Молекулярная биология гена - Уотсон Дж.
Скачать (прямая ссылка):
ГЛАВА
Регуляция синтеза и функциопирования белков
14
Теперь, когда мы уже в общих чертах знаем, какую роль играют пук юн новые кислоты в синтезе белка, мы можем заняться вопросом о том, как регулируется скорость синтеза различных белков. Количества отдельных клеточных белков колеблются весьма сильно, поэтому должны существо вать механизмы, обеспечивающие избирательный синтез тех белков в которых к четка испытывает особенно большую потребность До недавнего времени мы почты ничего не знатш об этих механизмах к вынуждены были ограничиваться одними предположениями. Однако теперь уже ясно, что скорость синтеза белка определяется отчасти внутренним геиети ческим контролем и отчасти химическим составом среды. Чтобы показать, как взаимодействуют эти факторы, мы обратимся к микробным системам, так как имеппо на основании исследования этих систем возникли важ нешпие современные теории регуляции синтеза и функционирования белков.
РАЗЛИЧНЫЕ БГЛКИ СИНТЕЗИРУЮТСЯ В Р\31Ш\ КОЛИЧЕСТВАХ.
Выше мм привели подсчеты, согласно которым хромосома клетки F coli может кодировать от 2000 до 4000 различных полипептид пых цепей. Пока еще в точности по известно, какое число различных белков одновременно присутствует в данной клетке. Основываясь на вероятпом числе ферментов, необходимых для синтеза разнообразных метаболитов, можно принять, что в клетке, растущей на глюкозе в качестве единственного источника углерода, имеется по меньшей море 600—800 различных ферментов Некоторые из этих ферментов присутствуют в клегке в относительно больших количествах Таковы, например, ферменты, катализирующио начальные этапы распада глюкозы и реакции, ведущие к синтезу обычных аминокислот и нуклеотидов, а также ферменты, необходимые для синтеза высокоэнергетических связей АТФ. В противоположность этому ряд других ферментов присутствует в клетке в следовых количествах (очень мало, например требуется ферментов, участвующих в синтезе коферменхов, так как необходимое количество этих последних тоже очень невелико). Вместе с тем клетка нуждается в относительно больших количествах различных структурных белков, используемых Д1я построения клеточной стенки, К1еточнои мембраны и рибосом
РАЗЛИЧИЯ В КОЛИЧЕСТВЕ ОТДЕЛЬНЫХ БЕЛКОВ У Е- colt
Только для некоторых белков имеются в настоящее время надежные дан ные об их содержании в нормальной бактериальной клетке. Наиболее точно определено количество молекул фермента р-га лактоз идя з ы (мол.
Глюкоза
Рис. 14 1. Фермеыт Рчалактоаидаза пцроли- Мутанты, ие слосопнью синтезировать этот тичесии расщепляет сахар лактозу на тали кто- белок, не могут использоиахь лактозу и каче-ау и глюкозу. стве источника углерода-
вес 5,4 105) у F coh Этот фермент расщепляет сахар лактозу па глюкозу и галактозу (рпс 14-1) Важное его значение обусловлено тем, что клетка не может использовать лактозу в качестве источника углерода и энергии до тех нор, пока этот дисахарид пе будет расщеплен на более простые сахара — глюкозу н галактозу Клетки Е. coh, растущпе па среде, в которой единственным источником углерода случшт лактоза, содержат около З'Ю3 молекул fi-галактозпдазы, что составляет около 3% общего коли чества клеточного белка. Это максимальное количество, которое может синтезировать клетка, если ее хромосома содержит только одни fi гашк-тозидазньш ген. Ес-чн этот ген присутствует в двух копиях, то количество синтезированной 0 галактояидазы может составить 0% общего белка. Существуют даже «сверхпродуктивпые» мутантные штаммы (вероятно, несущие много копии этого гена), этп штаммы могут синтезировать еще больше Р галактозидазы. почтн до 15% общего клеточного белка Однако такой усиленный епптез достигается лишь за счет одновременного снижения до возможного минимума синтеза других необходимых бел ков Клетки, синтезирующие чрезмерно большие количества (З-галактозидазьт. растут плохо и быстро вытесняются мутантами, у которых белковый синтез более сбалансирован.
Имеются также достоверные данные о количестве структурною белка рибосом. Каждая рибосома содержит приблизительно 55 различных бе ikob (средний мол вес ~20 ООО), составляющих в сумме около Ю°о общего
бочка быстро растущей клетки. Таким образом, на каждый отдельный рибосом и ый белок может up плодиться и средпем 0-2% общего количества белка L coli До спх лор мы пе располагаем подобными количественными данными в отношении фермешов, необходимых для биосинтеза кофер-метов В некоторых случаях в клетке, вероятно, присутствует ие бочее несколькпх молекул того или иного фермента Однако доказать это будет, очевидно, трудно, так как для выделения хотя бы одпого из этих фермой тов в количествах, необходимых для определения мо окулярного веса, нужно переработать огромную массу материала
СОО'1 НОШЫ111L МЕЖДУ КОЛИЧЕСТВОМ ОТДЕЛЬНЫХ БЕЛКОВ И ПОТРЕБНОСТЬЮ В ЭТИХ ЬЬЛКАХ
В зависимости от условий окружающей среды количество данного белка в клетке может резко меняться В каждой нормальной клетке Е coli, растущей в присутствии какого-нибудь fi-галактозида, например лактозы, имеется приблизительно 3000 молекул (3-га л а кто зид а зы, но если среда содержит другой источник углерода, то это число спижаегся к 1000 раз Субстраты подобные лактозе в том отношении что их введение в питательную среду специфически усиливает сиитез фермента, называют индукторами, а соответствующие ферменты — индуцируемыми ферментами Совсршеппо иные соотношения характерцы для многих ферментов, участвующих в процессах биосинтеза В клетках Е¦ call, растущих в среде. ие содержащей пи одной аминокислоты, имеются все ферменты пеоб ходи мм е для осуществления синтеза всех 20 аминокислот Если зке питательная среда содержит аминокислоты, то соответС1 вушщие биосиптетиче скис ферменты в к хетках почти совсем отсутствуют. Биосинтетические ферменты, количество которых уменьшается в присутствии конечного продукта соответствующей цепи реакции (например, для ферментов, участвующих в биосинтезе гистидина, конечным продуктом явтястся шетидии), получили название репрессируемых ферментов Конечные про дукхы, добавление которых в питательную среду специфически снижает количество какого-либо определенного фермента, наяиваюг корепрессо рами Индукция и репрессия в равной мере подезпы для бактериачьпои клетки если какие шбо ферменты необходимы для расщеп 1ения питательных веществ или д 1я образования определенных строительных белков, то клетка их синтезирует, а если потребность в них отпадает, то клетка быстро прекращает синтез.
