-фазы) синтезу фермента галактозидазы (программированному лактозным геном, см. главу 13), расщепляющей лактозу на глюкозу и галактозу. [c.153]

В случае лактозного оперона лактоза — субстрат для Р-галактозидазы — индуцирует синтез фермента за счет инактивации белка-репрессора и восстановления функционирования оперона. Иное явление наблюдается в процессе регуляции синтеза ферментов, осуществляющих образование аминокислоты триптофана в той же клетке Е. соН. [c.472]

Раньше думали, что в обычных условиях, т. е. на средах, содержаш,их глюкозу и другие источники углерода, р-галактозидаза в клетках совершенно не образуется. Когда же в среде появляется новый субстрат лактоза, то клетка приспосабливается к нему и начинает вырабатывать новый фермент р-галактозидазу, расщепляющий лактозу на простые сахары, которые клетка способна использовать в качестве источника углерода. Явление назвали адаптивным синтезом фермента Р-галактозидазы. Само название подчеркивало гипотезу о приспособительном характере процесса. [c.481]

Далее выяснилось еще одно осложнение. Локус La состоит не только из двух цистронов z и i. Имеется и дополнительный цистрон у, управляющий синтезом клеткой особого фермента — пермеазы. Пермеаза осуществляет активный транспорт лактозы и других индукторов (будь то галактозиды или их тиоаналоги) через клеточную оболочку. В присутствии пермеазы концентрация индуктора внутри клетки оказывается во много раз выше, чем вне клетки. Пермеаза — белок, синтез которого индуцируется теми нш веществами, которые индуцируют синтез самой р-галактозидазы. [c.483]

Многие катаболические ферменты образуются только тогда, когда субстрат для этих ферментов находится в питательной среде. Это регулирование раньше обычно обозначалось как адаптация ферментов. Сейчас предпочитают название индуцированный синтез. При культивировании, например, бактерий в отсутствие р-галактозидов фермент р-галактозидаза образуется только в виде следов. В питательной среде, содержащей лактозу как соответствующий р-галактозид, бактериальные клетки образуют этого фермента в десятки тысяч раз больше. Лактоза, следовательно, действует как индуктор ферментативного синтеза. [c.237]

Индуцирование синтеза р-галактозидазы было изучено Моно с сотрудниками (1959), и они получили следующие важные результаты. Во-первых, кроме лактозы, индуцирующее действие оказывали также и некоторые другие вещества. Все эти вещества — индукторы по структуре — были похожи на лактозу, но не все являлись субстратами для р-галактозидазы. Некоторые из них не обладали измеримым сродством к ферменту. Вероятно, индуктор воздействует на молекулу фермента не прямо. Добавление индуктора к растущей бактериальной культуре приводит к синтезу р-галактозидазы и, таким образом, индуктор оказывает влияние на синтез фермента. [c.237]

Известен и хорошо изучен ген, контролирующий синтез -галак-тозиднермеазы, локализованной в 1ас-опероне хромосомы Е. соИ. При индукции -галактозидпермеазы одновременно происходит синтез -галактозидазы, расщепляющей лактозу на глюкозу и галактозу. Молекулярный механизм этого явления изложен в теме 15. [c.66]

Первый пример относится к хорошо изученному явлению синтеза в микробной клетке фермента — га-лактозидазы, который расщепляет лактозу (молочный сахар), поглощаемую клеткой из окружающей среды. Когда в среде, окружающей клетку, нет лактозы, тогда клетке фермент галактозидаза пе нун ен, и репрессор, вырабатываемый цистроном-регулятором, взаимодействует с цистроном-оператором, запирая его, В результате этого структурные цистроны не вырабатывают информационной РНК, которая является матрицей для синтеза белка-фермента галактозидазы и последняя благодаря этому не синтезируется клеткой. Но как только в окружающей среде появляется лактоза, ее молекулы, проникая в клетку, взаимодействуют с репрессором и таким путем связывают, инактивируют его. Цистрон-оператор, освобождаясь от репрессора, способствует структурным цистронам синтезировать информационную РНК, и в рибосомах начинается синтез фермента галактозидазы. При этом цистрон-регулятор продолжает работать, образуя все новые п новые порции репрессора. Однако он весь связывается лактозой, и пока лактоза присутствует в среде, синтез галактозидазы происходит непрерывно. Когда в среде запасы лактозы исчерпываются (и, следовательно, необходимость в галактозидазе исчезает), репрессор освобождается и сейчас же связывается с цистроном-оператором, благодаря чему структурные цистроны пере- [c.93]

