Теория Жакоба-Моно. Механизмы регуляции метаболизма микробной клетки на генном уровне

Теория Жакоба-Моно. Механизмы регуляции метаболизма микробной клетки на генном уровне.

Индуцируемый ферменты синтезируются клеткой в ответ на воздействие определенного фактора внешней среды, в качестве которого выступает какой-либо компонент внешней среды – эффектор.

Под эффекторами понимают вещества, вызывающие изменение скорости синтеза белков при их попадании в микробную клетку. При этом вещества, индуцирующие синтез клеткой определенного фермента называют индукторами, а вещества, подавляющие синтез – репрессорами. Регуляция метаболизма мко на генном уровне основана на использовании механизмов индукции и репрессии синтеза клеточных ферментов.

Индукция. Впервые механизм индукции был изучен Жакобом и Моно на примере синтеза индуцируемого фермента в-галактозидазы E. coli.

Гены, определяющие структуру ферментов с близкими функциями, сгруппированы в хромосоме в единичный оперон. (в состав lag-оперона E. coli входят три гена: ген z-кодирующий аминокислотную последовательность в-галактозидазы, ген у-структурный ген пермеазы (транспорт лактозы в клетку), ген а-структурный ген ацилазы. Оперон находится под контролем регуляторного участка молекулы ДНК - промотора.

Функции промотора заключаются в связывании РНК-полимеразы, ответственной за синтез  и-РНК, которая переносит информацию об аминокислотной последовательности определенного фермента или группы ферментов. Последовательность пуриновых и пиримидиновых оснований в промоторе определяет, с какой частотой РНК-полимераза будет присоеди-няться к нему, т. е. задает мах скорость транскрипции гена и  количество синтезируемого фермента.

На участке ДНК между промотором и опероном к молекуле присоединяется репрессор-аллостеричес-кий белок, каждая субъединица которого имеет сродство к нуклеоидной последовательности молекулы ДНК в месте присоединения; второй способен присоединять молекулу эффектора (индуктора или репрессора).

Жакоб и Моно предложили следующую модель деятельности lag-оперона E. coli. В отсутствии индуктора белок-репрессор связан с молекулой ДНК, блокируя структурные гены, т. е. синтез в-галактозидазы подавлен. При присоединении к аллостерическому центру индуктора изменяется конформация белка-репрессора и его сродство с молекулой ДНК. В результате высвобождаются структурные гены и активируется синтез ферментов. Данный механизм получил название негативной регуляции индукции синтеза ферментов.

Имеет место позитивная регуляция индукции. Например, ферменты метаболизма арабинозы у E. coli синтезируются под контролем белка-репрессора, способного осуществлять позитивную регуляцию. В отсутствии арабинозы ферменты, участвующие в ее расщеплении (изомераза, киназа, эпимераза), синтезируются клеткой E. coli в малых количествах, т. к. репрессор блокирует транскрипцию соответствующего оперона.

Арабиноза, связавшись с репрессом приводит его в активированное состояние.

Аутогенная регуляция. В данном случае в качестве репрессора выступает фермент, информация о синтезе которого зашифрована на контролируемом участке ДНК. Индуктором является продукт катабо-лизма, образующийся под действием фермента

Аутоиндукция. Сущность-в перестройке метабо-лизма клетки в направлении синтеза за счет внутриклеточных компонентов. Так, культура гриба Asp. niger, культивируемая в условиях дефицита источников азота, вырабатывает индуктор, ускоряющий синтез протеаз.

Репрессия. При регуляции метаболизма по механизму репрессии белок-репрессор в отсутствии эффектора находится в неактивном состоянии, т. е. транскрипция генов и синтез фермента не ограничены. При достижении определенной концентрации продукта катаболизма, образующегося при участии фермента, репрессор переходит в активную форму, блокируя транскрипцию. Т. о., продукт метаболизма в данном случае выступает в роли специфического эффектора (корепрессора), ингибирующего синтез фермента.

Частным случаем данного механизма является катаболическая репрессия, тесно связанная с глюкозным эффектом. Она заключается в блокировании синтеза ферментов, отвечающих за расщепление лактозы, галактозы, мальтозы и др. сахаров, продуктами расщепления глюкозы. Синтез ферментов, ответственных за включение углеводов в процесс гликолиза индуцируется циклическим аденозин-монофосфатом (ц АМФ), который взаимодействует со специфическим белком-активатором катаболизма (БАК; сар-белок). В результате образуется активированный комплекс, связывающийся с промотором и тем самым инициирующий транскрипцию соответствующих генов. Образование продуктов катаболизма глюкозы ингибирует синтез ц-АМФ и в результате блокирует транскрипцию генов, несущих информацию о синтезе ферментов катаболизма лактозы, мальтозы и др. сахаров.

В. 7. Уровни организации материала наследственности и изменчивости. Значение наследственности и изменчивости микроорганизмов в биотехнологии.

