Организация и регуляция метаболизма в клетках продуцентов.

Скорость катаболизма в клетке регулируется, вообще говоря, не кон­центрацией тех или иных питательных веществ в окружающей среде, а по­требностью клетки в энергии в каждый данный момент. Клетка использует энергию в форме АТФ и для получения этой энергии перерабатывает такое количество «топлива», которое может удовлетворить потребность в энергии, связанную с выполняемой функцией. Точно так же и скорость биосинтеза клеточных компонентов определяется нуждами данного момента. Клетка, например, синтезирует аминокислоты со скоростью, достаточной как раз для того, чтобы обеспечить минимальное необходимое количество этих строи­тельных блоков, которые требуются ей для синтеза белка. Принцип макси­мальной экономии распространяется на все стороны клеточного метаболизма.

Для обеспечения высокой экономичности биохимических про­цессов в клетке в процессе эволюции образовалось множество механизмов регуляции метаболизма. Информацию о необходи­мых ферментах для осуществления определенного метаболизма дает ДНК.

Можно выделить следующие виды внутриклеточной регуляции:

- регуляция метаболитами. Она осуществляется изменениями концентраций метаболитов без изменения количества ферментов и их активности;

- ферментная регуляция. Данный тип регуляции связан с изменением активности ферментов без изменения их количеств, в том числе ретроингибированием;

– генная регуляция, т.е. регуляция объёма синтеза ферментов (индукция и репрессия биосинтеза ферментов);

– катаболитная репрессия.

5. Регуляция метаболитами, на ферментативном уровне в клетках продуцентов. Взаимосвязь регуляторных механизмов и их реализация в клетках. Влияние состава питательной среды на системы клеточной регуляции.

При регуляции метаболитами аллостерические ферменты регулируют распределение пото­ков веществ по различным путям метаболизма. Роль регуляторных сигналов, которые управляют активностями этих фер­ментов, выполняют концентрации ATP, NADH, NADPH, а так­же некоторых ключевых соединений-предшественников и про­межуточных веществ.

Очевидно, что концентрация АТР в клетке должна поддер­живаться на необходимом уровне. Мерой энергетического со­стояния клетки может служить аденилатный энергетический заряд, определяемый как отношение концентрации АТР к сумме концентраций AMP, ADP и АТР:

[АТР]+0,5[АDР],

Энергетический заряд = ---------------------------------

[AMP] + [ADP] + [АТР]

В большинстве клеток энергетический заряд изменяется в пре­делах от 0,87 до 0,94.

Чтобы понять, как достигается столь высокая степень посто­янства концентрации АТР, рассмотрим путь ЭМП и ЦТК (рисунок).

Первичным регуляторным ферментом здесь служит фосфофруктокиназа, которая активируется ADP и ингибируется АТР. Таким образом, этот фермент замедляет поток мета­болитов по пути ЭМП, если энергетический заряд высок, и на­оборот. Аналогично действует пируваткиназа, активируемая AMP.

Энергетический заряд влияет и на активность цикла ТКК. Изоцитратдегидрогеназа активируется ADP и ингибируется АТР.

Ретроингибирование – это ингибирование по принципу обратной связи. При наличии в среде специфического субстрата начинает работать определенный фермент. Когда в результате многоступенчатых превращений накапливается конечный метаболит, то он тормозит работу фермента. С помощью этого механизма конечные продукты саморегулируют свой биосинтез:

.

Если продуцент выращивать на среде, содержащей аналог метаболита или антиметаболит, который не включаются в обмен веществ, то рост организмов будет подавляться. В этих условиях выживают лишь некоторые клетки. Выжившие мутанты будут обладать дефектами в механизме регулирования активности фермента по принципу обратной связи, поэтому они не чувствительны к концентрации конечного продукта и способны к сверхсинтезу.

Все биологические реакции осуществляются с помощью ферментов. Ферменты, содержащиеся в микроорганизмах, можно разделить на три группы:

1)конститутивные ферменты – ферменты, синтез которых не зависит от состава питательной среды (например, ферменты гликолиза);

2)адаптивные или индуцибельные ферменты – ферменты, которые синтезируются в ответ на появление в питательной среде индукторов – субстратов или их структурных аналогов;

3)репрессибельные ферменты. Конечные продукты метаболизма могут вызывать замедление или остановку всех ферментов соответствующего пути. Это явление называется репрессией.

.

Если концентрация конечного продукта снижается до определенного очень низкого уровня, то происходит дерепрессия ферментов, то есть скорость их биосинтеза увеличивается до необходимой величины.

Если в питательной среде присутствуют несколько различных источников углерода, то клетки микроорганизма вырабатывают ферменты для усвоения только одного, более предпочтительного. После его полного исчерпания происходит экспрессия ферментов метаболизма другого источника углерода. Это явление получило название катаболитной репрессии.

Таким образом, один источник углерода подавляет биосинтез ферментов, обеспечивающих метаболизм другого источника углерода.

В некоторых случаях может иметь место репрес­сия или индукция одновременно целой группы ферментов; это связано с тем, что синтез всей этой группы ферментов закодирован в ДНК набором последо­вательно расположенных генов, который носит название оперона. Все гены, входящие в состав данного оперона, репрессируются и дерепрессируются одновременно. Такую репрессию или дерепрессию называют координирован­ной.

Целью того или иного процесса биохимической технологии может быть производство больших количеств определенных ме­таболитов. В таком случае стремление добиться максимальной производительности в отношении этих соединений, очевидно, вступает в противоречие с системами жизнеобеспечения и регу­ляции нативного организма. Чтобы заставить клетку продуци­ровать необходимые метаболиты достаточно эффективно (с точки зрения человека, но не «с точки зрения» клетки), часто пы­таются модифицировать регулирующие метаболизм ферменты таким образом, чтобы свойственные нативной клетке системы регуляции не срабатывали и происходило перепроизводство нужных метаболитов.

Дата добавления: 2015-08-10