А.И. Нетрусов, И.Б. Котова - Микробиология (1125593), страница 41
Текст из файла (страница 41)
157. Регуляция 1ас-оперона Е. сой САР-белком и цАМФ ги часто используют сигма-факторы для контроля синтеза иРН К в своем жизненном цикле. Этот регуляторный механизм распространен как среди грамотрицательных, так и среди грамположительных бактерий. Например, Е. сод синтезирует несколько сигма-факторов.
При нормальных условиях РНК-полимеразную активность направляет оте. Для выработки белков-флагеллинов Е. сод образует о". При высоких температурах появляется ои и стимулирует формирование 17 белков тиеллового шока для зашиты клетки от термической деструкции. Другой механизм управления синтезом нужного фермента— это индукции и релрессия (рис. ! 56).
Например, фермент 13-галактозидаза — индуцибельный фермент у Е. сой, уровень которого повышается в присутствии небольшой молекулы (аллолактозы), называемой индуктором. Аминокислоты, присутствующие в окружающей среде, могут снижать образование ферментов, ответственных за их биосинтез. Тогда эти ферменты относят к репрессибельным, а метаболиты, вызывающие снижение синтеза такого фермента, называют корепрессорами. Примером оперона под позитивным контролем может служить !ас-оперон. Такие опероны функционируют только в присутствии контролирующего фактора.
Еас-оперон регулируется САР-белком (са1аЬойе асйтагог рго1е)п) или цА)т(Ф (рис. 157). Если Е. сод растет в среде с глюкозой и лактозой, то наблюдается явление диаук- 235 сии: сначала используется вся глюкоза, а затем после короткого лаг-периода начинает потребляться лактоза.
Ферменты катаболизма глюкозы конститутивны, поэтому САР-белок на них не влияет. Когда бактерии растут на глюкозе, уровень цАМФ падает, что приводит к дезактивации САР-белка, и!ас-оперон не экспрессируется (катаболитпая репрессия). Уменьшение количества цАМФ может быть следствием влияния ФЕП-фоефогпрансферазпой системы (см. рис. 77) на активность аденилатциклазы. Фосфорилированная форма фермента ЕЗ этой системы может донировать фосфат глюкозе во время ее транспорта в клетку либо активировать аденилатциклазу. Если глюкозы в среде много и она активно транспортируется, то количество фосфорилированного ЕЗ мало, аденилатциклаза неактивна и уровень цАМФ падает. К тому же преобладающая нефосфорилированная форма ЕЗ связывает пермеазу лактозы, аллостерически ингибируя ее и таким образом блокируя поглощение лактозы из среды. Активный катаболизм глюкозы приводит к возрастанию эпергетического заряда клетки, так как среди аденозинфосфатов преобладает АТФ, поэтому можно сказать, что чем больше энергетический заряд клетки, тем меньше образуется цАМФ.
Энергетический заряд клетки рассчитывают по формуле ]АТФ]+ ЯАДФ] ]АТФ]+]АДФ]+]АМФ] Теоретически он может колебаться от ! (только АТФ) до 0 (только АМФ). В растущей культуре его значение приблизительно равно 0,8. При значении энергетического заряда < 0,5 клетки погибают. АМФ и АДФ являются положительными эффекторами энергодаюших процессов, а АТФ вЂ” отрицательным эффектором. Можно сказать, что интенсивность катаболических процессов регулируется внутрнклеточным содержанием АТФ.
Бактерии также могут регулировать транскрипцию с помощью механизма аттенуации (рис. ! 58). Примером может служить процесс синтеза триптофана у Е. сой. Если триптофан в среде есть, то в клетке имеется много триптофанил-тРН К. Трансляция и транскрипция тесно связаны: если после транскрипции РНК-полимеразой лидерной последовательности и нескольких сегментов до гена прЕ не начинается трансляция, то РНК-полимераза диссоциирует от ДНК.
Для продолжения транскрипции необходимо, чтобы шла трансляция уже образованного участка иРНК. При наличии большого количества триптофанил-тРНК трансляция быстро проходит через лр-кодоны и останавливается на сегменте 2, что позволяет сегментам 3 и 4 сформировать ьтерминаторяую шпильку» (см. рис. 158, Б). РНК-полимераза диссоциирует с ДН К, и транскрипция прекращается. Если триптофана и, соответствен- 236 Лидсрнвв последовательность Аттенувтор Гввы «рЕ Г ттр-додоны г 3 А 4 Поли ц ()() и автор Б Рис. 158. Расположение групп нуклеотидов в ДНК (А) и разные варианты образования «шпилек» (Б) при аттенуации (1 — 4 — сегменты ДНК) но, триптофанил-тРНК в клетке мало, то трансляция идет медленно и рибосома останавливается на ггр-кодонах в сегменте т', что позволяет образоваться петле из сегментов 2 и 3, а сегмент 4 остается свободным (см.
