5. Практическое использование знаний об основах регуляции метаболизма у микроорганизмов

Уникальные свойства микробной клетки делают возможным эффективное применение микроорганизмов в хозяйственной деятельности человека. Для большинства промышленных задач генетическая программа микробной клетки должна быть перестроена таким образом, чтобы направить биосинтетический потенциал клетки на производство необходимого продукта.

Задача создания высокопродуктивных штаммов намного упрощается при наличии достаточных знаний о путях биосинтеза продукта и способах их регулирования. Способы генетического обмена у исследуемого микроорганизма позволяют собрать в одном штамме все полезные мутации и элиминировать все вредные. Актуальной задачей сегодняшнего дня является направленное конструирование штаммов микроорганизмов с заданными свойствами с использованием фундаментальных достижений молекулярной биологии, генетики, генной инженерии и физиологии микроорганизмов. Решение этой задачи так или иначе связано с изучением и изменением регуляторных механизмов микробной клетки.

Лекция № 2

СПОСОБ РЕГУЛЯЦИИ МЕТАБОЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ У МИКРООРГАНИЗМОВ, ОСНОВАННЫЙ НА ИЗБИРАТЕЛЬНОМ СИНТЕЗЕ ФЕРМЕНТОВ. РЕГУЛЯЦИЯ РЕПЛИКАЦИИ ДНК. РЕГУЛЯЦИЯ ПРОЦЕССА ТРАНСКРИПЦИИ. МЕХАНИЗМЫ ИНДУКЦИИ И РЕПРЕССИИ. ДРУГИЕ МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ ТРАНСКРИПЦИИ У МИКРООРГАНИЗМОВ

1. Способ регуляции метаболических процессов, основанный на избирательном синтезе ферментов

В регуляции микробного метаболизма участвуют механизмы, изме­няющие ферментативный состав клетки. Эта регуляция осуществляется на уровне функционирования генов. Фенотипическое проявление генетической информации определяется условиями окружающей среды и данный фермент синтезируется только тогда, когда имеется его субстрат.

Ферменты и другие белковые посредники биохимических процессов можно подразделить на два основных класса в зависимости от влияния субстратов и продуктов на синтез этих белков.

Синтез одних белков не зависит (или мало зависит) от наличия в клетке или среде соответствующих субстратов или продуктов. Такие белки называют конститутивными. Синтез других белков резко ускоряется в присутствии их субстратов. Подобное явление было названо индукцией, а сами белки получили название индуцибельных.

Было обнаружено, что уровень некоторых белков в клетке может сильно снижаться при избытке конечного продукта данного метаболического пути. Это явление получило название репрессии. Как правило, по типу индукция регулируется синтез белков, принимающих участие в процессах катаболизма, а по типу репрессии - белков, участвующих в процессах анаболизма.

Негативная регуляция индукции синтеза ферментов

Под действием некаталитических аллостерических белков находится индукция синтеза фермента; они контролируют синтез ферментов негативно, т.е. связываются с бактериальной хромосомой в каком-то участке вблизи структурных генов, детерминирующих синтез этих ферментов, и препятствуют их транскрипции. Такие белки носят название репрессоры. Если репрессор связывается со своим специфическим аллостерическим эффектором, который называется индуктором, он утрачивает способность блокировать транскрипцию, в результате чего начинается синтез определенного фермента.

Этот тип регуляции синтеза ферментов был впервые обнаружен Ж. Моно и его коллегами при изучении индукции ферментов, обеспечивающих усвоение лактозы клетками Е. coli.

Хотя клетки Е. coli образуют ферменты, необходимые для метаболизма глюкозы, независимо от условий выращивания (такие ферменты называются конститутивными), в клетках, растущих на глюкозе, с трудом можно обнаружить лишь незначительные количества ферментов, катализирующих начальные реакции метаболизма лактозы. Однако в клетках, растущих на лактозе, эти ферменты присутствуют в больших количествах. Поскольку их образование индуцируется лактозой, они получили название индуцибельные ферменты; к ним относятся галактозидпермеаза - белок, обеспечивающий проникновение лактозы в клетку, и -галактозидаза - фермент, катализирующий гидролитическое расщепление лактозы на составляющие моносахариды - глюкозу и галактозу. Галактоза, образовавшаяся под действием -галактозидазы, в свою очередь индуцирует ряд ферментов, участвующих в метаболизме галактозы. Таким образом, воздействие лактозы на клетку приводит к непосредственной индукции ферментов, осуществляющих расщепление лактозы на составляющие моносахариды, и косвенной (вторичной) индукции ферментов метаболизма галактозы.

Такая сложная индукция называется последовательной индукцией, т.е. метаболизм первого индуцирующего субстрата (в данном случае лактозы) приводит к образованию в клетке метаболита (в данном случае галактозы), который по своей индуцирующей способности отличается от первичного субстрата.

Другой вариант индукции – координированная индукция. В этом случае субстрат, содержащийся в питательной среде, включает синтез всех ферментов, необходимых для его распада. В нашем примере лактоза индуцирует синтез специфической пермеазы -галактозидазы и трансацетилазы. Координация обычно, но не всегда - следствие близости структурных генов соответствующих ферментов на бактериальной хромосоме; другими словами, она является фенотипическим проявлением общей системы генетической регуляции.

Позитивная регуляция индукции синтеза ферментов

Хотя большинство изученных до сих пор систем индукции синтеза фермен­тов, подобно лактозной системе, действует только путем негативной регуляции, индукция синтеза ферментов метаболизма арабинозы у Е. coli находится под контролем репрессора, который может осуществлять как позитивную, так и негативную регуляцию. Арабинозный репрессор всегда связан с хромосомой, а его влияние на процесс транскрипции изменяется при связывании индуктора (арабинозы). Когда арабиноза отсутствует, репрессор блокирует транскрипцию точно так же, как это делает лактозный репрессор. Однако, связавшись с арабинозой, репрессор претерпевает конформационное изменение, в результате чего он превращается в активатор, включающий транскрипцию. С физиологической точки зрения позитивная и негативная регуляция неразличимы. Их можно различить только путем тщательного изучения мутаций, влияющих на действие регуляторного гена.