Механизмы интенсификации процессов получения продуктов клеточного метаболизма

1. Механизмы интенсификации процессов получения продуктов клеточного метаболизма.

МЕХАНИЗМЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ
ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ
КЛЕТОЧНОГО МЕТАБОЛИЗМА.

2. Метаболизм - это

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.

3. В норме обмен веществ в клетке осуществляется по принципам строжайшей экономии, что обеспечивается сложнейшей системой

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.

4. • Для выделения из природных популяций высокопродуктивных штаммов микроорганизмов используют методы селекции, т.е.

• 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.

5. Достижения в области молекулярной биологии и молекулярной генетики позволили биотехнологам начиная с 70-х годов прошедшего

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.

6. Каждое из множества разнообразных веществ создается в клетке в строго необходимых для роста пропорциях в результате

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.

7. В процессе ретроингибирования (ингибирование по принципу обратной связи) активность фермента, стоящего в начале

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:

8.

Аспарат → Карбамиласпарат → Дигидрооротовая кислота → Оротовая
кислота →Оротидинмонофосфат → УМФ…. → ЦТФ
Карбамилтрансфераза
Глутамат → N-ацетил- → Орнитин → Цитруллин → Аргинин
Глутамат…
АцетилТрансфераза

9. Таким способом низкомолекулярные метаболиты передают информацию об уровне своей концентрации и состоянии обмена веществ

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.

10. Среди многих тысяч ферментов, присущих микроорганизмам, одни, например, ферменты гликолиза синтезируются постоянно и их

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.

11. Регуляция объема биосинтеза ферментов осуществляется на опероном уровне путем изменения количества иРНК, образующихся в

РЕГУЛЯЦИЯ ОБЪЕМА БИОСИНТЕЗА ФЕРМЕНТОВ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ НА ОПЕРОНОМ
УРОВНЕ ПУТЕМ ИЗМЕНЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ИРНК, ОБРАЗУЮЩИХСЯ В ПРОЦЕССЕ
ТРАНСКРИПЦИИ. В ПРОЦЕССЕ ИНДУКЦИИ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕТАБОЛИТИНДУКТОР, СОЕДИНЯЯСЬ С РЕПРЕССОРНЫМ БЕЛКОМ (ПРОДУКТ ГЕНА-РЕГУЛЯТОРА),
ИНАКТИВИРУЕТ ЕГО И ТЕМ САМЫМ ПРЕПЯТСТВУЕТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЮ БЕЛКАРЕПРЕССОРА 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.).

12. • Проведенные опыты продемонстрировали, что репрессия биосинтеза ферментов обеспечивает более грубую в сравнении с

• 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.

13. • Бактериальные клетки продуцируют большое разнообразие низкомолекулярных эффекторов в ответ на изменение факторов окружающей

• 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 РНКПОЛИМЕРАЗЫ, 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.

14. Если в питательной среде присутствуют несколько различных источников углерода, клетка микроорганизма вырабатывает ферменты для

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 БЕЛКОМРЕПРЕССОРОМ, ПРОСТРАНСТВЕННО УДАЛЕННЫМ ОТ ГЕНАОПЕРАТОРА. БЕЛОК-РЕПРЕССОР, БУДУЧИ ПРИСОЕДИНЕН К
ГЕНУ-ОПЕРАТОРУ, ПРЕПЯТСТВУЕТ ТРАНСКРИПЦИИ
СТРУКТУРНЫХ ГЕНОВ.

15. Лактозный оперон (lac – оперон) включает структурные гены трех ферментов: X, Y, и А ( отвечают за взаимозависимый синтез β –

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.

16. Структура и механизм индукции и репрессии lac – оперона (А – в отсутствии индуктора; Б – в присутствии индуктора и при дефиците

СТРУКТУРА И МЕХАНИЗМ ИНДУКЦИИ И РЕПРЕССИИ LAC – ОПЕРОНА (А –
В ОТСУТСТВИИ ИНДУКТОРА; Б – В ПРИСУТСТВИИ ИНДУКТОРА И ПРИ
ДЕФИЦИТЕ ГЛЮКОЗЫ):