Криобиологические сосуды > Материалы и биотехнология > Биосинтез полисахаридов

Биосинтез полисахаридов


Хотя у некоторых бактерий синтез полисахаридов (например, декстранов) осуществляется вне клетки, в большинстве случа­ев полисахариды синтезируются внутри нее, а для этого необ­ходимо, чтобы соответствующий субстрат проник через клеточ­ную мембрану. Почти во всех работах, касающихся биосинтеза полисахаридов, изучались организмы, имеющие небольшое про­мышленное значение или не имеющие его вовсе. Эти результа­ты можно, видимо, экстраполировать и на промышленные организмы.
Поглощение субстрата осуществляется путем облегченной диффузии, активного транспорта (при этом субстрат проникает в клетку в неизмененном состоянии) или групповой транслока­ции (при этом субстрат подвергается фосфорилированию). Скорость синтеза полисахарида, по-видимому, зависит от ско­рости поступления субстрата, которая, таким образом, может быть первым из факторов, лимитирующих синтез полисахари­да. В то же время скорость конверсии углерода обычно очень высока, поэтому онь, видимо, не может быть фактором, лими­тирующим синтез. Специфические потребности в углероде для образования полисахарида иногда связаны со специфическими механизмами поглощения субстрата.
Субстрат, поступающий в клетку, подвергается превраще­ниям в ходе анаболических или катаболических процессов; пер­вые включают его превращение в полисахариды, липополиса-хариды или гликоген. Гликоген редко синтезируется в проли-ферирующих бактериях, но он является возможным источником утечки углерода в условиях, неблагоприятных для роста мик­роорганизма. Примером такого рода может служить двуста-дийный процесс, при котором вслед за стадией роста микробов наблюдается синтез полисахарида. Контроль за синтезом гли­когена осуществляется путем аллостерической регуляции обра­зования ADP-глкжозы без участия изопреноидных липидов. Синтез экзополисахаридов зависит от наличия нуклеотидди-фосфатмоносахаридов, например UDP-глюкозы. Ключевую роль в этом процессе играет UDP-глюкозо — пирофосфорилаза, ка­тализирующая образование предшественников для синтеза по­лимеров клеточной стенки, например тейхоевых кислот и липополисахаридов, а также экзополисахаридов. Направление предшественников на синтез того или иного полимера осуще­ствляется путем строгой регуляции активности таких активи­рующих ферментов. Одни нуклеотиддифосфатмоносахара (UDP-галактуроновая и GDP-маннуроновая кислоты) являются предшественниками в синтезе только экзополисахаридов, дру­гие служат также активированными предшественниками при образовании моносахаридов (например, UDP-глюкоза являет­ся предшественником D-галактозы и D-глюкуроновой кисло­ты). Чтобы какой-либо моносахарид включился в полисахарид, организм должен синтезировать активированный нуклеотидный предшественник. Единственным исключением является L-гулу-роновая кислота, присутствующая в бактериальном альгинате. Она образуется из GDP-маннозы и GDP-маннуроновой кисло­ты, но сама по себе не активирована. Альгинат синтезируется с использованием активированных маннуронозильных остатков, которые затем подвергаются действию эпимеразы in situ. Сте­пень специфичности этой эпимеразы точно не известна, но она действует только на неацилированные остатки. L-гулуроновая кислота была найдена также в некоторых полисахаридах, не содержащих остатков маннуроновой кислоты. Отметим, что в полисахаридах были обнаружены моносахариды (например, амино- и метилуроновые кислоты, а также метилгексозы), для которых вообще не идентифицировано соответствующее активи­рованное углеводное производное.
Дальнейший контроль за пулом активированных моносаха­ридов может осуществляться с помощью гидролаз UDP-caxa-ров, хотя эти ферменты и являются периплазматическими. Кро­ме того, некоторые ферменты, участвующие в синтезе нуклео-тиддифосфатуглеводов, связаны с мембраной и неизвестно, могут ли продукты этих реакций находиться в свободном со­стоянии в цитоплазме.
