Mechanizmy negatywnej kontroli metabolicznej
O przydatności organizmów do nadprodukcji danego związku decyduje poziom
komplikacji regulacji metabolizmu. U eukariota mechanizmy te, obok
charakterystycznego dla bakterii poziomu lokalnego związanego z określonym
szlakiem metabolicznym, mają często charakter kontroli ogólnometabolicznej.
Ponadto dodatkowo w tych organizmach np. aminokwasy są gromadzone w
dużych stężeniach w komórce, przez co hamują ich biosyntezę
Mechanizmy występujące w negatywnej kontroli metabolizmu związków:
1. hamowanie syntezy enzymów zaangażowanych w biosyntezę
określonego związku
przez jego obecność w podłożu w stężeniu
wystarczającym do normalnego wzrostu,
2. hamowanie
w warunkach przejściowego nadmiaru danego związku
aktywności wszystkich kluczowych enzymów szlaku
lub tylko
pierwszego enzymu odgałęzienia prowadzącego do syntezy tego
związku,
3. dostępność prekursorów
(np. szkieletów węglowych) pochodzących z
innych szlaków metabolizmu pierwotnego.
Metody wpływania na kontrolę metabolizmu związków
A.
Zmiana preferencji metabolicznych:
zmiana preferowanego kierunku syntezy w punkcie rozgałęzienia
szkaków przez hamowanie
jednego z nich fizjologicznym nadmiarem
produktu tego rozgałęzienia
B.
Dodatek prekursorów
nadprodukcję określonych związków (aminokwsów) uzyskuje się przez
dodanie do podłoża
prekursora poza miejscem regulacji
(przeciwdziała to hamowaniu syntezy przez hamowanie zwrotne)
C.
Zmiana aktywności enzymów
zwiększenie aktywności enzymów limitujących proces biosyntezy w
obrębie szlaku lub na etapie biosyntezy prekursorów
D.
Mutanty auksotroficzne
tj. mutanty z zablokowaną syntezą np. pierwszego enzymu danego
szlaku (rozgałęzienia ). Mutanty tego typu wymagają wzbogacenia podłoża
w końcowe produkty szlaku.
Ograniczenie
poziomu metabolitu w
pożywce sprzyja nadprodukcji metabolitów pośrednich szlaku czy
produktów poprzedzających rozgałęzienie
E.
Mutanty regulatorowe
mutanty w których została wyeliminowana kontrola na poziomie syntezy
enzymu - mutanty
konstytutywne
mutanty niewrażliwe na hamowanie przez produkt końcowy (mutacja w
miejscu
allosterycznym)
F.
Zmiana przepuszczalności przez błonę cytoplazmatyczną
nadprodukcja warunkowana usuwaniem produktu ze środowiska reakcji
tj. wzmożonym transportem produktu końcowego szlaku (odgałęzienia)
na zewnątrz komórki w wyniku modyfikacji właściwości błony
komórkowej
G.
Otrzymywanie wysokowydajnych szczepów metodami inżynierji
genetycznej
A.
Zmiana preferencji metabolicznych
:
zmiana preferowanego kierunku syntezy w punkcie rozgałęzienia szlaków przez
hamowanie jednego z nich fizjologicznym nadmiarem produktu tego rozgałęzienia
Preferencje metaboliczne u
Brevibacterium flavum
L-
asparaginia
n
semialdehyd
asparaginianowy
dihydrodipikolinian
L-homoseryna
pirogronian
akt. syntazy dihydropikolinianowej
(1)
akt. dehydrogenazy homoserynowej
(2)
1
1
15
5
(1)
(2)
metionina
metionina
metionina
L-lizyna
L-metionina L-treonina
L-izoleucyna
(3) (4)
(3)
1
(4)
10
W warunkach kontrolnych jak wskazują stosunki akt. enzymów rozgałęzień
szlaków z największą wydajnością jest produkowana treonina i izoleucyna.
Wprowadzenie do podłoża nadmiaru endogennej metioniny powoduje represję:
dehydrogenazy homoserynowej(2) (3-krotne obniżenie poziomu) oraz
transacylazy homoserynowej (3) i dehydratazy homoserynowej (4), a w
konsekwencji prowadzi do nadprodukcji lizyny
B.
Dodatek prekursorów
nadprodukcję określonych związków (aminokwsów) uzyskuje się
przez dodanie do podłoża prekursora poza miejscem regulacji
(przeciwdziała to hamowaniu syntezy produktu końcowego
rozgałęzienia przez hamowanie zwrotne)
(1) –
dehydrogenaza L-
treoninowa silnie
hamowana w wyniku
represji przez produkt
końcowy szlaku oraz
inhibicji zwrotnej
(2) –
dehydrogenaza D-
treoninowa indukowana
przez substrat
D.
Mutanty auksotroficzne
- mutanty z zablokowaną syntezą np. pierwszego enzymu danego szlaku
(rozgałęzienia). Mutanty tego typu wymagają wzbogacenia podłoża w
końcowe produkty szlaku. Ograniczenie poziomu metabolitu w pożywce
sprzyja nadprodukcji metabolitów pośrednich szlaku czy produktów
poprzedzających rozgałęzienie.
E.
Mutanty regulatorowe
- mutanty w których została wyeliminowana kontrola na poziomie syntezy
enzymu
(mutanty konstytutywne)
- mutanty niewrażliwe na hamowanie przez produkt końcowy (mutacja w
miejscu
allosterycznym)
F.
Zmiana przepuszczalności przez błonę cytoplazmatyczną
nadprodukcja warunkowana usuwaniem produktu ze środowiska
reakcji tj. wzmożonym transportem produktu końcowego szlaku
(odgałęzienia) na zewnątrz komórki w wyniku modyfikacji
właściwości błony komórkowej
