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.