Вопрос 2. Координация микробного метаболизма

(Слайд 21) В живых клетках протекает огромное число реакций, необходимых для роста, размножения и поддержания их жизнедеятельности. Большинство этих реакций носит ферментативный характер и протекает в присутствии специфических ферментов. Для нормального функционирования клетки необходима согласованность протека­ния всех реакций во времени и в пространстве. В каждый момент должны образо­вываться и действовать ферменты, которые катализируют реакции, нужные в данный момент развития клетки.

Практически все гены у бактерий функциональные, а у эукариот 2/3 не функциональные. Белок у бактерий синтезируется сразу весь и включается в метаболизм, а у эукариот образуются экзоны и интроны.

(Слайд 22) Координация микробного метаболизма осуществляется с помощью следующих механизмов регуляции:

1. Индукция синтеза ферментов;

2. Репрессия синтеза ферментов;

3. Ингибирование активности ферментов;

4. Активизация ферментов.

Первые два механизма обеспечивают регуляцию путем изменения концентра­ции того или иного фермента в клетке, вторые два — путем изменения активности уже имеющихся ферментов. Остановимся на каждом механизме подробнее.

Индукция синтеза ферментов

Все ферменты микробных клеток можно разделить на две группы:

1. Конструк­тивные

2. Индуцибельные.

К первой относятся ферменты, которые всегда имеются в клетке, независимо от фазы её развития и условий окружающей среды. Это фермен­ты, катализирующие наиболее важные метаболические реакции, например, катабо­лизм глюкозы.

Вторая группа включает ферменты, которые синтезируются лишь в определенных условиях, при наличии в среде вещества — индуктора. Чаще всего ин-дуктором синтеза фермента является его специфичный субстрат, но иногда может быть и другое вещество. Механизм индукции не позволяет транжирить энергию и питательные ве­щества на синтез ненужных, в данных условиях, ферментов.

Например, если клетки бактерий растут на среде с глюкозой, они почти не синтезируют амилолитические ферменты, однако при переносе на среду, где единственным источником углерода и энергии является крахмал, происходит индукция синтеза амилаз, необходимых для усвоения крахмала.

(Слайд 23) Наиболее подробно изучен механизм индукции синтеза ферментов (катабо­лизм лактозы) у Е.сoli.

Три гена, кодирующие аминокислотную последователь­ность трех ферментов катаболизма лактозы (В-галактозидазы, лактопермеазы и трансацетилазы), расположены в хромосоме последоватеьно и образуют совместно с промоторной и операторной областью lac-оперон.

В начале оперона, перед структурными генами, расположены регуляторный уча­сток молекулы ДНК, состоящий из промотора и оператора.

Промотр - это участок, к которому присоединяется РНК- полимераза (начало синтеза м-РНК).

Оператор – это участок, с которым связывается специальный белок - репрессор.

Синтез репрессора, в свою очередь, кодируется геном - регулятором. Белок - репрессор содержит два активных центра - один обеспечивает присоединение белка к оператору, а другой обладает сродством с молекулами индуктора.

(Слайд 24) В отсутствие индуктора белок - репрессор прочно связывается с оператором. Это препятствует продвижению РНК-полимеразы по нуклеотидной цепочке ДНК и блокирует транскрипцию структурных генов и синтез соответствующих ферментов. При наличии индуктора (для lac - оперона - это не сама лактоза, а аллолактоза) он (индуктор) специфично присоединяется к репрессору и изменяет его конформацию, что приводит к снижению сродства репрессора к оператору и освобождению оператора. Снимается блокировка продвижения РНК-полимеразы, начинаются транскрипция структур­ных генов и синтез ферментов.

Описанный выше механизм индукции, при котором один индуктор вызывает синтез нескольких ферментов одного метаболического пути, называют координиро­ванной индукцией. Наряду с ней в клетках микроорганизмов действуют системы по­следовательной индукции. При этом длина цепочки индуцируется своим собственным субстратом (субстратом для первого фермента в цепочке).

Репрессия синтеза ферментов - это процесс, осуществляющийся по принципу об­ратной связи. Это означает, что конечный продукт цепи биохимических реакций по­давляет синтез действия фермента, катализирующего первую реакцию цепи. Подоб­ный механизм обеспечивает равновесие между скоростями синтеза низкомолеку­лярных соединений и их расходования на построение биополимеров и исключает непродуктивные затраты веществ и энергии на образование излишних количеств промежуточных продуктов.

Репрессия - подавление синтеза ферментов осуществляется следующим обра­зом. Регуляторный ген R кодирует синтез белка-репрессора (анорепрессора), кото­рый в свободном состоянии неактивен, но может быть активирован корепрессором, который и является конечным продуктом цепи биохимических превращений.

Активированный белок-репрессор связывается с геном-оператором О, что препятствует считыванию информации со структурного гена R и, следовательно, синтезу соответствующего фермента. В отсутствие корепрессора синтез фермента происходит беспрепятственно.

Если мы добавим в питательную среду какой-либо индуктор целевого вещества (Слайд 25), то происходит сверхсинтез этого вещества, в количествах, многократно превышающих потребности самой клетки. Это явление широко используется на практике при производстве биологически ак­тивных веществ (аминокислот, витаминов, ферментов)