<<
>>

Механизмы адаптации бактерийк высокому содержанию солей

При повышении концентрации солей в окружающей среде активность воды снижается, и она выходит из клетки, т.е происходит обезвоживание организма (ионный стресс). Поддерживание равновесного осмотического давления в цитоплазме и во внешней среде осуществляется с помощью процесса осморегуляции.

Предложено два механизма осморегуляции (Звягинцева, 1989). Первый - галобактериальный или КС1 - тип осморегуляции. Осмотическое равновесие достигается за счет поддержания концентрации КС1 в цитоплазме клетки на уровне концентрации солей в окружающей среде. Этот тип осморегуляции описан у ряда метанотрофных бактерий и эубактерий (ацетогенные анаэробы              Haloanaerobium и              Acetohalobium,

сульфатредуцирующие бактерии Desulfovibrio halophilus). Второй - осмотический тип осморегуляции: описан у фототрофных и аэробных хемогетеротрофных микроорганизмов и связан с накоплением в клетках бактерий органических осмопротекторов, таких как глицинбетаин, производные эктоинов, пролин, глютамин, полиолы, N-ацетилированные аминокислоты, сахара.

Цианобактерии в качестве осмопротекторов чаще всего имеют трегалозу или тетрозиды. Аэробные галофильные бакйерии преимущественно относятся к альфа- и гамма-протеобактериям. У них основным осмопротекторным веществом служит глицинбетаин и эктоин (Ventosa et al., 1998).

Концентрация осмопротекторов в цитоплазме клетки может превышать 1 М. При понижении концентрации соли они способны экстрагироваться или откладываться в виде запасных питательных веществ. Накопление осмопротекторов в клетке индуцируется на уровне генома и зависит от осмотического стресса, фазы роста культуры, источника углерода и его концентрации в питательной среде. По мнению ряда авторов механизм действия осмопротекторов складывается из того, что, во-первых, они увеличивают внутриклеточное осмотическое давление, а во-вторых, стабилизируют макромолекулы клеток.

Осмопротекторы могут как синтезироваться самой клеткой, так и транспортироваться из окружающей среды. Ряд бактерий, например энтеробактерии, обладают эффективным механизмом переноса некоторых осмопротекторов, например бетаина, из окружающей среды в клетку. В качестве сопутствующих осмопротекторов у

широкого ряда микроорганизмов выступают сахара, это типично для бактерий с ограниченной толерантностью к солям.

Кроме того, для микроорганизмов, устойчивых к повышенным концентрациям солей характерны модификации в морфологии и структуре клеток. Структурная адаптация клеточных мембран к осмотическому шоку состоит в изменении состава белков, липидов и жирных кислот. В условиях солевого стресса в клеточных мембранах было обнаружено увеличение количества гликолипидов, по сравнению с амфотерными липидами и отмечено изменение соотношения жирных кислот в фосфолипидах, что важно для поддержания стабильности бислойной структуры мембран (Звягинцева, 1989).

Физиолого-биохимические механизмы противодействия осмотическому стрессу исследуются уже в течение многих лет на широком круге микроорганизмов (Современная микробиология, 2005). Факторы повышения осмотического давления, связанные с клеточной активностью, довольно очевидны. Для функционирования ферментов требуется более высокая концентрация растворенных веществ в цитоплазме, чем в среде, окружающей клетки, в соответствии с чем в цитоплазме накапливаются растворенные вещества. Это вызывает поступление в клетку воды и повышение тургорного давления, которое могло бы разорвать мембрану, если бы она не была защищена клеточной стенкой. Повышению тургора способствует также и то, что в клетках большинства бактерий накопление растворенных веществ, в частности ионов, происходит до значительно более высоких концентраций, чем требуется для синтетических процессов.

В связи с тем, что от тургора зависит построение клеточной стенки, возникает определенная проблема на клеточном уровне. Как существенный фактор роста тургорное давление должно поддерживаться несмотря на колебания осмолярности среды.

