2.3.Общие регуляторные пути. Катаболическая репрессия

2.3.Общие регуляторные пути.
Катаболическая репрессия.
Чувство кворума (Quorum Sensing).
Бактериальный хемотаксис и другие адаптивные механизмы.
Регуляция энергетических процессов: брожение, анаэробное и аэробное дыхание.
Общие регуляторные пути.
Общие регуляторные системы.
Помимо систем регуляции на уровне отдельных оперонов, изменения условий
среды требует согласованной работы оперонов. Общие регуляторные системы управляют
многими генами и метаболическими путями. Так, для синтеза белков требуется более 150
продуктов,
которые
контролируются
разными
оперонами,
и
требуется
общая
координация. В то же время механизмы регуляции отдельных оперонов могут
функционировать независимо.
Группы оперонов.
Опероны (сходные функции), которые регулируются общим регуляторным
протеином – регулон.
Опероны (общее направление), которые регулируются одним общим регуляторным
белком, но каждый из оперонов также подвержен отдельным частным механизмам
регуляции – модулон.
Опероны (общий стимул), которые функционируют совместно в ответ на
воздействие окружающей среды -- стимулон. Может содержать несколько регулонов или
модулонов.
Катаболическая репрессия.
Наличие
предпочтительного
источника
углерода
(углерода)
требует
скоординированной репресии генов, кодирующий альтернативные пути получения
энергии (катаболизм арабинозы, мальтозы, галактозы, лактозы). Переход на другой
источник энергии определяет характерную форму кривой роста – диауксический рост.
1
Рисунок 1. Диауксический рост в условиях присутствия двух питательных
субстратов. Вторая лаг--фаза
фаза связана с необходимостью активации экспрессии генов
метаболизма лактозы.
Роль цАМФ в регуляции оперонов.
Координация катаболических оперонов осуществляется при помощи цАМФ
цАМФрегуляторного белка (CAP
CAP).. Активация происходит при связывании цАМФ. Уровень
цАМФ регулируется аденилатциклазой,
активность,
которой
возрастает
при
недостатке глюкозы в клетке.
Катаболические
опероны
контролируются 2 типами белков:
1) Специфическим для оперона.
оперона
2)
Общий
механизм
–
цАМФ
регуляторный белок (САР).
Рисунок 1. Строение цАМФ.
2
Рисунок
1..
Катаболическая
репрессия
лактозного
оперона
при
участии
регуляторного белка CAP. Наличие глюкозы в клетке снижает синтез цАМФ, белок CAP
теряет способность присоединиться к CAP сайту, транскрипции не происходит [Joanne M.
Willey et al. 2008].
Чувство кворума (Quorum
Quorum Sensing).
В микробных популяциях большую роль в координации экспрессии генов играют
сигнальные молекулы. Впервые явление обнаружено у морской биолюминесцентной
бактерии Vibrio fischeri,, которые светятся только в популяциях с высокой плотностью
клеток.
Quorum
sensing
у
ряда
грамотрицательных
микроорганизмов
использует
сигнальную молекулу N-ацетил
N
гомосерин лактон (АГЛ). Ген luxI
luxI, кодирующий АГЛ
имеет активатор транскрипции (LuxR),
(
который, в свою очередь, активируется АГЛ.
Небольшие количества АГЛ в популяциях с низкой плотностью микробных клеток
выходит во внешнюю среду по градиенту концентрации. При возрастании плотности
клеток, концентрация АГЛ вне клеток превышает внутриклеточную и АГЛ поступа
поступает в
клетки. В клетке он связывается LuxR и активирует транскрипцию гена luxI и
3
расположенный рядом ген биолюминесценции luxCDABEG. Quorum sensing также
называют автоиндукцией, АГЛ – автоиндуктором (АИ).
Рисунок 1.. Механизм «Quorum Sensing» у бактерии Vibrio fischeri [Joanne M. Willey
et al. 2008].
Бактериальный хемотаксис и другие адаптивные механизмы
механизмы.
Хемотаксис.
Ферменты также могут участвовать в контроле поведения. У E. coli имеется два
типа движения: прямое (жгутик против часовой стрелки) и колебательное (по часовой
стрелке). В гомогенной среде клетка двигается случайно без определенного направления.
При наличии химического градиента, частота колебаний снижается, если клетк
клетка
приближается к аттрактанту.
Бактериальный жгутик вращается со скоростью около 60 Гц, эффективность
жгутикового
мотора
достигает
50%.
Энтеробактерии
и
другие
бактерии
с
перетрихиальным расположением жгутиков, движутся прямолинейно около 1с., благодаря
согласованному
гласованному вращению жгутиков против часовой стрелки. Затем происходит
«кувырок», занимающий около 0,1с., при этом направление перемещения меняется на 60°.
Чередование двух типов движения дает возможность бактерии перемещаться по сложной
траектории по градиенту
диенту концентрации.
Механизм
включает
хеморецептор,
определяющий
наличие
субстрата.
Фосфорилирующая система (сенсорная киназа и регулятор ответа), воздействует на мотор
жгутика. Положительный таксис увеличивает число прямых движений, отрицательный –
колебательных.
4
Рисунок 1. Схема одного из путей передачи сигнала хемотаксиса. Связывание
рецепторов с хемоаттрактантом приводит к фосфорилированию ряда регуляторных белков
(CheA, CheW, CheB, CheZ, CheR и др.), в результате сигнал переключает тип вращения
молекулярного мотора [Joanne M. Willey et al. 2008].
Адаптация бактерий.
В отличие от растений и животных, большинство бактерии живут в постоянно
изменяющихся условиях среды. Они способны реагировать на изменения, корректируя
структурные протеины, транспортные белки, токсины, ферменты. Например E.сoli не
продуцирует фимбрии, когда свободно живет в толще воды.
Vibrio cholerae не
продуцирует холерный токсин, вне ЖКТ. Bacillus subtilis не синтезирует фермент для
синтеза триптофана если в среде есть его предшественники. Neisseria gonorrhoeae
развивает сложную систему поглощения и транспорта железа, если его не хватает в среде.
Регуляция споруляции.
Переход к спорообразованию в условиях недостатка питательных веществ
запускается автофосфорилазой KinА.
KinА в свою очередь фосфорилирует Spo0F,
который запускает транскрипцию генов необходимых для споруляции и тормозит
экспрессию остальных.
Регуляция энергетических процессов: брожение, анаэробное и аэробное дыхание.
Биохимические реакции необходимые для получения энергии можно представить
как цепь последовательных этапов переноса электронов по замкнутой цепи. Подобный
перенос происходит либо в цитоплазматических реакциях дисмутации, например
5
гликолиз, либо электроны поступают в цепь белков переносчиков, завершая свой путь на
внешнем акцепторе (процесс дыхания). Первый механизм с использованием внутреннего
акцептора (брожение) является наименее выгодным энергетически, анаэробное дыхание
приносит больший выход полезной энергии. Наиболее выгодной формой энергетического
метаболизма является аэробное дыхание с использованием кислорода в качестве
акцептора электронов.
Регуляция процессов брожения.
Центральным
метаболитом
в
процессах
брожения
является
фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП), сбраживание одной молекулы глюкозы до
ФЕП, дает 2 молекулы АТФ и 4 восстановительных эквивалента. На примере E. coli
установлено, что важную роль в регуляции анаэробных энергетических процессах играет
белок Fnr (fumarate nitrate reduction). Белок Fnr играет роль общего регулятора
транскрипции для большей части генов брожения и анаэробного дыхания, гены которых
организованы в модулон fnr. Этот регулятор активирует многие анаэробные опероны и
подавляет аэробные. Ключевая структура белка fnr – кластер из 4 остатков цистеина и
связанного с ними атома железа. Когда железо находится в восстановленной форме Fe2+,
белок функционально активен как активатор транскрипции, в присутствии кислорода
железо окисляется до Fe3+ и белок теряет активность.
Еще один пример контроля анаэробного энергетического метаболизма – двойной
контроль фермента пируват:формиат-лиазы. Этот фермент расщепляет пируват с
образованием ацетил-КоА и формиата. Активность фермента регулируется на уровне
транскрипции белками Fnr, NarL и ArcA, в то же время активность синтезированного
фермента регулируется активатором Act и дезактивируется этанолдегидрогеназой AdhE.
Регуляция анаэробного дыхания.
В процессах анаробного дыхания акцептором электрона служат фумарат,
диметилсульфоксид, триметиламин-N-оксид, нитрит и нитрат ионы. Кооперативное
действие нескольких регуляторов осуществляет переключение с брожения на анаэробное
дыхание
и
преимущественное
потребление
нитрата
как
наиболее
выгодного
энергетически акцептора электронов. В основе механизма направления потока электронов
к нитрату лежат особые свойства белка NarL. Этот белок в фосфорилированной форме
накапливается в присутствии нитрата и активирует оперон, кодирующий фермент
нитратредуктазу
фумаратредуктазы).
и
подавляющий
Большинство
опероны
оперонов,
активируются регулятором Fnr.
6
других
связанных
с
редуктаз
анаэробным
(например,
дыханием
Регуляция аэробного дыхания.
Кислород представляет наиболее выгодный акцептор электронов. В аэробных
условиях
пируват
поступает
в
ЦТК,
скорость
его
потока
регулируется
пируватдегидрогеназой и подавляется в анаэробных условиях. В регуляции аэробного
дыхания участвует двухкомпонентная система, белок ArcB (aerobic respiration control)
играет роль сенсорной киназы, белок ArcA – ответного регулятора. Стимуляция ArcB
происходит путем аутофосфорилирования в результате активности двух терминальных
оксидаз. Под действием этих регуляторных элементов синтез ключевых аэробных
ферментов
(дегидрогеназ
флавопротеидного
типа,
терминальных
переносчиков
электронов, цитохромов o и d), постепенно снижается по мере снижения концентрации
кислорода.
Использование кислорода оказывает крайне неблагоприятный побочный эффект в
результате
образования
реакционноспособных
форм
кислорода.
Работа
электронотранспортных цепей является ведущим фактором в образование токсичных
форм кислорода. Для защиты внутриклеточных структур существуют ферменты
супероксиддисмутаза, пероксидаза и каталаза. Не существует ферментов, защищиающих
от OH· радикала. OH· образуется при взаимодействие H2O2 и Fe2+, он вызывает
необратимую деактивацию белка.
.
7