ЛЕКЦИИ Регуляция метаболизма Курс лекций. Е.А. Николайчик. Курс лекций Минск 2002 II
 Скачать 2.61 Mb.
|
|
Е.А. Николайчик РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА курс лекций Минск 2002 - II - 1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РЕГУЛЯЦИИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ. РЕГУЛЯЦИЯ НА УРОВНЕ ТРАНСКРИПЦИИ ................................................ 1 1.1 О ПЕРОННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ГЕНОВ ...................................................................................... 2 lac оперон ....................................................................................................................................................................... 2 1.2 К АК РАБОТАЮТ РЕГУЛЯТОРНЫЕ БЕЛКИ ? .............................................................................................................. 3 Связывание регуляторных белков с ДНК .......................................................................................................... 3 1.3 В ЗАИМОДЕЙСТВИЕ РЕГУЛЯТОРНЫХ БЕЛКОВ С РНК- ПОЛИМЕРАЗОЙ ........................................................... 4 1.4 А РАБИНОЗНЫЙ ОПЕРОН ............................................................................................................................................. 6 1.5 Т РИПТОФАНОВЫЙ ОПЕРОН ....................................................................................................................................... 7 Аттенуация. ................................................................................................................................................................. 8 1.6 Р ЕГУЛЯЦИЯ НА СТАДИИ ТЕРМИНАЦИИ . А НТИТЕРМИНАЦИЯ .......................................................................... 9 2. ФОСФОТРАНСФЕРАЗНАЯ СИСТЕМА .......................................................................... 10 Катаболитная репрессия ...................................................................................................................................... 13 bgl оперон – ФТС и антитерминация. ............................................................................................................. 14 3. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ СИГМА-ФАКТОРЫ РНК-ПОЛИМЕРАЗЫ .................................. 14 σ-факторы бактериофагов. Каскадная регуляция экспрессии генов. ............................................... 16 rpoS ................................................................................................................................................................................. 16 rpoE ................................................................................................................................................................................ 17 4. ТЕПЛОВОЙ ШОК, ФОЛДИНГ И ДЕГРАДАЦИЯ БЕЛКОВ ............................................ 19 Молекулярные шапероны ....................................................................................................................................... 19 АТФ-зависимые протеазы .................................................................................................................................... 21 5. ХОЛОДОВОЙ ШОК ......................................................................................................... 24 6. СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ ............................................................................................... 26 Д ВУХКОМПОНЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ ................................................................................................................................ 27 С ТРУКТУРА И ФУНКЦИИ ГИСТИДИНОВЫХ ПРОТЕИНКИНАЗ .................................................................................. 29 Каталитическое киназное ядро. ........................................................................................................................ 30 HPt-домены ................................................................................................................................................................. 30 Сенсорный домен ...................................................................................................................................................... 30 Линкерный домен ...................................................................................................................................................... 30 С ТРУКТУРА И ФУНКЦИИ РЕГУЛЯТОРОВ ОТВЕТА ...................................................................................................... 30 Активности и структура ..................................................................................................................................... 30 Регуляторный домен. .............................................................................................................................................. 31 Эффекторный домен .............................................................................................................................................. 31 А КТИВАЦИЯ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ ........................................................................................................................ 31 А РХИТЕКТУРА РЕГУЛЯТОРНЫХ СИСТЕМ .................................................................................................................... 32 Фосфотрансляционные системы ...................................................................................................................... 32 Р ЕГУЛЯТОРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ....................................................................................................................................... 33 Регуляция активности ГК. ................................................................................................................................... 33 Регуляция дефосфорилирования РО ................................................................................................................. 