Наряду с явлением подавления, имеющим весьма широкое распространение среди анаболических, т. е. синтетических ферментов, известно и явление индукции синтеза ферментов, относящееся к катаболическим реакциям — использованию разных источников углерода в дыхании и брожении. Классический пример индукции — образование р-галактозидазы различными бактериями под влиянием субстрата лактозы. Р-галактозидаза ведет гидролиз лактозы (р-галактозидглюкозы) [c.480]

Оба цистрона z и у смежны и лежат рядом с третьим цистро-ном-регулятором i, превращающим одновременно оба фермента Z и у из индуцируемых в конститутивные. Из культуры Е. oli выделены спонтанные мутанты у" —> у - В этих клетках, остающихся z , фермент синтезируется нри индукции, однако индуктор проникает в клетку только путем пассивной диффузии, т. е. медленно. Поэтому скорость синтеза -галактозидазы устанавливается сравнительно медленно и остается постоянной, пока внешняя концентрация индуктора поддерживается постоянной. Скорость синтеза фермента будет функцией концентрации индуктора, которая внутри клеток не может превышать концентрацию во внешней среде. Синтез галактозидазы в мутантах y z+i утрачивает в значительной мере свой биологический смысл. Действительно, в присутствии какого-либо галактозида, например лактозы, клетки начинают синтезировать нужный фермент, позволяющий утилизировать лактозу как источник углерода. Однако концентрация лактозы внутри клетки не выше, чем во внешней среде, и фермент изолирован от субстрата, поскольку подача последнего внутрь клетки лимитируется пассивной диффузией. [c.485]

Ферменты, синтезируемые клетками, можно разделить на две группы конститутивные и индуктивные. Конститутивные ферменты образуются постоянно независимо от состава питательной среды. Индуктивные ферменты начинают синтезироваться организмом в больших количествах лишь в присутствии добавленных соединений (субстратов). Например, бактерии кишечной палочки Es heri hia соИ в нормальной среде содержат фермент р-галак-тозидазу, расщепляющий лактозу в виде следов. При переводе же бактерий в среду, содержащую лактозу в качестве единственного источника углерода, синтез этого фермента увеличивается в 10 ООО раз по сравнению с исходным состоянием. Это явление и называется индукцией, а субстрат лактозу называют индуктором. После удаления лактозы синтез р-галактозидазы быстро прекращается. Увеличение ферментов под влиянием индукции их субстратов обнаружен и у животных. Образование ряда ферментов может тормозиться, или, как говорят, подвергнуться репрессии. Репрессия проявляется в результате накопления продуктов деятельности ферментов внутри клетки, когда потребность в них ограничена. [c.292]

Белок-реперессор лактозного оперона отвечает за то, чтобы уровень синтеза -галактозидазы - фермента, необходимого для расщепления лактозы, соответствовал потребностям клетки. Лактозный репрессор в свою очередь находится под контролем небольшой углеводной молекулы аллолактозы, которая образуется в клетке в присутствии лактозы. Когда внутриклеточное содержание аллолактозы достигает достаточно высокого уровня, она, выполняя функцию аллостерического регулятора, индуцирует конформационные изменения в молекуле репрессора. Нри этом его связь с ДНК ослабляется настолько, что он отделяется от нее, освобождая промотор и давая возможность РНК-полимеразе транскрибировать прилежащие области ДНК. В этом случае говорят о дерепрессии гена. Такая система регуляции позволяет Е.соИ производить фермент, необходимый для расщепления лактозы, лишь тогда, когда это необходимо (рис. 10-11). [c.185]

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]

Первым из исследованных был оперон, контролирующий метаболизм лактозы (1ас-оперон). Он образован генами la Z, la Y и la А, которые соответственно определяют синтез -галактозидазы, галактозидпермеазы и ацетилтрансферазы. Синтез их координированно регулируется репрессором — продуктом гена la 1. К гену la Z прилежат оператор (la О) и промотор (la Р), расположенный перед оператором. Таким образом, организация этого оперона полностью соответствует схеме, приведенной на рис. 2. [c.17]

Свойством многих ферментов микробного происхождения является их индуцибельность. Так, синтез -галактозидазы у Es heri hia oli индуцируется лактозой и начинается менее чем через три минуты после ее внесения, а при удалении индуктора синтез так же быстро прекращается. Поэтому путем изменения условий культивирования можно добиться образования микроорганизмами больших количеств многих практически важных ферментов. [c.361]

