Ферменты, биосинтез, регуляция у бактерий

Другим заслуживающим внимания примером может служить регуляция активности глутаминсинтетазы у Е. соИ, в которой участвует целый набор аллостерических эффекторов. У этой бактерии глутамин играет роль донора аминогрупп при биосинтезе многих метаболических продуктов (рис. 22-9). Известно восемь продуктов обмена глутамина, которые выполняют у Е. соН функцию отрицательных модуляторов активности глутаминсинтетазы, действуя по типу обратной связи. Глутаминсинтетаза-один из самьк сложных регуляторных ферментов, какие мы знаем. [c.660]

Гетерогенность разных видов и клонов бактерий по магнитной восприимчивости определяется количественным соотношением в них диа- и парамагнитных соединений (Павлович, 1984, 1985 Павлович, Галлиулин, 1986 Галлиулин, 1986). Развивающиеся микроорганизмы не находятся в строгом равновесии с окружающей средой и являются неравновесными открытыми системами, т. е. в течение определенного времени в химическом составе клеток каких-либо изменений не происходит, хотя клеточные вещества постоянно и очень интенсивно обновляются. Кажущееся постоянство химического состава объясняется тем, что процессы обмена веществом и энергией между питательной средой и микробными клетками уравновешены. Отличаясь устойчивостью, метаболизм микробов в то же время характеризуется и значительной изменчивостью. Скорость катаболизма и биосинтеза структурных элементов в каждый момент определяется потребностями клеток, которые обычно обеспечиваются минимальными количествами вещества, что обусловлено наличием тонких механизмов регуляции обмена веществ и энергии. Самые простые из них, влияющие на скорость ферментативной реакции у бактерий, вызывают изменения концентрации водородных ионов, субстрата, появление ингибиторов или, наоборот, активаторов и т. д. Более сложным уровнем регуляции может быть ингибирование мультиферментных реакций конечным продуктом определенной метаболической последовательности регуляторных ферментов, катализирующих начальные звенья цепи биохимической реакции. Клеточный метаболизм, наконец, детерминируется генотипом, поэтому скорость синтеза ферментов и течение реакций у микроорганизмов высокоспецифичны. [c.81]

На минимальной ростовой среде, содержащей углерод, водород, азот, кислород и серу, бактерии, например Е. соИ, синтезируют большое число различных метаболитов, включая все 20 аминокислот, необходимых для образования белков, и полный набор нуклеотидов для синтеза РНК и ДНК. В то же время у высших организмов, например у млекопитающих, некоторые важные ферменты отсутствуют, и вследствие этого многие соединения оказываются незаменимыми компонентами пищи. Можно полагать, что необычайная разветвленность метаболических путей у бактерий обусловлена необходимостью использования больших количеств углерода, азота и энергии для синтеза не только всех аминокислот и нуклеотидов, но также и ферментов, катализирующих их образование (только в биосинтезе аминокислот число их превышает 100). Неудивительно поэтому, что в середине 50-х годов,, после того как были раскрыты основные метаболические пути, свое главное внимание исследователи сосредоточили на механизмах регуляции метаболизма — на том, как именно обеспечивается наиболее эффективное использование доступных питательных веществ.. Первые сведения о механизмах регуляции активности ферментов были получены в ходе экспериментов, проводившихся главным образом с целью выяснения последовательности стадий в определенных метаболических путях. [c.9]

Иной характер носит регуляция ферментативной активности метаболитами, не имеющими стерического сходства с участниками ферментной реакции. Исследование этой аллостери-ческой регуляции началось меньше десяти лет назад при изучении различных мутантов бактерий, утративших способность к синтезу того или иного фермента и потому неспособных синтезировать соответствующий продукт. Такие мутанты хорошо растут на средах, содержащих достаточное количество продукта утраченной возможности биосинтеза. При этом часто происходит накопление и выделение микробными клетками в среду промежуточных продуктов—субстратов утраченного фермента. [c.241]

