ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Принципы регуляции метаболизма из "Введение в биотехнологию" Согласованный биосинтез клеточных компонентов регулируется очень точными и целенаправленными механизмами регуляции ферментативных процессов, выработанными в ходе длительной эволюции. В этой регуляции изменяется либо количество соответствующих ферментов, либо их активность. [c.46] Изменение количества синтезируемых ферментов в клетке идет в результате действия механизмов индукции и репрессии. Индукцией называют процесс увеличения количества соответствующего фермента в клетке под влиянием субстрата. Последний индуцирует образование главным образом ферментов обмена веществ в процессах энергетического катаболизма. Если в состав ДНК входит несколько генОв, определяющих синтез относящихся к разным субстратам ферментов, то в конкретных условиях среды, содержащей определенные субстраты, целесообразно синтезировать только те ферменты, для действия которых в среде имеется субстрат. [c.46] Теория, разработанная Жакобом и Моно, дает понятие о механизме индукции ферментов. Синтез ферментов, как уже было сказано выще, определяют участки молекулы ДНК — цистроны, или структурные гены. Помимо них в молекуле ДНК имеются также регуляторные гены, контролирующие деятельность структурных генов. Гены-регуляторы вызывают или прекращают синтез особых веществ белковой природы — репрессоров. Они специфически блокируют соответствующий структурный ген, прекращая таким образом синтез и-РНК и вместе с этим синтез определенного ферментного белка (рис. 19). [c.46] Принимают участие несколько ферментов. В таких случаях субстрат сам может координированно регулировать биосинтез этих ферментов (рис. 20). [c.47] Наблюдаются и такие цепи катаболических реакций, когда субстрат действует как индуктор фермента только для первой реакции, затем первый промежуточный продукт А индуцирует биосинтез следующего фермента и т. д. Использование регуляторного механизма индукции ферментов дает возможность значительно увеличить синтез этих ферментов. При длительном выращивании культуры Е. oii на среде с лактозой содержание Р-галактозидазы увеличивается в 1000 раз. После индукции количество этого фермента в клетке достигает 3% общего содержания белков. Аналогичная картина наблюдается при работе с продуцентом амилазы — плесневыми грибами рода Aspergillus. [c.47] Регуляторный механизм репрессии конечным продуктом показан на рис. 22. Из него видно, что ген-регулятор образует апорепрессор, превращающийся в репрессор только после связи с конечным продуктом реакций — корепрессором. Только в таком связанном виде репрессор блокирует ген-оператор и прекращает синтез фермента. [c.48] В регуляции катаболизма репрессорами могут быть исходные или промежуточные продукты. При помощи этого механизма регуляции бактерии Е. соИ из двух источников углерода — глюкозы и сорбозы вначале используют легко катаболизируе-мую глюкозу. Этот углевод в данном случае является репрессором ферментов катаболизма сорбозы. После использования глюкозы репрессия заканчивается и новый субстрат — сорбоза индуцирует синтез новых ферментов. Явление, когда культура микроорганизмов использует несколько различных субстратов среды не одновременно, а постепенно один за другим, называют диауксией. [c.48] Для успешного проведения микробиологического синтеза необходимо знать метаболизм соответствующей культуры и следить за тем, чтобы в составе среды роста не было репрессирующих веществ. [c.49] Надо отметить, что регуляторные механизмы индукции и репрессии действуют сравнительно медленно. [c.49] АМФ действует как положительный эффектор и ликвидирует влияние отрицательного эффектора — АТФ на процесс регуляции активности. [c.51] Ингибирование фермента конечным продуктом реакции часто встречается у ауксотрофных мутантов при получении аминокислот. Для роста синтезирующего лизин мутанта в среде необходимо присутствие треонина, который сам мутант не синтезирует из-за блокировки гена соответствующего фермента. Однако вначале, пока в среде еще есть треонин (конечный продукт), синтез лизина нарушается, так как треонин действует как ингибитор на первый фермент цепи синтеза лизина — аспартат-киназу. Надо отметить, что этот фермент имеет несколько изомеров, выполняющих одну и ту же функцию, но имеющих разные свойства. [c.51] Один из этих изоферментов — Е. oli — чувствителен к треонину (действует как ингибитор), другой — чувствителен к лизину. [c.51] В метаболизме клетки при биосинтезе отдельных компонентов обычно одновременно действует несколько регуляторных механизмов. [c.51] Как видно из рис. 24, регуляция ферментов биосинтеза аминокислот семейства аспарагиновой кислоты идет как путем ингибирования конечными продуктами, так и при действии механизмов репрессии. [c.51] В регуляции метаболизма большую роль играет циклический аденозинмонофосфат — ц-АМФ, синтезирующийся из АТФ. Доказано, что ц-АМФ может снять катаболитную репрессию. [c.51] Глубокое изучение механизмов регуляции ферментативных процессов, используемых в производстве культур микроорганизмов, дает возможность выбрать оптимальную среду выращивания для обеспечения высокого выхода полезного продукта. [c.51] Чтобы культура микроорганизмов могла нормально расти, размножаться и осуществлять биосинтез ка-кого-то вещества, необходимы оптимальные условия окружающей среды химические факторы — состав и концентрация питательных веществ, присутствие активаторов и ингибиторов физические факторы — температура, давление, реакция, плотность, подвижность среды, освещение, радиация и т. д. При нарушении оптимальных границ этих факторов нарушается обмен веществ, прекращается или ограничивается рост и размножение культуры. [c.52] Питательные среды. Источниками углерода в питательной среде для гетеротрофных микроорганизмов могут быть углеводы (моносахариды, полисахариды), спирты, кислоты, углеводороды и др. Концентрация этих веществ в среде может изменяться от десятых долей процента до 20%. Абсолютное содержание источника углерода для получения определенного количества нужного метаболита или биомассы рассчитывают, используя экспериментально определенные экономические коэффициенты выхода. [c.52] Источниками азота в питательной среде могут быть белки, пептиды, аминокислоты, соли аммония или аммиака, нитраты, а также атмосферный азот. Количество азотсодержащих веществ для образования биомассы можно вычислить, если известно содержание азота в данной биомассе и вероятный урожай ее. Обычно принимают, что 5% азота остается в питательной среде неиспользованным. [c.52] Вернуться к основной статье