8 Взаимодействие регуляторных механизмов при управлении скоростью роста клеток и при управлении биосинтезом продуктов метаболизма.

Влияние состава питательной среды на системы клеточной регуляции.

Состав среды может быть таким, что вещества, необходимые для нормального роста м-о отсутствуют, но имеются субстраты и активные ферменты, учавствующие в синтезе тех или иных продуктов нормального метаболизма. Биохимические изменения метаболизма обусловлены репрессией и депрессией синтеза определенных ферментов или же изменением их активности уже существующих ферментов. Эти изменения наиболее выражены в среде неоптимальной для роста, но оптимальной для биосинтеза определенного продукта. Для этого некоторые компоненты среды д. б. в недостатке, чтобы основное исходное сырье перерабатывалось биомассой в ЦП. Вещ-во в недостатке называется лимитирующим рост питательным вещ-вом. часто в промышленности используются отходы, необходимо заранее в лабораторных условиях отработать процесс на тех же средах. На сложных средах неопределенного состава определяют фазу наиболее активного биосинтеза, рост, оптимальные рН, t, степень аэрации. На сложных средах нельзя выявить лимитирующие рост компоненты, недостаток кот. приводит к синтезу вторичных метаболитов. Это выявляют на синтетических или полусинтетических питательных средах. Если м-о необходимы витамины или аминокислоты, их вносят в не больших количествах. Если продуцент растет при небольших добавках дрожжевого автолизата и рост возможен за счет потребления минеральных соединений азота, то автолизат рассматривают как источник витаминов. Если же автолизат требуется в больших количествах, а минеральные соединения азота не используются, значит продуцент нуждается в готовой аминокислоте или других органических веществах.

Скорость роста – функция скоростей координированного биосинтеза всех компонентов биомассы и скорость клеточного деления, регулируется на многих этапах метаболизма. В сложной сети биохимических реакций каждый из них может лимитировать скорость роста, тогда выделяют слабое звено (узкое место метаболизма), важное для получения максимального выхода или ценных продуктов метаболизма, полученных от конкретного продуцента.процессы метаболизма и их регуляция в прокариотической клетке:

Д НК

1-5- уровни ре- 1↓ 1- репликация

гуляции синтеза а ДНК+ДНК 2- транскр-я

белковых посред- 2 ↓ 3- сборка ап-

ников РНК парата транс-

6-8- уровни функ- ↓ ↓ ↓ б крипции

ционирования белков т-РНК р-РНК и-РНК 4- трансляция

6- ферментативная в 3↓ г 5- посттрансл.

активность 4↓ модификация

7- транспорт субстрата белок-предшественник

8- выделение продукта 5↓

б елок-посредник д

е 6 ↓ ж

с убстрат → продукт

( внутри клетки) (внутри)

з 7↑ и 8↓

с убстрат продукт

( снаружи) (снаружи)

а-г – основной механизм регуляции: а- участие транскрипции в репликации, б- воздействие трансляции на транскрипцию, в- индукция, г- репрессия. Д-и – механизм регуляции: д- обратимые ковалентные модификации, е- управление субстратом, активностью, ферментом, ж- управление продуктом, активностью, ферментом (аллостерическая регуляция), з- цисуправление транспортом, и- трансуправление транспортом. Обычно скорость транспорта 7 точно сбалансирована со скоростью метаболизма субстрата для большинства сахаров и органических кислот, для аминокислот иногда больше. Тогда в клетке формируется пул (резерв) субстратов, способный оказывать разнообразное действие на катаболизм клетки. Эта ситуация устанавливается за счет трансрегуляторного ингибирования транспорта субстратов из среды их внутриклеточным пулом. При некоторых условиях транспорт может оказаться лимитирующим этапом. Аналогичная ситуация создается при недостаточной эффективности транспортных систем у криптических мутантов даже при наличии избытка субстрата в среде. Выделение продуктов 8 может лимитировать рост, если продукт обладает ингибирующим или отрицательным регуляторным действием на метаболизм. В клетке вырабатывается специальный механизм. Мембранный транспортный канал для активного удаления этих веществ. Этап функционирования фермента 6 может оказаться звеном, лимитирующим рост в случае отсутствия в клетке необходимого количества, либо наличием малоактивных ферментов. В первом случае включается механизм индукции синтеза фермента субстрата или происходит снятие репрессии синтеза конечным продуктом. Процесс клеточного деления жестко регулируется на этапе сборки клеточной перегородки. Длительность этого этапа определяет теоретически возможное минимальное время генерации для клеток данного штамма. При синтезе макромолекул этап репликации 1 обычно не является узким местом, т. к. скорость элангации цепи ДНК мало зависит от условий роста при оптимальной концентрации белков-предшественников. Объясняется это наличием специальной организации регуляторных механизмов, настроенных на улучшение условий, повышение частоты инициации новых циклов репликации ДНК, поэтому если время генерации < репликации, то новые циклы репликации инициируются до завершения старых и в быстрорастущих клетках ДНК в виде сильно разветвленной структуры, соответствующей по общему количеству 3-6 эквивалентам хромосомы. При этом участки, расположенные вблизи от точки начала репликации, присутствуют в клетке в значительно > количествах копий, чем участки, расположенные вблизи точки терминации. Примерно аналогичная ситуация для процесса транскрипции2, в кот. скорость элангации цепей РНК достаточно постоянная и составляет 50-80 нуклеотидов в сек, а ↑ общей скорости процесса достигается путем ↑ частоты инициации или ↓ частоты терминации. Скорость элангации полипептидной цепи в процессе трансляции сравнительно мало зависит от условий среды, хотя в медленнорастущих клетках скорость элангации 10-12 аминокислот в сек рибосомы может быть в 1,5 раза ниже, чем в быстрорастущей клетке, имеющей 14-17 а/к в сек. Основной способ ↑ эффективности трансляции это ↑ скорости биосинтеза и сборке компонентов аппарата трансляции 3. этот этап одно из наиболее лучших мест метаболизма, где концентрируются эффекты регуляторных аппаратов управления скоростью роста, включающихся в ответ на сигналы, полученные из внешней среды. О важной роли аппарата транскрипции в регуляции скорости роста свидетельствуют следующие факты: 1) между содержанием рибосом и скоростью роста бактерий существует прямая пропорциональность; 2) при изменении условий выращивания в первую очередь изменится скорость синтеза р-РНК, а изменение скорости синтеза белка определяется сдвигом в количестве функционирующих рибосом.