Регуляция активности ферментов. Индукция и репрессия синтеза ферментов.

Лекция № 4. Механизмы внутриклеточной регуляции и управление биосинтезом целевых биотехнологических продуктов

Вопросы лекции:

1. Регуляция активности ферментов.Индукция и репрессия синтеза ферментов.

2. Аминокислотный контроль метаболизма и функции гуанозинтетрафосфата.

3. Катаболитная репрессия и циклический 3', 5-аденозинмонофосфат.

4. Регуляция переноса веществ через мембраны.

5. Регуляция усвоения азотсодержащих соединений.

Регуляция активности ферментов. Индукция и репрессия синтеза ферментов.

Регуляция активности ферментов

В клетке изменение скорости катализируемых ферментами биохимических реакций может осуществляться двумя способами:

1. Быстрый (действующий в течение секунд или минут) механизм, который зависит от изменения каталитической активности индивидуальных молекул фермента.

2. Более медленный (действующий в течение многих минут или часов) механизм, лимитируемый количеством фермента, которое определяется скоростью процессов его синтеза и распада.

Оба эти механизма обычно действуют при посредстве низкомолекулярных соединений, образующихся в клетке как промежуточные метаболиты или проникающие в нее из окружающей среды.

Самый простой способ регуляции любого метаболического пути может быть основан на доступности субстрата, а также кофактора. Уменьшение концентрации субстрата приводит к снижению скорости потока веществ через данный метаболический путь. С другой стороны, увеличение концентрации субстрата будет стимулировать метаболический путь. В селекции продуцентов различных метаболитов генетические манипуляции, направленные на увеличение концентрации предшественников, нередко являются эффективным средством повышения выхода целевого продукта.

Аналогичную роль может играть и повышение концентрации кофакторов.

В обратимых реакциях эффективное удаление продукта увеличивает скорость его образования из субстрата. В этом случае повышение эффективности удаления промежуточного продукта путем, например, увеличения скорости последующей неравновесной реакции будет стимулировать весь метаболический путь. Для увеличения скорости реакции можно, например, амплифицировать ген, контролирующий синтез соответствующего фермента.

Наиболее гибким и широко распространенным способом контроля метаболизма в клетке является регуляция активности ферментов по принципу обратной связи.

Процессы биосинтеза многих метаболитов характеризуются тем, что конечный продукт данного биосинтетического пути при повышении его концентрации подавляет активность первого фермента этого пути. В результате такого подавления соответствующий процесс биосинтеза останавливается — конечный продукт, а также промежуточные продукты, участвующие в его образовании, не накапливаются в клетке. Таким образом, интенсивность процесса биосинтеза зависит от скорости потребления конечного продукта. Этот механизм автоматической регуляции называют подавлением под действием конечного продукта или ретроингибированием.

Многочисленные эксперименты по включению меченых соединений в макромолекулы показали, что в процессе роста бактерии преимущественно используют добавленные аминокислоты, пурины и пиримидины и что эти соединения оказывают ингибирующее действие на свой собственный синтез из молекул-предшественников. Очевидно, что регуляция активности ферментов с помощью ретроингибирования является общей особенностью метаболизма.

Исследования механизма подавления под действием конечного продукта, проведенные in vitro с использованием очищенных ферментов, показали, что ингибитор образует комплекс с ферментом. При этом он связывается со специфическим участком, который имеет высокое сродство к ингибитору и полностью отличается от активного центра фермента. Этот участок назвали аллостерическим участком или аллостерическим центром, а ферменты, имеющие аллостерический центр, — аллостерическими ферментами.

Аллостерические ферменты представляют собой олигомеры; они состоят из нескольких субъединиц, способных взаимодействовать друг с другом. Связывание ингибитора искажает трехмерную структуру фермента; это искажение передается активному центру и вызывает подавление активности фермента.

При мутационном повреждении аллостерического центра процесс биосинтеза не будет более подавляться конечным продуктом и последний начнет выделяться в среду. Для отбора таких мутантов используют структурные аналоги метаболитов. Например, 5-метилтриптофан, аналог триптофана, так же как и триптофан, подавляет антранилатсинтетазу, но не заменяет триптофан в белке и поэтому задерживает рост бактерий. Некоторые мутанты, устойчивые к этому аналогу, действительно выделяют триптофан в среду, и антранилатсинтетаза у них не чувствительна к ингибирующему действию триптофана и 5-метил-триптофана.

Дата добавления: 2015-07-07