При повышении осмолярности наружного раствора осмодярность цитоплазмы также должна возрастать, чтобы сохранялся необходимый тургор. Вместе с тем в условиях высокой осмолярности снижается активность многих ферментов. Существующий у микробов механизм осмотической адаптации состоит в том, что постоянство тургора поддерживается путем накопления в клетках специфических растворенных веществ, не влияющих на активность ферментов; 7 в соответствий с данной функцией они названы совместимыми осморегуляторными веществами. Эти вещества характеризуются следующими свойствами (Csonka, Epstein, 1996). Совместимые осморегуляторы обладают высокой растворимостью; концентрация их в цитоплазме нередко достигает 1 М. Обычно они представляют собой либо нейтральные молекулы, не содержащие заряда, либо молекулы, несущие заряженные центры. Совместимые осморегуляторные вещества способны проникать

через клеточную мембрану путем регулируемого транспорта, благодаря чему их цитоплазматический пул определяется внешним осмотическим давлением.              lt; Совместимые осморегуляторы не влияют на ферментативную активность и способны защищать ферменты от денатурации под действием солей. Наиболее эффективные совместимые осморегуляторы — бетаин, эктоин, трегалоза и пролин — обладают необычными осмотическими свойствами, благодаря которым их низкие концентрации в цитоплазме обеспечивают такое же осмотическое давление, какое достигается при высоких концентрациях менее эффективных специфических осморегуляторов. Как правило, совместимые осморегуляторные вещества представляют собой конечные метаболиты, а не промежуточные продукты того или иного пути биосинтеза.

Совместимые осморегуляторные соединения обычно присутствуют в окружающей среде, так как их синтезируют de novo многие бактерии, растения и животные. Кроме того, некоторые типичные клеточные компоненты

(например, белки и липиды) могут гидролизоваться с образованием предшественников специфических осморегуляторов, таких как пролин и бетаин, и в эвтрофных (богатых источниками питания) экосистемах имеется достаточно источников совместимых осморегуляторных веществ, используемых бактериями. Для грамположительных бактерий характерна очень высокая внутриклеточная концентрация растворенных веществ, поэтому тургорное давление составляет у них примерно 20 атм (2 МПа), тогда как у грамотрицательных —              5-6 атм (0,5-0,6 МПа).

Соответственно

грамположительные бактерии накапливают специфические осмо- регуляторные вещества даже при низком наружном осмотическом давлении во избежание стресса, который мог бы возникнуть из-за накопления солей для поддержания тургора. Как предполагается, грамположительные бактерии эволюционировали в местообитаниях с высоким осмотическим давлением, что привело к приобретению ими способности накапливать растворенные вещества до очень высоких концентраций.

Микробные клетки должны очень тонко регулировать накопление совместимых осморегуляторных веществ для поддержания внутреннего осмотического давления, и с повышением внешнего осмотического давления содержание этих соединений в клетках повышается постепенно. Различные микроорганизмы аккумулируют разнообразные растворенные вещества — бетаин, трегалозу, глицерол, сахарозу, L-пролин, D-маннитол, D-глюцитол, L- таурин, эктоин или мелкие пептиды. Между структурой аккумулируемого растворенного вещества и способностью организма выдерживать высокое внешнее осмотическое давление явной корреляции не обнаружено. Толерантность к высокой осмолярности среды обеспечивается многими факторами. Ферменты, локализованные в периплазме и на внешней стороне плазматической мембраны,              защищены присутствием совместимых

осморегуляторных веществ.              Галотолерантные организмы обладают

ферментами и • структурами поверхности, более устойчивыми к низкой активности воды, чем у менее осмотолерантных организмов. У галобактерий даже цитоплазматические ферменты специфически отличаются от ферментов бактерий, растущих при низкой осмолярности среды. Оптимальной основой среды для роста галобактерий служит 3 М раствор NaCl; они накапливают хлорид калия до концентрации 4 М, тогда как у негалофильных организмов уровень глутамата калия в клетках не превышает 0,8 М. В белках галофилов выше содержание кислых аминокислотных остатков и ниже — гидрофобных аминокислотных остатков. Эти белки связывают воду в 2-4 раза более эффективно, чем соответствующие белки организмов, обитающих в средах с низким осмотическим давлением (Booth et al., 1993,1996).

Осмотический стресс вызывает регуляцию тургора и накопление совместных осморегуляторных веществ.

В результате изменений как на уровне экспрессии генов, так и на уровне активности ферментов физиолого-биохимические характеристики клеток, растущих в средах с низкой осмолярностью, и клеток, адаптированных к высокой осмолярности среды, существенно различаются. Основной путь регуляции тургора - это контролируемое накопление К+ и его противоиона - глутамата. У Е. coli при внезапном повышении наружного осмотического давления из клеток через водные аквапориновые каналы выделяется вода, что приводит к потере тургора. Это активирует систему поглощения калия, с участием которой калий поглощается до тех пор, пока тургор не будет восстановлен. В отсутствие калия тургорный стресс продолжается, и это приводит к экспрессии транспортной системы, имеющей высокое сродство к калию. Экспрессия генов Ыр носит характер временной, если калий легко доступен, и постоянной при дефиците К+. Глутамат синтезируется (или поглощается из среды) до уровня, почти эквивалентного повышенному уровню К+. При высоком наружном осмотическом давлении внутриклеточная концентрация глутамата калия может временно достигать 0,7- 0,8 М — уровня, неблагоприятного для функционирования ферментов. Таким образом, быстрый рост клеток в данных условиях зависит от вторичных ответов, главным образом от накопления совместимых осморегуляторных соединений: бетанина (N-триметилглицина), пролина и трегалозы. Накопление этих растворённых веществ в ответ на изменение осмолярности наружной среды обеспечивается регулируемой активностью транспортных систем и метаболических путей. Клетки либо поглощают совместимые осморегудяторные вещества из среды, либо синтезируют de novo. По мере их накопления в цитоплазме происходит контролируемое высвобождение калия и глутамата и соответственно понижение концентрации солей в цитоплазме (Galinski, Truper, 1994).

При адаптации к осмотическому стрессу у бактерий наблюдаются изменения в экспрессии генов (Demple, 1991; Dorman, Nibhriain, 1993).

Осмотический стресс вызывает многочисленные цитоплазматические эффекты, каждый из которых может действовать как сигнал к адаптивной генной экспрессии. Два основных фактора влияющих на экспрессию генов у энтеробактерий,— это изменение топологии ДНК и повешенный уровень синтеза сигма фактора ответственного за экспрессию генов в зависимости от фазы роста. Кроме того, как первичными, так и вторичными стимулами генной экспрессии могут служить временные изменения внутриклеточного pH и более длительные изменения концентраций растворенных веществ, таких как глутамат калия, бетанин и полиамины. Во время вызванного осмотическим стрессом подавления роста временные изменения в метаболизме могут приводить к образованию токсичных побочных продуктов, вызывающих индукцию других регуляторных ответов, таких как репарация ДНК или разложение пероксидов. Многие из генов, активность которых индуцируют изменения осмолярности среды, выполняют очевидную адаптивную функцию (например, гены систем биосинтеза или переноса специфических осморегуляторных веществ). Другие гены, активируемые в условиях осмотического стресса, столь очевидной функции не обнаруживают. Следовательно набор сигналов, возникающих при осмотическом стрессе, приводит к экспрессии ряда генов (входящих в состав “стимулона”), часть из которых не существенна для осмоадаптации, но выполняет функцию подготовки клеток к более эффективному противодействию другим стрессовым факторам.
<< | >>
Источник: Д.Г.Звягинцев, Г.М.Зенова. АКТИНОМИЦЕТЫ ЗАСОЛЕННЫХИ ЩЕЛОЧНЫХ ПОЧВ. 2007

Еще по теме Механизмы адаптации бактерийк высокому содержанию солей:

  1. Механизмы адаптации бактерийк высокому содержанию солей