Лактозный оперон (1ас-оперон) включает структурные гены трех ферментов X, V и А (отвечают за взаимозависимый синтез Р-галактозидазы, галактозилпермеазы и ацетилтрансферазы), контролирующих метаболизм лактозы в клетке (рис. 3.2). Экспрессия ферментов регулируется белком-репрессором — продуктом гена-регулятора (К), пространственно удаленного от гена-оператора (О). Субъединищ.1 репрессора (38кДах4) возникают с постоянной скоростью. Репрессор обладает высоким сродством к соответствующему оператору (К = моль/л). Именно белок-репрес-сор, будучи присоединен к гену-оператору, препятствует транскрипции структурных генов X, V и А. [c.38]

Регуляция биосинтеза белка, протекающего с исключительно высокой (до 100 пептидных связей в секунду ) скоростью и точностью, осуществляется на уровнях транскрипции и трансляции. Механизм экспрессии гена был выяснен Жакобом и Моно [201] на примере лактозной системы Е. oli. Являясь источником углерода для Е. oli, лактоза действует как индуктор для синтеза трех ферментов — пермеазы, /3-галактозидазы и трансацетилазы, делающих возможным использование необычных питательных веществ. Информация, необходимая для биосинтеза ферментов, содержится в трех структурных генах, которые вместе с ответственным за транскрипцию операторным геном образуют единый комплекс — оперон. Индуктор действует через ранее включенный регуляторный ген на операторный ген. В отсутствие лактозы репрессор (аллостерический белок) вступает во взаимодействие с регуляторным геном и таким образом блокированием всего опе-рона прекращает синтез ферментов. [c.397]

Наблюдаются и такие цепи катаболических реакций, когда субстрат действует как индуктор фермента только для первой реакции, затем первый промежуточный продукт А индуцирует биосинтез следующего фермента и т. д. Использование регуляторного механизма индукции ферментов дает возможность значительно увеличить синтез этих ферментов. При длительном выращивании культуры Е. oii на среде с лактозой содержание Р-галактозидазы увеличивается в 1000 раз. После индукции количество этого фермента в клетке достигает 3% общего содержания белков. Аналогичная картина наблюдается при работе с продуцентом амилазы — плесневыми грибами рода Aspergillus. [c.47]

Индукция синтеза ферментов. В большинстве случаев регуляция путем индукции характерна для катаболических путей, где в качестве индукторов выступают обычно субстраты этих путей. Классический пример индуцибельного фермента — 3-галактозидаза Е. oli. Оказалось, что если клетки Е. соИ выращивать в среде, содержащей глюкозу, то они не могут использовать лактозу. Если такие клетки поместить в среду, где лактоза— единственный источник углерода, после некоторого периода в них происходит ин- [c.120]

Изучение индукции р-галактозидазы у Е. соИ позволило установить, что рост клеток на среде с лактозой происходит не в результате отбора мутантов, у которых способность использовать лактозу есть следствие мутации. Способностью синтезировать этот фермент обладают все клетки. Было также показано, что в процессе индукции происходит не активирование уже имеющегося в клетках фермента Р-галактозидазы, а его синтез de novo из аминокислот. [c.121]

Если клетки Е. соИ растут е среде, содержащей лактозу, то в них синтезируется фермент Р-галактозидаза, гидролизующий этот дисахарид до глюкозы и галактозы, которые далее усваиваются клеткой. Оказывается, что если источником углерода для Е. соИ яв.1яется глюкоза, то Р-галактозидаза не синтезируется. Однако если в среду, в которой растут клетки, добавить негидролизуемый аналог лактозы — изопропил-(1-0-тиогалактозид, то начинается (индуцируется) синтез р-галактозидазы. Соединения, которые, подобно лактозе и изопропил-р-О-тиогалактозиду, способны индуцировать синтез белков (в данном случае ( -галактозидазы), в других условиях называются индукторами. [c.414]

