Regulacja biosyntezy metabolitów
wtórnych
Regulacja biosyntezy metabolitów wtórnych (specyficznych, idiolitów)
podlega podobnie jak regulacja metabolitów pierwotnych kontroli na różnych
poziomach i w różnych miejscach szlaku biosyntezy. Regulacja ta może mieć
miejsce na poziomie:
•- biosyntezy prekursorów
•- konkurencji o te prekursory z innymi szlakami metabolizmu
pierwotnego czy wtórnego
•- dostępności energii metabolicznej (ATP, NADPH)
•- transportu komórkowego.
Mechanizmy regulacyjne uczestniczące w tych procesach to:
•- represja: kataboliczna, wywołana przez metabolity,
•- indukcja: substratowa, przez efektory metaboliczne
•- regulacja: związkami azotu, fosforanowa i energetyczna
•- hamownie przez sprzężenie zwrotne
•- regulacja różnymi czynnikami tj. pierwiastki śladowe, tlen,
temperatura czy pH.
Ponieważ jak się wydaje u drobnoustrojów metabolity wtórne nie są
zaangażowane w podstawowych procesach życiowych, dlatego też ich synteza
podlega represji w warunkach intensywnego wzrostu wegetatywnego, a
derepresję obserwuje się w warunkach wyraźnego ograniczenia czy też
zahamowania ich wzrostu. Istotną rolę w inicjacji biosyntezy tych metabolitów
odgrywa brak łatwo przyswajalne składniki pożywki np. glukozy, czy poziom
jonów amonowych czy fosforanowych.
Mechanizmy regulujące biosyntezę idiolitów powodują, że w szczepach
dzikich poziom biosyntezy tego typu związków jest niski. Dlatego w
biotechnologii wykorzystuje się w tym celu mutanty, w których działanie tych
mechanizmów jest ograniczone czy całkowicie wyeliminowane.
Indukcja metaboliczna
Indukcja metaboliczna
W przypadku drobnoustrojów o złożonym cyklu rozwojowym wytwarzane są
efektory metaboliczne spełniające istotną rolę w przełączaniu metabolizmu, w
różnicowaniu fizjologicznym i morfologicznym. Są one uważane za pierwotne sygnały
inicjujące tego typu zmiany. Często ze względu na to, że są syntetyzowane w tych
samych komórkach, w których działają określa się je mianem autoregulatorów. Od
autoregulatora jakim jest cAMP efektory drobnoustrojów różnią się wysoką swoistością
regulowanych przemian oraz ograniczonym występowaniem.
U promieniowców, a właściwie w szczepach Streptomyces griseus wykryto
odpowiedziałny za sporulację oraz produkcję streptomycyny autoregulator nazwany
Faktorem
A.
Jest
to
lakton
kwasu
2-izokapronoilo-3-hydroksymetylo-4-
hydroksybutanowego.
Mutanty niezdolne do jego syntezy tracą również zdolność do syntezy antybiotyku oraz
obserwuje się u nich poważne zaburzenia w procesie sporulacji. Podany takim
mutantom syntetyczny czynnik przywraca obie te funkcje. Przy czym 1 ng efektora
powoduje produkcję 1 mg antybiotyku, co daje współczynnik indukcji równy 10
6
.
Indukcja substratowa
Indukcja substratowa 2
Represja kataboliczna
Represja kataboliczna1
Represja kataboliczna2
Represja kataboliczna3
Regulacja fosforanowa
Regulacja metabolizmu metabolitów wtórnych przez jon fosforanowy
może przebiegać na dwu poziomach komórkowych ogólnometabolicznym
(stymulacja pierwotnych procesów metabolicznych) i regulacji bezpośredniej
szlaku biosyntezy idiolitu (blokowanie syntezy induktora szlaku, hamowanie
fosfataz). Na ogół dobry wzrost drobnoustrojów obserwuje się z zakresie
stężeń od części do kilkuset mM. W przeciwieństwie do tego prawidłowy
przebieg metabolizmu wtórnego z nielicznymi wyjątkami (gramicydyna S,
nawobiocyna) wymaga niskich stężeń tego jonu poniżej 10 mM, a czasami
nawet 1mM.
W przypadku tego typu regulacji biosynteza idiolitu w większości
przypadków ma miejsce po wyczerpaniu się jonu fosforanowego, co pociąga
za sobą spadek komórkowego ATP. Tego typu zależność obserwowano dla
chlorotetracykliny, streptomycyny czy kandycydyny.
W przypadku Streptomyces aureofaciens produkującej pierwszy z
antybiotyków
wykazano,
że
mutanty
o
wysokiej
produkcyjności,
charakteryzują się w stosunku do typu dzikiego obniżonym poziomem
wewnątrzkomórkowego ATP zarówno w fazie intensywnego wzrostu jak i
fazie produkcji. Przy czym w fazie produkcji poziom ten nadal obniża się.
Regulacja fosforanowa
Regulacja fosforanowa2
Regulacja fosforanowa3
S
NH
C
(CH
2
)
3
N
H
2
CH
3
COOH
O
O
HOOC
N
S
CH
3
CH
3
O
N
H
CO
(CH
2
)
3
CH
2
N
H
2
COOH
HOOC
L--aminoadypinian
L-cysteina
L-walina
tripeptyd
penicylina N
cefalosporyna C
Podwyższone stężenie jonów fosforanowych
([Pi] > 3 mM) powoduje wzrost wchłaniania
glukozy, a to - represję kataboliczną ekspendazy
([Pi] > 50 mM) powoduje - represję syntazy IPN
Regulacja przez jony fosforanowe syntezy cefalosporyny C
([Pi] > 50 mM) powoduje - represję syntazy ACV
W przypadku biosyntezy cefalosporyny wykazano, że jony fosforanowe wpływają na szybkość
przyswajania glukozy, co powoduje represję kataboliczną i blokowanie biosyntezy ekspendazy.
Regulacja fosforanowa4
Regulacja na
zasadzie
sprzężenia
zwrotnego
Regulacja jonem amonowym
Regulacja jonem amonowym
2