Глава 6. Регуляция метаболизма у бактерий

Клетка бактерий E. coli содержит около 10⁷ молекул белка. С другой стороны, в ДНК этих бактерий зашифрована информация о структуре примерно 3000 разных белков. Если бы все 3000 бактериальных генов работали одинаково эффективно, т. е. все типы клеточных белков синтезировались в одинаковом количестве, то каждая клетка бактерий E. coli содержала бы около 3000 копий каждой белковой молекулы, закоди-рованной в ее геноме. Однако анализ относительного количества разных белков в клетке на определенных стадиях роста бактерий показал, что содержание некоторых из них не превышает 10 молекул на клетку, в то время как содержание других видов белков доходит до 500 000 молекул на клетку. Это свидетельствует о том, что в клетке E. coli различные белки синтезируются не в одинаковых количествах, т. е. не все гены клетки в одно и то же время экспрессируются одинаково эффективно. Следовательно, существуют механизмы, обеспечивающие регуляцию биохимической активности бактериальной клетки.

В начале прошлого века было выяснено, что ферментативные свойства микроорганизмов зависят от того, на какой среде они были выращены, т. е. клетки можно «тренировать» или «воспитывать». Если некоторые штаммы дрожжей выращивать в среде с лактозой, то они утилизируют ее за счет наличия ферментов лактозного метаболизма. При переносе дрожжей в среду с глюкозой эти ферменты исчезают, так как в них отпадает необходимость, и синтезируются ферменты глюкозного метаболизма, что обеспечивает утилизацию глюкозы в качестве источника углерода и энергии. В 30-х гг. прошлого столетия Х. Карстрем, изучив образование ряда ферментов углеводного метаболизма у бактерий, разделил их на два класса: адаптивные ферменты, которые образуются только в присутствии своего субстрата в среде, и конститутивные ферменты, образующиеся независимо от состава среды.

Одним из ферментов бактерий E. coli, отнесенных к классу адаптивных является β-галактозидаза. Этот фермент катализирует реакцию гидролиза своего естественного субстрата лактозы, а также других β-галактозидов. Было установлено, что клетки бактерий E. coli содержат β-галактозидазу только тогда, когда они растут на среде, содержащей лактозу в качестве источника углерода и энергии; на среде, содержащей вместо лактозы какой-нибудь другой естественный углевод, например глюкозу, клетки бактерий E. coli не синтезируют этого фермента. Исследованиями адаптационного образования β-галактозидазы у E. coli занимался Ж. Моно в 50-х гг. прошлого столетия. В результате он переименовал феномен адаптации в «индукцию ферментов», а вещества, в присутствии которых в клетках образовывались соответствующие ферменты (например, лактоза), были названы индукторами. Ферменты, синтезируемые в присутствии индукторов, получили название индуцибельных. Следовательно, в настоящее время различают конститутивные и индуцибельные ферменты.

Существуют 2 способа регуляции метаболизма у бактерий:

1) на уровне активности ферментов, или регуляция активности ферментов;

2) на уровне генов, или регуляция синтеза ферментов.