|
Реферат: Бактериальная система секреции белков первого типа (Биология)
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Биологический факультет
Кафедра молекулярной биологии
БАКТЕРИАЛЬНАЯ СИСТЕМА СЕКРЕЦИИ БЕЛКОВ
ПЕРВОГО ТИПА
Курсовая работа
студента 3 курса
Войцицкого А. М.
Научный руководитель:
к.х.н., преподаватель Русь О. Б.
Минск 2004
Содержание
Введение 5
Краткая характеристика бактериальных систем секреции 6
Строение системы секреции первого типа 8
ABC-транспортеры 14
Организация генов, кодирующих компоненты системы секреции первого типа 16
Сигнальные последовательности субстратов 18
Заключение 20
Список литературы 21
Список сокращений
АТФ-связывающая кассета (ATP-binding cassette)
- ABC
Белок, связывающий мембраны (Membrane fusion protein)
- MFP
Белок внешней мембраны (Outer membrane protein)
- OMP
Ядерный магнитный резонанс
- ЯМР
Введение
Процесс секреции белков является важным аспектом жизнедеятельности
бактерий, поскольку значительное количество белков бактериальной клетки
локализованы вне цитоплазмы. Способность к секреции белков является
важнейшей для вирулентных бактерий, поскольку в процессе инфекции многие
белковые продукты должны располагаться на внешней поверхности бактериальной
клетки, либо секретироваться во внешнюю среду. Кроме того, секреция белков
имеет важнейшее значение для биотехнологии, поскольку очистка белков из
культуральной среды простого состава значительно проще, чем из лизатов,
которые представляют собой сложные смеси различных веществ. В связи с этим
изучение процесса белковой секреции является весьма актуальной проблемой.
Результатом проведенных ранее исследований стало обнаружение нескольких
путей экспорта белка. Впоследствии они были разделены на группы, внутри
которых процесс секреции идентичен или очень схож. Сейчас выделяют пять
основных типов секреции белков. Одним из них является система секреции
первого типа. Посредством этой системы бактериальные клетки экспортируют
широкий круг различных субстратов, включающий в себя ферменты, токсины,
полисахариды, антибиотики и др. соединения. Несмотря на относительную
простоту устройства этого аппарата секреции, остается еще достаточное
количество невыясненных вопросов в этой области. Недостаточная изученность
строения и функционирования этой системы секреции, а также неоспоримая
важность секретируемых ею белков являются причиной, по которой изучение
этой темы является весьма актуальным.
Целью данной работы является сбор и обобщение имеющейся на этот день
информации о бактериальной системе секреции первого типа.
Краткая характеристика бактериальных систем секреции
Для секреции белков бактериальные клетки используют различные системы
секреции в зависимости от строения и конечной локализации белка. Поэтому
является необходимым приведение небольшого обзора систем секреции всех
типов.
Секреция первого типа. Аппарат этой системы секреции устроен относительно
просто. Он включает в себя три компонента белковой природы. Эта система
является Sec-независимой и осуществляет секрецию субстратов непосредственно
из цитоплазмы в одну стадию без периплазматических посредников. По этому
пути секретируются токсины, протеазы, липазы, антибиотики и другие
соединения (D. Thanassi et al., 2000).
Секреция второго типа. Эта система секреции устроена уже довольно сложно.
Характерной особенностью является ее разделение на две части и секреция
субстратов в две стадии. Первая часть, называемая Sec-системой,
экспортирует белки через цитоплазматическую мембрану, далее белки либо
остаются в периплазме, либо секретируются через внешнюю мембрану
посредством терминальных компонентов системы секреции (S. Lory, 1998). По
этому пути секретируются такие белки, как пектатлиазы, пектинметилэстеразы
и целлюлазы рода Erwinia, целлюлаза, протеаза и амилаза Xanthomonas
campestris, липаза, фосфолипаза, эластаза, энтеротоксин А у Pseudomonas
aeruginosa, амилаза и протеаза Aeromonas hydrophila, хитиназа, протеаза и
холерный токсин Vibrio cholerae (J. Hacker at al., 2000). В связи с большим
количеством и разнообразием субстратов, секретируемых через этот аппарат
секреции, его называют “общим секреторным путем” (General Secretory
Pathway, GSP).
Секреция третьего типа. Этот тип секреции, подобно первому типу, является
независимым от Sec-системы. Характерной особенностью его является доставка
субстратов (факторов вирулентности) непосредственно в клетку
эукариотического хозяина, также наличие большого количества секреторных
шаперонов. Сам аппарат включает в себя около двадцати белковых компонентов,
большая часть которых расположена во внутренней мембране, и по структуре
довольно схож с системой сборки жгутика. Посредством системы секреции
третьего типа экспортируются многие факторы вирулентности патогенов
человека и животных, а также Avr-белки, харпины и другие факторы
вирулентности фитопатогенных бактерий (J. Hacker еt al., 2000).
