3. Организация и регуляция транспортных процессов на уровне биосинтеза. Сборка и функционирование компонентов транспортных систем

Регуляция процессов транспорта, как и регуляция процессов внутриклеточного метаболизма, осуществляется на двух уровнях:

на уровне биосинтеза белковых посредников (переносчиков);

на уровне функционирования (изменения активности) готовых посредников.

Регуляция на уровне биосинтеза

Основными механизмами регуляции биосинтеза переносчиков транспортных систем являются индукция, репрессия и катаболитная репрессия. Уровень регуляции трансляции в процессе биосинтеза белковых компонентов транспортных систем практически не изучен.

По типу индукции и катаболитной репрессии, как и в случае ферментов, регулируется биосинтез компонентов тех транспортных систем, субстраты которых участвуют в процессах катаболизма. В первую очередь это относится к транспортным системам углеводов и органических (ди- и трикарбоновых) кислот.

По типу репрессии избытком субстрата регулируется биосинтез главным образом аминокислотных транспортных систем.

Сложность регуляции транспорта обусловлена тем обстоятельством, что у микроорганизмов для одного и того же субстрата часто используется несколько транспортных систем, отличающихся кинетическими параметрами. Часть систем обладает узкой специфичностью и предназначена для группы субстратов (иногда для единственного субстрата), близких по химическому строению, а часть систем обладает более широкой субстратной специфичностью.

Молекулярные механизмы индукции ряда транспортных систем отличаются от механизмов индукции внутриклеточных ферментов тем, что активным является только внеклеточный индуктор. Даже очень высокий внутриклеточный уровень индуктора в этих случаях оказывается неэффективным.

Наглядное представление о возможных молекулярных механизмах индукции внеклеточным индуктором дает след. схема.

Эта модель предполагает наличие дополнительного (кроме репрессора) регуляторного белка (МРБ), имеющего трансмембранную ориентацию и способного подвергаться конформационному переходу при присоединении субстрата на внешней стороне клеточной мембраны. В результате такого перехода регуляторный белок должен приобретать сродство к репрессору и способность связывать его на внутренней поверхности клеточной мембраны. Связывание репрессора белком МРБ должно приводить к освобождению оператора генетического локуса, кодирующего белковый компонент транспортной системы, что вызывает индукцию транскрипции этого локуса.

Регуляция на уровне изменения активности

Регуляция активности сформированных транспортных систем в ходе их функционирования осуществляется следующими основными способами.

1. Регуляция активности транспортных систем посредством химической модификация белковых переносчиков (более распространён у эукариот).

2.. Регуляция активности транспортных систем без химической модификации белковых переносчиков (более распространён у прокариот).

Одним из вариантов регуляции транспортных систем без химической модификация ферментов является взаимодействие белковых переносчиков со своим специфическим липидным окружением, которое отличается по температуре фазового перехода от основной массы мембранных липидов. Избирательное подавление синтеза мембранных липидов при продолжающемся синтезе белка приводит к формированию транспортных систем с резко сниженной активностью (-галактозидпермеаза Е. coli).

3. Регуляция активности транспортных систем путём взаимодействия транспортных переносчиков с избытком субстрата (гомотропная кооперативность) или с другими эффекторами (гетеротропная кооперативность).

В тех случаях, когда эффектор взаимодействует с транспортной системой субстрата, находясь на той же стороне мембраны, что и субстрат, имеет место цис-регуляция, а когда это взаимодействие осуществляется по разные стороны мембраны, - транс-регуляция транспортных процессов. Одним из примеров цис-эффектов служит конкуренция сходных в химическом отношении субстратов за общий переносчик, результате которой преимущество при транспорте получает тот субстрат, который обладает наибольшим сродством к переносчику. Трансингибирование представляет собой регуляцию транспорта по типу обратной связи - когда субстрат, накопленный внутри клетки, подавляет собственный транспорт (или транспорт родственного соединения) из внешней среды. В этом случае переносчик иммобилизуется субстратом на внутренней стороне мембраны и не может участвовать в новых циклах транслокации.

4. Регуляция активности транспортных переносчиков путём воздействия трансмембранного электрохимического потенциала (ТЭП).

5. Регуляция активности транспортных переносчиков путём катаболитной репрессии клеточного метаболизма, связанного с управлением внутриклеточным уровнем циклического АМФ (цАМФ).

Процессы выделения веществ из клетки

Движение веществ через мембрану не является однонаправленным. Микроорганизмы освобождаются от токсичных продуктов собственного метаболизма, выделяют избыточные питательные вещества, многие виды продуцируют антибиотики и экзоферменты. Определенные низкомолекулярные соединения могут выводиться наружу с помощью тех же механизмов пассивной и облегченной диффузии, когда концентрация их в клетке превышает концентрацию во внешней среде. Некоторые микроорганизмы используют опосредованный переносчиками вывод метаболитов из клетки для создания протонодвижущей силы. Вывод из клетки многих метаболитов осуществляется независимо от их поступления в клетку. Известны мутанты бактерий, у которых нарушен транспорт в клетку аминокислот и витаминов, но сохранилась способность к выделению этих соединений.

Многие метаболиты выводятся из клеток через особые каналы, или поры, в мембране. Эти каналы могут быть наподобие тех, которые существуют в наружной мембране грамотрицательных бактерий для диффузии небольших (<800 Д) гидрофильных молекул. У Е. coli они образованы специальными белками, так называемыми поринами. Поры в плазматической мембране возникают или начинают функционировать, когда концентрация того или иного соединения в клетке достигает определенного значения. Они могут быть важной частью системы регуляции метаболизма. Вместе с тем клетка стремится предотвратить потерю ценных питательных веществ. Этой цели служат связывающие белки и другие компоненты систем активного транспорта, которые возвращают метаболиты в клетку, т. е. осуществляют их peaккумуляцию.

Некоторые соединения активно выводятся с помощью специфических энергозависимых систем экскреции. Системы экскреции обеспечивают также выведение из клеток токсичных соединений и некоторых антибиотиков. Например, детерминируемая некоторыми плазмидами устойчивость к тетрациклину у бактерий связана с активным выбросом его из клетки.

У многих продуцентов антибиотиков в период их активного синтеза образуются многочисленные впячивания клеточной мембраны. Ферменты, катализирующие конечные этапы синтеза антибиотиков, могут быть связаны с этими мембранными структурами, где и происходит синтез антибиотиков. Образование обособленных участков - так называемая компартментализация - изолирует чувствительные структуры клетки продуцента от токсичного действия этих метаболитов. Накапливаясь в вакуолях, образованных инвагинацией мембраны, они могут затем выделяться из клетки по типу экзоцитоза (т.е. в результате процесса, обратного впячиванию мембраны). Самоотравлению продуцента препятствует индуцированная устойчивость к антибиотику, которая может быть связана с активным выбросом его из клетки, с его инактивацией или же с изменением проницаемости мембраны.

Лекция №7

РЕГУЛЯЦИЯ КЛЕТОЧНОГО ДЕЛЕНИЯ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА КЛЕТОЧНОГО ДЕЛЕНИЯ. НАКОПЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ КЛЕТОЧНОЙ МАССЫ И РЕПЛИКАЦИЯ ДНК ГЕНОМА. ПОСТРОЕНИЕ КЛЕТОЧНОЙ ОБОЛОЧКИ И ПЕРЕГОРОДКИ. ВЗАИМООТНОШЕНИЕ РЕПЛИКАЦИИ ДНК И СБОРКИ КЛЕТОЧНОЙ ПЕРЕГОРОДКИ