Regulacja metabolizmu

drobnoustrojów

Metabolity wtórne

• Metabolity ( specyficzne, wtórne,

specjalne, idolity) charakteryzują się
ograniczonym występowaniem w
przyrodzie i brakiem ogólnej,
zasadniczej funkcji biologicznej
wytwarzających je organizmów.

Procesy komórkowe

• Optymalna gospodarka energią
• Regulowana , oszczędna gospodarka

materiałem niezbędnym w procesach
syntez komórkowych

• Optymalna gospodarka produktami

syntez komórkowych

Sterowanie procesem

powstawania

• Selekcja rodzaju mikroorganizmów

• Selekcja gatunków

mikroorganizmów,uwarunkowania

genetyczne

• Warunki środowiskowe

• Skład podłoża

• Proces hodowli mikroorganizmów

• Trudności:

zmienność szlaków metabolicznych
mała specyficzność szlaków metabolicznych

Koordynacja metabolizmu

• Regulacja transkrypcji informacji

genetycznej

• Regulacja aktywności enzymów
• Transport przez błony komórkowe
• Sprzężenie energetyczne

metabolizmu

Mechanizmy komórkowe

• Regulacja szybkości procesów

komórkowych uwarunkowana
czynnikami środowiskowymi

• Równowaga w ilości wytwarzanych i

zużywanych metabolitów

• Energetyczne sprzężenie metabolizmu
• Równowaga w procesach

egzoergicznych i endoergicznych

Sposoby regulacji

• Informacje sygnalne zależne od środowiska określające

syntezę i aktywność enzymów

• Nośniki informacji :

metabolity- efektory wewnątrzkomórkowe
substraty, produkty szlaków metabolicznych
związki wysokoenergetyczne ( np. ATP)
hormony
witaminy
białka receptorowe ( indukcja vs represja procesu

transkrypcji)
indukcja substratowa
represja kataboliczna

Kontrola biosyntezy

metabolitów wtórnych

Represja:
metabolity ( podstawowe i wtórne)
hamowanie kataboliczne
hamowanie w sprzężeniu zwrotnym

Indukcja:
substratowa
efektory metaboliczne

Kontrola biosyntezy

metabolitów wtórnych

Regulacja:

związki N
związki P
regulacja energetyczna
regulacja tlenowa
pierwiastki śladowe
warunki ( temperatura, pH)

Prekursory

• Glu-1-P: nukleozydocukry
• Glu-6-P: pentozy
• Rybozo-5-P: nukleotydy, dezoksynukleotydy
• Fosfoglicerynian: aminokwasy Ser, Gly, Cys
• PEP: aminokwasy aromatyczne
• Pirogronian: aminokwasy Ala, Val, Leu
• Acetylo-CoA: kwasy tłuszczowe,Lys, Arg, Pro
• 2-oksoglutaran: Glu, Arg,Pro, Lys
• Szczawiooctan: Asp, Lys,Thr, Met, Ile

Indukcja substratowa-represja kataboliczna

• Substrat warunkuje syntezę enzymu:

represja kataboliczna ( glukoza i
laktoza, fruktoza i laktoza, octan i
glukoza, cytrynian i glukoza)

• Indukcyjny charakter cAMP i białka

receptorowego CRP

Biosynteza penicyliny

Fazy
produkcji

Represja azotowa (NH4 +)

• Synteza białek nośnikowych
• Hamowanie transportu związków azotowych
• Synteza reduktazy azotanowej, azotynowej
• Synteza proteaz
• Synteza enzymów katabolizmu

aminokwasów, puryn

• Mechanizm: regulator ( efektor

metaboliczny) to kompleks dehydrogenaza
glutaminianowa- jon amoniowy

Represja przez produkty końcowe

szlaku metabolicznego

• Nadmiar aminokwasu ( kontrola

negatywna)

• Nadmiar ATP
• Nadmiar metabolitu wtórnego
• Mechanizm: gen regulatorowy- kompleks

białko represorowe + korepresor
( aminokwas)…. Blokada regionu
operatorowego operonu

Efektory energetyczne

• Trójfosforany nukleozydów: ATP, UTP,

CTP, GTP, PEP, polifosforany)

ATP: hamowanie glikolizy ( modulator

fosfofruktokinazy)
hamowanie cyklu Krebsa( inhibicja

dehydrogenazy izocytrynianowej)