Секреция четвертого типа. Аппарат секреции четвертого типа состоит из
двух компонентов: конъюгационного канала, через который происходит
транслокация субстратов, и конъюгационного пилюса, необходимого для
контакта с реципиентной клеткой. Строение этой системы секреции сходно со
строением аппарата конъюгации некоторых плазмид. Она также обладает широкой
специфичностью как субстратов (экспортируются крупные нуклеопротеидные
комплексы, сложные белковые токсины, мономерные белки), так и реципиентов,
т.к. ими могут служить практически все живые организмы (S. Lory, 1998).
Секреция пятого типа. В некоторых публикациях именуется системой секреции
четвертого типа. Эта система секреции включает в себя группу белков,
называемых автотранспортерами, к числу которых относятся: протеазы (IgA)
Neiseria gonorrhoeae, цитотоксин (Vac) Helicobacter pylori.
Автотранспортеры экспортируются из цитоплазмы через Sec-систему с
отщеплением сигнальной аминоконцевой последовательности. Некоторые из них
могут оставаться заякоренными в клеточной стенке, другие же экспортируются
непосредственно во внеклеточное пространство (J. Hacker еt al., 2000).
Строение системы секреции первого типа
В сравнении с другими системами секреции аппарат секреции первого типа
устроен относительно просто. Во всех случаях он состоит из трех компонентов
белковой природы. Первый принадлежит к классу АТФаз, называемых ABC-
транспортерами и обеспечивает энергозависимые стадии процесса транспорта.
Этот белок является заякоренным во внутренней мембране и ассоциированным со
вторым белком MFP, обеспечивающим слияние цитоплазматической и наружной
мембраны, и фактически образующим канал, через который транспортируется
секретируемый белок. Третий белок OMP, так называемый белок-щвейцар
(gatekeeper), локализован во внешней мембране. Его функцией является
создание секреторного мембранного канала и его закрытие в отсутствие
субстрата (D. Thanassi еt al., 2000).
[pic]
Рис. 1. Строение системы секреции I типа.
(по D. Thanassi еt al., 2000)
Первый тип секреции используется широким кругом грамотрицательных
бактерий для экспорта токсинов, протеаз, липаз. Кроме того, эта система
сохраняется при переходе от прокариот к эукариотам и экспортирует большое
число токсинов и антибиотиков. Система секреции первого типа является Sec-
независимой и экспортирует белки в один этап непосредственно из цитоплазмы
во внешнюю среду через внешнюю мембрану без периплазматических посредников.
Субстраты этой системы секреции лишены сигнальных амино-концевых
последовательностей, сигнал к секреции у них расположен на карбокси-конце в
пределах последних 60 аминокислотных остатков (D. Thanassi еt al., 2000).
Система секреции ?-гемолизина Escherichia сoli представляет собой
прототип системы секреции первого типа, и на сегодняшний день хорошо
изучена. Она состоит из трех компонентов: TolC, HlyD, HlyB. Белок TolC
является аналогом OMP для экспорта ?-гемолизина, и представляет собой
тримерный комплекс, расположенный во внешней мембране. Предполагается, что
он состоит из пориноподобного ?-складчатого мембранного домена с
гидрофильной карбокси-концевой областью, расположенной в периплазматическом
пространстве. Однако, недавний анализ последовательности указывает на то,
что TolC и другие OMP не являются поринами. OMP функционирует как канал
секреции через внешнюю мембрану, что было доказано порообразующим действием
олигомеров TolC в экспериментальных липидных бислоях (D. Thanassi еt al.,
2000). Периплазматический MFP (HlyD) также является тримерным и
взаимодействует и с OMP, и с ABC-транспортером (HlyB). HlyD содержит
короткий гидрофильный амино-концевой домен, заякоренный во внутренней
мембране, включающий около 150 аминокислотных остатков; крупный гидрофобный
домен, расположенный в периплазме, включающий 275 аминокислотных остатков,
и карбокси-концевой домен, имеющий ?-складчатую структуру, способный
связываться с внешней мембраной, содержащий 275 аминокислотных остатков (M.
J. Fath еt al., 1993). Предполагается, что MFP облегчает секрецию субстрата
без промежуточного периплазматического звена, формируя закрытый канал,
соединяющий внутреннюю и внешнюю мембраны, и осуществляя прямой контакт
между ABC-транспортером и OMP. Что касается HlyB, то его точное строение
пока не установлено, предполагается, что он состоит из восьми доменов. Два
из них в амино-концевой области и шесть в центральной гидрофобной области.
Результаты экспериментального изучения этого аппарата привели к
возникновению двух моделей секреции первого типа (D. Thanassi еt al.,
2000).
Эксперименты по секреции ?-гемолизина E. coli показывают, что ABC-
транспортер и MFP ассоциируются еще до связывания с субстратом.
Прикрепление субстрата к этому комплексу вызывает контакт MFP с OMP. Это
соединение является обратимым, и разрушается сразу после экспорта
субстрата. Энергия гидролиза АТФ посредством ABC-транспортера расходуется
только на транслокацию субстрата и не требуется для связывания субстрата
или для сборки комплекса (D. Thanassi еt al., 2000).
