Биологический каталог




Основы энзимологии

Автор В.К.Плакунов

нной ДНК и соответствующее место в экваториальной области клетки занято, то сборка клеточной перегородки не может быть осуществлена и клеточное деление тормозится. Формально в этом случае наблюдается зависимость между репликацией ДНК и делением клетки.

15.6. Взаимодействие регуляторных механизмов при управлении скоростью роста микроорганизмов

Один из узловых вопросов, связанных с управлением скоростью роста микроорганизмов — о механизмах перестройки метаболизма микробной клетки при изменении состава питательной среды.

В хемостатной культуре регулирование состава среды (смена «лимитирующего» субстрата) позволяет получить клетки определенного химического состава а иногда и с заранее заданными свойствами. Например, в соответствии с данными табл. 9 для получения клеток, обогащенных белком, но со сниженным содержанием нуклеиновых кислот (что важно для кормовых и пищевых целей) целесообразно использовать лимитирование по фосфору.

119

При обогащении среды, допустим, путем добавления дополнительных питательных веществ (аминокислот), а в хемостатной культуре путем увеличения протока среды, скорость роста увеличивается до нового значения, которое, как правило, не является максимально возможным в силу неполной реализации потенциала клетки. Это происходит из-за наличия так называемых узких мест, т. е. биохимических реакций, ограничивающих скорость всего процесса, а выявляя их, можно получить максимальный выход биомассы и ценных для человека продуктов метаболизма (в случае использования микроорганизмов в биотехнологических процессах).

Таблица 9. Влияние различных видов лимитирования на состав клеток микроорганизма (типа Escherichia coli)

Лимитируемый источник Состав клеток Белок Нуклеиновые кислоты Липиды Запасные вещества

Углерод Не влияет Не влияет Снижает Снижает

Азот Снижает Снижает Повышает Повышает

Фосфор Не влияет или повышает Снижает Снижает Повышает

Цинк Не влияет Снижает Не влияет Не влияет

Рассмотрим значение разных уровней регуляции, представленных на схеме (рис. 46), для управления общей скоростью роста организма.

Обычно скорость транспорта субстратов (7) более или менее точно сбалансирована со скоростью их метаболизма (для большинства Сахаров и органических кислот), а иногда превышает ее (для аминокислот). В последнем случае в клетке формируется резерв (пул) субстратов, способный оказывать разнообразное, в том числе тормозящее, действие на метаболизм клетки, если отсутствует транс-регуляторное ингибирование транспорта этих субстратов из среды их внутриклеточным пулом. При некоторых условиях транспорт оказывается лимитирующим этапом метаболизма, например при дефиците в среде необходимых субстратов и кофакторов, особенно в случае организмов, не способных к синтезу данных веществ (ауксотрофов) или осуществляющих эти процессы с пониженной скоростью (брадитрофов). Аналогичная ситуация создается при недостаточной эффективности транспортных систем (криптические мутанты), даже если в среде избыток

120

субстрата. Этап выделения продуктов (8) может лимитировать рост, если продукт обладает ингибиторным или отрицательным регу-ляторным действием на метаболизм. В клетке при этом может вырабатываться специальный механизм (мембранный транспортный канал) для активного удаления таких веществ.

В тех случаях, когда транспортный процесс становится узким местом, лимитирующим общую скорость метаболизма, воздействие, активирующее транспорт или повышающее избирательную проницаемость клеточной оболочки, может положительно

Д

В

ДНК ДНК + ДНК

........- РНК

тРНк^'^рРГ^ир:

нк

г

ж

Белок-предшественннк Р

„>. Белок-посредник ^.

И

Субстрат

(внутри)

7

Субстрат

(снаружи)

Продукт

(внутри)

Продукт

(снаружи)

Рис. 46. Схема основных биохимических процессов и способов их регуляции:

1-5 — уровень биосинтеза белковых посредников; основные процессы: 1 — репликация, 2 — транскрипция, 3—сборка аппарата трансляции, 4—трансляция, 5—посттрансляционная модификация; основные способы регуляции: А — участие транскрипции в рапликации (РНК-затравка), Б — влияние трансляции на транскрипцию (аттенюация, «строгий» контроль), В — индукция, Г — репрессия, Д — экзогенная индукция; 6-8 — уровень функционирования белковых посредников; основные процессы: 6 — ферментативная активность, 7 — транспорт субстратов, 8 — экскреция продуктов; основные способы регуляции: ? — обратимая ковалентная модификация, Ж — влияние субстрата на активность фермента, 3—влияние продукта на активность фермента, И —трансрегуляция транспорта, К — цис-регуляция транспорта

Сплошными линиями показаны основные пути синтеза и функционирования белковых посредников, штриховыми линиями —основные механизмы регуляции. На схеме не обозначено, но подразумевается участие белковых посредников в процессах репликации, транскрипции, трансляции и транспорта

121

влиять на скорость роста организма. Этап функционирования ферментов (6) может оказаться рост-лимитирующим звеном метаболизма лишь при отсутствии в клетке необходимого количества фермента (либо у дефектных мутантов, имеющих малоактивный фермент). При этом быстро включаются компенсирующие механизмы: наступает индукция фермента или снимается репрессия его синтеза. Для конститутивных ферментов возможна стимуляция на уровне трансляции. Только при недостаточной эффективности всех этих регуляторных механизмов количество фермента может оказаться неадекватным условиям роста.

Во многих случаях несбалансированного роста наиболее вероятными претендентами на роль «узких мест» метаболизма являются процессы синтеза макромолекул, особенно РНК и белка. Этап репликации (1) редко выступает в качестве узкого места метаболизма, хотя скорость элонгации ДНК — величина достаточно постоянная, составляющая у Escherichia coli около 2000 пар нуклеотидов в секунду, и мало зависит от условий выращивания (в оптимальной области снабжения предшественниками). Это объясняется специальной организацией регуляторных механизмов, настроенных таким образом, что при улучшении условий питания повышается частота инициации новых циклов репликации ДНК. Поэтому, если время генерации меньше, чем период репликации ДНК (у Escherichia coli 35—40 мин.), то новые циклы репликации инициируются до завершения старых и в быстро растущих клетках ДНК присутствует в виде сильно разветвленной структуры, соответствующей по массе 3—8 эквивалентам генофора. При этом, очевидно, локусов, расположенных вблизи от точки начала репликации, в клетке значительно больше, чем расположенных ближе к точке терминации, что может вызывать повышение синтеза некоторых белков (эффект дозы гена). Однако чаще всего эффект дозы гена не проявляется из-за регуляции на уровне транскрипции и трансляции.

Менее определенной оказывается ситуация с транскрипцией (2). Длительное время считалось, что скорость элонгации в транскрипции является такой же постоянной величиной, как и в репликации. Но появляется все больше сведений о том, что в транскрипции она может варьировать.

Сущ

страница 31
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

Скачать книгу "Основы энзимологии" (0.9Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(10.12.2019)