Затем углеводные остатки последовательно переходят от нуклеотида на липидный переносчик, которым обычно служит изопреноидный алкогольфосфат (С50—С60), активированный при переносе сахарофосфата. Так образуются олигосахаридные блоки (от тетра- до октасахаридов), из которых путем после­довательного их присоединения к редуцирующему концу цепи и образуется полисахарид. Точный механизм удлинения цепи и высвобождения' полимера неизвестен. Однако участие иао-преноидных липидов не является обязательным: например, они не обнаружены у Azotobacler, синтезирующего альгинат. В тех организмах, где эти липиды присутствуют, контроль за синтезом экзополисахаридов может осуществляться за счет из­менения доступности таких липидных переносчиков, которая в свою очередь может регулироваться изменением соотношения между свободным спиртом и фосфатом. Регуляция путем де-фосфорилирования требует наличия АТР-зависимой киназы для реактивации свободного спирта. С55-изопреноид-алкоголь-кина-за ингибируется антибиотиком моеномицином. По-видимому, большинство клеток обладает достаточным количеством изопре-ноидных липидов для одновременного осуществления всех не­обходимых реакций синтеза, но если их не хватает, то полисахариды будут синтезироваться только в позднюю логарифмиче­скую фазу или при низкой,температуре. Антибиотик бацитрацин эффективно связывается с изопреноидными липидами, так что они не могут участвовать в биосинтезе. У мутантов с повы­шенной резистентностью к этому антибиотику часто наблюда­ется более интенсивный синтез полисахаридов. Отмечено, что у мутантов, неспособных синтезировать пептидогликаны, обра­зуется больше липидов, нужных для синтеза экзополисахари­дов. По-видимому, потребность в изопреноидных липидах при биосинтезе полисахаридов можно представить в виде следую­щего ряда: пептидогликан>липополисахарид>экзополисахарид.
В синтезе экзополисахаридов могут участвовать различные типы липидных переносчиков, а для синтеза гетерополисахари-дов иногда требуется не один вид переносчиков. Модификации полимера, например О-ацетилирование или присоединение пи-руваткеталей, возможны до тех пор, пока он еще связан с ли-пидным переносчиком. Ацетилирование не является обязатель­ным этапом; его отсутствие может быть связано с тем, что в системе нет соответствующих ацетилаз либо достаточного ко­личества предшественника, предположительно ацетил-СоА. При синтезе бактериального альгината ацетильные остатки, связанные в его молекулах с остатками D-маннуроновой кис­лоты, должны вводиться до эпимеризации; было высказано предположение, что эти ацетильные группы способны предот­вращать эпимеризацию. Соотношение пируват/ацетат в ксанта-новых камедях сильно различается, и процесс модификации по­лимера должен включать механизм, обеспечивающий эти раз­личия. Неизвестно, является ли присоединение пирувата одно- или многоступенчатым процессом; неизвестно также, за­висит ли этот процесс от внутриклеточной концентрации фос-фоенолпирувата. Полимер ксантан может к тому же состоять из содержащих и не содержащих остатки пирувата цепей в раз­личных соотношениях.
Механизм высвобождения полимера из комплекса с липид-ным переносчиком до сих пор подробно не изучен. Видимо, ка­кую-то роль здесь играет лигазная реакция, в ходе которой полимер освобождается и связывается с клеточной поверх­ностью. Обычно после экскреции полисахариды остаются свя­занными с клеточной стенкой; местом присоединения может служить какой-либо наружный мембранный белок. Очевидно, существует определенное число мест связывания, после насы­щения которых избыток полисахарида выделяется уже в виде слизи. Возможно также, что места связывания «приспособле­ны» к полимеру определенного размера. По-видимому, слизи­стые мутанты образующих капсулы бактерий либо не имеют фермента киназы, либо лишены самих мест связывания. Точ­ная локализация мест связывания неизвестна, однако процесс ькскреции должен включать перемещение полимера от места его синтеза — цитоплазматической мембраны — к месту его конечной внеклеточной локализации; для этого гидрофильная молекула должна пройти сквозь гидрофобную мембрану. Вы­сказывалось предположение, что у грамотрицательных организ­мов местом выхода полисахаридов могут быть участки адгезии (сайты Байера), где внутренняя и наружная мембраны соеди­няются друг с другом. Однако ни механизм этого явления, ни способы его регуляции до сих пор не известны.