Эксперименты по секреции гемопротеина Serratia мarcescens и
металлопротеазы Erwinia chrysanthemi указывают на немного иной порядок
событий. По этой модели, ABC-транспортер и MFP не связываются перед
закреплением субстрата. Субстрат в первую очередь связывается с ABC-
транспортером, затем образовавшийся комплекс ассоциируется с MFP, и только
потом происходит связывание с OMP, после чего происходит секреция
субстрата. Для определения правильной модели, или для уточнения возможных
индивидуальных отличий в функционировании аппарата секреции первого типа
необходимы дальнейшие исследования (D. Thanassi еt al., 2000).
Было установлено, что ОМР системы секреции ?-гемолизина (TolC),
используется также в системе секреции колицина V и в некоторых других
системах, например при сегрегации хромосом, а также он может формировать
канал во внешней мембране, специфический для медикаментов. ОМР системы
секреции гемопротеина S. marcescens, называемый HasF, является в высокой
мере идентичным с TolC E. сoli. Для воссоздания секреции HasА у E. сoli
необходимо наличие в качестве ОМР либо TolC, либо HasF, либо PrtF. Такие
гибридные секреторные системы функционируют как для секреции HasA, так и
для секреции протеазы. Это является типичным примером комплементации ОМР
(R. Binet et al., 1997). В частности, степень гомологии между компонентами
системы секреции липазы S. marcescens, белками lipB, lipC, lipD и
компонентами транспортера металлопротеазы Er. chrysanthemi PrtD, PrtE, PrtF
составляет 45-55%. А гомология между LipB и LipC, и HasD, и HasE у S.
marcescens составляет 45-53%. Эти показатели считаются довольно высокими
(H. Akatsuka et al., 1998). Однако было выявлено, что не все комбинации
между компонентами гибридных секреторных систем являются активными. Так,
HasE формирует активные экспортеры и с PrtF, и с TolC, тогда как PrtE может
формировать активный экспортер только с PrtF, но не с TolC. Исследования
этих мультибелковых комплексов in vitro подтвердили существование некоторых
функциональных различий между HasE и PrtE. Полученные результаты могут быть
полезными при определении сайтов, ответственных за связывание MFP и OMP (H.
Akatsuka et aj., 1998).
С другой стороны, исследования in vivo и in vitro показывают, что HasD и
PrtD могут образовывать активные секреторные системы с PrtE и HasE в любых
комбинациях (H. Akatsuka et al., 1998).
Также были проведены исследования по изучению секреции липазы LipA S.
marcescens посредством систем LipB-LipC-LipD и HasD-HasE-HasF. В результате
опытов было выяснено, что HasD-HasE-HasF-транспортер осуществляет секрецию
LipA так же эффективно, как и LipB-LipC-LipD. LipB-HasE-HasF-система могла
производить секрецию LipA, но не была способна секретировать HasA, система
HasD-Lip-CLipD не была способна к секреции обоих субстратов (H. Akatsuka et
al., 1998).
В случае экспериментов с системами секреции липазы LipA S. marcescens и
металлопротеазы PrtC E. chrysanthemi были получены сходные результаты,
приведенные в таблице:
Таблица 1
Эффективность гибридных систем секреции (по H. Akatsuka et al., 1998).
[pic]
Не все комбинации компонентов привели к формированию эффективных систем
секреции. Полученные результаты позволили сделать некоторые конкретные
выводы. В частности, что PrtD-PrtE-LipD-система не способна экспортировать
ни LipA, ни PrtC, в то время как, LipB-LipC-PrtF-система оказалась
настолько же функциональной для LipA секреции в E. coli как и в S.
marcescens. PrtE может взаимодействовать только с PrtF, тогда как HasE и
LipC показывают более широкие возможности связывания с различными белками.
Было также установлено, что PrtD не может ассоциироваться с LipC, а LipB-
PrtE-PrtF-система является очень неэффективной в отношении экспорта LipA и
PrtС (H. Akatsuka et al., 1998).
В ходе исследований было установлено влияние шаперона SecB на процесс
секреции HasA у S. marcescens. Точное его значение на данный момент не
установлено, но было показано, что инактивация этого шаперона приводит к
блокированию секреции HasA (P. Delepelaire et al., 1998).
К настоящему времени установлено строение систем секреции первого типа у
многих микроорганизмов, некоторые из них приведены в таблице 2. Однако
остается довольно большое количество секреторных систем неполного состава,
для которых остаются невыясненными либо некоторые компоненты, либо
субстраты (M. J. Fath еt al., 1993).
Таблица2
Некоторые системы секреции первого типа (по M. J. Fath еt al., 1993).