Метаболизм порфиринов и его регуляция исследовались, в частности, у Rhodopseudomonas spheroides. Эта фотосинтезирующая бактерия обычно образует бактериохлорофилл в анаэробных условиях на свету, но не в темноте или в присутствии Og. Хотя у фотосинтезирующих бактерий, как и у сине-зеленых водорослей, оформленные, ограниченные мембранами пластиды отсутствуют, некоторые ферменты биосинтеза бактериохлорофилла связаны с хромато-форной фракцией разрушенных клеток. [c.460]

Даже если генетические возможности микроорганизма позволяют ему продуцировать определенный фермент, при этом еще не гарантируется его синтез (транскрипция и трансляция). Синтез многих ферментов и ферментных систем зависит от присутствия или отсутствия определенных регуляторных компонентов, или триггеров , образующихся эндогенно или вносимых в культуральную среду. Вещества, стимулирующие транскрипцию, называют индукторами, а сам процесс стимуляции называют индукцией. В тех случаях, когда индукторов нет, говорят о деиндукции. Другие вещества, называемые репрессорами, напротив, предотвращают транскрипцию, а сам процесс предотвращения транскрипции называют репрессией в отсутствие репрессора происходит дерепрессия. Описаны различные типы репрессии у бактерий простая репрессия по типу обратной связи, или репрессия конечным продуктом мультивалентная репрессия, присущая определенным ферментам, участвующим в синтезе аминокислот с разветвленной цепью координированная репрессия, когда все ферменты, участвующие в биосинтезе, согласованно репрессируются в присутствии высоких концентраций продукта реакции (например, триптофана или гистидина). Описанные ниже эксперименты иллюстрируют некоторые типы регуляции синтеза бактериальных ферментов путем индукции и репрессии. [c.414]

Биосинтез белков является объектом генетического контроля. В бактериях, во всяком случае, он проявляется на уровне синтеза информационной РНК посредством взаимодействия особого ( регуляторного ) белка со специфическим участком ДНК (см. часть 22 и разд. 24.2.3). В тканях животных на механизмы, контролирующие уровень ферментов, влияют также ингибиторы синтеза РНК [149]. Детали этих механизмов контроля не важны в контексте данного раздела. Важным моментом является факт, что существуют механизмы регуляции концентрации ферментов на определенном метаболитическом пути посредством конечного продукта этого пути. Так, в бактериальных системах хорошо изучены индуцируемые ферменты. Пока субстраты этих ферментов присутствуют в среде, биосинтеза ферментов не происходит. Часто синтез нескольких ферментов какого-либо одного метаболи-тического пути индуцируется присутствием субстрата первого фермента этого пути. Индукция субстратом, таким образом, представляет собой механизм повышения концентрации системы ферментов по мере появления рабочей необходимости . Соответствующий механизм, понижающий избыточную концентрацию фермента, если последний или система ферментов производит слишком большие количества определенного метаболита, получил название репрессии по принципу обратной связи. Классическим примером этого механизма является ингибирование биосинтеза гистидина в Salmonella typhimurium высокими концентрациями гистидина. Концентрации всех десяти ферментов биосинтетической цепи в ответ на изменение концентрации гистидина изменяются совершенно одинаково [150]. [c.535]

Процессы регуляции рассмотрены в книге на различных уровнях. Регуляция метаболических путей показана на примере аллостерического ингибирования биосинтеза аминокислот и нуклеотидов в бактериях. Сложность процессов регуляции активности ферментов убедительно продемонстрирована на примере глу-таминсинтетазы из Е. oli. Анализируя структуру этого фермента и факторы его регуляции, автор показывает, что активность глутаминсинтетазы зависит от суммарного действия многих эффектов, а число возможных модифицированных форм составляет 382 [c.6]

Концепция аллостерических ферментов, разработанная в основном на экспериментах с бактериями, как мы убедились, оказалась весьма плодотворной и при изучении механизмов регуляции ферментативной активности у млекопитающих. Однако еще далеко не ясно, осуществляется ли регуляция биосинтеза ферментов у млекопитающих и бактерий одинаково или различно. Те самые факторы, благодаря которым бактерии являются таким удобным экспериментальным материалом, подвергают сомнению возможность распространения имеющихся концепций и на соответствующие системы у млекопитающих. Многоклеточные организмы обладают способностью поддерживать довольно постоянными условия среды, в которых находятся их ткани. Эти ткани могут выполнять высокоспециализированные функции, а их метаболическая активность координируется с помощью гормональных и нервных механизмов. Бактериям, наоборот, приходится быстро приспосабливаться к изменяющимся внешним условиям, которые они вообще не могут или могут очень мало изменять. [c.75]

