Тема 14. Метаболічний фонд мікроорганізмів

14.1 Амінокислоти фонду

Серед численних продуктів обміну речовин мікроорганізмів, що перебувають усередині клітини, істотне значення для життєдіяльності мають низькомолекулярні компоненти метаболічного фонду (пула), до числа яких відносяться амінокислоти, нуклеотиди і їхні похідні, кислоти циклу Кребса й т.п. Склад цих компонентів дуже мінливий і залежить, як від віку клітини й популяції, так і від складу середовища, у якій вони перебувають. Компоненти метаболічного фонду беруть участь у найважливіших процесах, що відбуваються в клітині - у реакціях конструктивного й енергетичного обміну, а також виконують функції регуляторів ферментативних реакцій

Склад і динаміка. Амінокислоти метаболічного фонду якісно ті ж самі, що входять до складу білків. Розходження має місце тільки при кількісній оцінці цих амінокислот. Якщо в амінокислотному складі сумарного білка різних мікроорганізмів важко знайти які-небудь загальні характерні ознаки по перевазі змісту тієї або іншої амінокислоти, то для фонду таку закономірність можна назвати.

Незначна кількість амінокислот пула в молодих культур порозумівається великою швидкістю росту й посиленим синтезом білка

У культурі Actіnomyces rіmosus, де було відзначене зростання кількості α-аміноазоту вільних амінокислот після зниження їхнього змісту в пулі, подібний факт зв'язується з фізіологічними особливостями даного актиноміцету, у якого в період інтенсивного синтезу антибіотика виникають молоді гіфи ("вторинний ріст").

Можуть мати значення специфічні особливості азотного обміну мікроорганізмів, при яких наведені закономірності трохи інші. Наприклад, у культурі азотобактера найбільше зростання кількості вільних амінокислот збігається з початком інтенсивної азотфіксації. В культурах мікроміцетів, що утворюють конідії, також знайдені вільні амінокислоти.

Амінокислоти, які не беруть участь у побудові білка, ідентифікуються досить рідко, однак при вивченні метаболічного фонду деяких дріжджів були виявлені гомосерин, цитрулін, етаноламін, α-аміномасляна кислота. У ряду дріжджових культур у складі фонду знайдені D ізомери амінокислот.

Для розуміння біохімічних механізмів, що функціонують у фонді, досить важливо мати представлення про те, яка з амінокислот синтезується першою, якщо культура вирощується па синтетичному середовищу без органічних азотмістких з'єднань. Для рішення цього питання застосовуються звичайно досвіди з використанням радіоактивної мітки ¹⁵N, що втримується в якому-небудь мінеральному компоненті середовища. Найбільш переконливі дані були отримані в досвідах з Penіcіllіum guseolulvum, де через годину інкубації 88 % активності "мітки" виявлялося в глютаміновій кислоті й глютаміні. Подібна закономірність виявилася в культурі Candіda tropіcalіs.

Найбільш істотний вплив на кількісний амінокислотний склад фонду роблять присутні в середовищі їх метаболічні попередники. Наявність у середовищі α-кетоглутарової і піровиноградної кислот у короткочасних дослідах з відмитими клітинами актиноміцетів привело відповідно до 1,5-3,5-кратного збільшення вмісту у фонді глютамінової кислоти й α-аланіну.

Фактором, що регулює зміст амінокислот пула, можуть бути специфічні антибіотики, що гальмують білковий синтез у клітині, при збереженні функції ферментних систем, що синтезують амінокислоти. Збільшення змісту окремих амінокислот у фонді може мати хоча й обмежене, але практичне значення, коли необхідно збагатити культуру однієї з них. Наприклад, один з мутантних штамів Candіda sp. накопичував на 40 % більше метіоніну в пулі, чим вихідний варіант. Такий шлях може виявитися більш доступним, чим зміна амінокислотного складу клітинних білків.

Регуляторні функції амінокислот фонду проявляються досить широко на різних шляхах метаболізму. Їхній вміст у фонді визначає насамперед власний синтез; рівень активності ферментів або їхній синтез de novo; крім того, якщо амінокислоти надходять із середовища в клітину, - синтез або активність пермеазних систем. Вільні амінокислоти, мабуть, виконують істотну роль у регуляції синтезу РНК.