[pic]
ABC-транспортеры
Семейство АВС–транспортеров включает в себя специфические АТФ-связывающие
белки-транслокаторы. В 1993 году M. J. Fath (M. Fath еt al., 1993)
предложил классифицировать их на три группы: эукариотические АВС-
транспортеры, бактериальные АВС-ипортеры и бактериальные АВС-экспортеры, на
рис.2 представлено строение некоторых из них. Характерно, что ABC-белки
являются консервативными и осуществляют трансмембранный перенос большого
количества субстратов как в прокариотических, так и в эукариотических
клетках. Они наиболее часто состоят из двух закрепленных в мембране
гидрофобных и двух консервативных гидрофильных АТФ-связывающих доменов. Эти
домены могут быть как частями одного полипептида, так и нескольких
отдельных полипептидов. В опытах in vitro было показано, что в ряде случаев
этих четырех доменов одного или нескольких полипептидов оказывается
достаточно для осуществления трансмембранного перемещения растворов. И все
же большинство бактериальных ABC-транспортных систем включает в себя
различные дополнительные белки. Этими дополнительными белками являются MFP
и OMP (R. Binet et al., 1997).
АВС-импортеры имеют строение, сходное со всеми остальными представителями
транспортных АТФ-аз. Но при образовании транспортной системы они
присоединяют иные компоненты. В системах, осуществляющих импорт,
отсутствуют характерные для системы первого типа OMP и MFP. Вместо них
присутствует особый периплазматический белок, который связывается с
импортируемым субстратом и предоставляет его АТФ-азе для непосредственного
переноса (M. Fath еt al., 1993).
Помимо АВС-экспортеров, осуществляющих транспорт белков, в бактериальных
клетках существует обширная группа АВС-экспортеров, выполняющих транспорт
небелковых субстратов, например, полисахаридов и ионов. Характерной
особенностью этих переносчиков является то, что они сами образуют активную
транспортную систему и не требуют никаких дополнительных белков. Транспорт
в этом случае осуществляется не во внеклеточное пространство, а в
периплазму (M. Saier, 2000).
Подобные АВС-транспортеры обнаружены как в клетках грамположительных и
грамотрицательных бактерий, так и в эукариотических клетках (M. Fath еt
al., 1993).
[pic]
Рис. 2. Строение АВС-транспортеров (по M. Fath еt al., 1993).
Организация генов, кодирующих компоненты системы секреции первого типа
Как правило, гены, кодирующие все три компонента системы, организованы в
один оперон, обычно вместе с генами, кодирующими секретируемый белок. К
примеру, гены, кодирующие четыре сходных по строению металлопротеазы E.
chrysanthemi: PrtA (50кДа), PrtB (53 кДа), PrtC (55 кДа), PrtG (58 кДа)
организованы в один оперон с генами, кодирующими все три компонента системы
их секреции: PrtD (ABC-транспортер), PrtE (MFP), PrtF (OMP). В случае с E.
coli, ген hlyA, кодирующий ?-гемолизин, объединен с генами hlyB и hlyD,
кодирующими соответственно ABC-транспортер и MFP. Так же дело обстоит и у
S. marcescens. Ген hasA, кодирующий внеклеточный гемопротеин, организован в
один оперон с генами hsaD (ABC-транспортер) и hasE (MFP). В этих двух
случаях ген, кодирующий OMP, в единый оперон не включается и содержится
отдельно. Кроме того, у S. marcescens обнаружен оперон, содержащий только
гены, которые детерминируют компоненты системы секреции и ни одного гена,
ответственного за синтез экспортных белков. Он содержит три гена: lipB (ABC-
транспортер), lipC (MFP), lipD (OMP) (H. Akatsuka et al., 1998). Был
выявлен также ряд оперонов, которые содержат гены, не относящиеся ни к
системе секреции, ни являющиеся генами секретируемых белков. Эти гены
кодируют белки, которые тем или иным образом выполняют регуляторную функцию
(M. Fath еt al., 1993).
Организация Hly-оперона и некоторых других оперонов представлена на рис.
3. Ген hlyA кодирует 1023 аминокислоты ?-гемолизина (HlyA), hlyB кодирует
707 аминокислот ABC-транспортера (HlyB), hlyD кодирует 477 аминокислот MFP
(HlyD), и hlyC кодирует 170 аминокислот белка, который не имеет
секреторной функции, но облегчает активацию HlyA. Ген tolC, кодирующий 495
аминокислот OMP (TolC) в этот оперон не включается и содержится отдельно.
На данный момент выявлены и расшифрованы опероны систем секреции первого
типа многих микроорганизмов (M. Fath еt al., 1993).
[pic]
