В предшествующих главах, посвященных обмену веществ у микроорга низмов, неоднократно шла речь о регуляции метаболизма и роста фак торами среды. Обнаруженное еще Пастером подавление брожения атмосферным кислородом у дрожжей-превосходный пример такой регуляции, весьма детально изученный. Давно известно также, что неко торые ферменты, участвующие в расщеплении того или иного субстра та, образуются только в его присутствии. У денитрифицирующих бакте рий нитратное дыхание может начаться лишь в отсутствие 02: кислород подавляет и образование нитратредуцирующей ферментной системы, и ее функцию. Изменение рН в культурах Enterobacter или Clostridium способно изменить ход брожения и повлиять на природу образующихся продуктов. У фототрофных бактерий кислород и свет влияют на синтез пигментов. В основе этих и многих других изменений, обусловленных средой, лежат специальные регуляторные механизмы.
Многообразие обменных процессов, необходимых для синтеза раз личных веществ и роста клеток, требует их хорошей координации. Каждый метаболический путь включает несколько ферментативных ре акций. Процессы метаболизма обеспечивают получение энергии в био логически доступной форме, синтез простых структурных компонентов и сложных макромолекул, а также редупликацию клетки. Необходи мость выдержать конкуренцию с другими живыми существами привела к развитию механизмов, которые, с одной стороны, дают возможность приспосабливаться к меняющимся условиям внешней среды, а с дру гой-оптимально согласовывают между собой различные метаболиче ские процессы. Объектами такой оптимизации могут быть ферментные белки, их синтез и функционирование. Регуляция клеточного метаболиз ма происходит на двух уровнях-на уровне синтеза ферментов и на уровне изменения их активности.
Первый тип регуляции свойствен многим метаболическим путям. Как правило, одновременно регулируется синтез многих ферментов, от носящихся к одному и тому же пути. Цель этой регуляции-обеспечить нужное соотношение между скоростью синтеза определенных фермен тов и скоростью синтеза суммарного клеточного белка. Эта скорость определяется частотой транскрипции структурных генов.
Многие ферменты образуются непрерывно вне зависимости от усло вий среды; такие ферменты называютконститутивными (соответственно говорят также о конститутивных генах и конститутивном синтезе ферментов).
Образование катаболических ферментов регулируется путем индук ции. С точки зрения экономности клеточного метаболизма выгодно, чтобы ферменты, участвующие в использовании субстрата и включении продуктов его распада в промежуточный обмен, синтезировались лишь в тех случаях, когда данный субстрат имеется в питательной среде. Все другие катаболические ферменты, которые клетка способна синтезиро вать, не должны образовываться, пока в них нет надобности.
Образование анаболических ферментов регулируется путем репрес сии. С точки зрения той же экономии выгодно, чтобы ферменты опреде ленного биосинтетического пути не синтезировались, если его конечный продукт имеется в среде. Поэтому в присутствии такого конечного про дукта или при его накоплении снижается скорость синтеза всех фермен тов, специфичных для данного биосинтетического пути.
Ферменты, необходимые для синтеза основных структурных компо нентов клетки, обычно образуются непрерывно, но их образование по давляется (репрессируется), если конечный продукт имеется в избытке. В таких случаях говорят о репрессии конечным продуктом.
Регуляция на уровне активности ферментов свойственна, как правило, только ключевым ферментам клеточного метаболизма. Каталитическая активность ферментов, участвующих в том или ином пути биосинтеза, может подвергаться изменениям; она может повышаться (под дей ствием положительного эффектора) или снижаться (под действием отри цательного эффектора). При ингибировании конечным продуктом (ре-троингибировании) этот продукт подавляет активность первого фермен та, участвующего в данной цепи реакций.
Оба типа регуляции-индукция и репрессия, с одной стороны, и из менение активности фермента, с другой,-приводят к почти одинаково му результату: они влияют на «пропускную способность» того или ино го метаболического пути. Индукция и репрессия действуют медленно, и их можно рассматривать как механизмы грубой регуляции. Измене ние активности ключевого фермента проявляется мгновенно; это уже тонкая регуляция.