Наследственность – свойства клеток (организмов) передавать новому поколению общие признаки и свойства данного типа клеток (вида организмов), а также некоторые индивидуальные свойства родителей, обеспечивающие определенный консерватизм в организации живых систем, закрепляет в ряду поколений биологически полезные эволюционные приобретения.

Изменчивость – свойства клеток (организмов) приобретать изменения и существовать в различных вариантах. Обеспечивает материал для естественного отбора.

В 1911 – 1920 гг. Морган и его сотрудники установили связь между генами, хромосомами и закономерностями наследования, введено понятие кроссинговер, сцепленное наследование, сформулирована хромосомная теория наследственности.

Выделяют три уровня организации генетического материала:

Генный; Хромосомный; Геномный.

Генный уровень.

Ген – (1) это элементарная функциональная единица наследственности, определяющая возможность развития отдельного признака клетки или организма.

                (2)         по химическому строению – это участок молекулы ДНК, содержащий информацию о последовательности аминокислот в полипептидной цепи.

Различают 3 уровня структуры ДНК:

Первичная структура ДНК – это полимер, который состоит из нуклеотидов. По химическому строению – это химическое соединение включает пентозный углевод, азотистое основание (аденин, тимин, цитозин, гуанин).

Вторичная структура – две полинуклеотидных цепи комплементарно и антипараллельно связаны между собой. Связъ осуществляется через азотистое основание.

Третичная структура – это трехмерная спираль, которая закручена вокруг собственной оси, диаметр – 2 нм, длина шага – 34 нм. Каждый виток содержит 10 пар нуклеотидов.

Свойства гена.

выступает как кодирующая система. обладает способностью к ауторепродукции обладает способностью к мутациям обладает способностью к рекомбинации

Передача информации от ДНК включает 2 этапа:

транскрипция трансляция

РНК отличается от ДНК тем, что тимин заменен на урацил, дезоксирибоза заменена рибозой.

Различают 3 типа РНК:

матричная, информационная РНК транспортная РНК – ответственна за перенос аминокислот. По строению напоминает трилистник. рибосомальная РНК – структурный компонент рибосом.

Транскрипция – это процесс считывания, копирования информации с ДНК на информационную РНК.

Место начала транскрипции промотор – участок цепи ДНК, к которому прикреплен фермент РНК – полимераза, который раскручивает в этом месте виток спирали ДНК, цепи ДНК расходятся и на одной из них осуществляется синтез РНК.

Только что синтезированная и-РНК у эукариот имеет информативные участки – экзоны, и неинформативные – интроны. Поэтому должен пройти процесс созревания и-РНК, интроны удаляются из этой цепи, а экзоны – соединяются.

Трансляция.

Это процесс синтеза белка, для которого необходимы:

и-РНК набор аминокислот набор т-РНК набор ферментов, катализирующих эти реакции рибосомы энергия АТФ цитоплазматические факторы

Стадии трансляции.

Стадия активации аминокислот. Присоединение аминокислот к т-РНК. Стадия инициации. И-РНК поступившая из ядра, соединяется с малой субъединицей рибосомы, причем первый кодон несет информацию об инициаторной кислоте (метиамин) т-РНК. Метиамин присоединяется и формирует инициирующий комплекс, который обеспечивает связь между малой и большой субъединицей рибосомы. Образуется функциональная рибосома с двумя центрами: пептидивным и аминоацильным. Стадия элонгации – стадия удлинения полипептидной цепи путем образования связи между аминокислотами.

Хромосомный уровень.

Важнейшие положения хромосомной теории наследственности:

линейность распределения генов по длине хромосом. образование групп сцепления генов (сила взаимодействия обратнопропорциональна расстоянию между генами). возможность рекомбинации генов при мейозе, частота также зависит от расстояния между генами, 1 морганида = 1% кроссоверных гамет.

Уровни компактизации хромосом.

нуклеосомный уровень нуклеомерный уровень хромомерный уровень хромонемный уровень хромосомный уровень

Морфология хромосом.

В зависимости от места положения центромеры и размера плеч различают:

метацентрические субметацентрические акроцентрические телоцентрические

Геномный уровень.

Геном – совокупность наследственного материала заключенная в гаплоидном наборе хромосом.

Кариотип – это диплоидный набор хромосом.

Кариотип можно охарактеризовать с помощью 4 правил хромосом:

Правило постоянного числа хромосом. Для каждого вида характерно строго определенное число хромосом(у человека – 46, ПРО – 1, таракан и обезьяна – 48). Правило индивидуальности хромосом. В гаплоидных клетках строго индивидуально число хромосом. Правило парности хромосом. Каждая индивидуальная хромосома гаплоидного набора имеет себе пару в соматических диплоидных клетках (гомолог хромосомы).

Правило непрерывности хромосом.