Рис. 3. Оперонная организация генов, кодирующих компоненты системы
секреции I типа некоторых бактерий. Сверху вниз: система секреции ?-
гемолизина E. coli, протеаз E. chrysanthemi, колицина V E. coli, субтилина
B. subtilis, капсулярного полисахарида E. coli (по M. Fath еt al., 1993).
Сигнальные последовательности субстратов
Субстраты, секретируемые посредством системы секреции первого типа, не
имеют сигнальных амино-концевых последовательностей. Вместо них имеются
карбокси-концевые секреторные сигналы, расположенные в пределах последних
60 аминокислотных остатков, впервые обнаруженные на ?-гемолизине. В
экспериментах с протеазой PrtG E. chrysanthemi было установлено, что
наименьшая карбокси-концевая последовательность, позволяющая начать
эффективную секрецию, содержит последние 29 аминокислот PrtG, кроме того,
низкая, но все же существенная секреция может быть индуцирована последними
15 аминокислотами PrtG (R. Binet et al., 1997). Кроме того, было показано,
что карбокси-концевая сигнальная последовательность, состоящая из
отрицательно заряженных аминокислотных остатков, является консервативной
для гомологичных протеаз. Сравнение последовательностей показало, что
протеазы и липазы тоже имеют весьма сходные карбокси-концевые
последовательности. Однако важным является тот факт, что гомология
последовательностей этих соединений является неполной. А вот секреторные
сигналы протеаз и различного рода токсинов являются весьма различными и
специфическими, кроме того, комплементация между компонентами систем
секреции этих двух семейств белков является очень незначительной. Тем не
менее, каждый сигнал может индуцировать секрецию чужеродного белка
посредством своего специфического транспортера (R. Binet et al., 1997).
Изучение фрагмента карбокси-конца очищенной протеазы G посредством ЯМР
показало, что он представляет собой стабильную ?-спираль, расположенную
перед 7 – 8 концевыми аминокислотными остатками.
При изучении процессов секреции белков была показана роль особой области,
расположенной выше карбокси-концевой сигнальной последовательности на
большинстве экспортируемых субстратов. Токсины, протеазы и липазы,
секретируемые системой секреции первого типа, имеют такую область,
состоящую из богатой глицином последовательности (GGXGXD), которая
повторяется 4–36 раз, в зависимости от белка.
При сравнении процессов секреции различных белковых субстратов,
содержащих такие последовательности, было установлено, что они играют
важнейшую роль при секреции некоторых пептидов. Возможно, что богатые
глицином повторы действуют как внутренние шапероны, способствуя лучшему
разделению секреторного сигнала и остатка белка (R. Binet et al., 1997).
Заключение
Посредством системы секреции первого типа секретируется широкий круг
субстратов, включающий в себя ряд ферментов, токсинов, антибиотиков, и
других биологически активных соединений. Эта система секреции характерна
как для прокариотических, так и для эукариотических клеток. Во всех
случаях она состоит из трех компонентов белковой природы: ABC-транспортера,
который является АТФ-азой, осуществляющей энергозависимые стадии
транслокации; белка, формирующего периплазматический канал, соединяющий ABC-
транспортер с третьим компонентом системы – белком-швейцаром, образующим
секреторный канал во внешней мембране. Система секреции первого типа
является Sec-независимой и осуществляет секрецию субстрата в одну
стадию из цитоплазмы непосредственно во внеклеточное пространство без
присутствия каких-либо периплазматических посредников. Сигналом к секреции
по этому типу является последовательность из 60 аминокислотных остатков,
находящаяся на карбокси-конце полипептида. Выявлены также гибридные системы
секреции первого типа, состоящие из компонентов присущих разным системам
этого типа. Несмотря на относительно простое устройство данной системы
секреции в сравнении с другими аппаратами секреции, существует довольно
большое количество неясных и спорных вопросов в этой области. В частности,
недостаточно изучена последовательность событий в процессе секреции
субстратов, а также видовая специфичность строения самой системы. В связи с
этим и немаловажным значением секретируемых соединений, изучение этого
вопроса является весьма актуальным и перспективным.
Список литературы
1. H. Akatsuka, R. Binet, E. Kawai, C. Wandersman, and K. Omori. Lipase
secretion by bacterial hybrid ATP-Binding Cassette Exporters:
molecular recognition of the LipBCD, PrtDEF, and HasDEF exporters. //
Journal of bacteriology. - 1997. – Vol. 179. №15 - Р. 4754–4760.
2. R. Binet, S. Leґtoffe, J. M. Ghigo, P. Delepelaire, C. Wandersman.
Protein secretion by Gram-negative bacterial ABC exporters – a review.
// Gene. - 1997. – Vol. 192. - Р. 7–11.
3. W. H. Bingle, J. F. Nomellini, and J. Smit. Secretion of the
Caulobacter crescentus S-Layer potein: further localization of the C-
terminal secretion signal and its use for secretion of recombinant
proteins. // Journal of bacteriology. - 2000. – Vol. 182. №11. - Р.
3298–3301.
4. P. Delepelaire, C. Wandersman. The SecB chaperone is involved in the
secretion of the Serratia marcescens HasA protein through an ABC
transporter. // EMBO J. - 1998. - Vol. 17. №4. - P. 936–944.
5. M. J. Fath, R. Kolter. ABC Transporters: Bacterial Exporters. //
Microbiological reviews. -1993. – Vol. 57. №4. - Р. 995–1017.
6. J. Hacker, J. B. Kaper. Pathogenicty islands and the evolution of
microbes. // Annu. Rev. Microbiol. - 2000. – Vol. 54. - Р. 641–79.
7. C. J. Hueck. Type III Protein Secretion Systems in Bacterial Pathogens
of Animals and Plants. // Microbiology and molecular biology reviews.
- 1998. – Vol. 62. №2. - Р. 379–433.
8. S. Letoffe and C. Wandersman. Secretion of CyaA-PrtB and HlyA-PrtB
Fusion Proteins in Escherichia coli: Involvement of the Glycine-rich
repeat domain of Erwinia chrysanthemi protease B. // Journal of
bacteriology. - 1992. – Vol. 174. №15 - Р. 4920–4927.
9. S. Lory. Secretion of proteins and assembly of bacterial surface
organelles: shared pathways of extracellular protein targeting. //
Current Opinion in Microbiology. - 1998. – Vol. 1. - Р. 27–35.
10. L. M. Moreira, J. D. Becker, A. P. and A. Becker. The Sinorhizobium
meliloti ExpE1 protein secreted by a type I secretion system involving
ExpD1 and ExpD2 is required for biosynthesis or secretion of the
exopolysaccharide galactoglucan. // Microbiology. - 2000. – Vol. 146.
- Р. 2237–2248.
11. M. H. Saier. Families of transmembrane sugar transport proteins. //
Molecular Microbiology. - 2000. - Vol. 35. №4. - P. 699–710.
12. D. G. Thanassi, S. J Hultgren. Multiple pathways allow protein
secretion across the bacterial outer membrane. // Current Opinion in
Cell Biology. - 2000. - Vol. 12. - Р. 420–430.
Реферат на тему: Бактерии
ПЛАН:
Введение.
СТРОЕНИЕ И ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ БАКТЕРИЙ
Строение
Сенсорные функции и поведение
Размножение и генетика
МЕТАБОЛИЗМ
Питание
Главные источники энергии
Дыхание
БАКТЕРИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
БОРЬБА С БАКТЕРИЯМИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Литература
Введение
БАКТЕРИИ, обширная группа одноклеточных микроорганизмов,
характеризующихся отсутствием окруженного оболочкой клеточного ядра. Вместе
с тем генетический материал бактерии (дезоксирибонуклеиновая кислота, или
ДНК) занимает в клетке вполне определенное место – зону, называемую
нуклеоидом. Организмы с таким строением клеток называются прокариотами
(«доядерными») в отличие от всех остальных – эукариот («истинно ядерных»),
ДНК которых находится в окруженном оболочкой ядре.
Бактерии, ранее считавшиеся микроскопическими растениями, сейчас
выделены в самостоятельное царство Monera – одно из пяти в нынешней системе
классификации наряду с растениями, животными, грибами и протистами.
СТРОЕНИЕ И ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ БАКТЕРИЙ
Бактерии гораздо мельче клеток многоклеточных растений и животных.
Толщина их обычно составляет 0,5–2,0 мкм, а длина – 1,0–8,0 мкм. Разглядеть
некоторые формы едва позволяет разрешающая способность стандартных световых
микроскопов (примерно 0,3 мкм), но известны и виды длиной более 10 мкм и
шириной, также выходящей за указанные рамки, а ряд очень тонких бактерий
может превышать в длину 50 мкм. На поверхности, соответствующей
поставленной карандашом точке, уместится четверть миллиона средних по
величине представителей этого царства.
Строение. По особенностям морфологии выделяют следующие группы
бактерий: кокки (более или менее сферические), бациллы (палочки или
цилиндры с закругленными концами), спириллы (жесткие спирали) и спирохеты
(тонкие и гибкие волосовидные формы). Некоторые авторы склонны объединять
две последние группы в одну – спириллы.
Прокариоты отличаются от эукариот главным образом отсутствием
оформленного ядра и наличием в типичном случае всего одной хромосомы –
очень длинной кольцевой молекулы ДНК, прикрепленной в одной точке к
клеточной мембране. У прокариот нет и окруженных мембранами внутриклеточных
органелл, называемых митохондриями и хлоропластами. У эукариот митохондрии
вырабатывают энергию в процессе дыхания, а в хлоропластах идет фотосинтез
(см. также КЛЕТКА). У прокариот вся клетка целиком (и в первую очередь –
клеточная мембрана) берет на себя функцию митохондрии, а у
фотосинтезирующих форм – заодно и хлоропласта. Как и у эукариот, внутри
бактерии находятся мелкие нуклеопротеиновые структуры – рибосомы,
необходимые для синтеза белка, но они не связаны с какими-либо мембранами.
За очень немногими исключениями, бактерии не способны синтезировать стеролы
– важные компоненты мембран эукариотической клетки.
Снаружи от клеточной мембраны большинство бактерий одето клеточной
стенкой, несколько напоминающей целлюлозную стенку растительных клеток, но
состоящей из других полимеров (в их состав входят не только углеводы, но и
аминокислоты и специфические для бактерий вещества). Эта оболочка не дает
бактериальной клетке лопнуть, когда в нее за счет осмоса поступает вода.
Поверх клеточной стенки часто находится защитная слизистая капсула. Многие
бактерии снабжены жгутиками, с помощью которых они активно плавают. Жгутики
бактерий устроены проще и несколько иначе, чем аналогичные структуры
эукариот.
