С.Дж.Перт

Следовательно, и эта система также соответствует общему ре­

зультату, а именно относительные количества структур будут

стремиться к постоянным значениям.

24.5.2. Теорема сети

Другой важный вывод, следующий из модели, касается раз­

вития альтернативных ферментных путей [71, стр. 111]. Во

взаимозависимостях, приведенных на рис. 88, Г, предполагает­

ся, что для синтеза фермента Х1 требуется метаболит С, обра­

зуемый либо ферментом Хн1, либо ферментом У1, который по­

лучается в другой ветви системы. Пусть локальная концентра­

ция метаболита - с, тогда для стационарного состояния будем

иметь

(24.20)

где ~. у, б - константы. Первый члеи правой части представ­ ляет собой образование с, обусловленное Хн1, второй член -

образование с, обусловленное У1, а третий - поглощение С в синтезе XJ, и некоторые потери С. Отсюда следует, что

нарном состоянии, когда мы можем подставить dX1/dt = µХ1

ит. д.,

µn=a,a:i ... а1-1(а1 ••• а1+1-,+~1Ь, •.. bmµl-m-l)aнr··· ап,

(24.23)

Если мы имеем просто У, соединяющий Х; и Хн2, то урав­

нение (24.23) принимает вид

(24'.24)

Отсюда следует, что какое-либо уменьшение значения а; или

щ+1 можно компенсировать увеличением ~ или Ь1. Действие

изменения внешней среды, которое оказывает влияние только

на одну ветвь, можно вывести следующим образом. В стацио­ нарном состоянии aX1/dt = µХ;.

ферментов в клетках (разд. 17.l). Изучение действия таких ин­ гибиторов показывает также, что колебания скорости роста, на­

ступающие немедленно после добавления ингибитора, можно

предсказать с помощью кинетики переходных состояний. Та­ ким образом, динамическое состояние биомассы во время роста,

предсказываемое моделью автосинтеза, качественно согласует­

ся с экспериментальными наблюдениями.

Как указывают Дин и Хиншельвуд [71, стр. l 13), вполне

возможно, что рассмотренная модель очень упрощает природу

взаимозависимостей. Однако маловероятно, что это привело к предсказанию несуществующих возможностей. Поведение жи­

вой материи, вероятно, в самом деле обладает более тонкой адаптационной способностью, чем мы это можем предвидеть.

Механизмы репрессии, а также ингибирования с помощью

обратной связи и активации предшественником можно рассмат­

ривать как микрорегуляцию, предназначенную для того, чтобы дополнить, сделать более чувствительной макрорегуляцию ав­

тосинтеза биомассы.

Глава 25

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для количественного выражения роста и функции биомассы

ивлияния на них окружающих условий среды используются

следующие параметры: лаг-период, удельная скорость роста,

экономический коэффициент, метаболический коэффициент для

субстрата и продукта, константа насыщения (Ks) и концентра­ ция биомассы. Зависимость между метаболическими коэффи­

циентами и концентрацией субстрата выражается гиперболой (кинетика Михаэлиса - Ментен или Моно).

Определение биомассы является ключевым методом в коли­

чественном изучении культивирования микробов. Для опреде­ ления биомассы в минимальной гомогенной жидкой ореде при­

меняется большое множество различных методов, но с увеличе­

нием сложности среды, а также в случае смеси различных

микробных видов выбор метода может быть резко ограничен­ ным. Необходимо разрабатывать другие методы определения

биомассы. Ее можно определять с помощью любых параметров,

которые достаточно точно связаны с биомассой.

Культуры в закрытых системах, такие, как простая периоди­

ческая культура, всегда находятся в переходном состоянии,

при котором скорость процесса стремится к нулю. В простой

периодической культуре преобладает два последовательных

состояния. Первое - экспоненциальная фаза роста, в которой

организм с избытком обеспечен субстратом и рост происходит

с максимальной скоростью. Второе - это стационарная фаза,

которая характеризуется нулевой скоростью роста и реоргани­ зацией или деградацией структуры биомассы.

