Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основные механизмы регуляции метаболизма микроорганизмов. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Оренбургский государственный университет»
Е.С. Алешина, А.Н. Сизенцов
ОСНОВНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
РЕГУЛЯЦИИ МЕТАБОЛИЗМА
МИКРООРГАНИЗМОВ
Рекомендовано Ученым советом федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального
образования «Оренбургский государственный университет» в качестве
учебного пособия для студентов, обучающихся по программам высшего
профессионального образования по направлениям подготовки 020400.68 и
06.04.01.68 Биология
Оренбург
2014
2
УДК 579,017,7(075,8)
ББК 28,4я73
А 49
Рецензент – доктор биологических наук, С.В. Лебедев
Алешина, Е.С.
Основные механизмы регуляции метаболизма микроорганизмов:
учебное пособие / Е.С. Алешина, А.Н. Сизенцов; Оренбургский гос.
ун-т. – Оренбург: ООО ИПК «Университет», 2014. – 144 с.
В учебном пособии представлены общие сведения об основных
механизмах, регулирующих обмена веществ прокариот как в собственной
клетке, так и в популяции.
Учебное пособие соответствует требованиям ФГОС ВПО по
направлению подготовки 020400.68 и 06.04.01.68 – Биология,
обеспечивающее освоение следующих профессиональных компетенций: ПК1 – способностью творчески использовать в научной и производственно-
технологической деятельности знания фундаментальных и прикладных
разделов дисциплин (модулей), определяющих направленность (профиль)
программы магистратуры, ПК-4 – способностью генерировать новые идеи и
методические решения, ПК-7 – готовностью осуществлять проектирование и
контроль биотехнологических процессов, ПК-8 – способностью планировать
и проводить мероприятия по оценке состояния и охране природной среды,
организовать мероприятия по рациональному природопользованию, оценке и
восстановлению биоресурсов.
Учебное пособие рекомендовано для магистров медицинских и
биологических специальностей при изучении дисциплин: биохимия,
физиология микроорганизмов с основами регуляции метаболизма, генетика
микроорганизмов и приемы генной инженерии, микробиологические основы
пищевых и биотехнологических производств, а также может быть
использовано в качестве основной литературы при написании курсовых
работ и в качестве справочного материала при выполнении
экспериментальной части дипломного проекта.
УДК 579,017,7(075,8)
ББК 28,4я73
© Алешина Е.С.,
Сизенцов А.Н., 2014
© ОГУ, 2014
3
Содержание
Введение ........................................................................................................
5
1 Классификация основных механизмов регуляции обмена веществ у
прокариот .......................................................................................................
7
1.1 Внутриклеточные механизмы регуляции метаболизма
микроорганизмов...........................................................................................
7
1.2 Межклеточные механизмы регуляции метаболизма метаболизма
микроорганизмов ..........................................................................................
10
1.3 Нарушения обмена веществ ...................................................................
10
2 Регуляция активности ферментов ............................................................
12
2.1 Аллостерическая регуляция ..................................................................
12
2.2 Типы ингибирования .............................................................................
25
2.3 Химическая модификация .....................................................................
28
3 Регуляция синтеза ферментов ..................................................................
32
3.1 Организация оперона бактериальных генов ........................................
35
3.2 Индукция синтеза ферментов ................................................................
44
3.2.1 Виды индукции ....................................................................................
44
3.2.2 Lac-оперон E.coli ..................................................................................
46
3.2.3 Ara-оперон E.coli ..................................................................................
54
3.3 Репрессия конечным продуктом ...........................................................
58
3.3.1 Trp-оперон E.coli ..................................................................................
62
3.3.2 Аттенуация ...........................................................................................
66
3.3.3 Аутогенная регуляция .........................................................................
71
3.4 Катаболитная репрессия .........................................................................
72
4 Регуляция межклеточных взаимодействий .............................................
80
4.1 Особенности реакций «quorum sensing» у грамположительных
микроорганизмов................................................................................
85
4.2 Особенности реакций «quorum sensing» у грамотрицательных
4
микроорганизмов ...............................................................................
90
4.3 «Quorum sensing» в многоклеточных образованиях ...........................
96
4.4 Межвидовые взаимодействия микроорганизмов ................................
98
4.5 Бактериальные цитокины ......................................................................
101
5 Тестовые задания для контроля уровня знаний ......................................
105
Список использованных источников ..........................................................
