Партеногенез и гипогенез

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мікроорганізми поглинають поживні речовини всією поверхнею клітини, причому засвоюють переважно розчинені у воді сполуки з невеликою молекулярною масою. Макромолекули (білки, полісахариди) стають доступними мікроорганізмам лише після позаклітинного розщеплення ферментами, які вони виділяють у середовище (периферичний метаболізм). транспорт дифузія мембрана бактерія

Основним бар'єром, що регулює надходження сполук з середовища у клітину, є цитоплазматична мембрана. Розрізняють чотири механізми надходження речовин у клітину: пасивна дифузія, полегшена дифузія, активне транспортування та перенесення груп.

Транспортні системи можна класифікувати за різними ознаками, таких як структура білка-переносника, природа сполуки, яка транспортується, кінетичні та енергетичні характеристики. На сьогоднішній час загальноприйнятою вважається система класифікації, розроблена 30 років тому Пітером Мітчелом, яких поділяє системи транспорту за тією ознакою, яке джерело енергії використовується для процесу транспортування. За цією ознакою транспортні процеси поділяються на чотири класи:

1. Дифузія, шляхом якої в клітину проникають розчинені речовини. У грамнегативних бактерій дифузія речовин обмежена наявністю канало-утворюючих білків (наприклад, поринів) в зовнішні мембрані.

2. Вторинний транспорт, протікає лише за рахунок використання енергії електрохімічного потенціалу даної розчиненої речовини. Ця енергія забезпечує транспорт проти градієнта концентрації транспортуючої речовини. Механізм може полягати в тому, що транспорт «рушійного» і «рухомого» з'єднань проходить як котранспорт, так званий переніс в одному напрямку. В цей клас транспортних процесів включається також одно направлений транспорт з участю переносника, який здійснюється виключно за рахунок енергії електрохімічного потенціалу транспортуючого субстрату (уніпорт або полегшена дифузія).

3. Первинний транспорт, при якому транспортування розчиненої речовини безпосередньо спряжений з хімічною або фотохімічною реакцією. Системи первинного транспорту здійснюють перетворення світлової або хімічної енергії в електрохімічну, тобто в електрохімічний потенціал речовини, що транспортується.

4. Транспорт з приєднанням хімічної групи, каталізується фосфоенолпіруватом тобто вуглець-фосфотрансферазними системами (ФТС) бактерій. Цей механізм відрізняється від всіх інших тим, що зв'язаний з хімічною модифікацією (фосфорилюванням) транспортної речовини.

Оскільки транспортні системи ІІІ і ІV класів, а також системи симпорта і антипорта (ІІ) можуть здійснювати перенос речовин проти їхнього електрохімічного градієнта, із витратою метаболічної енергії, їх називають також системами первинного або вторинного активного транспорту.

Окрім газів, таких як О2, СО2 і NH3, а також деяких малих молекул( наприклад, води або етанолу), більш менш легко можуть проникти через плазматичну мембрану молекули гідрофобних сполук. До них відносяться аліфатичні сполуки (наприклад, бутанол) і ароматичні сполуки (наприклад, бензол). Для багатьох розчинених речовин, які представляють собою слабкі кислоти чи основи, спосіб проникнення через мембрану залежить від їх протонування. Вони легко проникають в клітину в незарядженій формі і набагато складніше долають бар'єр проникності в зарядженій формі. Прикладами таких речовин може бути оцтова кислота (проходить через мембрану в протопірованій формі) і амоній (проникає через мембрану в депротонуванній формі).

Такі процеси не потребують участі білків, однак клітини часто продукують транспортні системи навіть для речовин, здатних легко проникати через плазматичну мембрану. Це пояснюється тим, що при невеликому градієнту концентрації подібного субстрату швидкість його дифузії може бути недостатньою для підтримки фізіологічних процесів (наприклад, швидкого росту). Типовим прикладом сполук такого роду є гліцерол, який клітини E.coli і інші бактерії поглинають за допомогою специфічної полегшеної транспортної системи, не дивлячись на те, що мембрана для нього легко проникна.

Транспорт шляхом дифузії і через поринові канали

Зовнішня мембрана грамнегативних бактерій, на відмінно від плазматичної мембрани, лише відносно проникна для невеликих молекул. Її основу складає ліпідний бішар, асиметрично побудований з ліпополісахаридів і фосфоліпідів, і в принципі вона представляє собою бар'єр для гідрофільних молекул, таких як вуглеводи, амінокислоти або прості іони, а також для великих молекул, наприклад білків. Перенос таких молекул через зовнішню мембрану проходить не за рахунок переносників, а з допомогою каналоутворюючих білків поринів. Каналоутворюючі білки зовнішньої мембрани можна поділити на три класи:

1) Неспецифічні канали, називаються також загальними поринами;

2) Більше або менше специфічні канали (специфічні порини);

3) Системи активного транспорта, котрі рідні поринам.

