110. Что такое оперон?

Клетка любого организма содержит полную генетическую информацию, полный набор генов независимо от ее специализации. В каждый период жизни клетки используется лишь часть информации, т. е. реализация генетической информации регулируется в процессе роста и развития организма. Подобная регуляция является необходимым условием нормальной жизнедеятельности клетки. Допустим, что клетка по какой-то причине перестает синтезировать белок. Тогда аминокислоты остались бы без применения, и если их синтез не прекращается, то они накапливаются ненужным балластом. Та клетка, которая в этих условиях прекращает синтез аминокислот, работает экономичнее, чем клетка без такого "тормоза".

Рассмотрим, как происходит подобное торможение на примере аминокислоты аргинина. Синтез аргинина из предшественников протекает в четыре этапа, следовательно, для него требуется четыре фермента, образование которых контролируют четыре гена. Фермент 1 преобразует исходное вещество А в вещество В, фермент 2 из В производит С, фермент 3 из С продуцирует D и, наконец, фермент 4 превращает D в конечный продукт Е, представляющий в данном случае аргинин. Когда потребность в аргинине отпадает, ферменты оказываются лишними и их синтез прекращается. Причем эксперименты показали, что синтез всех четырех ферментов прекращается одновременно. Кроме того, оказалось, что гены, контролирующие их синтез, на генетической карте расположены рядом. Гены, ответственные за синтез определенных ферментов, называются структурными, поскольку они определяют структуру ферментов. На одном из концов цепи этих генов находится ген-оператор (О), определяющий, будут ли гены неактивными. Участок генетического материала, Трансформация которого осуществляется на одну молекулу информационной РНК (иРНК) под контролем белка-репрессора, получил название оперона (рис. 26). Этот термин принадлежит Ф. Жакобу и Ж. Моно.

Рис. 26. Схема регуляции транскрипции: 1 - апорепрессор (неактивен); 2 - корепрессор; 3 - голорепрессор (активен)

Помимо гена О существует еще ген-регулятор R, контролирующий деятельность оперона. Наличие двух пусковых регулирующих генов подтверждается в опытах по локализации мутаций с нарушениями регуляции синтеза аминокислот. Было установлено, что ген R располагается на некотором расстоянии от гена О. Оператор воздействует непосредственно на соседние структурные гены, тогда как действие регулятора осуществляется через вещество, выделяемое им в цитоплазму. Это вещество при соединении с низкомолекулярным веществом, например с аргинином, становится активным и выключает оператор. Его выключение приводит к прекращению считывания информации, а следовательно, к прекращению синтеза фермента. Такое явление получило название репрессии. Регуляторный белок, подавляющий транскрипцию генов регулируемого им оперона, называется репрессором. Репрессор состоит из апорепрессора, продуцируемого геном R, и из соединенного с ним корепрессора - аргинина. Ген R производит апорепрессор, неэффективный сам по себе, который поступает в цитоплазму. Накапливающийся корепрессор соединяется с апорепрессором, образуя голорепрессор, последний подавляет ген О и тем самым весь оперон, контролирующий синтез аргинина. Апорепрессоры и корепрессоры строго специфичны: аргинин не тормозит синтеза других аминокислот.

Кроме рассмотренной системы отрицательного контроля, когда функционирование данного биосинтетического пути выключалось при избытке конечного продукта биосинтеза, имеются случаи противоположного характера: синтез фермента может происходить только в присутствии его субстрата. Это явление называется индукцией синтеза ферментов. Примером таких ферментов могут служить β-галактозидаза, пенициллиназа и ферменты, принимающие участие при усвоении галактозы у Е. coli.

Рассмотрим систему регуляции ферментов, сбраживающих лактозу (рис. 27). Репрессор, производимый геном R, блокирует ген О до тех пор, пока в среде нет лактозы. При появлении лактозы репрессор соединяется с ней и дает неактивный голорепрессор. Наступает дерепрессия оперона. Это состояние продолжается до тех пор, пока концентрация индуктора не снизится до определенного минимума.

Рис. 27. Схема индукции синтеза ферментов, участвующих в усвоении лактозы (Ф1-Ф4): 1 - апорепрессор; 2 - индуктор (в данном случае лактоза); 3 - апорепрессор (блокирован); 4 - распад лактозы; 5 - трансляция на рибосомах