Рост, лимитированный субстратом, используется, вероятно, чаще, чем рост при избытке субстрата. Он достигается с по­ мощью разных форм непрерывного добавления субстрата. В простой периодической культуре рост, лимитированный суб­ стратом, обычно бывает кратким - в конце последнего удвое­ ния биомассы. Длительность роста, лимитированного субстра•

том, можно увеличить, добавляя субстрат. Такая культура на­

зывается периодической культурой с добавлением источников питания. Если часть такой культуры периодически отбирается,

в качестве источника энергии углеводы, УfтФ близко к 25 г

сухой биомассы/моль АТФ. Для автотрофов УХтФ близко к

5 г сухой биомассы/моль АТФ. Значение энергии поддержания

при изменении условий окружающей среды может меняться во

много раз, и это вызывает значительные изменения общего

значения УАТФ·

На судьбу метаболизма источников углерода и энергии оказывают влияние скорость роста и условия окружающей

среды. Главное действие оказывают парциальное давление кис­

лорода, значение рН, температура, активность воды или осмо­ ляльность и питание. Что касается метаболического взаимодей­

ствия смешанных источников углерода, то, кроме репрессии син­

теза ферментов и ингибирования, связанного с диауксией, во­

прос этот изучен плохо. Однако в хемостатной культуре, лимити­ рованной углеродом, смешанные источники углерода могут ис­

пользоваться одновременно.

Систематических исследований влияния напряжения углекис­

лого газа на рост микроорганизмов проводилось мало. Значение

Ks для двуокиси углерода соответствует его значению для

углекислого газа в воздухе при 1 атм. Таким образом, образо­

вание углекислого газа организмом необходимо, вероятно, для

поддержания оптимального значения его давления. Потребле­

ние нерастворимых углеводородов происходит, вероятно, в ре­

зультате прямого контакта нефти с биомассой.

Максимальная скорость потребления кислорода культурой обычно регулируется тремя основными факторами: парциаль­

ное давление кислорода в газовой фазе, поверхность раздела

газ - жидкость и сопротивление переносу кислорода через по­

верхность раздела. Для многих целей можно считать, что со­

противление переносу кислорода в стационарной пленке жид­

кости, окружающей биомассу, пренебрежимо мало.

В аэробных культурах напряжение растворенного кислорода точно измеряется с помощью кислородного электрода. Для из­

мерения напряжения растворенного кислорода используется

также окислительно-восстановительный потенциал. Однако этот способ менее чувствительный, чем использование кислородного

электрода, поскольку ответ получается в логарифмической шка­

ле. Исключение составляют экстремально малые значения

напряжения кислорода, близкие к анаэробным условиям. Взбалтывание необходимо как для перемешивания, так и

для аэрации культуры. Перемешивание особенно важно в хемо­

чтобы получить выrокие скорости переноса кислорода при минимальной потребляемой мощности.

Рост аэробных организмов, лимитированный кислородом,

наступает при напряжении растворенного кислорода, примерно

равном 10 мм рт. ст.; действительное значение будет зависеть

от удельной скорости роста. Значение Ks по кислороду для

растущей культуры лежит в пределах от 10-5 до I0- 6 М. На

скорость дыхания нерастущих микробных клеток сильно дейст­

вуют предшествующие условия роста. Переход от аэробного к

анаэробному метаболизму у растущих культур факультативных анаэробов происходит при давлении кислорода около 5 мм рт. ст.

Вотсутствие кислорода его могут заменить феррицианиды и

некоторые другие акцепторы электрона.

Содержание дыхательных и других ферментов в биомассе

в большей степени испытывает влияние широкого диапазона напряжения кислорода, чем скорость роста. Для микроорганиз­

мов всех видов кислород может рассматриваться как ингибиру­

ющий субстрат. Для обычных аэробов ингибирующее напря­ жение кислорода менее l атм. Анаэробами называют организ­

мы, рост которых ингибируется кислородом при любом его

напряжении. Менее строгие анаэробы - это, вероятно, организ­

мы, у которых есть механизм для поглощения кислорода, а следовательно, и для снижения напряжения до переносимого

уровня.

Качественные аспекты микробного питания исторически при­ влекали к себе наибольшее внимание. Количественные требова­

ния к питанию, выраженные с помощью «экономического ко­

эффициента», теперь считаются наиболее важными. На эконо­ мический коэффициент оказывают влияние другие компоненты

питания, физико-химические условия среды и удельная скорость

роста. Если потребности в аминокислотах, витаминах и других

факторах роста сложны, то происходит взаимодействие между

получении роста некоторых видов организмов или максималь­

ной производительности на средах определенного состава отражают наше пренебрежение качественными или количест­

венными требованиями к компонентам питания. Знание роли и

количественных требований к питанию расширяется в резуль­

тате изучения роста, лимитированного субстратом. Менее всего

известно о влиянии на рост лимитации органическими фактора­

ми роста или микроэлементами.

Концентрация ионов микроэлементов в среде неизбежно подвергается изменениям и забуфериванию хелатирующими

агентами. Контроль с помощью хелатирования металлов тре­ бует систематического изучения.