До останнього класу відносять системи поглинання вітаміну В12.

Типовим прикладом специфічних поринів може служити білок LamB зовнішньої мембрани Е.соlі, який сприяє проникненню мальтози в периплазму, подальший транспорт мальтози із периплазми в цитоплазму сприяє специфічна транспортна система, яка залежить від субстрат-зв'язуючого переплазматичного білка. Крім цього знайдені специфічні канали для сахарози і нуклеозидів. Прикладами неспецифічних поринів у E.coli можуть служити білки, кодовані генами ompF, ompC, і phoE. Зовнішня мембрана рясніє цими поринами, наприклад, в клітині E.coli наявно порядку 105 молекул кожного з цих білків.

З допомогою рентгеноструктурного аналізу вивчена трьохвимірна структура поринів із Rhodobacter capsulatus і E.coli. Вони представляють собою комплекс з трьох ідентичних субодиниць молекулярною масою приблизно в 35 кДа. Через канали діаметром 1 нм можуть більш менш вільно проникати молекули масою до 600Да. Шари в молекулах поринів утворюють циліндричну структуру, яка нагадує бочечку. Таким виглядом, по структурі порини відрізняються від більшості транспортних білків.

Полегшена дифузія

Система вторинного транспорту використовує в якості рушійної сили вже існуючий трансмембранний градієнт, утворений в результаті дії систем первинного транспорту. Прикладом вторинного транспорту може служити симпортер лактоза/Н+ Е. соlі. Системи первинного активного транспорту, в даному випадку дихальний ланцюг, перекачують іони (в більших випадках Н+ або Nа+) через мембрану, утворюючи таким чином електрохімічний іонний потенціал. Енергія цього потенціалу використовується в подальшому для транспорту лактози в клітину проти градієнта її концентрації. Ці дані про проникнення субстрату з накопиченням його в клітині послужили основою для введення терміну «вторинний активний транспорт». Системи вторинного транспорту діють по механізму уніпорту, симпорту або антипорту та в співвідношенні з кількістю з'єднань та характером сполучення їх потоків. Рушійною силою вторинного транспорту служить сумарний електрохімічний потенціал з'єднань, що беруть участь в процесі.

Уніпортом називають механізм, з допомогою якого через мембрану переноситься одна речовина. Такий транспорт проходить з використанням енергії трансмембранного градієнта концентрації цієї речовини, якщо воно не несе заряду. При симпорті переноситься дві речовини одночасно в одному напрямку. В результаті антипроту дві речовини переносяться в протилежних напрямках. Принцип вторинного транспорту заключається в спряжені двох потоків - рушійного потоку ( проходить по градієнту концентрації) і рухомого потоку (проходить проти градієнту), таким чином, що один потік неможливий при відсутності іншого.

Транспорт шляхом уніпорту характерний для клітин еукаріот (наприклад, транспорт глюкози в різні клітини, включаючи клітини дріжджів), тоді як у бактерій він зустрічається рідко. До відомих бактеріальних систем уніпорту відносять тільки переносник, який забезпечує полегшену дифузію глюкози у Zymomonas nobilis, і системи транспорту гліцеролу, функціонуючих у багатьох бактеріях.

Системи антипорту поширені у бактеріях

Добре вивченими механізмами антипорту субстрату і продукту реакції є, наприклад, антипорт малат/лактат при зародженні малату до лактату у Lactococcus lactis, транспорт оксалат/форміат у Oxalobacter formigenes, а також лактоза/галактоза і аргінін/орнітин у молочнокислих бактерій. Системи антипорту можуть служити обмінниками як дуже подібних речовин (наприклад, при антипорті субстрата і продукта), так і відносно різних сполук, наприклад фосфата і сахарофосфата у E.coli або токсичних сполук і продуктів їх детоксикації.

Найбільш розповсюджено у бактерій поглинання розчинених речовин шляхом симпотру, спряженого в більшості випадків з транспортом Н+ або Nа+, як при транспорті багатьох амінокислот, моносахаридів і дисахаридів. Серед бактеріальних білків переносників добре вивчений в-галактозид/Н+-симпортер із E.colі, називаючись також пермеазою лактози, LacY. Він забезпечує симпорт низки галактозидів з протоном, який може відбуватися за одним з трьох різних механізмів:

1. Спряжене з транспортом протону поглинання лактози проти градієнту концентрації. При цьому накопичення лактози в клітині спряжене з виходом протонів за їх електрохімічним і/або концентраційним градієнтом.