[pic]
Сенсорные функции и поведение. Многие бактерии обладают химическими
рецепторами, которые регистрируют изменения кислотности среды и
концентрацию различных веществ, например сахаров, аминокислот, кислорода и
диоксида углерода. Для каждого вещества существует свой тип таких
«вкусовых» рецепторов, и утрата какого-то из них в результате мутации
приводит к частичной «вкусовой слепоте». Многие подвижные бактерии
реагируют также на колебания температуры, а фотосинтезирующие виды – на
изменения освещенности. Некоторые бактерии воспринимают направление силовых
линий магнитного поля, в том числе магнитного поля Земли, с помощью
присутствующих в их клетках частичек магнетита (магнитного железняка –
Fe3O4). В воде бактерии используют эту свою способность для того, чтобы
плыть вдоль силовых линий в поисках благоприятной среды.
Условные рефлексы у бактерий неизвестны, но определенного рода
примитивная память у них есть. Плавая, они сравнивают воспринимаемую
интенсивность стимула с ее прежним значением, т.е. определяют, стала она
больше или меньше, и, исходя из этого, сохраняют направление движения или
изменяют его.
Размножение и генетика. Бактерии размножаются бесполым путем: ДНК в
их клетке реплицируется (удваивается), клетка делится надвое, и каждая
дочерняя клетка получает по одной копии родительской ДНК. Бактериальная ДНК
может передаваться и между неделящимися клетками. При этом их слияния (как
у эукариот) не происходит, число особей не увеличивается, и обычно в другую
клетку переносится лишь небольшая часть генома (полного набора генов), в
отличие от «настоящего» полового процесса, при котором потомок получает по
полному комплекту генов от каждого родителя.
Такой перенос ДНК может осуществляться тремя путями. При
трансформации бактерия поглощает из окружающей среды «голую» ДНК, попавшую
туда при разрушении других бактерий или сознательно «подсунутую»
экспериментатором. Процесс называется трансформацией, поскольку на ранних
стадиях его изучения основное внимание уделялось превращению
(трансформации) таким путем безвредных организмов в вирулентные. Фрагменты
ДНК могут также переноситься от бактерии к бактерии особыми вирусами –
бактериофагами. Это называется трансдукцией. Известен также процесс,
напоминающий оплодотворение и называемый конъюгацией: бактерии соединяются
друг с другом временными трубчатыми выростами (копуляционными фимбриями),
через которые ДНК переходит из «мужской» клетки в «женскую».
Иногда в бактерии присутствуют очень мелкие добавочные хромосомы –
плазмиды, которые также могут переноситься от особи к особи. Если при этом
плазмиды содержат гены, обусловливающие резистентность к антибиотикам,
говорят об инфекционной резистентности. Она важна с медицинской точки
зрения, поскольку может распространяться между различными видами и даже
родами бактерий, в результате чего вся бактериальная флора, скажем
кишечника, становится устойчивой к действию определенных лекарственных
препаратов.
МЕТАБОЛИЗМ
Отчасти в силу мелких размеров бактерий интенсивность их метаболизма
гораздо выше, чем у эукариот. При самых благоприятных условиях некоторые
бактерии могут удваивать свою общую массу и численность примерно каждые 20
мин. Это объясняется тем, что ряд их важнейших ферментных систем
функционирует с очень высокой скоростью. Так, кролику для синтеза белковой
молекулы требуются считанные минуты, а бактерии – секунды. Однако в
естественной среде, например в почве, большинство бактерий находится «на
голодном пайке», поэтому если их клетки и делятся, то не каждые 20 мин, а
раз в несколько дней.
Питание. Бактерии бывают автотрофами и гетеротрофами. Автотрофы
(«сами себя питающие») не нуждаются в веществах, произведенных другими
организмами. В качестве главного или единственного источника углерода они
используют его диоксид (CO2). Включая CO2 и другие неорганические вещества,
в частности аммиак (NH3), нитраты (NO–3) и различные соединения серы, в
сложные химические реакции, они синтезируют все необходимые им
биохимические продукты.
Гетеротрофы («питающиеся другим») используют в качестве основного
источника углерода (некоторым видам нужен и CO2) органические
(углеродсодержащие) вещества, синтезированные другими организмами, в
частности сахара. Окисляясь, эти соединения поставляют энергию и молекулы,
необходимые для роста и жизнедеятельности клеток. В этом смысле
гетеротрофные бактерии, к которым относится подавляющее большинство
прокариот, сходны с человеком.
Главные источники энергии. Если для образования (синтеза) клеточных
компонентов используется в основном световая энергия (фотоны), то процесс
называется фотосинтезом, а способные к нему виды – фототрофами. Фототрофные
бактерии делятся на фотогетеротрофов и фотоавтотрофов в зависимости от
того, какие соединения – органические или неорганические – служат для них
главным источником углерода.