Для других бактерий, сбраживающих глюкозу по этому пути, также установлена активация АДФ-глюкозопиро-фоофорилазы фруктозо-6-фос-фатом. Полагают, что аллостерический центр данного фермента у организмов, отличающихся по своему отношению к углеводам, может быть видоизменен. В целом рассмотренные данные свидетельствуют о том, что регуляция синтеза а-1,4-глюкана у бактерий, так же как у водорослей и высших растений, осуществляется путем контролирования биосинтеза гликозильного донора — АДФ-глюкозы. [c.78]

Среда обитания любых организмов подвержена постоянным изменениям. Поэтому можно полагать, что в результате естественного отбора значительные преимущества получили организмы, которые оказались способны регулировать свою генетическую активность для того, чтобы приспосабливаться к изменяющимся условиям окружающей среды. Регуляция генетической экспрессии придает организмам необходимую гибкость в выборе способов утилизации доступных в данной ситуации ресурсов, что позволяет поддерживать максимальную скорость репродукции и обеспечивать устойчивость по отнощению к действию неблагоприятных факторов окружения. Так, бактерии, растущие на богатой среде, содержащей удобный источник углерода, например глюкозу, а также все 20 аминокислот, могут размножаться быстрее, если они не расходуют своих ресурсов на синтез многочисленных ферментов, необходимых для утилизации менее удобных источников углерода или для биосинтеза самих аминокислот. Использовать эти метаболические функции клетке необходимо только тогда, когда вышеназванные компоненты отсутствуют в окружающей среде. Наиболее простой и эффективный контроль генетической активности у прокариот осуществляется на уровне транскрипции. Многочисленные примеры использования регуляции этого типа были обнаружены и изучены для Е.соИ и других бактерий. [c.167]

Примером всесторонне исследованного в этом плане фермента [4446] является глутаминсинтетаза из Е. соИ (КФ6.3.1.2). У бактерий глутамин является центральным метаболитом и источником азота для биосинтеза многих других аминокислот,, нуклеотидов, глюкозамина, карбамоилфосфата и NAD. Совместно с глутаматсинтазой (NADPH) (КФ 1.4.1.13) он связывает катаболические реакции, ведущие и образованию аммиака и 2-оксоглутарата, со многими биосинтетическими реакциями и является главной мишенью, на которую направлена биологическая регуляция. Существуют по крайней мере три разных пути регуляции активности глутаминсинтетазы ингибирование конечными продуктами, взаимное превращение активных и неактивных конформаций фермента под действием двухвалентных катионов и изменение активности путем аденилирования и де-аденилирования фермента (модификации, осуществляемые ферментами). [c.120]

Сходным образом осуществляется регуляция О.в. на уровне биосинтеза ферментов. При этом субстрат или продукт р-ции регулирует активность белкового репрессора, подавляющего транскрипцию (синтез матричной РНК на ДНК-матрице) соответствующего оперона (участок ДНК, кодирующий одну молекулу матричной РНК под контролем белка-репрессора). Примером регуляции при помощи положит. прямой связи может служить в данном случае управление расщеплением лактозы. Появление в среде лактозы инактивирует у бактерии Es heri hia oli соответствующий репрессор и тем самым разрешает транскрипцию оперона, кодирующего ферменты, катализирующие расщепление лактозы. Пример регуляции при помощи отрицат. обратной связи - управление биосинтезом гистидина. Избыток гистидина активирует репрессор, ингибирующий транскрипцию оперона, кодирующего ферменты биосинтеза гистидина. Если репрессор и белки, синтез к-рых он подавляет, кодируются одним опероном, то отрицат. обратная связь осуществляется без участия внеш. модуляторов активности репрессора. Аналогичным образом осуществляется регуляция биосинтеза белка на уровне трансляции (синтез белка ка РНК-матрице). Такой механизм регуляции позволяет синтезировать белок в строгом соответствии с потребностью в нем на данном этапе существования организма. [c.317]

