Тема 10. Основні принципи регуляції обміну речовин у мікроорганізмів

10.1 Основні уявлення про механізм регуляції

У мікробних клітинах функціонують різні системи регуляції обміну речовин. Принципові розходження між ними полягають у наступному: за допомогою однієї з них відбувається регуляція синтезу ферментів, за допомогою іншої - регуляція їх активності. Посередниками в здійсненні цих механізмів є низькомолекулярні з'єднання, які або синтезуються клітиною, або надходять у клітину з навколишнього середовища.

Основні дані про механізми регуляція були отримані на мутантних штамах або в досвідах іn vіtro на моделях. Останні не завжди в стані відтворити умови, близькі до іn vіvo, наприклад, у більшості лабораторних досліджень використовують розведені водяні розчини ферментів. У таких дослідженнях звичайно молярність субстрату в мільйон раз вище, ніж у ферменту, тоді як стає усе більше очевидним, що концентрації ферментів, субстратів і молекул-регуляторів близькі для більшості метаболічних шляхів. Модельні системи також майже не ураховують фазовий стан системи, зміни кінетичних характеристик в умовах, що нагадує гелі, вплив концентраційних ефектів. Тому деякі наші подання, отримані в досвідах іn vіtro, не завжди можуть бути перенесені на живі організми.

Істотний вплив на метаболізм, як позитивне, так і негативне, можуть робити слабкі білок-білкові взаємодії. Для ферментів гліколізу, зокрема, можливо існування комплексу, що зазвичай, позитивно впливає на функції системи.

З іншого боку, реальна величина ферментативної активності в клітині може бути значно меншою, чим ніж дані, отримані іn vіtro. Відбувається це від тенденції багатьох внутрішньоклітинних ферментів до зв'язування з окремими клітинними структурами.

10.2 Індукція й репресія синтезу ферментних білків

Інформація про синтез ферментів, так само як й інших білків записана в геномі. Прийнято вважати, що клітина має два типи ферментів, що розрізняються по механізму регуляції їх синтезу: конститутивні й індуцибельні. Індуцибельні ферменти синтезуються клітиною у відповідь на вплив певного фактора зовнішнього середовища. Такими факторами зовнішнього середовища, як правило, буває який-небудь компонент середовища для культивування або середовища перебування. Наявність такої речовини в середовищі приводить до значного прискорення синтезу ферментів, відповідальних за його розщеплення й утилізацію. Така індукція відбувається в результаті посилення матричної активності відповідних генів, тобто, активування процесу.

Безпосередній акт індукції синтезу ферментів у клітині відбувається під дією некаталітичних алостеричних білків, які є продуктами певних регуляторних генів. Білки контролюють синтез ферментів негативно, тобто зв'язуються з бактеріальною хромосомою на якійсь ділянці поблизу структурних генів, що детермінують синтез цих ферментів, і перешкоджають їхній транскрипції. У відповідності зі сказаним вище не виникає, очевидно, труднощів у взаємодії внутрішньоклітинних субстратів катаболізму з регуляторною системою клітини прокаріотних організмів. Інакше стоїть справа з індукторами, що перебувають поза клітиною. Щоб індуктор проникнув у клітину, необхідно мати відповідну транспортну (пермеазну) систему. Відомо, що транспорт високомолекулярних поживних речовин у клітину із середовища обмежений, звичайно попередньо відбувається їхній ферментативний гідроліз. Ферменти, що здійснюють гідроліз, також здебільшого індуцибельні, тобто вимагають індуктора. У більшості випадків щирі індуктори невідомі. Сигнал, що є присутнім поза клітиною, або повинен бути ензиматичним трансформований, щоб стати внутрішньоклітинним індуктором, або він є тільки першою ланкою сигналу, що викликає наростання або падіння концентрації індукторів у клітині. Тому найбільш удалим нам здається визначення, запропоноване С. P. Mapдашевим й А. Я. Ніколаєвим для таких сигналів. Під індуктором і репресором (разом позначаються як ефектор) варто розуміти речовини, які приводять до зміни швидкості синтезу білків при додаванні їх до культури (фізіологічні сигнали) При цьому, можливо, є регуляторним апаратом взаємодіє не сама додана речовина, а його метаболіт або навіть речовина іншого походження, концентрація якого підвищується в присутності доданого в середовище речовини. У більшості випадків як такі індуктори використовують субстрат дії ферменту.

У цей час система регуляції синтезу індуцибельних ферментів детально вивчена на прикладі β-галактозидази Е. colі. Сьогодні очевидно, що дана система у всіх деталях може розглядатися тільки для прокаріотних мікроорганізмів.

Гени, що детермінують структуру ферментів із близькими функціями, згруповані в бактеріальній хромосомі в одиничний оперон, що забезпечує можливість координованого контролю їхнього вираження відповідно до потреб клітин. До складу названого вище оперона Е. colі входять три гени.