Регуляция метаболизма микробной клетки

Прикладное значение микроорганизмов связано с особенностями их метаболизма. К веществам микробного происхождении относят первичные и вторичные метаболиты, ферменты, капсульные полисахариды и саму биомассу клеток.

Первичные метаболиты– это низкомолекулярные соединения, необходимые для роста микроорганизмов. Часть из них участвует в построении биополимеров, часть – в синтезе коферментов.

Все процессы в клетке катализируются ферментами, поэтому регуляция микробного метаболизма осуществляется на ферментативном уровне посредством изменения синтеза и активности соответствующих ферментов.

Ферменты, синтезирующиеся независимо от условий среды, называются конститутивными, а ферменты, образующиеся исключительно в определенной среде – индуцебельными, обычно эти ферменты используются в промежуточном метаболизме.

Уровень метаболизма микробной клетки обычно зависит от частоты транскрипций (образованием матричной РНК-копии с ДНК с помощью фермента РНК-полимеразы) структурных генов ДНК, отвечающих за синтез ферментативных белков.

Молекула ДНК, колирующая процесс транскрипции ферментативных белков состоит из нескольких участков (регуляторного гена (R), кодирующего синтез белка-репрессора; промотора (Р) – ген-активатора, который узается» РНК-полимеразой, ответственной за начало транскрипции; оператора (О), кодирующего функционирование структурного гена и самого структурного гена (S), на котором происходит образование и-РНК). Эти участки связаны между собой функционально и при блокировке одного из них процесс транскрипции невозможен. Промотор, оператор и структурный ген образуют структурную единицы гена - оперон.

Сигналы к ДНК из частей клетки поступают в виде низкомолекулярных веществ – эффекторов (индукторов), которые не способны к прямому химическому взаимодействию с ней (например, аминокислоты, нуклеотиды и др.).

Если в среде недостаточно или полностью отсутствуют индукторы синтеза, то белок-репрессор, кодируемый регуляторным геном (R), соединяясь с оператором, блокирует процесс транскрипции (рис. 1, а). Следовательно, синтеза и-РНК не происходит, а значит, отсутствует и синтез белка (фермента).

Если эффектор (индуктор) присутствует в клетке в достаточном количестве (рис. 1, б), то, соединяясь с регуляторным белком (репрессором), он изменяет его структуру так, что он утрачивает способность соединяться с ДНК (оператором). И в этом случае фермент РНК-полимераза «запускает» процесс транскрипции.

Рис. 1. Механизм индукции ферментов при отсутствии (а) и в присутствии (б) индуктора (эффектора):

Вторичные метаболиты – высокомолекулярные соединения, не требующиеся для роста чистой культуры. Обычно они представляют собой смесь родственных соединений, входящих в одну и ту же химическую группу (например, антибиотики, алкалоиды, гормоны роста, токсины и др.). Вторичные метаболиты на ранних стадиях роста культуры и в период интенсивного накопления биомассы оказывают негативное воздействие на организм-продуцент, который со временем приобретает к ним резистентность. Как правило, эти вещества не служат материалом для образования клеточных структур и синтезируются на более поздних стадиях роста. При недостатке в питательной среде одного из источников питания, синтез вторичных метаболитов резко возрастает. Поэтому чтобы уберечь микроорганизмы от самоуничтожения, необходимо после достижения фазы быстрого роста, поддерживать ее на определенном уровне путем дозированного введения питательных веществ. На основе искусственной регуляции синтеза вторичных метаболитов создана технология получения антибиотиков – самого большого класса фармацевтических соединений, которых в настоящее время насчитывается более 3500 видов.