2. Спряжене з переносом протону виділення лактози за грідієном її концентрації. При цьому градієнт концентрації лактози слугує джерелом утворення електрохімічного протонного потенціалу (протонрушійної сили).

3. Електронейтральний рівноважний обмін між позаклітинною і внутрішньоклітинною лактозою.

За допомогою різних методів вивчена вторинна структура пермеази лактози з E.coli - розміщення б-спіральних ділянок її молекули у мембрані і з'єднання їх петлі з цитоплазматичною і пери плазматичною сторонами. Вся молекула цього переносника має 12 б-спіральних трансмембранних сегментів. Шляхом вивчення мутантів lacY, отриманих методом сайт-направленого мутагенезу, вдалося з'ясувати, які амінокислотні залишки в молекулі переносника беруть участь в розпізнанні субстрату, в спряженні транспорту лактози з транспортом протона і здійснення окремих етапів циклу перенесення.

При деяких мутаціях із заміною одного амінокислотного залишку переносник забезпечує замість спряженого електрогенного транспорту лише полегшену дифузію одного субстрату (лактози або Н+), тобто проходить роз'єднання транспорту. Отже, енергетичний бар'єр для необхідної конфірмаційної зміни переносника знижується тільки після того, як центр зв'язування приєднає два субстрати.

Спряженими іонами при вторинному транспорті в більшості випадків служать іони Н+ або Nа+. Використання іонів Nа+ характерне наприклад, для бактерій, які пристосовані до росту в лужному середовищі, а при надлишку Na+ для термофілних бактерій оскільки при екстримальній високій температурі мембрани легко проникні для протонів. В деяких системах вторинного транспорту в якості спряжених іонів використовуються і Nа+ і Н+ (наприклад при переносі глутамату у Bacillus stearothermophilus), в інших або Nа+, або Н+. Наприклад, спряженими іонами у випадку переносника метаболітів можуть бути Na+, Li+, або H+, в залежності від типу транспортуючого субстрату.

Транспортні системи, використанні для поглинання субстратів, як правило, можуть здійснювати і їх виділення з клітин. Гідрофобні кінцеві продукти метаболізму, такі як спирти (наприклад, бутанол), ацетон і деякі органічні кислоти можуть виходити з клітини шляхом дифузії. Введення інших речовин, наприклад амінокислот і карбонових кислот, проходить з участю переносників. Часто введення метаболітів здійснюється по механізму антипорту субстрат/продукт. Виділення лактату, утвореного при бродінні глюкози у E.coli і Lactococcus lactis, проходить шляхом симпорту з протонами, приводячи до утворення електрохімічного протонного потенціалу. Виділення з клітини багатьох антибіотиків (наприклад тетрацикліну) і інших токсичних сполук здійснює спеціальна родина транспортних білків, які називаються так званими бактеріальними системами множинної лікарської стійкості. Більшість цих білків функціонують, як системи вторинного транспорту. Їхньою активністю обумовлено збільшення стійкості до цих речовин. У багатьох бактерій наявні також системи АТФ_залежного введення цілого ряду токсичних з'єднань, включаючи іони тяжких металів, шляхом первинного транспорту.

Дія систем первинного транспорту опосередковано спряжена з хімічною або фотохімічною реакцією. Процеси первинного транспорту поділяються на три класи. Транспортні системи 1 класу функціонують за рахунок енергії окисно-відновлювальних реакцій або світла; в транспортних системах 2 класу перенос розчиненої речовини спрямується з синтезом або гідролізм АТФ. В системах 3 класу транспорт Nа+ спряжений з реакцією декарбоксилування. Деякі типові приклади цих транспортних систем показані на рис.

Клас 1. Ці транспортні системи здійснюють транспорт Н+ або N+, спряжено з окисно-відновлювальними або світловими реакціями (при диханні або фотосинтезі). Ймовірно, прототипом подібних транспортних систем і переносчиків загалом можна рахувати системи транспорту Н+ і Сl- у галобактерій, при функціонуванні яких відбувається викидання протона (у випадку бактеріородопсину) або поглинання Сl- (у випадку галіородопсину) безпосередньо спряженого з поглинанням світла. В якості хромофора в молекулі білка, який виконує роль світло залежного іонного насосу, у галобактерій наявний ретиналь, ковалентно зв'язаний з залишком лізину. Поглинання фотону ретиналем з подальшою фото ізомеризацією цієї хромофорної групи викликає зміни конформації молекули транспортного білка. Забезпечуючи направлений перенос іона вдаль вибраних амінокислотних залишків по шляху, сформованому родиною б-спіральних ділянок.

Клас 2. До цього гетерогенного класу віднесенні системи первинного транспорту, спряженого з синтезом або гідролізом АТФ-АТФ-ази, або АТФ-синтази. Загально прийнята назва АТФази для більшості цих систем представляється не цілком прийнятою, оскільки їх функцією являється іонний транспорт при синтезі АТФ, але не його гідроліз. Вживання назви АТФази пояснюється тим, що активність цих ферментів зазвичай визначають за гідролізом АТФ. Головним чином АТФази беруть участь в перенесенні невеликих одновалентних ( Н + , К + , Na +) або двовалентних ( Са2 + , Mg2 +) катіонів, перетворюючи енергію фосфатного зв'язку АТФ в електрохімічний градієнт транспортуючого іона або навпаки - енергію градієнта в енергію АТФ , як у разі АТФ - синтази, спряжених з дихальним ланцюгом. Всі АТФази можна розділити щонайменше на три різних підкласу.

1 . АТФ - синтази F- типу (наприклад, FiFo - АТФази ) - багатокомпонентні білки, які беруть участь у процесах первинного перетворення енергії , таких які зв'язані з диханням або фотосинтезом перенесення Н+ (або Na+) в клітинах бактерій, мітохондріях і хлоропластах. У факультативно анаеробних і, можливо, у інших бактерій АТФази F- типу функціонують в обох напрямках. При окислювальному фосфорилюванні вони синтезують АТФ, використовуючи в якості рушійної сили вхід протонів в клітку за градієнтом їх концентрації. При бродінні АТФази здійснюють перенесення Н+ проти його градієнта з затратою енергії АТФ, створюючи на плазматичній мембрані електричний потенціал .

2 . АТФази P- типу (наприклад, Na+ / К+ - АТФази еукаріот або К+ - АТФази бактерій) зазвичай локалізовані в плазматичній мембрані і складаються з однієї або двох субодиниць . У каталізуючому ними реакційному циклі утворюється високоенергетичний фосфорильований інтермедіат. АТФази P- типу широко поширений у бактерій і здійснюють транспорт К+ , Са2 + або Mg2 +.

3 . АТРази V- типу присутні в мембрані вакуолей еукаріотичних клітин ; у прокаріот вони не знайдені.

Системи транспорту, які залежні від пере плазматичних субстрат-зв'язуючих білків, здійснюють первинний транспорт іншого типу, безпосередньо пов'язаний з гідролізом АФР, і присутні в основному у грамнегативних бактерій. Подібні системи являють собою білкові комплекси. У E. coli до теперішнього часу знайдено більше 20 таких систем. Вони переносять різноманітні субстрати, включаючи амінокислоти, пептиди, моносахариди, дисахариди, органічні аніони, нуклеотиди, коферменти і неорганічні іони, такі як сульфат або фосфат. Добре вивчені системи поглинання мальтози, гістидину і олігопептидів (у E. coli і Salmonella typhimurium). Як правило, молекули цих білків-переносників складаються з чотирьох субодиниць, або доменів. Дві з них високогідрофобні і занурені в мембрану, тоді як дві інші, мабуть, лише з'єднані з нею з цитоплазматичної сторони. Відмінна особливість цих систем полягає в тому, що молекулу субстрату повинен транспортувати до них додатковий водорозчинний субстрат-зв'язуючий білок, локалізований в периплазмі. Деякі подібні системи, наприклад система транспорту мальтози, включають також розташований в зовнішній мембрані специфічний каналоподібний білок - порин, що забезпечує дифузію субстрату. Механізм транспорту мальтози зображений на рис. Мальтоза проникає в периплазму через специфічний для цього цукру порин LamB і міцно зв'язується з субстрат-зв'язуючим білком MalE. У результаті зв'язування конформація цього білка змінюється він переходить з «відкритого» стану в «закритий». При взаємодії даного білка, навантаженого субстратом, з розташованими в мембрані субодиницями MalF і МаlG переносчиків відбувається вивільнення субстрату і транспорт його в цитоплазму. Цей процес пов'язаний з гідролізом АТФ, який здійснюють дві мембранно-зв'язуючі субодиниці MalK .

