Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основные механизмы регуляции метаболизма микроорганизмов. Учебное пособие
.pdf
71
ассоциирован с рибосомой, а сегменты 3 и 4 образуют шпилечную структуру,
которая будет способствовать терминации транскрипции.
А
Б
Рисунок 30 – Аттенуация триптофанового оперона E.coli: А – в
присутствии триптофана; Б – в отсутствии триптофана
Таким образом, аттенуатор позволяет РНК-полимеразе опосредованно
«почувствовать» концентрацию триптофанил-тРНК через расположение
рибосомы. Возможность трансляции короткой кодирующей
последовательности в лидерном сегменте определяет вторичную структуру
транскрипта и, следовательно, выбор между терминацией и прочтением
последовательности. Наличие достаточного количества триптофанил-тРНК
стимулирует терминацию транскрипции, при ее недостатке транскрипция
проходит весь оперон.
В условиях недостатка триптофана (рисунок 30Б) концентрация
нагруженных им аминоацил-тРНК не высока, и рибосома «притормаживает»
на триптофановых кодонах, не давая таким образом сформироваться
72
терминаторной шпильке. В результате транскрипция продолжается и с рамок
структурных генов считывается мРНК. Лидерная область, называемая
аттенюатором, занимает 162 нуклеотидных пар между стартом транскрипции
и первым кодоном trpE гена. Аттенюатор является баръером для
транскрипции. Активной структурой здесь является GC богатый палиндром,
непосредственно за которым следуют восемь остатков урацила. В
присутствии триптофана до 90 % РНК терминируется здесь, что вместе с
репрессией дает приблизительно 600-кратное снижение транскрипции в
присутствии триптофана (рисунок 30А).
Репрессия и аттенуация содействуют вместе оптимальной экспрессии
триптофанового оперона. Благодаря репрессии избыток триптофана
блокирует инициацию синтеза мРНК, а его снижение приводит к
уменьшению содержания функционального комплекса репрессор-триптофан
и возобновлению транскрипци. Однако, когда количество триптофанил-тРНК
достаточно для терминации транскрипции в пределах лидерного участка, а
концентрация триптофана уже допускает инициацию транскрипции, уровень
экспрессии оперона все равно еще очень низок. По мере того, как происходит
снижение концентрации триптофана, репрессия начинает полностью
сниматься и если концентрация триптофанил-тРНК становится ниже уровня,
который необходим для продолжения синтеза, то терминация будет
аттенуироваться, а trp-мРНК и ферменты синтезироваться с большей
скоростью. Таким образом, при согласованной работе репрессии и
аттенуации экспрессия оперона достигает максимума только в отсутствии
репрессии и при максимальной аттенуации терминации; экспрессия же будет
минимальна, когда оперон полностью репрессирован и аттенуации
терминации отсутствует.
73
3.3.3 Аутогенная регуляция
Аутогенная регуляция – это такой механизм, в котором функцию
белка-регулятора выполняет продукт одного из генов, находящихся в самом
опероне. Принцип аутогенной регуляции состоит в том, что регуляторный
белок управляет транскрипцией оперона и тем самым влияет на свой
собственный синтез. При этом безразлично, какому контролю подвергается
оперон – положительному или отрицательному.
Примером аутогенной регуляции – регуляция использования
гистидина у Salmonella. Превращение гистидина в глутамат, ионы аммония и
формамид катализируют четыре фермента, структурные гены которых (гены
hut) расположены рядом, образуя один оперон. Их экспрессия
контролируется репрессорным белком. Ген, кодирующий этот белок,
находится между структурными генами, то есть в самом опероне. Этот hutоперон индуцируется первым продуктом катаболизма – уроканатом
(индукция продуктом). В связи с этим индукция оперона ведет не только к
синтезу ферментов, расщепляющих гистидин, но и к накоплению белка-
репрессора. Последний вновь притормаживает транскрипцию генов hut,
включая ген-регулятор. Аутогенная регуляция создает возможность мягкого,
плавного управления синтезом ферментов. Такого рода саморегулирующиеся
системы широко распространены у бактерий, эукариот и бактериофагов.
3.4 Катаболитная репрессия
В настоящее время описан тип репрессии, отличный от репрессии
конечным продуктом, которая характерна для анаболических путей, и
называемый катаболитной. Суть катаболитной репрессии заключается в том,
что источники энергии, быстро используемые клеткой, способны подавлять
экспрессию генов, ответственных за синтез ферментов других
74
катаболических путей, участвующих в метаболизировании источников
энергии, которые сравнительно медленно используются клеткой.
