4. Генная регуляция метаболизма (15 баллов).

Индуцируемый ферменты синтезируются клеткой в ответ на воздействие определенного фактора внешней среды, в качестве которого выступает, как правило, какой-либо компонент внешней среды – эффектор.

Под эффекторами понимают вещества, вызывающие изменение скорости синтеза белков при их попадании в микробную клетку. При этом вещества. Индуцирующие синтез клеткой определенного фермента называют индукторами, а вещества, подавляющие синтез – репрессорами. Регуляция метаболизма микроорганизмов на генном уровне основана на использовании механизмов индукции и репрессии синтеза клеточных ферментов.

Индукция. Впервые механизм индукции был изучен Жакобом и Моно на примере синтеза индуцируемого фермента β-галактозидазы E.coli. Гены, определяющие структуру ферментов с близкими функциями, сгруппированы в хромосоме в единичный оперон. Например, в состав lag-оперона E.coli входят три гена: ген z –кодирующий аминокислотную последовательность β-галактозидазы, ген у – структурный ген пермеазы (транспорт лактозы в клетку), ген а – структурный ген ацилазы. Оперон находится под контролем регуляторного участка молекулы ДНК - промотора.

Функции промотора заключаются в связывании РНК-полимеразы, ответственной за синтез и-РНК, которая переносит информацию о аминокислотной последовательности определенного фермента или группы ферментов. Последовательность пуриновых и пиримидиновых оснований в промоторе определяет, с какой частотой РНК-полимераза будет присоединяться к нему, т.е. задает максимальную скорость транскрипции гена и, как следствие, количество синтезируемого фермента.

На участке ДНК между промотором и опероном к молекуле присоединяется репрессор – аллостерический белок, каждая субъединица которого имеет сродство к нуклеоидной последовательности молекулы ДНК в месте присоединения; второй способен присоединять молекулу эффектора (индуктора или репрессора).

Жакоб и Моно предложили следующую модель деятельности lag-оперона E.coli. В отсутствии индуктора белок-репрессор связан с молекулой ДНК, блокируя структурные гены, т.е. синтез β-галактозидазы подавлен. При присоединении к аллостерическому центру индуктора (аллолактоза β-Д-гал(1-6) Д-глю) изменяется конформация белка-репрессора и его сродство с молекулой ДНК. В результате высвобождаются структурные гены и активируется синтез ферментов. Данный механизм получил название негативной регуляции индукции синтеза ферментов. В ряде случаев имеет место позитивная регуляция индукции. Например, ферменты метаболизма арабинозы у E.coli синтезируются под контролем белка-репрессора, способного осуществлять позитивную регуляцию. В отсутствии арабинозы ферменты, участвующие в ее расщеплении (изомераза, киназа, эпимераза), синтезируются клеткой E.coli в малых количествах, т.к. репрессор блокирует транскрипцию соответствующего оперона.

Аутогенная регуляция. В данном случае в качестве репрессора выступает фермент, информация о синтезе которого зашифрована на контролируемом участке ДНК. Индуктором, как правило, является продукт катаболизма, образующийся под действием фермента.

(+) (-) Х₁ – нуклеотидные предшественники;

Х ₁ Х₂ Х₂ – специфическая и-РНК;

Х₃ – аминокислотные предшественники

Х ₃ Х₄ Х₄ – фермент катаболизма;

Х₅ – субстрат;

Х ₅ Х₆ Х₆ – продукт-индуктор.

ЛАКТОЗА АРАБИНОЗА

Репрессор ген в ген а ген d Р ген с ДНК

п ромотор lag-оперон

z y a РНК

эпимераза изоме- киназа

раза

репрессор

арабиноза

Аутоиндукция. Сущность этого явления заключается в перестройке метаболизма клетки в направлении синтеза за счет внутриклеточных компонентов. Так, культура гриба Asp.niger, культивируемая в условиях дефицита источников азота, вырабатывает индуктор, ускоряющий синтез протеаз.

Репрессия. При регуляции метаболизма по механизму репрессии белок-репрессор в отсутствии эффектора находится в неактивном состоянии, т.е. транскрипция генов и синтез фермента не ограничены. При достижении определенной концентрации продукта катаболизма, образующегося при участии фермента, репрессор переходит в активную форму, блокируя транскрипцию. Таким образом, продукт метаболизма в данном случае выступает в роли специфического эффектора (корепрессора), ингибирующего синтез фермента.