Системи поглинання субстратів, що залежать від периплазматичних субстрат-зв'язуючих білків, характеризуються однонапрямленістю транспорту. Вони володіють високою спорідненістю до субстрату і відрізняються відносно низкою максимальною швидкістю транспорту. Особливість такого виду транспорту у грамнегативних бактерій полягає в його чутливості до осмотичного шоку, що викликає втрату водорозчинних субстрат-зв'язуючих білків і відповідно транспортної активності. Деякі периплазматичні субстрат-зв'язуючі білки, крім ролі високоспеціфічних акцепторів субстратів, виконують й іншу важливу функцію - сигналізації про зміни в наявності поживних речовин - і пов'язані тому з хемотаксисом. Раніше вважалося, що залежні від субстрат-зв'язуючих білків транспортні системи присутні тільки у грамнегативних бактерій, оскільки грампозитивні бактерії не мають зовнішньої мембрани. Однак до теперишнього часу транспортні схеми цього типу виявлені і у грампозитивних бактерій . Субстрат -зв'язуючі білки приєднані у них за допомогою N-кінцевого ліпідного комкомпонента до зовнішньої поверхні плазматичної мембрани.

Транспортні системи, пов'язані з водорозчинними білками, є як у бактерій, так і у еукаріот і утворюють широку родину . Для всіх цих переносників характерний загальний мотив в амінокислотній послідовності, що утворює ділянку зв'язування АТФ, тому даний клас транспортних АТФаз названий родиною ABC- переносників (від АТР - binding cassette ). Білки цієї родини у бактерій беруть участь у багатьох фізіологічних процесах, таких як поглинання розчинених речовин, виведення антибіотиків і диференціювання; у еукаріот вони виконують такі важливі функції, як забезпечення множинної стійкості до токсинів, транспорт пептидів і Сl-. Різні АВС- переносчики подібні за амінокислотною послідовністю і структурною організацією . До числа речовин, що виділяються з клітин за участю ABC-переносників, відносяться білки (наприклад, гемолізин), полісахариди (наприклад, глюкани та компоненти капсул) і різноманітні токсини. Іони важких металів, наприклад кадмію і миш'яку, виводяться так званими експортуючими АТФазами, рідними АТФазм Р-типу.

Клас 3. Ці специфічні транспортні системи здійснюють виведення з клітин Na+, поєднаних з декарбоксилюванням; вони відкриті недавно у деяких бактерій (Propionigenium modestum, Klebsiella pneumoniae і Salmonella typhirriurium). Декарбоксилюванню піддаються карбонові кислоти, наприклад оксалоацетат або метилмалоніл-СоА. Процес каталізує мембрано-зв'язана біотин-залежна декарбоксилаза. АТФазна реакція при такому векторному транспорті, пов'язана з електрохімічним градієнтом Na +.

Особливість цього специфічного механізму транспорту полягає в тому, що речовина в процесі перенесення піддається фосфорилюванню. Відомо тільки один тип переносників, які здійснюють такий транспорт - бактеріальні фосфоенолпіруват (ФЕП)-залежні фосфо-трансферазні системи транспорту вуглеводів (ФТС). В одній клітині може налічуватися до 20 різних ФТС , за участю яких відбувається поглинання тих чи інших вуглеводів. Структура їх в основному подібна у всіх бактерій. При транспорті з приєднанням групи зв'язаної з переносником вуглевод транспортується через мембрану і фосфорилюється з використанням в якості донора фосфату ФЕП . Фосфорильна група послідовно переноситься від ФЕП через протеінкіназу, що є ферментом I ( EI ), на один з фосфат-акцепторних білків ФТС - термостабільний білок або гістидиновий, білок HPr або « фермент II ( EII ) - і далі на специфічний вуглевод . Білки EI і НРr у всіх ФТС в клітинах загальні; в той же час кожен субстрат розпізнається одним або кількома специфічними ферментами. Фосфорильована група ковалентно зв'язується з певним залишком гістидину в молекулах ЕІ і НРr .

Молекули різних ЕІІ складаються з трьох або, рідше , чотирьох субодиниць (доменів ) : ІІА, ІІВ і ІІС (четверта, якщо є, ІІD). Ці субодиниці можуть з'єднуватися з утворенням одного великого білка, як у випадку манітол - специфічного ЕІІ, або формувати комплекс з 2-4 білків, серед якого щонайменше один занурений у мембрану, як, наприклад, у випадку глюкозо-специфічного ЕІІ і мапнозо-специфічного ЕІІ кишкових бактерій. У будь-кому випадку при транспорті з приєднанням групи фосфорил від Р ~ НРr переноситься на залишок гістидину в домені ІІА і далі на кінець цистеїну (або, рідше, гістидину ) в домені ІІВ.

Размещено на Allbest.ru