Регуляция биосинтеза аргинина

Биосинтетические процессы, протекающие в растущих микробных клетках, приводят к образо­ванию аминокислот и их включению в белки. На существование механизмов, контролирующих обра­зование первичных метаболитов, в том числе амино­кислот, и обеспечивающих экономичность обмена, указывает то, что клетки дикого типа, как правило, никогда не накапливают избытка метаболитов, син­тезируя их лишь в том количестве, которое необхо­димо для роста.

Существует два механизма регуляции биосинте­за аминокислот: на уровне генов и на уровне ферментов биосинтеза. На генетическом уровне ре­гулируется интенсивность выражения генов, от ко­торой зависит количество молекул ферментов био­синтеза аминокислот. Транскрипция генов или групп смежных генов, транскрибируемых как еди­ное целое (оперонов), подвержена репрессии внутриклеточных аминокислот, что ведет к прекра­щению синтеза соответствующих ферментов.

Регуляция на уровне ферментов состоит в подавлении активности имеющихся в клетке фер­ментов биосинтеза данной аминокислотой, если она присутствует в избытке. Это подавление активности конечным продуктом (ретроингибирование) касается, как правило, только фермента первого этапа биосинтетического пути. Такой фермент наряду с каталитическим центром содер­жит центр связывания конечного продукта метаболического пути (аллостерический). После свя­зывания конечного продукта с аллостерическим центром фермента активность каталитического центра мгновенно подавляется, и субстрат этого фермента используется для синтеза другого мета­болита, который не находится в избыточной концентрации.

Рассмотрим особенности регуляции биосинтеза при образовании аргинина (рис.5, 6).

Существует два типа регуляции аргининового пути, определяемые механизмом образования ор­нитина из N-ацетилорнитина: у энтеробактерий и бацилл, где ацетильная группа удаляется путем гидролиза, синтез всех ферментов, принимающих участие в биосинтезе аргинина, репрессируется им, а активность первого фермента, N-ацетилглутаматсинтетазы (АТС), подвержена еще и ретро­ингибированию. У коринебактерий, псевдомонад и грибов в ходе трансферазной реакции аце­тильная группа переносится на глутамат с образованием N-ацетилглутамата. Для этой группы микроорганизмов характерно ингибирование аргинином активности и второго фермента, N-аце­тилглутаматкиназы (АГК). В результате превращения N-ацетилглутамата в глутамат роль перво­го фермента становится менее значимой, и он необходим лишь для инициации процесса, а функ­ция ключевого фермента переходит к АГК.

Таким образом, подавление конечным продуктом первых двух ферментативных реакций при метаболизме аргинина, а также ключевая роль, которую играет промежуточный продукт — N-аце­тилглутамат — в регулировании этих процессов, требуют очень тонкого контроля при биосинтезе аргинина.

Образование карбамоилфосфата, катализируемое карбамоилфосфатсинтетазой (КФС), является строго контролируемой стадией в процессе биосинтеза аргинина. Поскольку это соединение явля­ется одновременно предшественником пиримидинов, существует сложный механизм регуляции КФС, позволяющий сбалансировать оба пути. Этот первый фермент пиримидинового пути у Escherichia coli репрессируется уридинмонофосфатом (УМФ), ингибируется урацилом и в то же время подвержен активации орнитином и пуриновыми нуклеотидами. Данные о регуляции КФС глутаматпродуцирующих бактерий в литературе отсутствуют.

Как уже было сказано выше, ОКТаза катализирует конденсацию карбамоилфосфата и орнити­на в цитруллин. В работах, посвященных продуцентам различных аминокислот, в частности, арги­нина, данные о влиянии условий культивирования на синтез и активность ОКТазы практически отсутствуют.

Полиамины — конечные продукты метаболического пути аргинина — пропорционально умень­шают выход орнитина и аргинина и управляют потоком углерода в клетке, а их ингибирующий эффект зависит от существующего пула N-ацетилглутамата. В противоположность АГС, АГК не­чувствительна к продуктам катаболизма аргинина (полиаминам). Катаболизм аргинина под дейст­вием аргининдекарбоксилазы ведет к образованию агматина, который, в свою очередь, при участии агматинуреогидролазы распадается на путресцин и мочевину. Увеличение концентрации мочевины в среде может подавлять образование агматина, препятствуя таким образом деградации аргинина, что имеет большое значение для накопления целевого продукта.

Еще одной из причин накопления аминокислоты микроорганизмами является нарушение синте­за клеточной мембраны. Японские исследователи, наблюдавшие влияние различных концентраций биотина на синтез глутаминовой кислоты у Micrococcus glutamicus и Bacillus cereus, установили, что недостаток биотина ведет к синтезу мембраны с повышенной проницаемостью, в результате чего происходит вымывание глутаминовой кислоты из клетки, что снижает ее регуляторную роль. По­добным эффектом обладает пенициллин, как известно, нарушающий синтез клеточных стенок. Воз­можно также влияние повышенной температуры на увеличение проницаемости мембран.

2.