Если к клеткам Е. соН добавить в отсутствие глюкозы какой-нибудь (3-галак-тозид типа лактозы, то они начнут синтезировать в больших количествах не только р-галактозидазу, но и два других функционально связанных с ней белка- Р-галактозиЭпермеазу и белок А. Пер-меаза-мембранный белок, способствующий транспорту р-галактозидов из внешней среды в клетку. Функция белка А не совсем ясна, однако не исключено, что он играет важную роль в процессе метаболической утилизации галактозидов. Если один индуктор вызывает синтез группы связанных между собой ферментов или белков, как это имеет место в данном случае, такой процесс называют координированной индукцией. Сегодня мы знаем, что Е. соИ и другие бактерии способны в ответ на различные специфические индукторы синтезировать большое число разных связанных друг с другом ферментов или групп ферментов. Такая способность позволяет бактериям быстро приспосабливаться к новым условиям и экономно использовать самые разнообразные питательные вещества, которые появляются в окружающей среде. [c.955]

На основании своих экспериментов Жакоб и Моно предположили, что три структурных гена z, у и а, кодирующие синтез индуцируемых лактозой ферментов р-галактозидазы, Р-галактозидпер-меазы и белка А соответственно, расположены в хромосоме Е. соИ рядом (рис. 29-25). Далее они предположили, что в ДНК около этих генов находится другой, ингибиторный участок i, который [c.956]

Рис. 29-25. Схематическое изображение la -one-рона. Три структурных /ас-гена z, у и а расположены рядом. Перед ними находятся два регуляторных участка-р (промотор) и о (оператор). Рисунок дан не в масштабе участки р и о очень малы по сравнению с генами. Регуляторный ген i кодирует белок-репрессор. Этот белок имеет два центра связывания один для оператора, другой для индуктора. Активная форма белка-репрессора может присоединяться к оператору, препятствуя тем самым связыванию РНК-полимеразы и последующей транскрипции структурных генов z, у и а. В этих условиях Р-галактозидаза и два других белка клетками не синтезируются. Однако, если в среде вместо глюкозы присутствует лактоза, индуктор соединяется с репрессором, переводя его в неактивное состояние, в котором тот не способен взаимодействовать с оператором. В этом случае РНК-полимераза может связаться с промотором, пройти через зону оператора и начать транскрибировать три структурных гена с образованием полигенной мРНК, которая кодирует синтез трех ia -белков в рибосомах. Более детально функция промотора рассмотрена на рис. 29-27. Лактоза сама по себе не служит индуктором ас-оперона эту функцию выполняет ее изомер аллолактоза, образующаяся из лактозы.

Чтобы объяснить действие индуктора (случай, когда глюкозы в среде нет, но присутствует лактоза), Жакоб и Моно предположили, что индуктор взаимодействует со вторым специфическим связывающим участком белка-репрессора, т. е. с центром связывания индуктора. При этом образуется индуктор-репрессорный комплекс, что приводит к снижению сродства репрессора к операторному участку ДНК и к освобождению последнего. Как только индуктор-репрессорный комплекс покидает оператор, структурные гены Р-галактозидазы и двух других белков оказываются доступными для транскрипции и РНК-полимераза синтезирует с них мРНК. Эти мРНК используются далее в качестве матриц для синтеза указанных белков в рибосомах, в результате чего клетка получает возможность утилизировать лактозу в качестве источника углерода и энергии. [c.957]

Индукция -галактозидазы. Один из наиболее изученных примеров индукции синтеза ферментов-это синтез фермента, необходимого для использования лактозы клетками Es heri hia oli (рис. 16.1). Лактоза-дисахарид, который, прежде чем вступить на путь катаболизма гексоз, должен быть расщеплен [c.474]

Клетки дикого типа, растущие на среде с глюкозой, содержат лишь едва заметные следы -галактозидазы. Если же выращивать их на среде с лактозой или иным -галактозидом, то -галактозидазная активность увеличивается в 1000 раз этот фермент может составлять около 3% всего клеточного белка Он обычно образуется только в присутствии индуцирующего вещества-лактозы. Изучению механизма регуляции существенно помогло применение не используемого бактерией индуктора-2-пропил-р-тиогалактозида. Добавление этого вещества приводит к обманной индукции -галактозидазы фермент образуется, но не может гидролизовать соединение, индуцировавшее его синтез, и сделать его доступным для дальнейших превращений. [c.474]

С другой стороны, существуют довольно прямые генетические опыты, показывающие, что синтез каждого отдельного белка требует все время присутствия соответствующей области хромосомы. В опыте Парди и Стента брались клетки Е. oli F La ., т. e. неспособные производить фермент Р-галактозидазу (расщепляющий лактозу). В результате конъюгации цистрон La " был введен в эти клетки, носле чего они немедленно синтезировали галактозидазу. Однако, если введенная хромосома из отцовских клеток Hfr содержала радиоактивный фосфор, то после распада Р (путем выдерживания замороженной культуры в течение достаточно длительного времени) соответствующая генетическая [c.440]

