- •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
1. Избирательный синтез ферментов за счет регуляции процесса трансляции у микроорганизмов
Регулирования деятельности той или иной цепочки ферментов недостаточно для того, чтобы клетка получала все необходимые ей белки с надлежащей скоростью и в нужных количествах. Клетка может получить тот или иной фермент, изменяя в зависимости от обстановки ход синтеза белка. Матрица (оперон) - производит вторичные матрицы (РНК), на которых синтезируются белки — ферменты; они катализируют определённые реакции. Если продукт этих реакций не используется с должной скоростью, то он может реагировать с белком, производимым геном-регулятором, и, соединяясь затем с геном-оператором, затормозить синтез целой группы биокатализаторов. Это иллюстрирует важность матричного принципа: данная молекула реагирует с такой, конфигурация которой соответствует ее собственной геометрии, а движения отдельных частей молекулы могут лишь способствовать лучшему и более энергетически выгодному контакту. В конечном счете обратные связи этого типа поддерживают и сохраняют определённый план динамической структуры. Организм и даже клетка способны накопить довольно большие запасы веществ, богатых энергией, например запасы крахмала, гликогена или жиров, но при этом структурный план организма не нарушается.
Потенциальные возможности регуляции процесса трансляции связаны со следующими этапами:
биосинтез компонентов аппарата трансляции;
сборка аппарата трансляции;
управление функциями аппарата трансляции.
2. Биосинтез и сборка компонентов аппарата трансляции
Основные высокомолекулярные компоненты аппарата трансляции:
аминоацил- транспортная РНК-синтетазы (аа-тРНК-синтетазы);
транспортная РНК (тРНК);
рибосомная РНК (рРНК);
матричная (информационная) РНК (мРНК);
рибосомные белки и белковые факторы трансляции.
Синтез аа-тРНК-синтетаз регулируется координировано. Связь между уровнями аминокислот и аа-тРНК-синтетаз более сложная, чем простая репрессия — дерепрессия.
Синтез транспортной РНК (тРНК) идет через промежуточное образование более длинных предшественников, которые в дальнейшем укорачиваются и модифицируются, подвергаясь «созреванию», или «процессингу». Одна и та же модификация данного основания (например, его метилирование) может осуществляться разными ферментами в зависимости от положения этого основания в цепи тРНК. Синтез этих ферментов, в свою очередь, может подвергаться строгой регуляции.
Рибосомная РНК (рРНК) также синтезируется в виде более длинных предшественников и подвергается «процессингу». Образование рРНК и рибосомных белков регулируется координирование и определяется эффективностью функционирования аппарата трансляции. Так, при дефиците аминокислот транскрипция локусов, кодирующих рРНК и рибосомные белки, подавляется одновременно. С другой стороны, существует специальный механизм, контролирующий процесс сборки рибосом, так как в условиях, допускающих только медленный рост микроорганизма, скорость сборки рРНК и рибосомных белков в рибосомы ниже, чем скорость образования этих компонентов.
Информационная (матричная) РНК (мРНК) также часто образуется в виде более длинного предшественника, содержащего дополнительные последовательности оснований, которые удаляются нуклеазами, однако в отличие от эукариот у прокариот этот процесс протекает быстро.
Зависимость синтеза стабильных РНК от синтеза белка
Около 20 лет назад А. Парди обнаружил, что в культурах Е. coli, лишенных необходимых аминокислот, не только прекращается синтез белка, но также резко останавливается синтез стабильных молекул РНК (т.е рибосомной РНК (рРНК) и транспортной РНК (тРНК)). Впоследствии были обнаружены мутантные штаммы, у которых не было этой строгой зависимости синтеза РНК от способности клетки синтезировать белок.
Оба штамма исследуемых штамма являются ауксотрофами по метионину и потому не способны синтезировать белок, если в среде не содержится этой аминокислоты; но в отличие от штамма со строгим контролем, который в отсутствие метионина практически не синтезирует стабильную РНК, штамм с ослабленным контролем синтезирует в этих условиях значительное количество РНК, и скорость синтеза вначале не отличается от скорости синтеза РНК в присутствии метионина.
Мутантные штаммы, названные штаммами с ослабленным контролем (relaxed), генетически отличаются от родительских штаммов, которые называются штаммами со строгим контролем (stringent), наличием одной мутации, локализованной в гене rel. Штаммы с ослабленным контролем продолжают синтезировать значительные количества РНК в течение некоторого времени после того, как они были лишены какой-либо необходимой аминокислоты.