143
5
Введение
Метаболические пути представляют собой совокупность
катализируемых ферментами реакций, в ходе которых происходит
превращение субстрата в продукт. Биологическая необходимость в
существовании большого числа ферментативных этапов метаболических
путей вытекает, вероятно, из ограниченности тех химических превращений,
которые могут быть выполнены индивидуальными ферментами.
Преимущества ферментативного катализа включают в себя специфичность и
высокое число оборотов, но эти преимущества достигаются, вероятно, за счет
химической разносторонности. Химические превращения, протекающие на
каждой индивидуальной стадии, обычно относительно просты.
Последовательные этапы метаболического пути связаны между собой через
субстраты и продукты каждой отдельной реакции. Однако возможны и более
сложные способы организации реакций. Например, ферменты,
катализирующие отдельные реакции, могут быть организованы структурно
так, что интермедиаты пути всегда бывают связаны с поверхностью
молекулы фермента, а продукты передаются в качестве субстратов для
последующих реакций.
При этом постоянное воздействие различных факторов внешней и
внутренней среды на протекание метаболических путей приводит к тому, что
в организме функционируют механизмы регуляции, что приводит в свою
очередь к эффективному использованию этих факторов для роста и развития
данного организма. В тоже время происходит не только регуляция
активности отдельных путей метаболизма, но и координация деятельности
этих путей, а дезорганизация без адекватного контроля метаболизма
приводит к гибели клетки.
Задача регуляторных механизмов необычайно сложна. Все пути
метаболизма должны регулироваться и координироваться так эффективно,
6
чтобы клеточные компоненты присутствовали в данный момент в точно
необходимых количествах. К тому же микробные клетки должны
эффективно отвечать на изменения окружающей среды использованием
имеющихся на данный момент питательных веществ и включением новых
катаболических путей, когда другие вещества становятся доступными.
Поскольку композиция химических соединений окружающей среды
постоянно меняется, регуляторные процессы должны постоянно
соответствовать новым условиям. В живом организме одна и та же реакция в
постоянно меняющихся условиях среды одновременно подвергается
нескольким типам регуляторного воздействия, которые, в свою очередь,
будут неравноценны по направлению и силе действия. Именно поэтому
любой организм – это хорошо отлаженное устройство с системой развитых
регуляторных связей со строгой координацией активности отдельных
метаболических процессов очень высока. Именно высокая эффективность
клеточных регуляторных механизмов обеспечивает максимально
экономичное использование питательных веществ среды, предупреждает
избыточный синтез промежуточных и конечных метаболитов, отвечает за
быструю адаптацию к изменившимся условиям. И все это приводит к тому,
что конкретных условиях клетка способна уменьшать или увеличивать
скорость синтеза определенных метаболитов или скорость образования
клеточной энергии.
7
1 Классификация основных механизмов регуляции
обмена веществ у прокариот
Все механизмы регуляции обмена веществ условно можно разделить
на внутриклеточные, то есть механизмы позволяющие регулировать свой
собственный метаболизм, и межклеточные – механизмы, регулирующие
обмен веществ соседних клеток популяции.
1.1 Внутриклеточные механизмы регуляции метаболизма
микроорганизмов
Наиболее простым из внутриклеточных механизмов регуляции
метаболизма, способствующим сохранению внутренней среды организма
(поддерживанию гомеостаза), является механизм восстановления в
химической системе равновесия в соответствии с законом действующих
масс. Благодаря этому значения рН в буферных жидкостях организма
устойчивы к случайным воздействиям. Предотвращение накопления в
организме невыводимых продуктов обмена веществ также осуществляется
благодаря восстановлению равновесия в замыкающих участках циклических
путей обмена веществ, а также локализацией метаболитов и ферментов в
разных частях клетки.
Пространственное и временное разделение ферментов и метаболитов
достигается за счет компартментализации, то есть разделения ферментов и
метаболитов в разных клеточных структурах или органеллах.
Неоднородность клеточной внутренней среды позволяет создавать градиенты
метаболитов около определенных ферментных систем.
Сложные механизмы регуляции обусловлены прямыми и обратными
управляющими связями. Суть их состоит в воздействии метаболитов на
8
интенсивность биохимических процессов, в которых они сами образуются
или испытывают превращения.
Поскольку практически все реакции в клетке катализируются
ферментами, регуляция метаболизма сводится к регуляции интенсивности
ферментативных реакций. Скорость последних может регулироваться двумя
основными способами: путем изменения количества ферментов и/или
изменения их активности, то есть степени использования их каталитического
потенциала.