Катаболитную репрессию часто рассматривают как один из механизмов
приспособления клетки к использованию в первую очередь наиболее легко
доступных источников энергии. Присутствии такого источника энергии
приводит к временной приостановке потребления других субстратов, менее
«удобных» для клетки путем «выключения» путей катаболизирования этих
субстратов. Можно сказать, что катаболитная репрессия – это процесс
приспособления клетки к использованию в первую очередь наиболее легко
доступных источников энергии.
Катаболитная репрессия лежит в основе, например, известного
явления диауксии, открытого в 1942 г. Моно. При наличии двух субстратов
они используется клетками не одновременно, а последовательно. Например,
у E.coli сначала используется глюкоза, и при этом подавляется синтез
ферментов, необходимых для расщепления второго субстрата – лактозы. У
Bacillus subtilis сначала используется глюкоза, и при этом подавляется синтез
ферментов, необходимых для расщепления второго субстрата – арабинозы.
Графически это выражается в двухфазной кривой роста (рисунок 31).
Такой же характер роста наблюдается и при использовании множества
других кобинаций субстратов B.subtilis, E.coli и многими другими
микроорганизмами. Во всех случаях один более активно усваиваемый
субстрат подавляет усвоение других субстратов. Магасаник назвал это
явление «катаболитной репрессией».
На среде, содержащей смесь глюкозы и лактозы, клетки E.coli сначала
растут за счет глюкозы. Три структурных гена lac-оперона в это время не
функционируют. Гены начинают выражаться в фенотипе, когда
концентрация глюкозы становится низкой, то есть глюкоза мешает лактозе
инициировать синтез ферментов lac-оперона, что связано с содержанием в
клетках циклического АМР.
75
Использование клетками E.coli глюкозы приводит к очень сильному
β-галактозидаза
Плотность бактерий
Время
Оптическая плотность (610нм)
β-галактозидаза, ед/мл
уменьшению внутриклеточной концентрации циклического АМР (цАMР).
После потребления клетками большей части глюкозы содержание
циклического АМР снова возрастает. Удалось показать, что цАMР
необходим для транскрипции lac-оперона. Циклический АMР образует
комплекс с сАMР-связывающим белком САР.
лактозы. Пока в среде есть глюкоза, образование β-галактозидазы
репрессируется.
замедленное образование β-галактозидазы у E.coli
цАMР. Контакт с ДНК опосредуется двумя спиральными участками
Питательная среда вначале содержала 0,4 мг/мл глюкозы и 2 мг/мл
Рисунок 31 – Двухфазная кривая роста при катаболитной репрессии:
Каждая субъединица димерного индуктора связывает молекулу
76
полипептидной цепи, специфически взаимодействующими с большой
ДНК
САР-цАMР
бороздкой на ДНК (рисунок 32).
Рисунок 32 – Взаимодействие САР-цАMР с большими бороздами
ДНК
САР представляет собой димер из идентичных полипептидных цепей
с молекулярной массой 22 кДа. Это соединение обнаружено в клетках всех
прокариот. Его единственная функция – регуляторная. Связывание CAP
служит необходимым условием для присоединения РНК-полимеразы к ДНК.
Однако САР может связаться с промотором только в том случае, если в
клетке в достаточно высокой концентрации присутствует циклический AMP
(цАMР).
Связывание комплекса САР-цАMР со специфической
последовательностью в начале промотора приводит к усилению
77
транскрипции lac-оперона почти в 50 раз. Сам по себе CAP не способен к
такому связыванию и стимуляции транскрипции. Усиление транскрипции с
помощью комплекса САР-цАМР можно объяснить двумя гипотезами. Первая
гипотеза основана на том, что связь САР с молекулой ДНК в
непосредственной близости от сайта присоединения РНК-полимеразы будет
усиливать сродство этого фермента к промоторной области. В качестве
альтернативной гипотезы предполагается, связывание САР-цАMР с САРсайтом будет увеличивать вероятность присоединения РНК-полимеразы к
«правильному» сильному промотору и предотвращать присоединение
данного фермента к «неправильному» слабому промоторному сайту.
Высказывавшееся ранее предположение, что комплекс САР-цАMР изменяет
топологию ДНК для облегчения связывания с ней РНК-полимеразы и
облегчения транскрипции, кажется несостоятельным.
Образующийся комплекс связывается с промоторной областью lac-
оперона. Инициация транскрипции lac-оперона возможна только в
присутствии этого комплекса. В соответствии с этим механизмом
катаболитная репрессия синтеза ферментов lac-оперона глюкозой в
присутствии лактозы может быть снята при добавлении в ростовую среду
циклического АMР в высоких концентрациях. Как известно, содержание
циклического АMР в клетках зависит от активности фермента
аденилатциклазы, катализирующего образование этого соединения из АТР в
соответствии с уравнением и связанного с цитоплазматической мембраной
(рисунок 33).