рис. 158, Б) и «терминаторная шпилька» не образуется. Транскрипция прололжается, и транскрибируется триптофановый оперон, содержащий структурные гены пяти ферментов биосинтетического пути триптофана. Таким образом, аттенуацией называется контроль продолжения транскрипции специфическими аминоацил-тРНК. Репрессия уменьшает транскрипцию приблизительно в 70 раз, атгенуация снижает ее в 8 — 1О раз, а действуя вместе, эти механизмы уменьшают транскрипцию почти в 600 раз.
Еще один механизм регуляции, обнаруженный значительно позднее, — регуляция с помощью антисиысловых РНК. Специальный тип маленьких молекул РНК имеет последовательность оснований, комплементарную сегменту РНК-мишени, связываясь с которой, антисмысловые РНК могут блокировать репликацию ДНК, транскрипцию или трансляцию. Такие РНК кодируются антписмыслооыми генами (апбвепве 8епев). Оказалось, что этот способ регуляции широко распространен среди бактерий и вирусов. Такой регуляции могут подвергаться репликация плазмид, синтез белков-поринов, репродукция фага )ь.
Регуляция сложных событий в клетке. Значительно меньше известно о регуляции более сложных событий в клетке, таких, как епоруляция и прорастание споры (см. гл. 3) и клеточное деление. Регуляция клеточного цикла, т.е. времени от момента образования новой клетки до следующего деления, наиболее изучена у Е. со!Е Молодая клетка, растущая с постоянной скоростью, удваивается в длину, не изменяясь в диаметре, а затем делится на две 237 клетки равного размера путем поперечного деления.
Так как каждая дочерняя клетка обладает хотя бы одной копией генетического материала, репликация ДНК и клеточное деление должны быть тесно скоординированы. Если ингибировать репликацию ДНК ядами или с помощью мутаций, то клеточное деление тоже блокируется, при этом клетки продолжают удлиняться, образуя длинные филаменты. У Е. сой при температуре 37'С деление обычно происходит через 20 мин после завершения репликации.
За это время генетический материал должен быть распределен между дочерними клетками. Для разделения копий ДНК необходимо участие белков РагА, РагВ, МцкВ и некоторых других. РагА и РагВ локализованы на полюсах клетки перед делением и, возможно, являются частью аппарата, похожего на митотический. Движение ДНК также может быть результатом роста мембраны и синтеза клеточной стенки.
После того как хромосомы разошлись, между ними формируется поперечная стенка или сента. Для запуска репликации ДНК бактерия должна достигнуть определенного порогового размера или начальной массы. Репликация ДНК и клеточное деление вместе занимают около 40 мин. Инициация репликации ДН К требует, чтобы к сайту начала репликации присоединились несколько молекул белка ОпаА. Активная форма этого белка связана с АТФ, поэтому регуляция инициации может осуществляться взаимопереходом 0паА-АТФ и ОпаААДФ.
Следующий цикл репликации начинается не сразу, так как родительская нить ДНК метилируется сразу после репликации и становится неактивной. Итак, для образования перегородки и клеточного деления необходимы как завершение репликации ДНК, так и достижение пороговой длины клетки. Повреждение ДНК ингибирует образование септы. Для инициации образования перегородки важно наличие Ргали-белка. Этот белок между делениями равномерно распределен в цитоплазме клетки, а в начале деления он формирует г-кольцо в месте образования сенты.
Необходимо также участие белков, осуществляющих трансгликозилирование и транспептидацию в синтезе пептидогликана при создании новой клеточной стенки. Регуляция бактериального клеточного цикла очень сложна и включает несколько взаимодействующих регуляторных механизмов. Контрольные вопросы К Каково значение процессов регуляции метаболизма в жизни клетки? 2. Перечислите основные способы регуляции микробного метаболизма. 3.
Какой способ регуляции позволяет быстро менять пугь метаболизма? 4. Какой механизм регуляции лежит в основе явления диауксяи? 5. Какие события должны быть скоординированы для правильного прохождения клеточного цикла? Глава 10 НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ Основные термины Современные представления о генетическом аппарате прокариот описаны выше (см. гл. 3). В определенных условиях в клетке может находиться несколько копий бактериальной хромосомы.
ДН К содержится также во внехромосомных генетических элементах— пяазмидах, в большинстве случаев являющихся кольцевыми, автономно реплицирующимися небольшими молекулами. Совокупность всех генов организма называют генотипом, а совокупность присущих организму признаков — фенотипом. При изменении внешних условий большинство клеток в популяции претерпевает изменения, имеющие приспособительный характер (адаптационная изменчивость). Адаптации не затрагивают генотип и вызваны регуляцией клеточного метаболизма. Они не наследуются. Скачкообразные изменения генотипа носят название мутаций. Спонтанными называют мутации, вызванные неизвестными факторами, а индуцированные происходят под влиянием определенных факторов, называемых мутагенами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