При составлении среды для культуры исходят из совокупно­

сти всех имеющихся данных о качественных и количественных

потребностях в питании, действии ингибиторов культуры, взаимо­ действии субстратов, физических условий и стабильности среды.

Температура действует на потребность в источниках питания, состав биомассы и природу метаболизма в культурах. Действие

широкого диапазона температуры на скорость роста можно

предсказать исходя из энергии «активации» для роста. Эта зависимость нарушается вблизи верхней и нижней границ ро­

ста. При температурах выше оптимальной процессы распада клеток, вероятно, преобладают над процессами роста. Вблизи нижней температурной границы может нарушиться регуляция

болизма, но молекулярное действие этого влияния не выяснено. Возможно, рН среды действует на протонную движущую силу

через плазматическую мембрану в химио-осмосе.

Влияние воды на культуры выражается с помощью активно­ сти воды или осмоляльности. Активность воды - более удобный

параметр в ксерофильных условиях, однако для многих обыч­

ных организмов оптимум активности воды больше чем 0,99, и

для них предпочтительнее оказывается параметр осмоляльно­

сти. Активность воды влияет на удельную скорость роста, со­

став биомассы и метаболизм.

Общее количество продуктов метаболизма, образованных

при ферментации, зависит от четырех основных факторов: кон­

центрации биомассы, удельной скорости образования продукта (qp), продолжительности биосинтетической активности и скоро­

сти распада продукта. Значение qp определяется геномом, суб­

стратами, действием ингибитора и других факторов среды.

Между значением qp и удельной скоростью роста может быть три вида зависимости: 1) qp увеличивается при увеличивании

скорости роста, что характерно для первичного метаболизма, 2) qp не зависит от удельной скорости роста выше критического значения, 3) qp в зависимости от скорости роста меняется слож­ ным образом. Факторы, контролирующие длительность синтети­ ческой активности биомассы при нулевой скорости роста, все

еще не раскрыты.

Действие ингибиторов роста проявляется в уменьшении мак­

симальной скорости роста в простой периодической культуре.

В хемостатной культуре ингибиторы роста будут оказывать

влияние на зависимость стационарного состояния биомассы от

страта или нет. В течение небольшого периода времени после

добавления ингибитора роста в удельной скорости роста могут происходить колебания. Любой продукт, ингибирующий рост в периодической культуре, будет постепенно уменьшать ско­

рость роста. А в хемостатной культуре предсказывается, что

ингибирующий продукт может влиять на зависимость концен­

трации биомассы в стационарном состоянии от скорости разбав­ ления. Это влияние будет проявляться характерным образом в зависимости от того, конкурентно ли ингибирование продук­

том или нет, а также в зависимости от соотношения qp и удель­

ной скорости ростаµ.

Субстратное ингибирование роста вызывает характерную

картину изменения зависимости стационарного состояния био­

массы от скорости разбавления. От неустойчивости хемостатной

культуры при щrмитации ингибирующим субстратом можно избавиться во второй стадии хемостата.

Возможность увеличения максимальной удельной скорости

роста с помощью веществ, которые действуют как активаторы,

еще нужно исследовать.

Имеются данные, что по крайней мере для бактериальной

биомассы существует минимальная скорость роста. Это может

быть незаметно из-за одновременного присутствия в культуре

растущих и покоящихся (нерастущих) клеток. И у бактерий, и

у дрожжей при очень малых скоростях роста происходят значи­

тельные изменения в их структуре и функциях. В некоторых

случаях эти изменения приводят к преобразованию биомассы

в споровые формы. Если рост резко прерывается из-за прекра­

щения доставки энергетического субстрата, то начинается авто­

лиз, однако если энергия поддержания доставляется, то автолиз

ттнгибируется.

Лаг-период, предшествующий росту культуры, может быть обусловлен различными причинами. Так называемое действие

инокулята, которое проявляется, если инокулят был взят из стационарной фазы культуры, представляет интерес с точки зрения физиологии, поскольку во время задержки происходит избирательная стимуляция некоторых ферментативных процес­ сов. «Ранняя задержка» - результат недостатка промежуточ­

ных метаболитов. В некоторых условиях лаг-период пропорцио­ нален времени удвоения биомассы во время логарифмического

роста в той же самой среде.

Взаимодействие видов в смешанных культурах до сих пор

мало подвергалось систематическому изучению. Теоретические модели подсказывают, что взаимодействие видов лучше опре­ делять в хемостате, чем в простой периодической культуре.

Если в системе происходит неконтролируемая конкуренция за

один и тот же субстрат, то в гомогенной открытой системе могут

остаться лишь виды с наибольшим сродством к субстрату.