Дело в том, что скорость синтеза данного фермента в клетке регулируется в очень широких пределах. Для двух белков Е. oli (щелочной фосфатазы и 3-галактозидазы) установлено, что скорость синтеза в соответствующих условиях вырастает в тысячу раз, а подобный особенно интенсивно синтезируемый фермент составляет до 5—10% всей массы белка, производимого клеткой (против нескольких сотых процента в обычных условиях). Подобные изменения в кинетике синтеза какого-либо определенного белка вызываются изменением среды, например заменой глюкозы в окружающей среде на лактозу (так называемое действие индуктора). Реакция клетки на изменения в окружающей среде очень быстрая. За 40 сек. устанавливается новая скорость синтеза фермента (3-галактозидазы, соответствующая действию индуктора на синтетический аппарат клетки. Так как 40 сек. — время малое по сравнению с временем генерации культуры, то и число рибосом, синтезированных клеткой за это время, ничтожно. [c.461]

Следует учитывать, что микробиология дольше всего оставалась цитаделью ламаркизма, и идея о направленных изменениях клетки в ней долгое время долшнировала. Однако точный эксперимент полностью опроверг все идеи об адаптивном синтезе. Оказалось, что если клетка способна образовывать данный фермент, например р-галактозидазу, то фермент образуется всегда, но в относительно малых количествах. На современном языке это означает, что в клетке содержится вся необходимая информация для синтеза соответствующего активного белка, или иначе — в хромосоме имеется цистрон, где зафиксирована химическая структура ферментного белка. Однако в силу каких-то причин, например действия подавителя, синтез р-галактозидазы идет медленно и только под действием субстрата, т. е. лактозы, он резко изменяет темп. [c.481]

При культивировании Е. соИ на среде с глюкозой ген-регулятор продуцирует белок, обладающий свойствами репрессора, который связывается с геном-оператором и выключает его. Структурные гены при этом не активируются, и ни р-галактозидаза, ни лактопермеаза не синтезируются. При переносе бактерий на среду с лактозой последняя, как полагают, действует как индуктор синтеза белка, присоединяясь к молекуле репрессора и препятствуя ее соединению с геном-оператором. Структурные гены переходят в активное состояние, продуцируется мРНК и синтезируются белки. Таким образом лактоза индуцирует собственное расщепление. [c.178]

Спустя много лет после того, как была открыта положительная ферментативная адаптация, т. е. индукция синтеза фермента в присутствии субстрата (или структурного аналога субстрата), выяснилось, что существует также отрицательная ферментативная адаптация, или репрессия ферментов. В этом случае синтез фермента, вместо того чтобы индуцироваться субстратом, угнетается в присутствии продукта реакции, которую он катализирует. Существование репрессии ферментов было впервые установлено в лаборатории Моно в 1953 г., когда было показано, что синтез трипто-фан-синтазы Е. oli — фермента, определяемого генами irpA и irpB, — подавляется в присутствии триптофана. Биологический смысл этого явления так же очевиден, как в случае индукции р-галактозидазы лактозой для клетки было бы чрезвычайно неэкономно синтезировать ферменты, обеспечивающие последний этап биосинтеза триптофана, в то время когда эта аминокислота в достаточном количестве имеется в окружающей среде. В течение последующих нескольких лет было обнаружено много других случаев репрессии ферментов — в основном ферментов, осуществляющих у бактерий синтез аминокислот и гидролиз фосфорилированных органических соединений. [c.486]

Синтез олигосахаридов р-галактозидов, содержащих аминосахара, осуществлен при помощи р-галактозидаз из L. bifidus (var. Penn.), дрожжей, Е. oli и органов млекопитающих [85]. При реакции лактозы и N-ацетилглюкозамина были получены О-р-о-галактопиранозил-(1- 3), (1- 4) и (1 6)-N-ацетил-D-глюкозамин. [c.158]

Аллолакюза Рис. 15.1. Химические реакции, катализируемые Р-галактозидазой гидролиз лактозы и изомеризация лактозы в аллолактозу. Аллолактоза является естественнмм индуктором синтеза р-галактозидазы. В опытах по индук- [c.168]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология