Механизмы интенсификации процессов получения продуктов клеточного метаболизма


Чтобы посмотреть презентацию с картинками, оформлением и слайдами, скачайте ее файл и откройте в PowerPoint на своем компьютере.
Текстовое содержимое слайдов презентации:

Механизмы интенсификации процессов получения продуктов клеточного метаболизма. Метаболизм - это совокупность всех химических изменений и всех видов превращений веществ и энергии в организме, обеспечивающих развитие, жизнедеятельность и самовоспроизведение организмов, их связь с окружающей средой и адаптацию к изменениям внешних условий. В норме обмен веществ в клетке осуществляется по принципам строжайшей экономии, что обеспечивается сложнейшей системой регуляции обмена веществ. • Задача биотехнолога состоит в обеспечении сверхсинтеза одного из продуктов метаболизма, что достигается как путем изменения генетической программы организма, так и посредством нарушения регуляторных систем метаболизма в нем. • Для выделения из природных популяций высокопродуктивных штаммов микроорганизмов используют методы селекции, т.е. направленного отбора организмов со скачкообразным изменением геномов. Для возникновения мутаций интересующий ген должен удвоиться 10⁶-10⁸ раз. • Более эффективен метод искусственного повреждения генома. Таким методом является индуцированный мутагенез, основанный на использовании мутагенного действия ряда химических соединений, рентгеновских и ультрафиолетовых лучей. Мутагены вызывают замены и делеции оснований в составе ДНК, а также индуцируют мутации, приводящие к сдвигу рамки считывания информации.• Несмотря на трудоемкость методов селекции, они не потеряли своего значения для создания высокоэффективных микроорганизмов – продуцентов и оказались перспективным для оценки влияния на объекты различных факторов среды – ионов тяжёлых металлов, кислот/ щелочей и др. Достижения в области молекулярной биологии и молекулярной генетики позволили биотехнологам начиная с 70-х годов прошедшего столетия перейти от слепого отбора штаммов мутантов к сознательному конструированию геномов, используя для этой цели прогрессивную технологию рекомбинантной ДНК.   Каждое из множества разнообразных веществ создается в клетке в строго необходимых для роста пропорциях в результате ферментативных реакций. Координация химических превращений, обеспечивающая экономность метаболизма, осуществляется у микроорганизмов тремя основными механизмами:•регуляцией активности ферментов, в том числе путем ретроингибирования; •регуляцией объема синтеза ферментов (индукция и репрессия биосинтеза ферментов); •катаболитной репрессией.   В процессе ретроингибирования (ингибирование по принципу обратной связи) активность фермента, стоящего в начале многоступенчатого превращения субстрата, тормозится конечным метаболитом, что детально разработано при изучении регуляции биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов и новообразования ряда аминокислот: Таким способом низкомолекулярные метаболиты передают информацию об уровне своей концентрации и состоянии обмена веществ ключевым ферментам метаболизма. Ключевые ферменты — это регуляторы периодичности в процессе функционирования энзима и соответственно образования продукта. Эта ферменты представлены в клетке аллостерическими белками, а конечные метаболиты — аллостерическими эффекторами (активаторами и ингибиторами) ключевых энзимов. С помощью описанного механизма конечные продукты саморегулируют свой биосинтез. Ретроингибирование — способ точного и быстрого регулирования образования продукта. Среди многих тысяч ферментов, присущих микроорганизмам, одни, например, ферменты гликолиза синтезируются постоянно и их образование не зависит от состава питательной среды – это конститутивные ферменты, а другие ферменты – адаптивные или индуцибельные – возникают только в ответ на появление в питательной среде индукторов – субстратов или их структурных аналогов.  Регуляция объема биосинтеза ферментов осуществляется на опероном уровне путем изменения количества иРНК, образующихся в процессе транскрипции. В процессе индукции низкомолекулярный метаболит-индуктор, соединяясь с репрессорным белком (продукт гена-регулятора), инактивирует его и тем самым препятствует взаимодействию белка-репрессора с зоной оператора, что обеспечивает возможность присоединения к промотору РНК-полимеразы и, следовательно, начало синтеза. Изучение механизмов регуляции новообразования ряда аминокислот у микроорганизмов показало, что конечные продукты метаболических путей не только ингибируют активность ферментов первых стадий процесса, но и тормозят биосинтез ферментов последних стадий, т.е. помимо аминокислот у микроорганизмов регулируется новообразование многих первичных метаболитов. Обнаруженный феномен назван репрессией, а ферменты, биосинтез которых тормозится под влиянием низкомолекулярных метаболитов, переводящих репрессорный белок в активную форму, способную оккупировать зону первоначального связывания РНК-полимеразы (оператор), называется репрессибельным (глутаминсинтетаза, триптофансинтетаза, орнитинкарбамилтрансфераза, уреаза и др.).  • Проведенные опыты продемонстрировали, что репрессия биосинтеза ферментов обеспечивает более грубую в сравнении с ретроингибированием регуляцию образования анаболических ферментов.• Если концентрация конечного продукта уменьшается до определенного очень низкого уровня, то происходит депрессия фермента, т.е. скорость их биосинтеза возрастает до необходимой величины.  • Бактериальные клетки продуцируют большое разнообразие низкомолекулярных эффекторов в ответ на изменение факторов окружающей среды, каждый из которых, взаимодействую по аллостерическому механизму с определенными регуляторными белками, моделирует промоторную специфичность РНК-полимеразы, запуская, экспрессию определенного набора генов.• Таким образом, ведущими механизмами, обеспечивающими экономичность образования продукта в клетках микроорганизмов, является ретроингибирование и репрессия, базирующиеся на принципе обратной связи. Если в питательной среде присутствуют несколько различных источников углерода, клетка микроорганизма вырабатывает ферменты для усвоения лишь одного, наиболее предпочтительного субстрата – катаболитная репрессия, заключающаяся в подавлении биосинтеза ферментов, обеспечивающих метаболизм одного источника углерода другим. Экспрессия ферментов регулируется белком-репрессором, пространственно удаленным от гена-оператора. Белок-репрессор, будучи присоединен к гену-оператору, препятствует транскрипции структурных генов. Лактозный оперон (lac – оперон) включает структурные гены трех ферментов: X, Y, и А ( отвечают за взаимозависимый синтез β – галактозидазы, галактозилпермеазы и ацетилтрансфераза), контролирующих метаболизм лактозы в клетке. Экспрессия ферментов регулируется белком – репрессором – продуктом гена – регулятора (R), пространственно удаленного от гена – оператора (О). Субъединицы репрессора возникают с постоянной скоростью. Репрессор обладает высоким сродством к соответствующему оператору. Именно белок – репрессор, будучи присоединен к гену – оператору, препятствует транскрипции структурных генов X, Y, и А. Структура и механизм индукции и репрессии lac – оперона (А – в отсутствии индуктора; Б – в присутствии индуктора и при дефиците глюкозы):

Приложенные файлы

  • pptx 9493862
    Размер файла: 784 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий