Индукция и репрессия синтеза ферментов. Ретроингибирование и преодоление этого явления.

Индукция фермента – это относительное увеличение скорости синтеза фермента в ответ на появления химического соединения. В большинстве случаев регуляция путем индукции характерна для катаболических путей, где в качестве индукторов выступают обычно субстраты этих путей.

У бактерий доказана индукция ферментов (т.е. синтез ферментов) при добавлении в питательную среду субстратов этих ферментов. В бактериальных клетках имеются ферменты, количества которых могут резко меняться в зависимости от состава питательных веществ среды. Это происходит в результате того, что гены, детерминирующие эти ферменты, включаются или выключаются по мере надобности. Их называют индуцибельными. При отсутствии в среде субстратов этих ферментов, последние содержатся в клетке в следовых количествах. Если в среду добавить вещество, служащее субстратом определенного фермента, происходит быстрый синтез этого фермента в клетке, то есть имеет место индукция синтеза фермента.

Индуцированный синтез ферментов у микроорганизмов был описан в 30-х гг., но механизм этого процесса долгое время оставался непонятен. Индуцированный синтез ферментов лежит в основе широко известного явления адаптации организмов к различным условиям. Успехи, достигнутые в расшифровке механизмов регуляции клеточного метаболизма, позволили объяснить природу этого явления, его механизм и роль в клетке.

Репрессия ферментов – это подавления синтеза какого-либо фермента в присутствии определенного (порогового) количества продукта, образуемого в цепи метаболических реакций с его участием.

Репрессия может быть координированной, то есть синтез каждого фермента данного пути в одинаковой степени подавляется конечным продуктом. Часто синтез ферментов одного пути репрессируется в разной степени. В разветвленных биосинтетических путях механизмы репрессии могут быть модифицированы, чтобы лучше обеспечить регуляцию нескольких конечных продуктов из общего исходного субстрата. Синтез многих ферментов в таких путях репрессируется только при совместном действии всех конечных продуктов. Если реакция на общем участке разветвленного пути катализируется изоферментами, синтез каждого из них находится под контролем «своего» конечного продукта.

Механизм репрессии конечным продуктом на уровне транскрипции стал проясняться с 50-х гг. XX в. Большой вклад в это внесли работы Ф. Жакоба и Ж. Моно. Было показано, что наряду со структурными генами, кодирующими синтез ферментов, в бактериальном геноме существуют специальные регуляторные гены.

Кроме репрессии конечным продуктом, характерной для анаболических путей, описан тип репрессии, называемой катаболитной и заключающейся в том, что быстро используемые клеткой источники энергии способны подавлять синтез ферментов других путей катаболизма, участвующих в метаболизировании сравнительно медленно используемых источников энергии. Катаболитную репрессию можно рассматривать как приспособление клетки к использованию в первую очередь наиболее легко доступных источников энергии. В присутствии такого источника энергии потребление других субстратов, менее «удобных» для клетки, временно приостанавливается, и пути катаболизирования этих субстратов временно выключаются.

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.

Регуляция активности ферментов клеткой осуществляется с помощью нескольких механизмов:

1) индукция или репрессия генов, кодирующих синтез соответствующих ферментов;

2) аллостерическое ингибирование – на ключевых участках метаболических путей находятся аллостерические ферменты, белки с четвертичной структурой, имеющие каталитические и регуляторные субъединицы. При накоплении по какой-либо причине продуктов данного метаболического пути эти продукты будут взаимодействовать с регуляторными субъединицами фермента. Это приведет к снижению каталитической активности в результате изменения каталитических центров фермента;

3) ограниченный протеолиз – многие ферменты-протеиназы синтезируются в виде неактивных предшественников (зимогенов). Активируются они вне клеток путем гидролиза некоторых связей полипептидной цепи с после-дующим формированием третичной структуры тогда, когда это нужно;

4) ковалентная модификация – метилирование, гликозилирование, но чаще всего фосфорилирование/дефосфорилирование, фермент нагружается теми низкомолекулярными группами, которые он должен переносить на нужные молекулы, в исходном состоянии он неактивен;

5) агрегация молекул – осуществляется ингибиторами белковой природы, они блокируют действие фермента за счет белок-белковых, взаимодействий в результате чего закрывается активный центр фермента. Например, α₁-антитрипсин блокирует действие эластазы, выделяемой нейтрофилами легочной ткани.