А.И. Нетрусов, И.Б. Котова - Микробиология (1125593), страница 40
Текст из файла (страница 40)
!49, 150). Запасные вещества. Это продукты клеточного метаболизма, образующиеся при избытке экзогенных питательных веществ и использующиеся в условиях голодания или в период адаптации клеток к новым субстратам. Основной их функцией считают обеспечение клеток энергией и необходимыми элементами.
Химически инертное состояние запасных веществ в клетке и наличие в ряде случаев белковой оболочки вокруг них способствует сохранению осмостаза клеточного содержимого. Наиболее распространенными запасными веществами у микроорганизмов являются полисахариды, липиды (полиалканоаты), волютин. Запасные лилиды прокариот чаше всего представлены воли-В- гидроксимасаяной кислотой (ПОМ), которая откладывается при из- 227 бытке углеродных энергетических субстратов и недостатке азота. В клетках ПОМ присутствует в виде округлых гранул, окруженных белковой мембраной.
Запасание ПОМ характерно для микроорганизмов родов АгогоЬасгег, А!са)(Велел, Ин~оЬгит, Мкгососсил, ВасгИиз, Люб(еа, ВЬодозр(пИит и др. В условиях голодания распад гранул ПОМ происходит за счет их гидролиза при участии специфической деполимеразы. Микроорганизмы запасают гликогено- или крахмалоподобные палисахариды при избьпке источника углерода и энергии и недостатке азота в виде сферических или неправильной формы гранул. Полисахариды построены из остатков О-глюкозы, соединенных разными связями. Гликогеноподобные запасные полисахариды характерны для дрожжей, бактерий кишечной группы, стрептококков и других и широко распространены. Крахмалоподобный полисахарид данулеза присущ более узкой группе микроорганизмов (клострндиям).
Накопление волютина широко распространено среди разных групп микроорганизмов (например, ЯрггИ(ит, ) асгоЬас(Ииз, СогупеЬасгег(ит, М!сгососсиз) и происходит в среде, богатой фосфатами. Волютиновые гранулы состоят из полифосфатов, являющихся депо фосфора и, возможно, имеющих энергетическое значение. Полифосфаты синтезируются за счет реакции: АТФ + (НРОз)„= = АДФ + (НРО,)„,, катализируемой фосфаткиназой.
Включения серы наблюдаются у микроорганизмов, способных использовать соединения серы в своем метаболизме (тионовые и аноксигенные фототрофные бактерии). Элементарная сера является интермедиатом окисления сероводорода и при его избытке накапливается в клетке. Недостаток Н28 в среде стимулирует использование запасов серы и окисление ее до сульфата.
В клетках элементарная сера содержится в виде гранул, окруженных однослойной белковой мембраной. У цианобактерий в условиях голодания по азоту расходуется специфическое запасное вещество цианофицин, являющийся сопслимером аргинина и аспартата (мультиаргининполиаспартат). Цианофицин может быть и энергетическим субстратом за счет реакции: аргинин + АДФ + Ф„+ Н20 -+ орнитин + С02 + АТФ + ХНз Реакция катализируется ферментом аргинингидролазой, а АТФ синтезируется путем субстратного фосфорилирования. Вторичные метаболиты Вторичные метаболиты — это вещества микробного (или растительного) происхождения, не существенные для роста и репродукции образующего их организма. Каждый вторичный метаболит производится относительно ограниченным числом видов.
Эти 228 Малонат ( ВМ1 ВМ Меаалонат Стероилы ВМ А ~~м ц нграт Али ами Рис. 15!. Связь вторичного и первичного метаболизма (ВМ вЂ” вторичные метаболиты) 229 соединения синтезируются в конце экспоненциальной или в течение стационарной фаз роста, и их формирование в значительной степени зависит от условий роста, особенно состава питательной среды. Многие вторичные метаболиты имеют химическую структуру, необычную для биологической материи. Это соединения, относящиеся к разнообразным классам органических веществ, — аминоциклитолы, кумарины, эпоксиды, нерибосомальные пептиды, полиены, пирролы, терпеноиды, тетрациклины. На рис.