Регуляция обмена веществ на уровне изменения активности
ферментов. В обмене веществ регуляция активности ферментов часто
осуществляется посредством аллостерических взаимодействий ферментов с
субстратами или промежуточными продуктами.
Классический пример подобной регуляции с отрицательной
обратной связью – подавление изолейцином собственного биосинтеза в
результате его аллостерического взаимодействия с ферментом
треониндегидратазой, катализирующим начальную реакцию пути биосинтеза
изолейцина.
Пример положительной прямой связи – стимуляция синтеза
фосфоенолпирувата в гликолизе предшествующими метаболитами:
фруктозо-1,6-дифосфатом, глюкозо-6-фосфатом и глицеральдегид-3-фосфатом. Факторы, регулирующие активность ферментов, разнообразны по
своей природе. Это могут быть физические факторы (температура, давление,
свет, магнитное поле, электрические импульсы), которые оказывают менее
специфическое действие, и химические факторы, оказывающие более
специфическое действие на активность ферментов. При этом механизм их
действия также может быть различен. Одни химические вещества
связываются с активным центром фермента, например, субстраты,
кофакторы, конкурентные ингибиторы, что приводит к изменению
ферментативной активности. Другие вещества взаимодействуют со
9
специальными участками на поверхности молекулы определенного типа
фермента, не имеющими непосредственного отношения к центрам
каталитической активности, но, тем не менее, приводящими к ее изменению.
Активность же некоторых ферментов регулируется путем химической
модификации их молекулы, в основе которой лежит ковалентное обратимое
связывание с ферментом определенной группировки, что приводит к
изменению его активности.
Сходным образом осуществляется регуляция обмена веществ на
уровне биосинтеза ферментов. При этом субстрат или продукт реакции
регулирует активность белкового репрессора, подавляющего транскрипцию
(синтез матричной РНК на ДНК-матрице) соответствующего оперона
(участок ДНК, кодирующий одну молекулу матричной РНК под контролем
белка-репрессора).
Примером регуляции при помощи положительной прямой связи
может служить в данном случае управление расщеплением лактозы.
Появление в среде лактозы инактивирует у бактерии Escherichia coli
соответствующий репрессор и тем самым разрешает транскрипцию оперона,
кодирующего ферменты, катализирующие расщепление лактозы.
Пример регуляции при помощи отрицательной обратной связи –
управление биосинтезом гистидина. Избыток гистидина активирует
репрессор, ингибирующий транскрипцию оперона, кодирующего ферменты
биосинтеза гистидина. Если репрессор и белки, синтез которых он подавляет,
кодируются одним опероном, то отрицательная обратная связь
осуществляется без участия внешних модуляторов активности репрессора.
Аналогичным образом осуществляется регуляция биосинтеза белка
на уровне трансляции (синтез белка на РНК-матрице). Такой механизм
регуляции позволяет синтезировать белок в строгом соответствии с
потребностью в нем на данном этапе существования организма.
10
Также количество определенного фермента в клетке может
регулироваться в процессе сборки и разрушения ферментного белка.
1.2 Межклеточные механизмы регуляции метаболизма
микроорганизмов
Прокариоты способны синтезировать вещества, регулирующие не
только внутриклеточный метаболизм, но и межклеточные взаимодействия. В
процессе роста микробные клетки выделяют аутоиндуктор,
накапливающийся в среде, и когда его концентрация превышает пороговый
уровень (обычно при высокой плотности клеток), он вызывает
аутоиндукцию, т. е. активацию определенных генов.
Особенностями этих веществ, называемых ауторегуляторами,
являются выделение их в окружающую среду, проявление биологической
активности в очень низкой концентрации и воздействие не на организмы
иного вида, а на другие клетки того же вида. Эти вещества выделяются
клетками прокариот в обычных условиях культивирования и обнаруживают
строгую видо- или родоспецифичность.
Выявление нового класса веществ – регуляторов жизнедеятельности
прокариот на межклеточном уровне – интересно тем, что позволяет
рассматривать эти организмы не просто как популяцию разрозненных
клеток, но указывает на существование более высокого уровня их
организации.
1.3 Нарушения обмена веществ
Нарушения обмена веществ могут быть связаны с прямым влиянием
на него неблагоприятных факторов (недостаток или несбалансированность
органических и минеральных субстратов обмена веществ, избыточности или
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]