Informace

19.8: Regulace enzymů - biologie


Učební cíle

  1. Stručně porovnejte genetickou kontrolu aktivity enzymu v bakteriích s kontrolou aktivity enzymu prostřednictvím zpětné vazby.
  2. Stručně porovnejte indukovatelný operon s represibilním operonem.
  3. Stručně porovnejte kompetitivní inhibici s nekompetitivní inhibicí.

V živých buňkách existují stovky různých enzymů, které spolupracují koordinovaně. Živé buňky nesyntetizují ani nerozkládají více materiálu, než je nutné pro normální metabolismus a růst. To vše vyžaduje přesné řídicí mechanismy pro zapnutí a vypnutí metabolických reakcí. Enzymy lze ovládat nebo regulovat dvěma způsoby: řízení syntézy enzymu (genetická kontrola) a řízení aktivity enzymu (zpětnovazební inhibice).

Genetická kontrola

Genetická kontrola aktivity enzymu se týká řízení transkripce mRNA potřebné pro syntézu enzymu. V prokaryotických buňkách to zahrnuje indukci nebo represi syntézy enzymů regulačními proteiny, které se mohou vázat na DNA a buď blokovat nebo posílit funkci RNA polymerázy, enzymu potřebného pro transkripci. Regulační proteiny jsou součástí buď operonu, nebo regulonu. Operon je sada genů přepsaných jako polycistronická zpráva, která je kolektivně řízena regulačním proteinem. Regulon je sada příbuzných genů řízených stejným regulačním proteinem, ale přepsaných jako monocistronické jednotky. Regulační proteiny mohou fungovat buď jako represory nebo aktivátory.

Genetická kontrola: represory

Represory jsou regulační proteiny, které blokují transkripci mRNA. Dělají to vazbou na část DNA nazývanou operátor, která leží za promotorem. Vazba regulačního proteinu na operátor brání RNA polymerázě procházet operátorem a přepisovat kódující sekvenci pro enzymy. Tomu se říká negativní kontrola. Represory jsou alosterické proteiny, které mají vazebné místo pro konkrétní molekulu. Vazba této molekuly na alosterické místo represoru může změnit tvar represora, což zase ovlivňuje jeho schopnost vázat se na DNA. To může fungovat jedním ze dvou způsobů:

Některé represory jsou syntetizovány ve formě, která se sama nemůže vázat na operátora. Vazba molekuly nazývané korepresor však mění tvar regulačního proteinu na formu, která se může vázat na operátora a blokovat transkripci.

Obrázek ( PageIndex {1} ): Potlačitelný operon v nepřítomnosti korepresoru (tryptofanový operon). Krok 1: Regulační gen kóduje neaktivní represorový protein. Krok 2: Inaktivovaný represorový protein se nemůže vázat na operátorovou oblast operonu.

Příkladem tohoto druhu represe je trp operon v E-coli který kóduje pět enzymů v cestě pro biosyntézu aminokyseliny tryptofan. V tomto případě se represorový protein kódovaný regulačním genem normálně neváže na oblast operátora trp vyrobí se operon a pět enzymů potřebných k syntéze aminokyseliny tryptofan (Obrázek ( PageIndex {1} ) a Obrázek ( PageIndex {2} )).

Obrázek ( PageIndex {2} ): Potlačitelný operon v nepřítomnosti korepresoru (tryptofanový operon). Krok 3: Protože se neaktivní represorový protein nedokáže vázat na operátorovou oblast, RNA polymeráza (enzym zodpovědný za transkripci genů) je nyní schopná vázat se na promotorovou oblast operonu. Krok 4: RNA polymeráza je nyní schopná přepsat pět genů enzymu do mRNA. Krok 5: S transkripcí těchto genů je nyní vyrobeno pět enzymů potřebných pro bakterii k syntéze aminokyseliny tryptofan.

Tryptofan, konečný produkt těchto enzymatických reakcí, však funguje jako korepresor. Tryptofan se dokáže vázat na místo na alosterickém represorovém proteinu, mění svůj tvar a umožňuje interakci s oblastí operátora. Jakmile se represor naváže na operátora, RNA polymeráza se nedokáže dostat za operátora a transkribovat geny pro biosyntézu tryptofanu. Proto je -li k dispozici dostatek tryptofanu, transkripce enzymů, které umožňují jeho biosyntézu, je vypnuta (obrázek ( PageIndex {3} ) a Figure ( PageIndex {4} )).

Obrázek ( PageIndex {3} ): Potlačitelný operon v přítomnosti korepresoru (tryptofanský operon). Krok 2: Pokud je přítomen korepresor, tryptofan, váže se na neaktivní represorový protein. Krok 3: Vazba korepresoru způsobí aktivaci neaktivního represorového proteinu. Krok 4: Aktivovaný represorový protein se poté váže na operátorovou oblast operonu.

Obrázek ( PageIndex {4} ): Potlačitelný operon v přítomnosti korepresoru (tryptofanský operon). Krok 5: S aktivním represorovým proteinem navázaným na operátorovou oblast se RNA polymeráza (enzym zodpovědný za transkripci genů) nedokáže vázat na promotorovou oblast operonu. Krok 6: Pokud se RNA polymeráza neváže na promotorovou oblast, pět enzymových genů není transkribováno do mRNA. Krok 5: Bez transkripce pěti genů není vyrobeno pět enzymů potřebných pro bakterii k syntéze aminokyseliny tryptofan.

Jiné represory jsou syntetizovány ve formě, která se snadno váže na operátora a blokuje transkripci. Vazba molekuly nazývané induktor však mění tvar regulačního proteinu způsobem, který nyní blokuje jeho vazbu na operátora a umožňuje tak transkripci.

Příkladem toho je lac operon, který kóduje tři enzymy potřebné pro degradaci laktózy o E-coli. E-coli bude syntetizovat pouze tři enzymy, které potřebuje k využití laktózy, pokud je tento cukr přítomen v okolním prostředí. V tomto případě laktóza funguje jako induktor. V nepřítomnosti laktózy se represorový protein váže na operátora a RNA polymeráza se nedokáže dostat mimo operátor a přepsat geny pro využití laktózy a tři enzymy pro degradaci laktózy nejsou syntetizovány (obrázek ( PageIndex {5} ) a obrázek ( PageIndex {6} )).

Obrázek ( PageIndex {5} ): Indukovatelný operon v nepřítomnosti induktoru (Laktózový operon). Krok 1: Regulační gen kóduje aktivní represorový protein.
Krok 2: Represorový protein se poté váže na operátorovou oblast operonu.

Obrázek ( PageIndex {6} ): Indukovatelný operon v nepřítomnosti induktoru (Laktózový operon). Krok 3: S aktivním represorovým proteinem navázaným na oblast operátora se RNA polymeráza (enzym zodpovědný za transkripci genů) nedokáže vázat na promotorovou oblast operonu. Krok 4: Pokud se RNA polymeráza neváže na promotorovou oblast, tři enzymové geny (Z, Y a A) nejsou transkribovány do mRNA. Krok 5: Bez transkripce tří enzymových genů nejsou syntetizovány tři enzymy potřebné pro využití cukrové laktózy bakteriemi.

Pokud je přítomna laktóza, induktor, váže se na alosterický represorový protein a způsobí, že změní tvar takovým způsobem, že se již nedokáže vázat na operátora. RNA polymeráza nyní může přepsat tři geny potřebné pro degradaci laktózy a bakterie je schopna syntetizovat enzymy potřebné pro její využití (obrázek ( PageIndex {7} ) a obrázek ( PageIndex {8} )) .

Obrázek ( PageIndex {7} ): Indukovatelný operon v přítomnosti induktoru (laktózový operon) Krok 1: Regulační gen kóduje aktivní represorový protein. Krok 2: Laktóza, induktorová molekula se váže na aktivní represorový protein. Krok 3: Vazba induktoru deaktivuje represorový protein. Krok 4: Inaktivovaný represorový protein se pak nemůže vázat na operátorovou oblast operonu.

Obrázek ( PageIndex {8} ): Indukovatelný operon v přítomnosti induktoru (laktózový operon) Krok 5: Protože neaktivní represorový protein se nemůže vázat na oblast operátora, RNA polymeráza (enzym zodpovědný za transkripci genů) se nyní dokáže vázat na promotorová oblast operonu. Krok 6: RNA polymeráza je nyní schopna přepsat tři enzymové geny (Z, Y a A) do mRNA. Krok 7: S transkripcí těchto genů jsou nyní syntetizovány tři enzymy potřebné pro bakterii k využití cukrové laktózy. (Gen Z kóduje beta-galaktosidázu, enzym, který štěpí laktózu na glukózu a galaktózu. Gen Y kóduje permeázu, enzym, který transportuje laktózu do bakterie. Gen A kóduje transacetylázu, což je enzym, který pomoc při uvolňování galaktosidů.)

  • Regulační gen kóduje aktivní represorový protein.
  • Represorový protein se poté váže na operátorovou oblast operonu.
  • S aktivním represorovým proteinem navázaným na oblast operátora se RNA polymeráza (enzym zodpovědný za transkripci genů) nedokáže vázat na promotorovou oblast operonu.
  • Pokud se RNA polymeráza neváže na promotorovou oblast, tři enzymové geny (Z, Y a A) nejsou transkribovány do mRNA.
  • Bez transkripce tří enzymových genů nejsou syntetizovány tři enzymy potřebné pro využití cukrové laktózy bakteriemi.