AMP, ADP: stymulacja fruktokinazy(szlak glikolityczny),

stymulacja dehydrogenazy pirogronianowej

( oksydacja pirogronian- acetylo –CoA

Tlen: (Efekt Pasteura) represja fosfofruktokinazy,

aldolazy,kinazy pirogronianowej

Kwas cytrynowy

Biosynteza cytrynianu

Przemiany cytrynianu

Kwas cytrynowy

Warunki procesu

Blokada cyklu Krebsa: hamowanie procesu oksydacji izocytrynianu
i 2-oksoglutaranu

Zniesienie mechanizmu sprzężenia zwrotnego glikoliza—metabolity
Kwas cytrynowy, ATP, PEP. Aktywność fosfofruktokinazy zachowana

Nadprodukcja kwasu cytrynowego

Aspergillus niger

• Efektywny proces glikolizy

• Aktywna dehydrogenaza pirogronianowa

• ( synteza acetylo-CoA)

• Hamowanie następczych przemian kwasu w cyklu Krebsa

( niska aktywność hydratazy akonitanowej,liazy

izocytrynianowej,dehydrogenazy

izocytrynianowej,dehydrogenazy 2-oksoglutaranowej.

• Zniesienie mechanizmu sprzężenia zwrotnego cytrynian-

glikoliza

• Warunki:

• wysokie stężenie cukru w podłożu i jonu amoniowego, tlenu

• deficyt fosforanu, jonów Mn, Zn, Fe,

• Genetycznie uwarunkowany słaby efekt inhibitora

(cytrynian) na aktywność fosfofruktokinazy

Glikoliza

• Fosfofruktokinaza:

aktywatory: AMP, ADP, NH4+,cAMP,

Pi

inhibitory: ATP, PEP,cytrynian

Kinaza pirogronianowa

aktywatory: fruktozo-
1,6bisfosforan,AMP, ADP.
inhibitory: ATP, PEP, cytrynian

Wytwarzanie

szczawiooctanu

• PEP + pirogronian= szczawiooctan
Inhibicja: asparaginian
Stymulacja: fruktozo-1,6-bisfosforan,

acetylo-CoA

Cykl
Krebsa

Substr

ates

Product

s

Enzyme

Reaction

type

Comment

1

Oxaloac

etate

+

Acetyl

CoA +

H

2

O

Citrate

+

CoA-SH

Citrate

synthase

Aldol

condensa

tion

rate limiting stage,

extends the 4C

oxaloacetate to a 6C

molecule

2 Citrate

cis

-

Aconitat

e

+

H

2

O

Aconitase

Dehydrat

ion

reversible isomerisation

3 cis-

Aconita

te +

H

2

O

Isocitrat

e

Hydration

4 Isocitra

te +

NAD

+

Oxalosuc

cinate

+

NADH +

H

+

Isocitrate

dehydrogena

se

Oxidation

generates NADH

(equivalent of 2.5 ATP)

5 Oxalos

uccinat

e

α-

Ketoglut

arate

+

CO

2

Decarboxy

lation

irreversible stage,

generates a 5C

molecule

The regulation of the TCA cycle is largely determined by substrate

availability and product inhibition. NADH, a product of all dehydrogenases

in the TCA cycle with the exception of

succinate dehydrogenase

, inhibits

pyruvate dehydrogenase

,

isocitrate dehydrogenase

and

α-ketoglutarate

dehydrogenase

, and also

citrate synthase

.

Acetyl-CoA

inhibits

pyruvate

dehydrogenase

, while succinyl-CoA inhibits succinyl-CoA synthase and

citrate synthase. When tested in vitro with TCA enzymes, ATP inhibits

citrate synthase and α-ketoglutarate dehydrogenase; however, ATP levels

do not change more than 10% in vivo between rest and vigorous exercise.

There is no known allosteric mechanism that can account for large

changes in reaction rate from an allosteric effector whose concentration

changes less than 10% [6].

Calcium is used as a regulator. It activates pyruvate dehydrogenase,

isocitrate dehydrogenase and α-ketoglutarate dehydrogenase.[7] This

increases the reaction rate of many of the steps in the cycle, and

therefore increases flux throughout the pathway.

