Общая микробиология - Шлегель Г. 1987

Регуляция метаболизма

В предшествующих главах, посвященных обмену веществ у микроорганизмов, неоднократно шла речь о регуляции метаболизма и роста факторами среды. Обнаруженное еще Пастером подавление брожения атмосферным кислородом у дрожжей - превосходный пример такой регуляции, весьма детально изученный. Давно известно также, что некоторые ферменты, участвующие в расщеплении того или иного субстрата, образуются только в его присутствии. У денитрифицирующих бактерий нитратное дыхание может начаться лишь в отсутствие О₂: кислород подавляет и образование нитратредуцирующей ферментной системы, и ее функцию. Изменение pH в культурах Enterobacter или Clostridium способно изменить ход брожения и повлиять на природу образующихся продуктов. У фототрофных бактерий кислород и свет влияют на синтез пигментов. В основе этих и многих других изменений, обусловленных средой, лежат специальные регуляторные механизмы.

Многообразие обменных процессов, необходимых для синтеза различных веществ и роста клеток, требует их хорошей координации. Каждый метаболический путь включает несколько ферментативных реакций. Процессы метаболизма обеспечивают получение энергии в биологически доступной форме, синтез простых структурных компонентов и сложных макромолекул, а также редупликацию клетки. Необходимость выдержать конкуренцию с другими живыми существами привела к развитию механизмов, которые, с одной стороны, дают возможность приспосабливаться к меняющимся условиям внешней среды, а с другой - оптимально согласовывают между собой различные метаболические процессы. Объектами такой оптимизации могут быть ферментные белки, их синтез и функционирование. Регуляция клеточного метаболизма происходит на двух уровнях - на уровне синтеза ферментов и на уровне изменения их активности.

Первый тип регуляции свойствен многим метаболическим путям. Как правило, одновременно регулируется синтез многих ферментов, относящихся к одному и тому же пути. Цель этой регуляции - обеспечить нужное соотношение между скоростью синтеза определенных ферментов и скоростью синтеза суммарного клеточного белка. Эта скорость определяется частотой транскрипции структурных генов.

Многие ферменты образуются непрерывно вне зависимости от условий среды; такие ферменты называют конститутивными (соответственно говорят также о конститутивных генах и конститутивном синтезе ферментов).

Образование катаболических ферментов регулируется путем индукции. С точки зрения экономности клеточного метаболизма выгодно, чтобы ферменты, участвующие в использовании субстрата и включении продуктов его распада в промежуточный обмен, синтезировались лишь в тех случаях, когда данный субстрат имеется в питательной среде. Все другие катаболические ферменты, которые клетка способна синтезировать, не должны образовываться, пока в них нет надобности.

Образование анаболических ферментов регулируется путем репрессии. С точки зрения той же экономии выгодно, чтобы ферменты определенного биосинтетического пути не синтезировались, если его конечный продукт имеется в среде. Поэтому в присутствии такого конечного продукта или при его накоплении снижается скорость синтеза всех ферментов, специфичных для данного биосинтетического пути.

Ферменты, необходимые для синтеза основных структурных компонентов клетки, обычно образуются непрерывно, но их образование подавляется (репрессируется), если конечный продукт имеется в избытке. В таких случаях говорят о репрессии конечным продуктом.

Регуляция на уровне активности ферментов свойственна, как правило, только ключевым ферментам клеточного метаболизма. Каталитическая активность ферментов, участвующих в том или ином пути биосинтеза, может подвергаться изменениям; она может повышаться (под действием положительного эффектора) или снижаться (под действием отрицательного эффектора). При ингибировании конечным продуктом (ретроингибировании) этот продукт подавляет активность первого фермента, участвующего в данной цепи реакций.

Оба типа регуляции - индукция и репрессия, с одной стороны, и изменение активности фермента, с другой, - приводят к почти одинаковому результату: они влияют на «пропускную способность» того или иного метаболического пути. Индукция и репрессия действуют медленно, и их можно рассматривать как механизмы грубой регуляции. Изменение активности ключевого фермента проявляется мгновенно; это уже тонкая регуляция.