mikroobifüsioloogia konspekt

Click here to load reader

Post on 21-Apr-2015

368 views

Category:

Documents

3 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

MIKROOBIFSIOLOOGIA. 1. Fsioloogiliste protsesside globaalne regulatsioon rakkudes. 2. Geeniekspressiooni kontroll transkriptsiooni tasemel. 3. Posttranskripsiooniline regulatsioon. 4. Quorum-sensing ja selle mju fsioloogilistele protsessidele rakus. 5. Kahekomponendilised regulatsiooni ssreemid ja signaalide vastuvtt. 6. Bakteriraku struktuur ja funktsioonid. 7. Bakterite jagunemine. 8. Geneetilise informatsiooni lekanne bakterites. 9. Energia tootmine. 10. Metaboliitide transport. 11. Lmmastiku metabolism. 12. Valkude ransport (Tp I-IV sekretsiooni ssteemid). 13. Substraatide metabolism (v. a. glkoos). 14. Bakterite stressi vastused. 15. Bakterite kasv statsionarses faasis. 16. SOS vastus ja DNA reparatsioon. 17. Kemotaksis. 18. Puriinide ja primidiinide sntees. 19. Patogeen-peremees interaktsioon 1. FSIOLOOGILISTE PROTSESSIDE GLOBAALNE REGULATSIOON RAKKUDES. Paljud muutused keskkonnas kutsuvad bakterirakus esile stressi. Hoolimata keskkonna muutustest peavad DNA replikatsioon, rakkude kasv ja jagunemine olema balanseeritud. Translatsiooniaparaadis osalevad vhemalt 150 erinevat geeniprodukti (rRNA-d ja ribosoomi valgud, tRNA-d, aminoatsl-tRNA sntetaasid, translatsiooni initsiatsiooni, elongatsiooni ja terminatsiooni faktorid). Jrk-jrgulised muutused metaboolsete ssteemide aktiivsuses leiavad aset sltuvalt sellest, milline on raku varustatus biosnteesiradade lpp-produktidega. Rikkas kasvukeskkonnas, kus vastavad komponendid on juba valmis kujul olemas, on biosnteetiliste ensmide ekspressioonitase rakus vrreldes vaese kasvukeskkonnaga vhemalt 10 korda alla surutud. Regulatsioon toimub nii struktuurgeenide transkriptsiooni tasemel (repressioon, attenuatsioon) kui ka biosnteetiliste ensmide tagasisidestusliku inhibeerimise kaudu. Juhul, kui suvaline komponent keskkonnast ammendub, katkeb koheselt tagasisidestuslik inhibitsioon. Kui sellest ei piisa, tuseb vastava biosnteesiraja struktuurgeenide transkriptsioonitase. Kui ka sellest ei piisa, vallandub rakus nn. stringent response, mille tulemusena toimuvad geenide ekspressioonitasemes globaalsed muutused. Erinevaid bioloogilisi protsesse koordineeritakse globaalse regulatsiooni kaudu. Globaalsele regulatsioonile alluvad kik operonid. Operonid, mida kontrollib ks regulaatorvalk, moodustavad reguloni. Samasse reguloni kuuluvate operonide induktsioon vib sna ulatuslikult varieeruda. Niteks temperatuurishoki reguloni (Htp) puhul theldatakse osade HSP-del (heat shock proteins) temperatuuri tusu korral 5- kuni 7-kordset induktsiooni, mnede HSP-de tase rakus tuseb aga le 70 korra. Stressivastuse kigus produtseeritakse rakus signaalmolekule e. alarmoone. Tuntumad signaalmolekulid on niteks cAMP ja guanosiintetrafosfaat ppGpp. Erinevaid regulone kontrollivad regulaatorid vivad transkriptsiooni kas stimuleerida (niteks PhoB), inhibeerida (niteks LexA) vi mnede geenide puhul stimuleerida ja teiste puhul inhibeerida (niteks Lrp leucine response protein). Osa regulone on kontrollitud alternatiivsete sigma faktorite poolt (niteks 32 regulon). Regulatsioon vib toimuda mitmel erineval viisil: 1. regulaatori kovalentne modifitseerimine enamasti fosforleerimine/defosforleerimine (PhoB, NtrI), 2. negatiivse regulaatori degradeerimine (nit. LexA), 3. sigma faktori rakulise hulga tstmine (32), 4. valgu konformatsiooni muutmine ligandi sidumisel. Bakteris E. coli on kirjeldatud ligikaudu 1000 erinevat operoni ning paarsada erinevat reguloni. Erinevatesse regulonidesse kuuluvad operonid vi geenid vivad kuuluda modulonidesse. Samasse moduloni kuuluvaid geene/operone vib kontrollida lisaks nende erinevatele regulaatoritele ka hine globaalne regulaator (niteks cAMP retseptorvalk CRP e. CAP). Globaalse regulatsiooni kirjeldamiseks on vetud kasutusele veel miste stimulon. Stimuloni kuuluvad geenid, operonid, regulonid ja modulonid, mille td mjutab ks ja sama keskkonnastiimul. Samasse stimuloni kuuluvate regulatoorsete ksuste td kontrollivad erinevad regulaatorid. Niteks temperatuuri tusu korral aktiveerub Htp (RpoH) regulon ja P-nlja puhul PhoB regulon, kuid lisaks nendesse regulonidesse kuuluvatele geenidele aktiveeruvad veel paljud teised. Niteks P-nlja puhul on indutseeritud 145 erinevat valku, millest ainult 38 on kodeeritud PhoB reguloni kuuluvate geenide poolt. Nlja korral lhevad rakud statsionaarsesse faasi

ja neis indutseeritakse ka RpoH regulon, Lrp regulon, LexA-kontrollitud SOS regulon ja OxyR regulon. Lisaks paljude valkude induktsioonile phjustab P-nlg 137 erineva valgu repressiooni. 2. KONTROLL TRANSKRIPTSIOONI TASEMEL Bakteri elukeskkonna tingimused on sageli vga muutlikud. Tulenevalt sellest, peavad bakterid sageli tegema mberkorraldusi rakus toimuvates fsioloogilistes protsessides. Jrgnevalt vaatleme, kuidas bakterites toimuvate mitmesuguste fsioloogiste protsesside regulatsioon on seotud geeni ekspressiooni regulatsiooniga. Geenide transkriptsiooni regulatsioonis osalevad regulaatorvalgud, mis vivad protsessi prssida (negatiivne kontroll) vi soodustada (positiivne kontroll). Geenid, mida transkribeeritakse korraga, kuuluvad hte operoni (operoni kuuluvad ka nende geenide transkriptsiooni reguleerivad DNA jrjestused) ja operonilt snteesitud RNA molekuli nimetatakse poltsistroonseks RNA-ks. Regulatsioon transkriptsiooni tasemel sltub DNA-ga seonduvatest regulaator-valkudest. Paljudele transkriptsioonifaktoritele on iseloomulikud teatavad struktuursed motiivid nagu tsink-srmed, leutsiini lukud heeliks-ling-heeliks ja heeliks-pre-heeliks. Lisaks regulaatorvalkudele, osalevad transkriptsiooni regulatsioonis ka nn. efektormolekulid. Efektormolekulideks on vikesed molekulid nagu niteks aminohapped vi erinevad suhkrumolekulid. Indutseeritava operoni puhul nimetatakse efektormolekuli induktoriks, represseeritavate operonide puhul aga korepressoriks. Bakterid on vimelised kasvama vga erinevatel ssiniku allikatel. Kasvukeskkonnast ptakse esmalt ra kasutada need C-allikaid, mis on energeetiliselt kasulikumad ja vimaldavad rakkude kiiremat kasvu. Sellest tulenevalt pab rakk oma fsioloogilised protsessid mberkorraldada, et mitte raisata energiat teiste substraatide kasutamisel osalevate valkude produtseerimiseks. Sellist regulatoorset mehhanismi nimetatakse kataboliitseks repressiooniks. Lisaks sellele kivitatakse C-allika omastamiseks vajalike ensmide produksioon vastava hendi olemasolu korral keskkonnas. Seega kitub vastav hend vi mni tema lagundamisel tekkiv vahehend kui induktor. Selleks, et suhkrud oleksid bakteritele kttesaadavad, transporditakse need fosfoenoolpruvaadi (PEP) ja fosfotransferaasi ssteemi (PTS) vahendusel tstoplasmasse. Selle ssteemi moodustavad kaks fosfotransferaasi Ensm I (EI) ja HPr ning sellele lisaks suhkru-spetsiifilised permeaasid - Ensm II (EII). EII koosneb kolmest kuni neljast erinevast funktsionaalsest ksusest. Fosforlrhma lekandmisel PEP-ilt suhkrule osalevad EI, Hpr, EIIA ja EIIB. Kataboliitne repressioon toimib rakkudes bakterite kasvamisel glkoosil, mille tulemusel raku sisene cAMP tase langeb (kasvamisel laktoosil vi suktsinaadil aga tuseb). cAMP snteesi ATP-st viib lbi adenlaattsklaas (cya geeni produkt). Laktoos-operon aktiveeritakse rakus ainult siis, kui aktivaatorvalk CAP (CRP) on seondunud cAMP-ga. cAMP on fosfodiesteraasi poolt kiiresti AMP-ks degradeeritav. Kui bakterite kasvukeskkonnas on glkoos, on cAMP sntees inhibeeritud. Glkoosi-spetsiifiline permeaas EIIGlc koosneb kolmest domeenist IIA, IIB ja IIC. Regulatsiooni seisukohalt on keskse thtsusega EIIAGlc. Kui C-allikaks ei ole glkoos, on EIIAGlc fosforleeritud, mis omakorda aktiveerib adenlaat-tsklaasi ja rakkudes kivitatakse cAMP sntees. Lpptulemusena on transkriptsioon laktoosi operoni promootorilt aktiveeritud. Glkoosi olemasolul bakterite kasvukeskkonnas on EIIAGlc aga fosforleerimata, adenlaat-tsklaasi ei aktiveerita ning inhibeeritud on ka laktoosi permeaas. Kuna laktoosi permeaas on inaktiivne, ei saa laktoos rakku ning rakus ei saa tekkida laktoosi operoni induktormolekuli allolaktoosi, mis prsiks repressori seondumise operoni operaatoralale. Sellist kontrollmehhanismi nimetatakse induktori vlistamiseks (inducer exclusion). EIIAGlc defosforleerimist phjustab glkoos-6-fosfaadi olemasolu rakkudes. CRP-valk reguleerib umbes 100 geeni ekspressiooni bakterites. cAMP-CRP kompleks interakteerub RNApolmeraasiga ja soodustab selle seondumist promootoriga. CRP-valgu poolt reguleeritavad promootorid jagunevad kahte klassi: promootor I ja promootor II. Lisaks cAMP-CRP olulisele rollile fsioloogiliste protsesside regulatsioonis, omab tsentraalset rolli ka Cra (catabolite repressor/activator protein) valk. Selle regulatsiooni fsioloogiline thtsus seisneb selles, et nimetatud valgu vahendusel reguleeritakse nn. perifeerseid lagundamisi, mis vimaldavad rakkudel kasutada C-allikana ka niteks suksinaati vi malaati. Cra-valgu mju tema poolt kontrollitavatele geenidele sltub F-6-P vi F-1,6-biP olemasolust rakus. Kui C-allikaks on glkoos, akumuleerub rakus F-6-P. See seondub Cra-valguga, mille tulemusena derepresseeritakse Cra-represseritud valkude (fosfofruktokinaasi; pruvaatkinaasi; jt) sntees; inaktiveeritakse aga Cra-aktiveeritud valkude (PEP sntetaasi; PEP karbokskinaasi; jt) sntees. Kokkuvttes aktiveeritakse glkoosi lagundamiseks vajalike valkude sntees ja blokeeritakse glkoneogeneesiks vajalike valkude sntees. Selleks, et E. coli oleks vimeline kasutama C-allikana arabinoosi on vajalik kolme valgu AraA, AraB ja AraD sntees. Nende kolme valgu toimel muudetakse arabinoos ksloos-5-fosfaadiks, mis suunatakse edasi pentoosfosfaat-tsklisse. Nende kolme geeni ekspressioon on koordineeritult reguleeritud AraC valgu poolt. AraC valk vib rakus olla kahes erinevas konformatsioonis: kompleksis arabinoosiga kitub ta kui aktivaator, ilma arabinoosita kui repressor. Praeguseks on bakterites kirjeldatud rohkem kui 100 erinevat transkripsiooni-

regulaatorit (AraC-perekond), mis sisaldavad AraC-ga homoloogilist heeliks-pre-heeliks DNA-ga seondumise piirkonda. ATTENUATSIOON Bakterites vib