Citrate is used for feedback inhibition, as it inhibits phosphofructokinase,

an enzyme involved in glycolysis that catalyses formation of fructose 1,6-
bisphosphate, a precursor of pyruvate. This prevents a constant high rate

of flux when there is an accumulation of citrate and a decrease in

substrate for the enzyme

Regulacja cyklu Krebsa

Cykl Krebsa

• Syntaza cytrynianowa
• inhibicja ATP, NADH+ H+,2-okso-

glutaran

• Dehydrogenaza izocytrynianowa
• inhibicja ATP, NADH+ H+

Inhibitor: L-Lys, ATP, NADH + H+; 2-oksoglutaran ( allosterycznie)

Dehydrogeneza
izocytrynianowa – katalizuje
dekarboksylację oksydacyjną
izocytrynianu , produktem
pośrednim tej reakci jest
szczawiobursztynian
(niestabilny β-ketokwas).
Podczas połączenia z
enzymem traci dwutlenku
węgla i powstaje α-
ketoglutaran

.

Cykl Krebsa

Inhibitor: ATP, NADH + H+; 2-oksoglutaran ( allosterycznie)

Antybiotyki

• Węglowodany

Acetylo-CoA

• Cykl Krebsa

PEP, pirogronian, szczawiooctan

• Aminokwasy alifatyczne

Kwas α-aminoadypinowy(, α-AA),

Cys,

Val

• Penicyliny, Cyklosporyny

Szczawiooctan,

Schemat biosyntezy penicyliny

Biosynteza penicyliny

Mechanizm biosyntezy

Biosynteza penicyliny

Glikoliza

Cykl
Krebsa

Indukcja substratowa-represja kataboliczna

• Substrat warunkuje syntezę enzymu:

represja kataboliczna ( glukoza i
laktoza, fruktoza i laktoza, octan i
glukoza, cytrynian i glukoza)

• Indukcyjny charakter cAMP i białka

receptorowego CRP

Indukcja substratowa

Otrzymywanie penicyliny

• Aminokwasy alifatyczne: Cys, Ser,

Val

• Kwas fenylooctowy, kwas

fenoksyoctowy, kwas glutarowy

Cysteina

L-cysteina

L-seryna O-acetyloseryna L-cysteina + AcOH

Serine transacylase

O-acetylserine(thiol)-Lyase

 

      

     

 

 

        

    

 

 

          

       

ADP ATP

 

          

 

   

   

   

 

3-phosphoglycer
ate

kinase

Phosphoglyceromutas
e

L-Seryna

[

edit

] Biochemistry

A step in the biosynthesis of many α-

amino acids

is the reductive

amination of an α-ketoacid. The process is catalyzed by

pyridoxal

phosphate

and the ammonia source is

glutamate

. The initial step entails

formation of an imine, but the hydride equivalents are supplied by a

reduced pyridine to give an aldimine, which hydrolyzes to the amine.

[3]

The sequence from keto-acid to amino acid can be summarized as

follows:

HO2CC(O)R → HO2CC(=NCH-X)R → HO2CCH(N=CH-X)R →

HO2CCH(NH2)R

L-seryna

L-Walina

pirogronian

L-Val + L-Ileu

Syntaza acetohydroksykwasu

Synteza Waliny i Izoleucyny

EC 1.1.1.86

ketol-acid

reductoisomerase

EC 2.2.1.6

acetolactate synthase

EC 2.6.1.42

branched-

chain-amino-acid
transaminase

EC 2.6.1.66

valine—

pyruvate
transaminase

EC 4.2.1.9

dihydroxy-

acid dehydratase

EC 4.3.1.19

threonine

ammonia-lyase

Kwas α-aminoadypinowy

α-AA

Acetylo –CoA + 2-oksoglutaran

Syntaza cytrynianowa

Modyfikacja genetyczna

α-AA

Lys

Inhibitor: L-Lys

Mechanizm EC 6.3.2.26

Warunki procesu: POŻYWKA

fruktoza

(glukoza,

laktoza)

aminokwasy

witaminy

prekursor

(kwas fenylooctowy)

sole mineralne

bulion mięsny

Pożywka

azotany(V)

fosforany

chlorki

sodu i

potasu

Lizyna Cysteina Walina

Dobór głównego składnika pożywki

- przebieg szlaków degradacji

Przykłady maksymalnych wartości szybkości
przyswajania
cukru i tlenu w hodowli Penicillium
chrysogenum

Przykłady maksymalnych wartości szybkości
pobierania tlenu przez drobnoustroje w fazie
intensywnego namnażania komórek

Warunki procesu: PARAMETRY

• Temperatura (zmienna 20°C – 30°C):

– 30°C – wzrost grzybów,
– 25°C – optymalna dla wydzielania

penicyliny,

– 20°C - ograniczenie rozkładu penicyliny.

• pH pożywki 6.8-7.4.
• Czynnik limitujący
wzrost - O2.

Fazy produkcji