Таким образом, совокупность нескольких регуляторных механизмов позволяет бактериальной глутаминсинтетазе быстро реагировать на изменение условий метаболизма и обеспечивает эффективное использование аммиака для биосинтеза. Наиболее важными метаболитами-регуляторами, по-видимому, являются 2-оксоглутарат и глутамин, соотношение между которыми определяет ход активационного процесса. Дополнительное влияние на эту систему оказывают другие, более отдаленные конечные продукты биосинтеза, а также нуклеотиды и ионы металлов. Кроме того, глутаминсинтетаза некоторых бактерий сама регулирует собственный синтез, а также синтез других ферментов, участвующих в метаболизме азота [2926]. С другой стороны, у млекопитающих нет той системы регуляции активности глутаминсинтетазы, которая свойственна бактериям [3107]. [c.121]

Регулируемые терминаторы бактерий называют аттенюаторами (ослабителями). Впервые обнаружен и лучше других изучен аттенюатор триптофанового оперона Е. соИ. Этот оперон состоит из пяти генов, кодирующих ферменты биосинтеза триптофана. Регуляцию осуществляют две системы, чувствующие потребность клетки в триптофане. Первая система влияет на эффективность инициации на промоторе оперона. Репрессор триптофанового оперона в комплексе с триптофаном присоединяется к оператору, расположенному перед стартовой точкой транскрипции в районе —10 , и стерически препятствует РНК-полимеразе присоединяться к промотору. Таким образом, при избытке триптофана оперон репрессирован. В отсутствие триптофана репрессор теряет способность связываться с оператором, в результате чего оперон индуцируется. Эту систему дополняет регуляция в аттенюаторе, расгГоложенном на расстоянии 180 п. н. от стартовой точки транскрипции внутри <оидерной последовательности, предшествующей инициирующе.му кодону первого структурного гена. В условиях избытка триптофана лишь одна из десяти молекул РНК-полимеразы, начавших синтез РНК на триптофановом промоторе, преодолевает этот терминатор и переходит в область структурных генов. При уменьшении количества триптофана доля молекул РНК-полимеразы, преодолевающих аттенюатор, возрастает. [c.158]

Все живые организмы от бактерий до млекопитающих содержат в своем химическом составе алифатические амины путресцин 6.27, кадаверин 6,22, спермидин 6.23 и спермин 6,24. Эти вещества давно привлекли к себе внимание науки. Кристаллы спермина были описаны в сперме человека еще в 1677 г. Метаболиты 6,21—6,24 носят общее название полиаминов и играют важную, но до конца не понятую роль в регуляции клеточного деления. В частности, их обмен нарущается при злокачественном росте. В растительных тканях биосинтез полиаминов усиливается при дефиците калия. Биогенетическим предшественником их служит аминокислота аргинин, которая сначала превращается в орнитин 6,25, а затем под действием фермента орни- [c.434]

Все эти различия достаточно важны, поэтому вряд ли можно предполагать, что контроль биосинтеза ферментов у животных и у бактерий одинаков. Основная регуляция у эукариот осуществляется на стадии образования предшественника мРНК, но механизм контроля неизвестен. Далее контроль может осуществляться на стадии процессинга, на стадии освобождения мРНК из резервных комплексов в цитоплазме, а также не столь специфическим путем на стадии инициации (см. [2174]). [c.71]

Более прямые способы регуляции по типу обратной связи" наблюдаются в случае ферментов, активность которых меняется не в результате модификаций, катализируемых другим ферментами, а при прямом взаимодействии их с низкомолекулярными конечными продуктами реакции. Ингибирование по типу обратной связи хорошо известно для многих метаболических реакций у бактерий, особенно это относится к биосинтезу азотистых соединений. Первую реакцию в цепи биосинтеза пиримидинов катализирует аспартат — карбамоилтрансфераза (КФ 2.1.3.2). Этот фермент из Е. соИ ингибируется по механизму обратной связи с помощью СТР и активируется АТР. Нативный фермент состоит из шести идентичных регуляторных субъединиц, сгруппированных в три димера, и шести идентичных каталитических субъединиц в виде двух тримеров. В молекуле фермента каталитические тримеры связаны вместе с помощью регуляторных субъединиц. [c.123]

