- •1. Введение
- •2. Основные термины и определения
- •3. Роль регуляторных механизмов в поддержании клеточного гомеостаза
- •4. Типы регуляции
- •5. Практическое использование знаний об основах регуляции метаболизма у микроорганизмов
- •1. Способ регуляции метаболических процессов, основанный на избирательном синтезе ферментов
- •2. Регуляция репликации днк
- •3. Регуляция процесса транскрипции. Механизмы индукции и репрессии
- •4. Другие механизмы регуляции транскрипции у микроорганизмов
- •1. Избирательный синтез ферментов за счет регуляции процесса трансляции у микроорганизмов
- •2. Биосинтез и сборка компонентов аппарата трансляции
- •3. Регуляция функционирования аппарата трансляции
- •4. Способы регуляции биосинтеза и круговорота белков у микроорганизмов путем посттрансляционной модификации и избирательного протеолиза
- •1. Способ регуляции метаболических процессов у микроорганизмов, основанный на изменении активности ферментов
- •2. Простые и регуляторные ферменты
- •3. Аллостерические ферменты и эффекторы
- •4. Гомотропная и гетеротропная кооперативность
- •5. Обратимая ковалентная модификация
- •1. Специфические механизмы регуляции активности ферментов у микроорганизмов. Регуляция путей биосинтеза и промежуточного обмена
- •2. Роль энергетического заряда в регуляции клеточного метаболизма
- •3. Регуляторные эффекты Пастера и Крэбтри
- •4. Регуляция метаболической активности за счёт компартментализации ферментов и их взаимодействия с клеточными мембранами
- •1. Пассивная проницаемость и транспортные функции цитоплазматической мембраны бактерий
- •2. Энергетика транспортных процессов у микроорганизмов
- •3. Организация и регуляция транспортных процессов на уровне биосинтеза. Сборка и функционирование компонентов транспортных систем
- •1. Общая характеристика процесса клеточного деления
- •2. Накопление критической клеточной массы и репликация днк генома
- •3. Построение клеточной оболочки и перегородки
- •4. Взаимоотношение репликации днк и сборки клеточной перегородки
- •1. Скорость метаболизма в процессе клеточного деления
- •2. Выявление «узких мест» в метаболизме микробной клетки
- •3. Связь скорости роста микроорганизмов с биосинтезом стабильных форм рнк
- •4. Взаимосвязь регуляторных механизмов и их реализация в развивающихся микробных клетках
- •5. Регуляция межклеточных взаимодействий
- •1. Общая характеристика методологических подходов к решению научных проблем регуляции метаболизма микробных клеток
- •2. Классификация методов изучения регуляции метаболической активности
- •3. Методические особенности изучения скорости роста и активности транспортных систем у микроорганизмов
- •4. Методы изучения регуляции клеточного метаболизма с использованием мутантных микроорганизмов
- •Практика
- •Вводная часть
- •Основные термины и определения
- •1 Подготовка бактериальных клеток к анализу
- •1.1 Интактные клетки
- •1.1.1 Растущие клетки
- •1.1.2 Покоящиеся клетки
- •1.1.3 Голодающие покоящиеся клетки
- •1.2 Проницаемость клеток
- •1.2.1 Обработка растворителями
- •1.2.2 Обработка хелатообразующими агентами
- •1.3 Препараты дезинтегрированных клеток
- •1.3.1 Разрушение клеток под действием осмотических сил
- •1.3.2 Дезинтеграция
- •2 Изучение метаболической активности микроорганизмов. Общая характеристика условий эксперимента
3. Связь скорости роста микроорганизмов с биосинтезом стабильных форм рнк
Связь скорости роста с биосинтезом стабильных форм РНК характеризуется следующими фактами. Перенос клеток Е. coli с минимальной среды на более богатую среду («shift-up» процесс) сопровождается увеличением скорости биосинтеза рРНК и тРНК. Бели на минимальной среде сумма рРНК + тРНК составляет 45-50% от общей РНК, то при переносе на богатую среду, где присутствуют аминокислоты, эта величина возрастает до 70%, а затем снижается до 60-65%, что характерно для роста на богатой среде. Резкое увеличение скорости синтеза стабильных форм РНК обусловлено:
мобилизацией имеющейся в клетке латентной РНК-полимеразы (РНКП), составляющей в медленно растущих клетках до 50% общего количества этого фермента.
переключением РНК-полимеразы (РНКП) на преимущественную транскрипцию локусов рРНК и тРНК, в результате чего доля мРНК уменьшается (частично это связано с множественной репрессией определенных локусов на богатой среде), хотя общая скорость синтеза мРНК возрастает.
При обратном переносе с богатой среды на минимальную («shift-down» процесс) включается эффективный регуляторный механизм, ограничивающий скорость транскрипции оперонов, кодирующих стабильные формы РНК, и в то же время инициируется синтез многих мРНК. Установлено, что решающую роль в этом случае играет накопление гуанозинполифосфатов, главным образом тетрафосфата (ффГфф), изменяющего специфичность РНК-полимеразы (РНКП) и снижающего ее активность.
4. Взаимосвязь регуляторных механизмов и их реализация в развивающихся микробных клетках
Поддержание близких к оптимальным условий функционирования ферментных систем требует постоянства внутренней среды, в полной мере характерного лишь для многоклеточных организмов. Тем не менее, микроорганизмы обладают способностью к сбалансированному росту, сохраняя более или менее стабильный общий химический состав на протяжении длительного времени.
С другой стороны, в связи со значительным варьированием химической природы доступных для микроорганизмов источников биогенных элементов и энергии в процессе роста микробной клетки ее ферментативный баланс подвержен широким изменениям, в результате которых один и тот же фермент при определенных условиях может практически отсутствовать в клетках, а при других условиях его количество возрастает в сотни и тысячи раз. Такие изменения обычно адекватны природе используемых субстратов и обеспечивают оптимальную скорость размножения популяции.
В определенных экологических условиях единственным субстратом для микроорганизма может служить необычное или трудно утилизируемое соединение, что приводит к крайне узкой направленности метаболизма. В то же время микробная клетка должна сохранять потенциальную способность к быстрому переключению метаболических процессов при изменении условий среды.
Реализация этих возможностей требует существования в микробных клетках мощного регуляторного аппарата, способного не только оперировать на каждом из метаболических уровней, но и осуществлять их взаимную координацию.
При изменении окружающих условий кроме индукции (депрессии) или репрессии, наступающей в ответ на появление новых субстратов и продуктов, большую роль играет строгая пространственная и временная координация процессов репликации и транскрипции, в результате чего возникает общий репликационно-транскрипционно-трансляционный комплекс, в котором к еще не завершившей репликацию молекуле ДНК прикрепляется РНКП, осуществляющая синтез мРНК, а незавершенные молекулы мРНК уже включаются в состав полисом, осуществляющих синтез белка. Весь этот сложный полиферментный комплекс ориентирован на клеточной мембране. Поэтому воздействие на структуру мембраны или на процесс трансляции в таком надмолекулярном комплексе может вызывать в процессах транскрипции и репликации еще нерасшифрованные регуляторные эффекты.