Если компоненты системы транспорта глюкозы в клетку будут
находиться в фосфорилированном состоянии, то аденилатциклаза будет
обладать высокой активностью. Данная ситуация возможна в отсутствии
глюкозы, которую необходимо было бы транспортировать в клетку. Таким
образом, возрастание активности аденилатциклазы происходит при
уменьшении концентрации глюкозы в среде. Последнее обстоятельство
78
будет приводить к повышению уровня цАMР в клетке и в конечном итоге к
Аденилатциклаза
индуцированному синтезу ферментов, необходимых для катаболизма
лактозы. И, наоборот, высокая концентрация в среде глюкозы приведет к
дефосфорилированному состоянию системы ее транспорта, следствием чего
явится уменьшение ферментативной активности аденилатциклазы и
соответственно количества внутриклеточного цАMР. Таким способом
глюкоза через систему своего транспорта регулирует концентрацию цАMР в
клетке. При этом связь катаболизма глюкозы с образованием метаболической
энергии и запасанием ее в молекулах АТР приводит к связи через глюкозу в
клетках пулов АТР и цАMР: при увеличении количества АТР уменьшается
количество цАMР и, наоборот.
АТР Циклический АMР
Рисунок 33 – Образование цАMР из АТР при участии фермента
аденилатциклазы
Глюкоза сама по себе вызывает не катаболитную репрессию, а
изменение концентрации общего метаболита, циклического АМР. В этом
свете становится понятным тот факт, что такого рода репрессия
обнаруживается для различных комбинаций субстратов. В клетках E.coli
глюкоза подавляет включение нескольких катаболических путей
79
(утилизацию лактозы, сорбитола, ксилитола, арабинозы, глицерола и т.д.).
Фруктоза и глюкозо-6-фосфат обладают аналогичным действием. Можно
сделать заключение, что, как правило, субстраты, используемые
конститутивными ферментными системами, вызывают катаболитную
репрессию индуцибельных метаболических путей. Глюкоза и фруктоза не у
всех микроорганизмов являются доминирующими соединениями в этом
процессе. У Clostridium tetanomorphum L-глутамат репрессирует синтез
ферментов метаболизма глюкозы; У Alcaligenes eutrophus, хемолитотрофа,
окисляющего водород, Н2 препятствует запуску фруктозой метаболического
пути Энтнера-Дудурова.
Сигнальная система САР-цАMР регулирует также работу оперонов,
кодирующих ферменты, которые участвуют в деградации аминокислот,
пуринов и пиримидинов. Накопление в клетке САР-цАMР служит сигналом
«голодания»: в ответ на него снижается экспрессия оперонов, кодирующих
ферменты расщепления аминокислот, пуринов и пиримидинов. В этом
случае логика работы системы также состоит в том, чтобы предотвратить
образование ненужных ферментов в период голодания.
80
4 Регуляция межклеточных взаимодействий
К настоящему времени традиционные представления о бактериях как
бактериях как строго одноклеточных организмах сменяются
представлениями о том, что микробные сообщества являются целостными
структурами, регулирующими свои поведенческие реакции в зависимости от
изменения условий обитания.
Практически все виды колоний бактерий демонстрируют способность
к многоклеточной организации и клеточной дифференцировке. Такая
способность наиболее ярко находит свои проявления при росте бактерий в
природных местах их обитания, где они формируют различные
многоклеточные образования: плодовые тела, бактериальные маты,
биопленки, и др.
Регуляция на уровне одной прокариотической клетки не составляет
высшего уровня сложности, как и в случае эукариотических клеток,
входящих в состав многоклеточного организма. Прокариотические клетки
также способны к межклеточным внутрипопуляционным контактам и
кооперативному поведению. Такое поведение обеспечивается сенсорной
системой аутоиндукции, которая позволяет клеткам реагировать на
плотность своей популяции. Этот феномен, получивший название quorum
sensing («кворум-сенсинг»), означает реакцию бактерий на плотность
популяции.
Термин «ощущение кворума» (quorum sensing) был предложен в 1994
году и означает восприятие клетками изменений среды, наступающее при
достижении бактериальной культурой некоторой пороговой численности, а
также реакцию на эти изменения.
В процессе роста микробных клеток происходит выделение
аутоиндуктора, который накапливается в среде; когда его концентрация
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]