Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Метаболизм. Процессы, требующие притока энергии
Биологическая роль и закономерности биосинтеза антибиотиков
Закономерности биосинтеза антибиотиков

Антибиотики относятся к вторичным метаболитам — низкомолекулярным веществам, функции которых несущественны для роста чистых культур. Вторичные метаболиты (антибиотики, алкалоиды, гормоны роста растений, токсины) производятся представителями ограниченного числа таксономических групп. В отличие от первичных метаболитов, вторичные имеют более сложное химическое строение и образуются, как правило, в ходе длинных метаболических путей.

Известно, что образование антибиотиков делает их продуцентов более конкурентоспособными и является мощным фактором в борьбе организмов за существование. Однако это не единственная роль антибиотиков: недавно обнаружено, что данные вещества осуществляют функцию контроля и регуляции процессов метаболизма, выполняя роль специфических эффекторов, контролирующих активность ряда ферментных систем. Кроме этого, существует точка зрения, согласно которой антибиотики могут служить клеточными компонентами, в виде которых клетка избавляется от накопившихся в ней по тем или иным причинам в избытке метаболитов и восстановительных эквивалентов.

Биосинтез большинства вторичных метаболитов, в том числе антибиотиков, обычно осуществляется на определенной стадии развития микроорганизма, в условиях торможения основных процессов анаболизма — биосинтеза нуклеиновых кислот, белка, липидов, полисахаридов. Различают две принципиально различные стадии развития популяции продуцентов антибиотиков. Первая, носящая название трофофаза или фаза сбалансированного роста, характеризуется интенсивным синтезом соединений, требующихся для роста клеток, что сопровождается быстрым потреблением основных питательных компонентов среды. Эта фаза соответствует фазе логарифмического роста периодической культуры микроорганизмов. После исчерпания некоторых ингредиентов среды (в первую очередь, углерода, азота, молекулярного кислорода) и накопления продуктов метаболизма наступает вторая фаза (идиофаза, или фаза несбалансированного роста). Идиофаза отличается заметным торможением или прекращением роста микробной популяции, что соответствует переходу в стационарную фазу роста периодической культуры. Здесь начинают преобладать протеолитические процессы, происходит автолитический распад клеток. Именно в идиофазе многие микроорганизмы начинают синтезировать вторичные метаболиты, к числу которых относятся и антибиотики. Описанные закономерности можно отобразить графически (рис. 18.3).

Рис. 18.3. Динамика биохимических изменений в культуре продуцента антибиотика: 1 — рост культуры; 2 — накопление антибиотика; 3 — использование углеводов; 4 — использование фосфора в составе минеральных соединений

В большинстве случаев максимум накопления антибиотика в культуральной жидкости наступает после максимума накопления биомассы. Это объясняется тем, что синтез ферментов, ответственных за образование антибиотиков, подавлен (репрессирован) во время трофофазы.

Биосинтез антибиотиков — наследственно закрепленное свойство организмов. Гены, ответственные за эти процессы, могут располагаться на хромосомах (нуклеоидах у прокариот), а также на плазмидах.

Регуляция процесса синтеза антибиотика осуществляется разными способами: чаще в ходе катаболитной репрессии, с помощью репрессии синтеза ферментов конечным продуктом, а также при аллостерическом ингибировании антибиотиком активности ключевых ферментов своего биосинтеза. При этом важными компонентами среды, оказывающими влияние на биосинтез антибиотиков, являются глюкоза, а также фосфат. Как правило, избыток этих веществ отрицательно сказывается на образовании антибиотиков.

Антибиотическая продуктивность организма отражает количество антибиотика (в мкг или в единицах), образованное единицей массы (обычно 1 мг) сухих клеток микроорганизма-продуцента в единицу времени (обычно за 1 ч). Этот параметр зависит, в первую очередь, от вида микроорганизма, фазы роста клеток, состава среды, условий культивирования. Препараты антибиотиков характеризуются разной степенью чистоты и, соответственно, активности, которая выражается в количестве единиц антибиотической активности (ЕД), содержащихся в 1 мг или 1 мл препарата. За единицу антибиотической активности принимают минимальное количество чистого вещества антибиотика, способное подавить развитие определенного числа клеток стандартного штамма микроорганизма (тест-микроба) в единице объема культуральной жидкости. Например, 1 ЕД стрептомицина эквивалентна 1 мкг чистого основания этого вещества, 1 ЕД пенициллина соответствует 0,6 мкг натриевой соли бензилпенициллина. При этом в качестве тест-микроба для стрептомицина используется E.coli, а для пенициллина — Staphylococcus aureus.