Біосинтез ферментів і його регуляція на генетичному рівні
Осі і площини тіла людини - Тіло людини складається з певних топографічних частин і ділянок, в яких розташовані органи, м'язи, судини, нерви і т.д.
Диференціальні рівняння другого порядку (модель ринку з прогнозованими цінами) - У простих моделях ринку попит і пропозиція зазвичай вважають залежними тільки від поточної ціни на товар.
Первинна структура ферменту, як і будь-якого іншого білка, визначається тією інформацією, яка записана в інформаційній (матричної) РНК (мРНК) і зчитується за допомогою трьохбуквені (триплетного) коду. Нуклеотидная послідовність мРНК в свою чергу визначається комплементарної послідовністю підстав ДНК-матриці, тобто відповідного гена. В результаті мутацій нуклеотидних послідовність ДНК може змінитися, і будуть синтезуватися білки зі зміненою первинною структурою. Якщо нова амінокислота сильно відрізняється за своїми властивостями від вихідної, зміни можуть охопити високі рівні структурної організації і може статися часткова або повна втрата каталітичної активності (втім, в окремих випадках спостерігається, навпаки, її підвищення). Мутації в різних генетичних локусах можуть призводити до порушення синтезу найрізноманітніших ферментів і тим самим до розвитку багатьох генетичних захворювань.
Клітини можуть синтезувати специфічні ферменти у відповідь на присутність специфічних низькомолекулярних індукторів. Індукцію ферментів можна проілюструвати на такому прикладі. Клітини Escherichia coli, вирощені на глюкозі, не здатні зброджувати лактозу через відсутність ферменту b-галактозидази, гідроліз лактозу, яка розпадається на глюкозу і галактозу. Якщо в живильне середовище додати лактозу або деякі інші b-галактозид, то індукується синтез b-галактозидази, і культура клітин отримує можливість зброджувати лактозу.
Індуктор (лактоза) є субстратом индуцируемого білка (b-галактозидази). Багато індуктори одночасно служать субстратами ферментів, які вони індукують, проте в ролі індукторів можуть виступати і з'єднання, структурно подібні до субстратом, але самі не є субстратами. І навпаки, з'єднання може бути субстратом, але не бути індуктором. Нерідко якесь з'єднання індукує відразу кілька ферментів даного катаболічного шляху. У цих випадках говорять, що структурні гени, що кодують групу катаболічних ферментів, складають оперон і все ферменти, які кодуються генами оперона, індукуються єдиним індуктором (координована індукція). Здатність регулювати синтез ферментів за допомогою того чи іншого поживної речовини дозволяє бактерії використовувати це поживна речовина з максимальним для себе перевагою; в той же час «непотрібні» ферменти бактерія не синтезує.
Ферменти, концентрація яких в клітці не залежить від додавання індукторів, називаються конститутивним. Даний фермент може бути конститутивним для одного штаму, індукованим для іншого і взагалі бути відсутнім в третьому. Зазвичай клітини містять невелику, але вимірне кількість відповідного ферменту навіть за відсутності індуктора. Це - базовий рівень. Величина відгуку даного організму на введення індуктора визначається генетично. При індукції різних штамів може спостерігатися підвищення вмісту ферменту, варьирующее від дворазового до тисячократного. Таким чином, що міститься в клітині спадкова генетична інформація визначає і характер, і величину реакції на введення індуктора. Отже, поняття «конститутивний» і «індукований» відносні: вони характеризують лише крайні точки всього спектра можливих реакцій.
Індукція ферментів спостерігається і у еукаріот. Прикладами індукованих ферментів у ссавців є тріптофанпірролаза, треоніндегідраза, тирозин-a-оксоглутарат-трансаминаза, інвертаза, ферменти циклу сечовини, HMG-СоА-редуктаза і цитохром Р-450.
Бактерії, здатні синтезувати певний метаболіт, при наявності цього метаболіту в середовищі можуть призупинити його синтез в результаті репресії. В цьому випадку невелика молекула, наприклад пурин або амінокислота, діючи як корепрессора, блокує синтез ферментів, які беруть участь в біосинтезі самого корепрессора. Наприклад, додавання гистидина в середу, на якій росте бактерія Salmonella typhimurium, пригнічує (репресує) синтез всіх ферментів біосинтезу гистидина; додавання в середовище лейцину репресує синтез перших трьох ферментів, які беруть участь виключно в біосинтезі лейцину. В обох випадках гени ферментів, відповідальних за біосинтез даного метаболіту, утворюють оперон: додавання в середовище кінцевого продукту біосинтезу, гістидину або лейцину, викликає координовану репресію. Координована репресія спостерігається не для всіх шляхів біосинтезу. Після видалення із середовища корепрессора або ж при виснаженні його запасів біосинтез відповідних ферментів відновлюється. Це явище називають дерепресія. Дерепресія може бути координованої і некоординованою.
Наведені вище приклади ілюструють репресію кінцевим продуктом за принципом зворотного зв'язку, характерну для процесів біосинтезу в бактеріях. Подібне явище - катаболітной репресія - полягає в тому, що одне з проміжних сполук в ланцюжку катаболічних ферментативних реакцій репресує синтез катаболічних ферментів. Воно було вперше виявлено при вивченні культури Е. coli, що росте на середовищі, що містить в якості джерела вуглецю глюкозу, а іншу сполуку (X). Додавання глюкози репресував синтез ферментів, які беруть участь в катаболизме X. Це явище спочатку називали «ефект глюкози», але потім виявилося, що подібні ефекти можуть викликати і інші окислюються поживні речовини; тому був запропонований термін «катаболітной репресія». Катаболітной репресія здійснюється за участю сАМР.
У розгалужених процесах біосинтезу, наприклад при біосинтезі амінокислот з розгалуженими бічними ланцюгами або амінокислот сімейства аспартату, ферменти початкових стадій беруть участь в біосинтезі декількох амінокислот. Якщо в середу, на якій ростуть бактерії, додати лізин, репресує синтез ферментів, які беруть участь виключно в біосинтезі лізину (EnzL). Додавання в середу треоніну викликає репресію ферментів, які беруть участь тільки в біосинтезі треоніну (EnzT). Це - приклади простий репресії кінцевим продуктом. У той же час ферменти Enz1 і Enz2 беруть участь одночасно в біосинтезі і лізину, і треоніну. Якби репресію їх синтезу викликав кожен з кінцевих продуктів окремо, то спостерігався б недолік іншої амінокислоти. Якщо ж в середу додати одночасно і лізин, і треонін, то ферменти Enz, і Enz2 виявляться зайвими; їх репресія була б вигідна бактерії, оскільки дозволила б більш ефективно використовувати наявні поживні речовини. У присутності всіх кінцевих продуктів, що утворюються на різних відгалуженнях шляху біосинтезу, може спостерігатися мультівалентная репресія. Це відбувається тільки тоді, коли всі кінцеві продукти, синтезовані даними набором ферментів, присутні в надлишку. Отже, для повної репресії аспартокінази необхідна присутність не тільки лізину і треоніну, але також ще і метіоніну і ізолейцину.