Уровни регуляции метаболизма у микроорганизмов.

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. Задачи регуляторных механизмов: все пути метаболизма должны регулироваться и координироваться так эффективно, чтобы клеточные компоненты присутствовали в данный момент в точно необходимых количествах; микробные клетки должны эффективно «отвечать» на изменения окружающей среды использованием имеющихся на данный момент питательных веществ и включением новых катаболических путей, когда другие в-ва становятся доступными. Регуляция важна для поддержания баланса между энергодающими и синтетическими реакциями в клетке.

Поток углерода через тот или иной путь может регулироваться следующими основными способами:

 

1) Локализацией метаболитов и ферментов в разных частях клетки – достигается за счет компартментализации. Например: окисление жирных кислот в МТХ, а их синтез в цитоплазме. Это одновременное, но раздельное регулирование метаболизма. Далее регуляция идет на уровне транспорта между разными компартментами. Неоднородность клетки позволяет создавать градиенты метаболитов между компартментами.

 

2)Контроль активности ферментов: стимуляцией или ингибированием активности определенных ферментов, позволяющей быстро менять путь метаболизма;

 

Контроль активности ферментов осуществляется несколькими способами:

1. Аллостерическая регуляция предполагает наличие у молекулы фермента двух сайтов — каталитического и регуляторного. Под действием эффектора — небольшой молекулы, обратимо нековалентно связывающейся с регуляторным сайтом фермента, происходит конформационное изменение его каталитического сайта.

2. Ковалентная модификация ферментов — обратимый процесс, заключающийся в ковалентном связывании или удалении определенной группы, что изменяет активность фермента.

Каждый путь имеет хотя бы один фермент, определяющий скорость всего процесса, так как катализирует самую медленную, лимитирующую скорость реакцию. Фермент лимитирующей стадии обычно подвергается ингибированию продуктом пути. Разветвленные пути регулируются в точках разветвления изоферментами – разные ферменты, катализирующие аналогичные реакции. В таком случае конечный продукт лишь замедляет путь, так как некоторые изоферменты остаются активными.

3)Управление синтезом ферментов - контроль количества молекул фермента у микроорганизмов на уровне транскрипции.

Ферменты, синтезирующиеся независимо о т условий выращивания микроорганизма, называются конститутивными (пример: ферменты утилизации глюкозы), а синтезирующиеся при наличии опр. доступного субстрата — индуцибельными (ферменты утилизации лактозы).

1 .РНК-полимераза нуждается в наличии сигма-фактора для связывания промотора и инициации транскрипции. Сложный процесс, требующий радикальных изменений в транскрипции или синтезе продуктов разных генов в опр. последовательности, может регулироваться серией сигма-факторов. Каждый сигма-фактор дает возможность кор-ферменту узнавать специфическую пос-ть и транскрибировать именно эти гены. Замена сигма-факторы немедленно изменяет экспрессию генов.

2.Другой механизм управления синтезом нужного фермента — это индукция и репрессия. Например, фермент бета-галактозидаза — индуцибельный фермент, уровень которого повышается в присутствии небольшой молекулы, называемой индуктором. Аминокислоты, присутствующие в окружающей среде, могут снижать образование ферментов, ответственных за их биосинтез. Тогда эти ферменты относят к репрессибельным, а метаболиты, вызывающие снижение синтеза такого ферменты, называют корепрессорами.

· Примером оперона под позитивным контролем может служить lac-оперон. Такие опероны функционируют только в присутствии контролирующего фактора. Lac-оперон регулируется САР-белком или цАМФ. Когда бактерии растут на глюкозе, уровень цАМФ падает, что приводит к дезактивации САР-белка, и lac-оперон не экспрессируется. Это катаболитная репрессия.

Уменьшение кол-ва цАМФ может быть следствием влияния ФЕП-фосфотрансферазной системы на активность аденилатциклазы. Активный катаболизм глюкозы приводит к возрастнию энергетического заряда клетки, так как среди аденозинфосфатов преобладает АТФ, поэтому можно сказать, что чем больше энергетический заряд клетки, тем меньше образуется цАМФ.

Короче: много глюкозы – мало ц АМФ. Мало цАМФ – нет CAP-белка(не активен). CAP не активен – не синтезируется lac-оперон, нет лактозы, потому что все еще жрет глюкозу.

Энергетический заряд клетки:

([АТФ] + 1/2[АДФ])/[АТФ] + [АДФ] + [АМФ].

 

· Аттенуация – контроль продолжения транскрипции специфическими аминоацил-тРНК.(снижает синтез)

· Регуляция с помощью антисмысловых РНК – блокируют гены на ДНК, комплиментарно связываясь. Кодируются антисмысловыми генами.