Частным случаем данного механизма является катаболическая репрессия, тесно связанная с глюкозным эффектом. Катаболическая репрессия заключается в блокировании синтеза ферментов, отвечающих за расщепление лактозы, галактозы, мальтозы и др. сахаров, продуктами расщепления глюкозы. Синтез ферментов, ответственных за включение углеводов в процесс гликолиза индуцируется циклическим аденозин-монофосфатом (ц АМФ), который взаимодействует со специфическим белком-активатором катаболизма (БАК; сар-белок). В результате образуется активированный комплекс, связывающийся с промотором и тем самым инициирующий транскрипцию соответствующих генов. Образование продуктов катаболизма глюкозы ингибирует синтез ц-АМФ и в результате блокирует транскрипцию генов, несущих информацию о синтезе ферментов катаболизма лактозы, мальтозы и др. сахаров.

№4ЕМТИХАН БИЛЕТІ / ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ

1. Выполните тестовые задания (30 баллов)

2. 1 Какое количество биомассы дрожжевых клеток в пересчете на сухое вещество можно получить при выращивании кормовых дрожжей в 1 м3 питательной среды за 1 ч? A) около 3кг.

3. 2 Способность, каких культур используют для микробиологического получения аминокислот? A) культуры ауксотрофных мутантов.

4. 3 Какое сырье используют для культивирования микроорганизмов? D) дешевое и недефицитное сырье, а также отходы промышленности.

5. 4 Для получения каких молочных продуктов используют микробиологический синтез? D) сметаны, творога и сыра.

6. 5 Микробиологическая трансформация – это… ? A) превращение молекул органических веществ с помощью микроорганизмов.

7. 6 Какое количество составляет сухая клеточная масса микроорганизмов от общей массы? E) 15-25%.

8. 7 Какое количество углерода содержится в сухой части биомассы? A) 46-50%.

9. 8 Какое количество нуклеиновых кислот (РНК и ДНК) содержит микробная биомасса? C) 5-30%.

10. 9 Какое количество сухой биомассы приходится на белки? A) 30—80

11. 10 Аминокислотный состав белков некоторых микроорганизмов близки к …. A) Казеину

12. 11 Для синтеза каких витаминов используют метаноокисляющие бактерии? D) В12.

13. 12 Температура гибели большинства вегетативных микроорганизмов? A) 700С.

14. 13 Для развития ацидофильных микроорганизмов реакция среды (рН) равна? B) 1,5-3,5.

15. 14 Стерильной называют среду… C) в которой, отсутствуют живые микроорганизмы.

16. 15 Чем выше температура и влажность клеточной массы, тем выше? A) летальность.

17. 16 Дезинфекция — уничтожение патогенной микрофлоры с помощью… C) химических веществ

18. 17 В культуральной жидкости, полученной после ферментации, суспендированы E) микробная биомасса, остатки питательной среды и экстрацеллюлярные метаболиты.

19. 18 Методами химической технологии из культуральной жидкости получают…

20. E) биомассу или нужное вещество — спирт, кислоту, аминокислоту антибиотики и пр.

21. 19 При использовании метода поверхностных культур, на каких средах выращивают микроорганизмы? E) твердых средах или на жидких средах, залитых тонким слоем (2—20 см) в специальные кюветы.

22. 20 Какой объем питательной среды при периодическом процессе культивирования загружают в аппарат? A) весь объем.

23. 21 За время культивирования изменяется…. A) состав питательной среды.

24. 22 Пробирки с чистыми культурами хранят в холодильнике при температуре... D) 0-4оС.

25. 23 Какие методы используют для выращивания аэробных микроорганизмов? E) глубинный и поверхностный

26. 24 В микробиологическом синтезе большое значение имеет…. A) реакция рН среды.

27. 25 Источниками азота в питательной среде могут быть…. E) белки, пептиды, аминокислоты, соли аммония или аммиака, нитраты, а также атмосферный азот.

28. 26 Какое количество азота в питательной среде остается неиспользованным? A) 5%.

29. 27 Большинство гетеротрофных микроорганизмов хорошо развивается на среде…. B) с дрожжевым экстрактом или автолизатом.

30. 28 Для выращивания дрожжей, бактерий и плесневых грибов широко используют среды с… A) солодовым или пивным суслом

31. 29 Если на клетки микроорганизмов воздействуют слишком высокие концентрации веществ в растворе, может произойти… A) плазмолиз.

32. 30 Для анаэробных микроорганизмов наименьшее и наивысшее значение рН равно. B) 0-12.