  • Regulační gen kóduje aktivní represorový protein.
  • Laktóza, induktorová molekula, se váže na aktivní represorový protein.
  • Vazba induktoru mění tvar alosterického represoru, což způsobuje jeho inaktivaci.
  • Inaktivovaný represorový protein se pak nedokáže vázat na operátorovou oblast operonu.
  • Protože se neaktivní represorový protein nedokáže vázat na operátorovou oblast, RNA polymeráza (enzym zodpovědný za transkripci genů) je nyní schopná vázat se na promotorovou oblast operonu.
  • RNA polymeráza je nyní schopná přepsat tři enzymové geny (Z, Y a A) do mRNA.
  • S transkripcí těchto genů jsou nyní syntetizovány tři enzymy potřebné pro bakterii k využití cukrové laktózy. Gen A kóduje transacetylázu, enzym, o kterém se předpokládá, že pomáhá při uvolňování galaktosidů.)

Genetická kontrola: Aktivátory

Aktivátory jsou regulační proteiny, které podporují transkripci mRNA. Aktivátory řídí geny, které mají promotor, na který se RNA polymeráza nemůže vázat. Promotor leží v sousedství segmentu DNA nazývaného vazebné místo aktivátoru. Aktivátor je alosterický protein syntetizovaný ve formě, která se nemůže normálně vázat na vazebné místo aktivátoru. V důsledku toho se RNA polymeráza nemůže vázat na promotor a přepisovat geny (obrázek ( PageIndex {9} )).

Obrázek ( PageIndex {9} ): Aktivátorový protein v nepřítomnosti induktoru

Vazba molekuly nazývané induktor na aktivátor však mění tvar aktivátoru způsobem, který mu nyní umožňuje vázat se na vazebné místo aktivátoru. Vazba aktivátoru na vazebné místo aktivátoru zase umožňuje RNA polymerase vázat se na promotor a zahájit transkripci (obrázek ( PageIndex {1} ) 0 a obrázek ( PageIndex {1} ) 1 ). Tomu se říká pozitivní kontrola.

Obrázek ( PageIndex {1} ) 0: Aktivátorový protein v přítomnosti induktoru, krok-1

Obrázek ( PageIndex {11} ): Aktivátorový protein v přítomnosti induktoru, krok-2

Bakterie také používají translační kontrola syntézy enzymů. V tomto případě bakterie produkují antisense RNA, která je komplementární k mRNA kódující enzym. Když se antisense RNA váže na mRNA komplementárním párováním bází, mRNA nelze převést na protein a enzym není vytvořen (obrázek ( PageIndex {12} )).

Obrázek ( PageIndex {12} ): Antisense RNA. Během translační kontroly syntézy enzymů produkují bakterie antisense RNA, která je komplementární k mRNA kódující enzym. Když se antisense RNA váže na mRNA komplementárním párováním bází, mRNA nemůže být převedena na protein a enzym není vytvořen.

Inhibice zpětné vazby

Aktivitu enzymu lze ovládat pomocí kompetitivní inhibice a nekompetitivní inhibice. Při nekompetitivní inhibici je inhibitor konečným produktem metabolické dráhy, která je schopná vázat se na druhé místo (alosterické místo) enzymu. Vazba inhibitoru na alosterické místo mění tvar aktivního místa enzymu, a tím brání vazbě prvního substrátu v metabolické dráze. Tímto způsobem je cesta vypnuta (obrázek ( PageIndex {13} )).

Obrázek ( PageIndex {13} ): Nekompetitivní inhibice alosterickými enzymy. Když se konečný produkt (inhibitor) dráhy spojí s alosterickým místem enzymu, změní to aktivní místo enzymu, takže se již nemůže vázat na výchozí substrát dráhy. To blokuje produkci konečného produktu.

Při kompetitivní inhibici je inhibitor konečným produktem enzymatické reakce. Tento konečný produkt je také schopen reagovat s aktivním místem enzymu a brání enzymu ve vazbě na jeho normální substrát. Výsledkem je, že konečný produkt již není syntetizován (obrázek ( PageIndex {14} )).

Obrázek ( PageIndex {14} ): Konkurenční inhibice enzymatické aktivity. Konečný produkt (inhibitor) dráhy se váže na aktivní místo prvního enzymu v dráze. Výsledkem je, že se enzym již nemůže vázat na výchozí substrát dráhy.


Podívejte se na video: BIC08: Enzymy (Leden 2022).