151 изображена схема, показывающая связь первичного и вторичного метаболизма. Все вторичные метаболиты получаются из интермедиатов первичного метаболизма с помощью четырех классов биосинтетических реакции: 1) преобразование первичного метаболита в специфический предшественник для вторичного метаболизма; 2) реакции модификации или активации, уводящие предшественник на путь вторичного метаболизма; 3) полимеризация и конденсация; 4) поздние реакции модификации.
К вторичным метаболитам относятся антибиотики (см. гл. 5), токсины (например, эрготоксин спорыньи), поликетиды (вещества с антибиотической и иммунодепрессантной активностью ши- Вторичный мат«болит оп, 1с) метаболита Время Рис. 152. Развитие культуры и синтез вторичного метаболита (ОП вЂ” опти- ческая плотность суспензии продуцемта) рокого спектра действия), изопреноиды (каротиноиды, стероиды, гиббереллины, фитоалексины, антираковые антибиотики).
Сюда же можно отнести и некоторые запасные вещества типа лолигидроксиалкалоатов. Если образование первичного метаболита происходит одновременно с ростом и размножением культуры, то для продуцента вторичных метаболитов принято говорить о трофофизе (когда культура растет и размножается) и идиофизе (когда рост замедляется ипи останавливается и начинается синтез продукта) (рис. 152). Вообще, о механизмах переключения путей метаболизма с первичного на вторичный и о физиологической роли вторичных метаболитов в жизни собственного продуцента достоверно известно очень мапо. Неизвестно, насколько распространен вторичный метаболизм в природе.
Само понятие «вторичный метаболит» достаточно расплывчатое и многие исследователи его не признают. Коитрольныв вопросы 1. Назовите основные пути ассимиляции углекислоты микроорганизмами. Какое значение в метаболизме имеет реакция Вуда — Веркмана? 2. Назовите основные процессы метаболизма азота и серы у микроорганизмов. 3. Каковы основные этапы синтеза биологических полимеров у микроорганизмов? 4. Перечислите стадии синтеза порфиринов и пептилогликана. 5.
Когда и как в клетках микроорганизмов образуются запасные вещества? 6. Назовите особенности вторичного метаболизма и перечислите наи- более известные вторичные метабалиты. Глава 9 РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА У МИКРООРГАНИЗМОВ Значение процессов регуляции Для самого существования жизни важны как регуляция активности отдельных путей метаболизма, так и координация деятельности этих путей. Дезорганизация без адекватного контроля метаболизма приводит к гибели клетки. Задача регуляторных механизмов необычайно сложна.
Все пути метаболизма должны регулироваться и координироваться так эффективно, чтобы клеточные компоненты присутствовали в данный момент в точно необходимых количествах. К тому же микробные клетки должны эффективно «отвечать» на изменения окружающей среды использованием имеющихся на данный момент питательных веществ и включением новых катаболических путей, когда другие вещества становятся доступными.
Поскольку композиция химических соединений окружающей среды постоянно меняется, регуляторные процессы должны постоянно соответствовать новым условиям. Регуляция важна для поддержания баланса между энергодаюшими и синтетическими реакциями в клетке. Основные способы регуляции микробного метаболизма Поток углерода через тот или иной путь может регулироваться следующими основными способами: ° локализацией метаболитов и ферментов в разных частях клетки; ° стимуляцией или ингибированием активности определенных ферментов, позволяющей быстро менять путь метаболизма; ° контролем количества молекул фермента у микроорганизмов обычно на уровне транскрипции. Этот способ более медленный, ферменты синтезируются только в случае, когда в них есть необходимость. Пространственное и временное разделение ферментов и метаболитов.
Достигается в основном за счет компартментализации, т.е. распределения ферментов и метаболитов в разных клеточных струк- 231 турах или органеллах. Компартментализация особенно распространена у эукариотических микроорганизмов, у которых много органелл с собственными мембранами. Например, окисление жирных кислот локализовано в митохондриях, тогда как синтез жирных кислот происходит в цитоплазматическом матриксе. Компартментализация делает возможным одновременное, но раздельное регулирование анаболических путей.