Фотоавтотрофные цианобактерии (сине-зеленые водоросли), как и зеленые
растения, за счет световой энергии расщепляют молекулы воды (H2O). При этом
выделяется свободный кислород (1/2O2) и образуется водород (2H+), который,
можно сказать, превращает диоксид углерода (CO2) в углеводы. У зеленых и
пурпурных серных бактерий световая энергия используется для расщепления не
воды, а других неорганических молекул, например сероводорода (H2S). В
результате также образуется водород, восстанавливающий диоксид углерода, но
кислород не выделяется. Такой фотосинтез называется аноксигенным.
Фотогетеротрофные бактерии, например пурпурные несерные, используют
световую энергию для получения водорода из органических веществ, в
частности изопропанола, но его источником у них может служить и
газообразный H2.
Если основной источник энергии в клетке – окисление химических
веществ, бактерии называются хемогетеротрофами или хемоавтотрофами в
зависимости от того, какие молекулы служат главным источником углерода –
органические или неорганические. У первых органика дает как энергию, так и
углерод. Хемоавтотрофы получают энергию при окислении неорганических
веществ, например водорода (до воды: 2H4 + O2 > 2H2O), железа (Fe2+ > Fe3+)
или серы (2S + 3O2 + 2H2O > 2SO42– + 4H+), а углерод – из СO2. Эти
организмы называют также хемолитотрофами, подчеркивая тем самым, что они
«питаются» горными породами.
Дыхание. Клеточное дыхание – процесс высвобождения химической
энергии, запасенной в «пищевых» молекулах, для ее дальнейшего использования
в жизненно необходимых реакциях. Дыхание может быть аэробным и анаэробным.
В первом случае для него необходим кислород. Он нужен для работы т.н.
электронотранспортной системы: электроны переходят от одной молекулы к
другой (при этом выделяется энергия) и в конечном итоге присоединяются к
кислороду вместе с ионами водорода – образуется вода.
Анаэробным организмам кислород не нужен, а для некоторых видов этой
группы он даже ядовит. Высвобождающиеся в ходе дыхания электроны
присоединяются к другим неорганическим акцепторам, например нитрату,
сульфату или карбонату, или (при одной из форм такого дыхания – брожении) к
определенной органической молекуле, в частности к глюкозе
БАКТЕРИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Учитывая разнообразие катализируемых бактериями химических реакций,
неудивительно, что они широко используются в производстве, в ряде случаев с
глубокой древности. Славу таких микроскопических помощников человека
прокариоты делят с грибами, в первую очередь – дрожжами, которые
обеспечивают большую часть процессов спиртового брожения, например при
изготовлении вина и пива. Сейчас, когда стало возможным вводить в бактерии
полезные гены, заставляя их синтезировать ценные вещества, например
инсулин, промышленное применение этих живых лабораторий получило новый
мощный стимул.
Пищевая промышленность. В настоящее время бактерии применяются этой
отраслью в основном для производства сыров, других кисломолочных продуктов
и уксуса. Главные химические реакции здесь – образование кислот. Так, при
получении уксуса бактерии рода Acetobacter окисляют этиловый спирт,
содержащийся в сидре или других жидкостях, до уксусной кислоты. Аналогичные
процессы происходят при квашении капусты: анаэробные бактерии сбраживают
содержащиеся в листьях этого растения сахара до молочной кислоты, а также
уксусной кислоты и различных спиртов.
БОРЬБА С БАКТЕРИЯМИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Бактерии приносят не только пользу; борьба с их массовым
размножением, например в пищевых продуктах или в водных системах целлюлозно-
бумажных предприятий, превратилась в целое направление деятельности.
Пища портится под действием бактерий, грибов и собственных вызывающих
автолиз («самопереваривание») ферментов, если не инактивировать их
нагреванием или другими способами. Поскольку главная причина порчи все-таки
бактерии, разработка систем эффективного хранения продовольствия требует
знания пределов выносливости этих микроорганизмов.
Одна из наиболее распространенных технологий – пастеризация молока,
убивающая бактерии, которые вызывают, например, туберкулез и бруцеллез.
Молоко выдерживают при 61–63° С в течение 30 мин или при 72–73° С всего 15
с. Это не ухудшает вкуса продукта, но инактивирует болезнетворные бактерии.
Пастеризовать можно также вино, пиво и фруктовые соки.
Давно известна польза хранения пищевых продуктов на холоде. Низкие
температуры не убивают бактерий, но не дают им расти и размножаться.
Правда, при замораживании, например, до –25° С численность бактерий через
несколько месяцев снижается, однако большое количество этих микроорганизмов
все же выживает. При температуре чуть ниже нуля бактерии продолжают
размножаться, но очень медленно. Их жизнеспособные культуры можно хранить
почти бесконечно долго после лиофилизации (замораживания – высушивания) в
среде, содержащей белок, например в сыворотке крови.
К другим известным методам хранения пищевых продуктов относятся
высушивание (вяление и копчение), добавка больших количеств соли или
сахара, что физиологически эквивалентно обезвоживанию, и маринование, т.е.
помещение в концентрированный раствор кислоты. При кислотности среды,
соответствующей pH 4 и ниже, жизнедеятельность бактерий обычно сильно
тормозится или прекращается.
| |