34 Другие способы регуляции ..................................................................................................................................... 34 7. ХЕМОТАКСИС ................................................................................................................ 34 7.1 У СТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ДВИГАТЕЛЬНОГО АППАРАТА БАКТЕРИЙ ....................................... 34 Регуляция синтеза жгутикового аппарата .................................................................................................. 35 7.2 Ч ТО ТАКОЕ ХЕМОТАКСИС И КАК ОН РЕАЛИЗОВАН У БАКТЕРИЙ ? ................................................................ 36 7.3 Б ЕЛКОВЫЙ АППАРАТ ХЕМОТАКСИСА .................................................................................................................. 37 - III - Рецепторы хемотаксиса ....................................................................................................................................... 37 Как внеклеточный стимул транслируется во внутриклеточный сигнал? ...................................... 38 Цитоплазматические сигнальные белки и регуляторный механизм хемотаксиса ...................... 39 Метилазы хемотаксиса и сенсорная адаптация. ....................................................................................... 39 8. УТИЛИЗАЦИЯ АЗОТА .................................................................................................... 41 9. КИСЛОРОДНЫЙ СТРЕСС И РЕДОКС КОНТРОЛЬ. ..................................................... 43 А КТИВНЫЕ РАДИКАЛЫ : ИХ ПОВРЕЖДАЮЩЕЕ ДЕЙСТВИЕ И МЕХАНИЗМ ИНАКТИВАЦИИ ............................ 43 Причина окислительного стресса. .................................................................................................................... 43 Механизмы окислительных повреждений клетки. ..................................................................................... 44 З АЩИТА ОТ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА ................................................................................................................. 44 SoxRS регулон ............................................................................................................................................................. 44 OxyR регулон ............................................................................................................................................................... 45 А ДАПТАЦИЯ К АНАЭРОБИОЗУ ...................................................................................................................................... 45 FNR как сенсор кислорода .................................................................................................................................... 45 ArcB ................................................................................................................................................................................ 46 10. ДЕЛЕНИЕ БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКИ И ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ .................................... 47 Р ЕГУЛЯЦИЯ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА У C AULOBACTER CRESCENTUS . ........................................................................ 59 11. СПОРУЛЯЦИЯ У BACILLUS SUBTILIS. ........................................................................ 62 Морфология споруляции ........................................................................................................................................ 62 Как принимается решение о начале споруляции? ....................................................................................... 63 Роль активаторов транскрипции на разных стадиях споруляции ...................................................... 64 12. МЕЖКЛЕТОЧНЫЕ КОММУНИКАЦИИ. QUORUM SENSING ..................................... 66 Синтез АГСЛ. ............................................................................................................................................................ 67 Регуляция синтеза экзоферментов у Erwinia ............................................................................................... 68 Роль АГСЛ-сигналов в экологии бактериальных популяций. Кросс-сигналы (и ингибирование антибиотиками). ................................................................................................................................................................. 69 13. СЕКРЕЦИЯ БЕЛКОВ ..................................................................................................... 69 С ЕКРЕТОРНЫЙ АППАРАТ ПЕРВОГО ТИПА ................................................................................................................. 71 С ЕКРЕТОРНЫЙ АППАРАТ ВТОРОГО ТИПА (GSP). .................................................................................................... 72 Sec система. ............................................................................................................................................................... 72 Основная терминальная ветвь GSP ................................................................................................................. 74 Регуляция GSP ............................................................................................................................................................ 75 С ЕКРЕТОРНЫЙ АППАРАТ III ТИПА ............................................................................................................................... 76 1.1.Специфика аппарата секреции III типа и его компоненты. ......................................................... 76 1.2. Субстраты аппарата секреции III типа. ............................................................................................. 77 1.3. Организация и регуляция генов, кодирующих белки аппарата секреции III типа ................. 78 Секреторные шапероны. ....................................................................................................................................... 79 С ЕКРЕТОРНЫЙ АППАРАТ IV ТИПА ............................................................................................................................... 80 14. СТРОГИЙ ОТВЕТ .......................................................................................................... 82 15. SOS ОТВЕТ ..................................................................................................................... 83 SOS-мутагенез ........................................................................................................................................................... 84 16. РЕГУЛЯЦИЯ СТАБИЛЬНОСТИ МРНК ........................................................................ 84 Б АКТЕРИАЛЬНЫЕ РНК АЗЫ , УЧАСТВУЮЩИЕ В ДЕГРАДАЦИИ М РНК ................................................................ 86 РНКаза Е ...................................................................................................................................................................... 86 РНКаза III .................................................................................................................................................................... 86 - IV - Полинуклеотидфосфорилаза ............................................................................................................................... 86 РНКаза II ..................................................................................................................................................................... 87 Мультибелковые комплексы деградации РНК. ............................................................................................ 87 РНК-хеликазы в деградации РНК ...................................................................................................................... 87 Полиаденилирование оказывает противоположный эффект на стабильность бактериальных и эукариотических мРНК. ............................................................................................................... 88 - 1 - 1. Основные принципы регуляции экспрессии генетической информации. Регуляция на уровне транскрипции Несмотря на кажущуюся простоту организации, клеткам прокариот необходимо иметь не менее, а, скорее, более сложные, чем у многих эукариот, системы контроля основных жизненных функций. И это не удивительно, если принять во внимание тот факт, что каждая клетка бактерий является полноценным организмом, полностью самодостаточным, тогда как клетки большинства многоклеточных организмов входят в состав специализированных тканей и, следовательно, выполняют только какую-то часть жизненно важных для организма функций. Клетки микроорганизмов находятся в непосредственном контакте с окружающей средой, зачастую на наш взгляд весьма далекой от оптимальной для поддержания жизни. Условия среды не являются постоянными, следовательно, бактерии должны обладать способностью либо быть всегда готовыми ко всем подстерегающим их неожиданностям, либо “подстраиваться” к изменяющимся условиям. Иными словами, принципиально возможны две стратегии существования в изменяющихся условиях. Первая - постоянно быть во всеоружии, держа наготове все функции, которые когда-либо могут пригодиться. В таком случае значительная часть ресурсов организма большую часть времени будет расходоваться впустую на поддержание функций, не нужных в настоящий момент. Вторая стратегия - “включать” определенные функции только тогда, когда они необходимы. Как вы уже, наверное, знаете, именно такой подход используется живыми организмами в большинстве случаев. Такая стратегия, на первый взгляд, должна приводить к значительной экономии ресурсов организма. Однако при таком подходе возникает необходимость в системах детекции сигналов и регуляции метаболизма, обеспечивающих максимально быстрое “включение” соответствующих метаболических путей в ответ на изменение условий среды и их “отключение”, как только в соответствующих функциях отпадет необходимость. Если такие системы были бы слишком сложными, организм должен был бы слишком много ресурсов расходовать на поддержание соответствующего генетического аппарата, экспрессию необходимых регуляторных белков и т.д., что свело бы на нет всю экономию. Как видите, жизнь простых организмов не так уж и проста, и этот курс лекций как раз и пытается показать, как микроорганизмы решают свою основную проблему - регуляцию метаболизма в меняющихся условиях среды. Поскольку основную функциональную нагрузку при взаимодействии любого организма с внешней средой несут белки (либо непосредственно, либо посредством своих ферментативных активностей), а информация о структуре и количестве белков кодируется генетическим аппаратом клетки, возможности для регуляции имеются на всем пути экспрессии кодируемой организмом информации. Иными словами, регуляция возможна как на пути от ДНК к РНК (при транскрипции), так и от РНК к белку (при трансляции). В обоих случаях экономия ресурсов организма достигается за счет выключения очень энергоемких процессов биосинтеза макромолекул - белка либо РНК (и, следовательно, белка). Кроме того, возможна также регуляция на уровне белков (как правило, аллостерических ферментов, меняющих свою активность при взаимодействии с низкомолекулярными веществами, напр., конечными продуктами какого-то биосинтетического пути). Здесь происходит экономия энергии при ингибировании энергоемких ферментативных реакций. схема: уровни регуляции (действительно нужен простой рисунок): I- дотранскрипционный (метилирование ДНК) - cell cycle; спирализация хроматина у эукариот II – транскрипционный: а) инициация (промоторы+регуляторные белки) б) терминация (аттенуация и антитерминация) III – посттранскрипционный: а) стабильность мРНК (rpoS) б) инициация трансляции (cold shock) IV – посттрансляционный: регуляция метаболизма посредством белок-белковых взаимодействий и модификации белков; аллостерическая регуляция (хемотаксис) - 2 - A priori можно предположить, что именно регуляция на стадии инициации транскрипции будет наиболее эффективной – регуляция на начальных этапах длинного пути экспрессии генетической информации явно приведет к наибольшей экономии ресурсов клетки. Наверное, именно поэтому транскрипционная регуляция является на настоящий момент наиболее изученной (хотя, скорее всего, этот уровень регуляции действительно наиболее часто используется клеткой). С нее мы и начнем. |