Biotechnologia 2 W03
Penicylina - typowy przykład metabolitu powstającego poza przemianami centralnymi.
Metabolity peryferyjne powstają głównie w fazie stacjonarnej.
Mikroorganizmy obok metabolitów niezbędnych dla własnego rozwoju mogą wytwarzać produkty, które nie spełniają funkcji metabolicznych. Produkty te określa się terminem - metabolity specyficzne, bądź idiolity, ponieważ powstają w idiofazie.
Produkty te (idiolity) stanowią przedmiot ogromnego zainteresowania biotechnologii ze względu na swoje szczególne właściwości. Np. są to substancje o właściwościach anabolicznych (zabronione dla sportowców), cytotoksyczne, chemolityczne, herbicydowe, immunostymulujące, przeciwdrobnoustrojowe (antybiotyki), przeciwinsektycydowe, przeciwnowotworowe, przeciwzapalne, uspokajające, rakotwórcze.
trofofaza - faza wzrostu, odżywiania
Mikotoksyny, czyli związki wytwarzane przez grzyby strzępkowe są substancjami mutagennymi, teratogennymi. Ze względu na swoje funkcje stosowane w medycynie oraz jako insektycydy.
Pod względem chemicznym idiolity są to alkaloidy, aminocukry, chinony, fenazydy, antocyjaniny, flawonoidy, nitryle, piperazyny, peptydy, pirydyny, pirole, polieny, steroidy, tetracykliny. Ogólnie można określić je jako małocząsteczkowe wiązki chemiczne należące do różnych grup, wykazujące różnego rodzaju aktywność biologiczną.
Metabolizm peryferyjny stanowi cechę szczególną danego szczepu i w produkcji idiolitów najważniejsze są promieniowce, grzyby strzępkowe i w mniejszym stopniu bakterie.
Przykłady:
pierwsze miejsce: szczep promieniowca - Streptomyces
grzyby - szczepy Mucor, Fusarium, Aspergillus, Penicillium,
wśród bakterii - Bacillus
Ten sam szczep może wytwarzać równocześnie kilka idiolitów należących do różnych grup związków chemicznych. Produkcja idiolitów uzależniona jest od warunków hodowli, składu podłoża i ich synteza rozpoczyna się zwykle po wykorzystaniu głównej puli źródła węgla, azotu i fosforu - po wyczerpaniu głównych składników odżywczych. Cecha ta powoduje, że możemy w dużym stopniu regulować tworzenie tych metabolitów, co daje ogromne szanse na polu biotechnologicznym. Nie jest to jednak metabolizm uniwersalny, nie każdy szczep te związki produkuje.
W określonych warunkach idiolity można gromadzić.
Rola idiolitów w przyrodzie:
ekologiczna - antybiotyki wytwarzane w glebie, zarządzanie procesem wegetacji - grzyby strzępkowe,
zmiana typu, rodzaju przemian zachodzących w komórce mająca na celu zapewnienie komórce w sytuacji, gdy nie ma możliwości namnażania się biomasy, utrzymania jej aktywności metabolicznej i co równie ważne - stanu równowagi z otoczeniem.
Przykład: w glebie rozwijają się grzyby szczepów Penicilium, ale w tym samym miejscu pojawiają się bakterie, które chcą opanować środowisko. Wtedy grzyby zaczynają wydzielać do podłoża antybiotyki, by pozbyć się bakterii.
Mechanizm - „wolna gra ewolucyjna” - dzięki idiolitom zachodzą procesy ewolucyjne w sposób uporządkowany, nowe stany w przyrodzie się utrzymują.
Biosynteza metabolitów specyficznych jest ściśle powiązana z centralnymi szlakami degradacyjnymi i podstawowymi syntezami komórkowymi. Podstawowymi prekursorami do syntez peryferyjnych są: ufosforylowane cukry, fosfoenolopirogronian, acetylo-CoA, malonylo-CoA, (reakcja anaplerotyczna - karboksylaza), pośrednie metabolity wstępne, propionylo-CoA, metylomalonylo-CoA, malonylo-CoA. Szlak poliketydowy - zwielokrotnienie reakcji zachodzących przy syntezie tłuszczów - zapożyczony układ warstwowy.
Enzymy funkcjonujące w ramach metabolizmu peryferyjnego charakteryzują się niską specyficznością substratową. Dzięki temu mogą powstawać związki różnorodne pod względem chemicznym, wiele związków pokrewnych i synteza tych substancji może być precyzyjnie regulowana. Takiego zjawiska niskiej aktywności nie mamy w przypadku metabolizmu centralnego. „smart metabolizm” - inteligentny metabolizm.
Regulacja syntezy idiolitów. Synteza idiolitów rozpoczyna się w momencie wyczerpania możliwości wzrostu komórki.
Mechanizmy regulujące syntezę idiolitów:
indukcja substratowa, np. produkcja cefalosporyny - antybiotyk wytwarzany przez szczepy Cephalosporium - rozpoczyna się w momencie nagromadzenia w podłożu i w komórkach metioniny i D,L-cysteiny:
metionina - zewnętrzny efektor metabolizmu, nagromadzenie metioniny w podłożu jest sygnałem do tego by komórka rozpoczęła syntezę cefalosporyny. Jest ona również aminokwasem niezbędnym do życia.
indukcja metaboliczna - mamy tu do czynienia z wewnętrznym efektorem metabolizmu, którym w przypadku szczepów Streptomyces jest tzw. czynnik A (lakton kwasu), który jest sygnałem, żeby zacząć gromadzić streptomycynę.
regulacja kataboliczna - ograniczenie ilości łatwo przyswajalnego źródła węgla, np. glukozy i obecność glukozy w dużym stężeniu ogranicza syntezę penicyliny.
regulacja źródłem azotu (azotowa represja kataboliczna) - obecność łatwo przyswajalnych jonów amonowych ogranicza syntezę penicyliny.
regulacja źródłem fosforu - nadmiar jonów fosforanowych ogranicza syntezę streptomycyny przez szczepy Streptomyces.
regulacja na zasadzie sprzężenia zwrotnego - pewne metabolity centralne mogą ograniczać syntezę metabolitów specyficznych. Obecność L-lizyny (nagromadzenie) może ograniczać syntezę penicyliny.
Podłoże musi być bardzo dokładnie przyrządzone, sprecyzowane.