В клетках млекопитающих, так же как и в бактериальных клетках, конечные продукты регулируют свой собственный синтез по принципу обратной связи. В некоторых случаях (в частности, в случае АТКазы) ингибирование по принципу обратной связи направлено на первый из ферментов биосинтетической цепи. Однако мы должны различать понятия регуляции по принципу обра1пой связи — общий термин, не содержащий никаких указаний на механизм, и ингибирования по принципу обратной связи механизм регуляции многих ферментов бактерий и млекопитающих путем ингибирования. Например, поступающий с пищей холестерол подавляет свой собственный синтез из ацетата в тканях млекопитающих. Этот тип регуляции, однако, не направлен непосредственно на ингибирование первого фермента пути биосинтеза холестерола. Ингибирование затрагивает один из ферментов (HMG-СоА-редуктазу) функционирующий на ранних стадиях биосинтеза механизм включает подавление хо-лестеролом или его метаболитами экспрессии генов, кодирующих образование HMG- oA-редукгазы. Холестерол, непосредственно добавленный в систему с HMG- oA-редуктазой, никакого действия на ее каталитическую активность не оказывает. [c.108]

Установлено, что один из механизмов катаболитной репрессии у бактерий - феномен "глюкозного эффекта", т.е, ингибирующего действия определенных концентраций глюкозы в среде на биосинтез ферментов, опосредствованно связан с образованием в клетке ц/ШФ. Показано, что регуляция образования ферментов циклическим нуклеотидом проявляется через белок-активатор катаболитных генов. Это стимулирует инициацию транскрипции, повышает функциональную активность рибосом и мРНК, последующий биосинт з ферментов. Отмечена различная степень подавления синтеза некоторых ферментов глюкозой или другими, легко метаболизируемыми соединеншзми и ее снятия цАМФ. [c.95]

Таким образом, изменяя регуляцию индуцибельных и репрессибельных оперонов, существует возможность повышать продукционную активность определенных промышленных штаммов-продуцентов. Уместно отметить, что структурные гены одного метаболического пути не всегда объединены в единый оперон (наподобие лактозному), однако это не мешает их регуляции с помощью индукции или репрессии. Так, например, гены Е.соИ, детерминирующие структуру ферментов, обеспечивающих биосинтез аргинина, располагаются в различных областях хромосомы, но все контролируются одним и тем же геном-регулятором. Такая система образует регулон. Другим показательным примером является 808-регулон, гены которого детерминируют структуру более десятка различных белков и ферментов, участвующих в репарации повреждений ДНК клетки. Все эти структурные гены регулируются одним репрессором - продуктом гена 1ехА. Опероны и регулоны, контролирующие взаимосвязанные физиологические функции обнаружены у всех генетически изученных видов бактерий. [c.26]

Иной тип регуляции действует в случае многих метаболических последовательностей, ведущих к синтезу небольших молекул, например аминокислот. При этом фермент, катализирующий первый этап биосинтеза, подвергается ингибирующему действию конечного продукта биосинтеза (рис. 6.5). Иллюстрацией этого механизма рстуяя-пт-ингибирования по принципу обратной связи, или ретроингибирования,-мож т служит биосинтез изолейцина у бактерий. Превращение треонина в изолейцин осуществляется в пять этапов, первый из которых катализируется треониндезаминазой. Когда концентрация изолейцина достигает достаточно высокого уровня, происходит ингибирование фермента, обусловленное тем, что изолейцин присоединяется к регуляторному (а не к каталитическому) участку фермента. Ингибирование фермента в этом случае опосредовано обратимым аллостерическим взаимодействием. При снижении содержания изолейцина до определенного уровня треониндезаминаза вновь становится активной и синтез изолейцина восстанавливается. [c.106]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология