Ингибирование и активация роста клеток

Ингибиторы – это соединения, уменьшающие скорость роста клеток. В зависимости от «мишени», на которую они действуют, выделяют следующие типы ингибиторов:

1. Ингибиторы, действующие на ДНК. Характерный пример – налидиксовая кислота, ингибирующая репликацию у многих бактерий.

2. Ингибиторы, действующие на РНК. Так, актимицин Д нарушает процесс транскрипции.

3. Ингибиторы синтеза белка, такие как хлорамфеникол, левомицетин, эритримицин, тетрациклин, подавляют процессы образования пептидных связей, что часто влечет накопление в клетках свободных аминокислот.

4. Ингибиторы синтеза полимеров бактериальной клеточной стенки – муреина и тейхоевых кислот. К ним относятся b-лактамные антибиотики, в частности пенициллин.

5. Мембраноактивные вещеста. Действие этих ингибиторов связано с повреждением цитоплазматической мембраны и нарушением ее проницаемости. К таким веществам относятся детергенты, органические растворители (толуол, хлороформ), спирты, фенолы, четвертичные аммониевые основания, полипептидные и полиеновые антибиотки.

6. Ингибиторы энергетических процессов, например 2,4-денитрофенол, который разобщает фосфорилирование и окисление в дыхательной цепи у микроорганизмов, использующих аэробное и анаэробное дыхание, что приводит к падению удельной скорости роста и экономического коэффициента.

7. Ингибиторы ключевых ферментов цепи биохимических реакций, например, отрицательные эффекторы аллостерических ферментов.

По кинетическому механизму действия ингибиторов рассматривают субстратное, конкурентное и неконкурентное ингибирование роста.

Субстратное ингибирование – торможение скорости роста самим субстратом, который при низких концентрациях увеличивает скорость роста, а при более высоких концентрациях выступает ингибитором роста. К таким ингибиторам относятся спирты, фенолы, углеводороды, способные угнетать рост микроорганизмов при концентрациях порядка 0,01-0,1 г/л. Не следует путать субстратное ингибирование с подавлением роста клеток за счет высокого осмотического давления, которое достигается при высоких концентрациях любых органических веществ и минеральных солей (порядка 100 г/л).

Механизм субстратного ингибирования заключается во взаимодействии молекул субстрата с фермент-субстратным комплексом, что ведет к образованию неактивного комплекса вместо продукта:

где - субстрат; - фермент; - фермент-субстратный комплекс; - продукт; - неактивный комплекс.

При субстратном ингибировании рост микроорганизмов подчиняется уравнению:

, (2.16)

где - константа субстратного ингибирования.

Зависимость носит экстремальный характер (рис. 2.5), наибольшее значение удельной скорости роста достигается при концентрации субстрата :

, . (2.17)

Рис. 2.5. Зависимость при субстратном ингибировании роста

Конкурентное ингибирование может осуществляться продуктами клеточного метаболизма и соединениями, вносимыми в питательную среду. Конкурентный ингибитор обратимо связывается с тем же активным центром фермента, что и лимитирующий рост субстрат, но с образованием неактивного (непродуктивного) комплекса:

где - конкурентный ингибитор (конкурирует с субстратом за один и тот же активный центр фермента).

Результатом является увеличение кажущейся константы полунасыщения: удельная скорость роста падает, но только при низких концентрациях субстрата, так как величина сохраняется:

, (2.18)

где - концентрация конкурентного ингибитора, - константа конкурентного ингибирования.

Неконкурентное ингибирование ведет к снижению количества ферментов в клетке, так как часть из них необратимо связывается с ингибитором в неактивный комплекс :

Неконкурентный ингибитор уменьшает максимальную удельную скорость роста, не влияя на величину константы Моно:

, (2.19)

где - концентрация неконкурентного ингибитора, - константа неконкурентного ингибирования.

Уравнение (2.19) часто называют уравнением Иерусалимского, который экспериментально подтвердил его, исследуя влияние конечных продуктов брожения на рост уксуснокислых и пропионовых бактерий.

Активаторами называют соединения, которые, не будучи необходимы для роста, могут заметно увеличить максимальную скорость роста клеток:

, (2.20)

, (2.21)

где - максимальная удельная скорость роста в присутствии активатора; – концентрация активатора; , - константы.

Примером активатора является инсулин, который существенно увеличивает скорость роста клеток Hela человека.

Дата добавления: 2014-12-27