Далее активность данного пути может координироваться в общем метаболизме пугем регуляции транспорта метаболитов и коферментов между клеточными компартментами. Неоднородность клеточной внутренней среды позволяет создавать градиенты метаболитов около определенных ферментных систем. Контроль активности ферментов. Контроль осуществляется несколькими способами.
Аллостерическая регуляция предполагает наличие у молекулы фермента двух сайтов — каталитического и регуляторного. Под действием эффекгяора — небольшой молекулы, обратимо нековалентно связывающейся с регуляторным сайтом фермента, происходит конформационное изменение его каталитического сайта (рис. ! 53). Примером может служить аспартаткарбомоилтрансфераза из Е. со!г, для которой ь(ТФ (конечный продукт биосинтеза пиримидинов) — негативный эффектор, а АТФ вЂ” позитивный эффектор.
Эффекторы изменяют Км, но не максимальную скорость реакции (рис. ! 54). Ковалентная модификация ферментов — это обратимый процесс, заключающийся в ковалентном связывании или удалении определенной группы, что изменяет активность фермента. Напри- Каталитический Рмулнториый сайты Рис. 153. Схема аллостерической регуляции активности фермента 232 Кол(АТФ) Ко,з Ко,з(ЦТФ) (С) Рис. 154.
Влияние негативного (ЦТФ) и позитивного (АТФ) эффекторов на кинетические характеристики (Г„»„и Км) аспартаткарбамоилтраис- феразы из Е. со(( мер, для активирования гликогенфосфорилазы из )теигозрога сгазза необходима ковалентная модификация молекулы фермента (рис. 155). У Е. со((, наоборот, модифицированная форма глугаминсинтетазы менее активна. Каждый путь имеет хотя бы один фермент, определяющий скорость всего процесса, так как катализирует самую медленную, лимитирующую скорость реакцию. Обычно таким «узким местом» является первая стадия процесса. Фермент «узкого места» обычно подвергается ингибированилз конечным продуктом пути. Разветвленные биосинтетические пути достигают баланса между конечными продуктами через регулирование ферментов в точках разветвления. Регуляция сильно разветвленных путей основана на наличии изоферментов, разных ферментов, катализирующих аналогичные реакции.
В таких условиях один из конечных продуктов уменьшает активность процесса, но не блокирует его полностью, поскольку некоторые изоферменты остаются активными. Фосфорилазз Б (неактявиоя) АТФ Ф„ ил«за А «я) (Глюкоз«)„+Ф„(Глюкоза) ~+глюкозо-1-фосфат Рис. 155. Схема коаалеитиой модификации гликогенфосфорилазы из Агеигрзрога сгшза 233 Управление синтезом ферментов. Ферменты, синтезирующиеся независимо от условий выращивания микроорганизма, называются конститутивными (например, ферменты утилизации глюкозы), а синтезирующиеся при наличии определенного доступного субстрата — индуцибельными (ферменты утилизации лактозы у Е.
согг', ферменты деградации аминоароматических соединений у Рлеисготолау). РН К-полимераза нуждается в наличии сигма-фактора для связывания лромотора и инициации транскрипции. Сложный процесс, требующий радикальных изменений в транскрипции или синтезе продуктов разных генов в определенной последовательности, может регулироваться серией сигма-факторов. Каждый сигма-фактор дает возможность кор-ферменту узнавать специфическую последовательность и транскрибировать именно эти гены.
Замена сигма-фактора немедленно изменяет экспрессию генов. Бактериофа- Регулятор Р О Гены транскрипции Активный репрессор Регулятор Р О Гены Индуктор г+, ыРНК Неактивный репрессор А Регулитор Р О Гены т Неактивный репрессор Регулятор Р О Гены ~ф~ транскрипции Активный репрессор Корепрессор Б Рис. 156. Схемы индукции (А) и репрессии (Б) синтеза фермента (Р— промотор; Π— оператор) 234 цАМФ Ю Активный САР О Гены РНК-ноянмерата + снгмв-фактор крипння !сны Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