Метаболічний амінокислотний фонд клітини служить джерелом нагромадження амінокислот середовища при мікробіологічному синтезі амінокислот. Коли синтез білка в культурі практично припинений, а синтез амінокислот триває, продукти синтезу надходять у зовнішнє середовище.

14.2 Нуклеотиди фонду

Під метаболічним фондом нуклеотидів звичайно розуміють низькомолекулярні кислоторозчинні продукти, які екстрагуються з мікробних клітин. Аналіз кількісного вмісту нуклеотидів відноситься до числа досить трудомістких і тонких методів, тому нуклеотиди є найменш вивченими в порівнянні з іншими компонентами низькомолекулярного фонду. В фонд входять всі нуклеотиди, складові структури ДНК і РНК, їх ди- та трифосфатпохідні, а також відповідні основи й нуклеотид-цукри. Крім того, до складу фонду можуть входити метаболічні попередники нуклеотидів і продукти їх ензиматичної деградації, наприклад похідні інозину, ксантину та ін.

Як й амінокислотний фонд, фонд нуклеотидів дуже динамічний, і його склад залежить від специфічних особливостей культури, фази росту популяції, умов культивування та складу середовища.

Роботи з модельними системами, які в якомусь ступені могли б заповнити відсутність інформації на рівні клітин, не можуть повністю врахувати всю складність внутрішньоклітинних взаємодій. Тому вірніше говорити про ті можливості, якими володіють нуклеотиди або їхні похідні, виходячи з відомих для них фізико-хімічних властивостей або властивостей компонентів клітини, так чи інакше дотичних з нуклеотидами. Стосовно до взаємодії між структурними елементами клітини, між різними макромолекулами й нуклеотидами провідна роль належить, імовірно, водневому зв'язку.

Добре відомо, що клітинні структури й багато які метаболічно активні макромолекули містять атомні угруповання, що володіють гідрофільними властивостями, наявність яких у значній мірі може визначити здатність речовини утворювати водневі зв'язки з іншими з'єднаннями. Акцепторами багатьох низькомолекулярних з'єднань можуть бути, зокрема, білкові молекули. Наявність водневих зв'язків веде також до стабілізації вторинних структур як у самих нуклеотидів (або їхніх похідних), так й у макромолекул, з якими нуклеотиди виявляються зв'язаними. Нуклеотиди роблять суттєвий вплив на стабільність спіральної конформації лужних поліпептидів

Водневі зв'язки мають місце також і при взаємодії між нуклеотидами. Між основами спостерігаються гідрофобні взаємодії.

Крім водневих зв'язків у будь-якій живій системі діють Ван-дер-Ваальсові сили, що виникають між нейтральними атомами й молекулами внаслідок їхньої поляризації. Є підстави думати, що на нуклеотиди і їхні похідні також поширюється дія сил Ван-дер-Ваальса, хоча функціонально вони, імовірно, менш значимі.

Форма зв'язку нуклеотидів зі структурними компонентами клітини залежить від їхньої локалізації. Локалізація нуклеотидів пов'язана з їхньою функцією За даними локалізації нуклеотидів й їхніх похідних у клітинах можна побічно судити про топографію біохімічних процесів. Такі дані поки досить обмежені. Можна привести результати, отримані із протопластами Neurospora crassa. Ці результати дають підставу думати, що більша частина уридилових й значна кількість аденілових і цитидінових нуклеотидів, очевидно, розташовані в зовнішніх шарах клітини. Припускають, що зникаючі разом із клітинної стінкою нуклеотиди або пов'язані із клітинною стінкою, або розташовані в просторі між клітинною стінкою й зовнішньою цитоплазматичною мембраною Можливо, вони пов'язані з якимись компонентами клітинної мембрани. Не виключено, що їх локалізація пов'язана з біохімічними функціями в клітині: участь у синтезі компонентів клітинної стінки (уридилові нуклеотиди), мембран (цитидилові нуклеотиди), проникністю в клітину різних компонентів середовища (аденілові нуклеотиди).

Контрольні питання:

1. Розкрити поняття метаболічний фонд

2. Охарактеризувати особливості метаболічного фонду амінокислот

3. Охарактеризувати особливості метаболічного фонду нуклеотидів

Поиск по сайту: