Libmonster ID: UA-1776

 Автор: Л. И. ВОРОБЬЕВА

Доктор биологических наук Л. И. ВОРОБЬЕВА, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

С давних времен ученые проявляют интерес к такому недостаточно изученному явлению, как стресс. В результате многолетней и кропотливой работы они пришли к выводу: он присущ не только человеку. Его испытывают даже самые древние обитатели Земли - бактерии. Открытие данного факта, а также выяснение возможностей микроорганизмов выживать в момент соответствующего состояния - крупное достижение в решении фундаментальных вопросов биологии. Об этом, в том числе, шла речь в 2002 г. в Лиллехаммере (Норвегия) на Международном симпозиуме "Пищевая микробиология и гигиена".

Сегодня теоретически и практически доказано: стресс испытывают все формы жизни, если условия, в которых они обычно существуют, резко меняются. Причем ответ на него как у бактерий (до-ядерных или прокариот), так и у высших организмов (эукариот), содержащих истинное ядро, имеет большое сходство.

Например, на резкое повышение температуры реагируют бактерии, грибы, растения, животные и люди. Все они при этом синтезируют особые, так называемые белки теплового шока (БТШ). Причем отдельные участки последних у человека и бактерий сохраняют до 90% гомологии (сходства последовательности аминокислот); это указывает на то, что БТШ законсервированы эволюцией. Следовательно, общность их структуры и молекулярных механизмов включения стрессовой программы у организмов позволяет использовать бактерии как простую модель для изучения соответствующих ответов. Конечно, размеры бактерий ограничивают их возможности контролировать условия окружающей среды. Если они неблагоприятны для размножения, то клетки простейших могут впасть в оцепенение, превратившись в покоящуюся форму, причем у некоторых из них при затяжных острых ситуациях это единственный способ спастись, превратившись в спору, т.е. в обезвоженную клетку, одетую во множество разных покровов. Такое состояние позволяет бактериям существовать тысячи лет в условиях, несовместимых с жизнью. Кроме того, спорообразование требует примерно 6 - 8 ч, в течение которых гибель клетки неотвратима, если не включатся другие, более общие для живых существ стрессовые ответы. У простейших организмов они подчиняются чрезвычайно эффективному генному контролю.

Стрессорные факторы, как правило, имеют химическую, физическую или биологическую природу. Их источником может быть сам микроорганизм. Например, при нормальном метаболизме (обмене веществ) многие бактерии образуют перекись водорода и активные формы кислорода, вызывающие окислительный стресс. Под его действием происходит денатурация белков (изменение их природных свойств), разрывы нуклеиновых кислот, окисление макромолекул, другие повреждения.

Особенно хорошо это изучено при воздействии теплового шока на микроорганизм - в результате у него возникает ответная реакция: включаются внутриклеточные механизмы репарации повреждений, увеличивается количество БТШ, чья главная

стр. 58


функция состоит в правильной укладке вновь синтезированных полипептидов, исправленных, неверно уложенных и поврежденных их цепей, после чего они могут вновь выполнять свою функцию. При аккумуляции частично денатурированных белков оголяются их гидрофобные (защищенные от влаги) области. Затем в контакт с ними вступают другие органические соединения, в частности так называемые шапероны * , которым принадлежит решающая роль в образовании нативной (природной) четвертичной (окончательной) структуры белковых молекул - важнейших "кирпичиков" животных и растительных организмов. Без их участия синтезируемые в рибосомах полипептидные цепи были бы лишены своей функциональной активности.

К сказанному следует добавить: переключение клетки на стрессовую программу - событие для нее чрезвычайное. Проиллюстрируем это на молочно-кислой бактерии Lactococcus lactis. При повышении температуры до 42С в ней дополнительно появляются от 12 до 17 белков; количество шаперона GroEL в первые 10 с нагревания увеличивается в 45 раз.

Или возьмем другой пример. В ответ на холодовый шок, который возникает при помещении суспензии клеток, в норме растущих при 25 - 30С, в условия низкой (+5С) температуры на один час. В этом случае у Bacillius subtilis дополнительно синтезируются 3, а у Escherichia coli - 9 Холодовых шоковых белков. Однако многие сложные органические соединения, необходимые для поддержания нормальной жизни в процессе активного синтеза БТШ


* Шапероны - белки, которые помогают вновь образованным или нарождающимся полипептидам приобретать правильную форму (прим. авт.).

стр. 59


или Холодовых шоковых белков, образуются в гораздо меньших количествах, а потому и соответствующие метаболические реакции протекают с низкой скоростью. Зато своевременное включение стрессовой программы сохраняет возможность собственно существования организма.

В создании или ресоздании конформации белков участвуют и другие семейства БТШ; некоторые из них также относятся к шаперонам. Это небольшие органические соединения молекулярной массой 34 кДа или меньше. Один из членов такого семейства - фермент пептидил-пролил-цис-трансизомераза (ПП- изомераза). Данная многочисленная группа белков присутствует у эукари-от и бактерий и их роль существенна. Дело в том, что укладка полипептидных цепей, кроме всего прочего, требует ротации пептидил-пролиловых связей, которая спонтанно происходит очень медленно, но ускоряется под действием ПП-изомеразы.

Существует еще одно важное условие для создания правильной нативной укладки белка. Некоторые аномальные, сложные органические соединения, возникающие в результате стрессов, могут агрегировать (объединять однородные величины), образовывая осадки, становиться токсичными для клетки, вызывать серьезные заболевания. Вот почему все бактерии эволюционно обладают протеин-пептид-деградирующими свойствами. Чтобы избежать неприятности, аномальные белки должны быть превращены либо в нативные, либо удалены. Доведение белковых соединений до нормально функционирующего состояния, как отмечалось выше, осуществляют молекулярные шапероны, а устранением аномальных белков занимаются белки с протеолитической активностью (их еще называют шаронинами).

Говоря о любых стрессовых ответах клетки, следует отметить: есть лишь общее понимание механизма этого процесса. Многие регуляторные системы, с помощью которых клетки определяют, а затем отвечают на внешние сигналы, представляют собой двухкомпонентные системы, включающие два различных белка: сенсорный и респондирующий (регуляторный). Первый локализован в клеточной мембране таким образом, что одна его часть контактирует с внешней средой, а другая - с цитоплазмой. Специфический сенсорный белок обладает киназной активностью (к киназам относятся ферменты, участвующие в фосфорилировании соединений). Сенсорный белок, обнаружив сигнал из внешней среды, катализирует фосфорилирование специфического сенсорного остатка гистидина гетероциклической аминокислоты (по принципу автофосфорилирования), находящегося в цитоплазматической области. Далее фосфатная группа передается другому белку - респондирующему регулятору, расположенному внутри клетки. Он представляет собой типичный белок, связывающийся с ДНК и регулирующий транскрипцию. У кишечной палочки, например, функционирует, по крайней мере, 50 различных двух-компонентных систем.

Инициация транскрипции - наиболее важная ступень генной регуляции у бактерий. Для этого РНК-полимераза должна связаться с белком ( -фактором), который узнает различные последовательности ДНК и инициирует функции ранее молчавших генов. Существует 14 классов -факторов, регулирующих экспрессию генов в ответ на изменения условий окружающей среды. Например, индукция генов GroEL и Dnak у клеток L. lactis происходит через образование генного продукта 32 , ответственного за транскрипцию БТШ.

В качестве сенсора на окружающие условия может выступать супер- спирализация ДНК, т.е. изменение числа связей между двумя ее цепями. Соответственно меняется и количество спиральных витков.

Существует и небелковый механизм защиты клеток от теплового шока, в частности аккумуляция сахара трегалозы * .

Чтобы продемонстрировать различный характер стрессовых ответов бактерий в соответствии с факторами воздействия на них, необходимо рассмотреть и холодовый шок. В отличие от теплового он не вызывает денатурацию белков, но связан с изменением молекул и биохимических реакций. При холодовом стрессе происходит стабилизация вторичной структуры нуклеиновых кислот и, как следствие, - ингибирование (замедление) ДНК-репликации ** , генной транскрипции и трансляции. В результате снижается активность многих ферментов и общий метаболизм, затрудняется транспорт веществ в клетку. Кроме того, в ней образуются кристаллы льда, повреждающие многие структуры и вызывающие гибель организма. Одновременно у бактерий дополнительно синтезируются холодовые шоковые белки, однако молекулярный механизм их функционирования пока не раскрыт. Известно только, что психрофилы (бактерии, живущие при температурах от -5 до +20 o С) имеют мембраны, текучесть *** которых увеличена за счет присутствия в них особых жирных кислот; их ферменты отличает структурная и функциональная пластичность (адаптивность) и они синтезируют антифризные белки, предотвращающие рост кристаллов льда. Не исключено, что организмы с подобными свойствами могут существовать и на других, более холодных планетах, чем Земля.

Рассматривая стрессовые ответы клеток, трудно обойти и еще один очень важный вопрос, связанный с последствиями окислительного шока, возникающего при радиации, травматических поражениях, включая инсульт и инфаркт. Полагают, что вызванное этим шоком состояние лежит в основе старения и механизма апоптоза - индуцированного самоубийства клеток. Такой процесс представляет собой изменение концентрации окислителей в клетке. В результате возможны деформации нуклеиновых кислот, разрывы и сшивки белковых молекул, блокада реакционных центров ферментов и общее энергетическое истощение организма.

Бактерии постоянно подвергаются воздействию природных активных


* Трегалоза - дисахарид, образованный двумя остатками глюкозы; содержится в дрожжах и других грибах, высших растениях (прим. ред.).

** Репликация обеспечивает точное копирование наследственной информации, заключенной в молекулах ДНК, и передачу ее от поколения к поколению (прим. ред.).

*** Текучесть мембраны определяется температурой плавления ее компонентов - жирных кислот - и зависит от их длины и насыщенности. Под текучестью понимают жидкостно-кристаллическое состояние мембраны, в котором она функционирует в оптимальном режиме (прим. ред.).

стр. 60


форм кислорода (АФК). Именно они, а не сам кислород, могут стать причиной указанных выше повреждений. АФК - это свободные радикалы, которые содержат один или несколько неспаренных электронов (их принято обозначать точкой). К ним относят супероксидный радикал (О 2 - ?), синглетный кислород ('О 2 ), гидроксильные радикалы (? ОН), радикал моноксида (NO ?), а также нерадикалъное соединение - перекись водорода. Все они чрезвычайно активны, поскольку стремятся либо вернуть себе недостающий электрон, либо отдать липший. В обоих случаях молекула- мишень модифицируется.

Высшие эукариотные организмы предупреждают сородичей о надвигающейся опасности, причем каждый из них имеет особые средства передачи сигналов тревоги. В ходе исследований выяснилось: у бактерий в стрессовых ситуациях существуют коммуникативная связь и взаимопомощь. Например, из определенного сорта сыра ученые выделили микроорганизмы, образующие ярко-оранжевые колонии клеток Luteococcus casei (родовое их название отражает окраску, а видовое происходит от главного белка сыра - казеина). Оказалось, здоровые, не подверженные никаким стрессовым воздействиям клетки выделяют наружу белок с удивительным свойством. Если их подвергнуть тепловому шоку или УФ-облучению, а затем несколько минут инкубировать в растворе внеклеточного белка с концентрацией около 1 мкг/мл, то, по сравнению с пострадавшими, но не обработанными в присутствии этого белка, их выживаемость возрастает в сотни раз. Причем чем сильнее урон популяции (т.е, чем ниже выживаемость бактерий), тем эффективнее действует антистрессовый белок.

стр. 61


Реакции бактерий на неблагоприятное изменение условий окружающей среды.

Удивительно, но он же помогает реактивировать даже эукариоты - дрожжи, подвергнутые термоинактивации. В настоящее время этот белок с молекулярной массой около 10 кДа находится в лаборатории МГУ в стадии очистки, после чего будет секвенирован (ученые определят последовательность аминокислот в нем) и идентифицирован с другими белковыми соединениями или их фрагментами.

Не так давно наши микробиологи обнаружили процессы общего ощущения, происходящие тогда, когда количество клеток в культуре достигает определенной плотности, при которой стрессовый сигнал становится доступным для всей популяции. Коммуникативная связь здесь реализуется путем выделения небольших пептидов, белков, аминокислот, различных гомосериновых * лактонов (эфиров) и других молекул, действующих в низких концентрациях и довольно устойчивых к воздействиям окружающей среды.

В Институте микробиологии РАН кандидат биологических наук Ю. А. Николаев показал, что клетки Е. coli, обработанные тетрациклином, выделяют в среду некое соединение, защищающее от этого антибиотика чувствительные к нему клетки, выращенные в его присутствии, а также в условиях окислительного, осмотического ** и теплового шока.

Вызывает интерес и другой пример химической коммуникации. Так, в Институте патологической физиологии РАМН под руководством профессора М. Г. Пшенниковой изучают следующий феномен. В ответ на стрессовое воздействие у людей происходит выброс в кровь глюкокортикоидов и катехоламинов - гормонов, вырабатываемых корой надпочечников для регуляции обмена углеводов, белков, жиров. Они взаимодействуют с рецепторами, локализованными в мембране клеток, что приводит к активации ферментов и образованию вторичных мессенджеров (посредников), передающих сигнал внутрь клетки и запускающих процессы, приводящие к увеличению концентрации кальция (Са 2+ ) и активности различных органических соединений. А дальше сигнал способствует транскрипции и синтезу адекватных белков. Не правда ли, есть принципиальное сходство в развитии стрессовых ответов с теми, что описаны выше для бактерий?!

Адаптация к одному стрессу повышает устойчивость не только к нему, но и к другому подобному явлению. Эти наблюдения легли в основу нового метода профилактики и лечения ряда заболеваний (аллергии, неврозов, гипертонии и т.д.) путем привыкания человека к гипоксии (кислородному голоданию) в барокамере.

Возвращаясь к микроорганизмам, надо отметить: глубокое понимание этих систем будет решающим для развития биотехнологии, где от бактерий, находящихся под стрессом, требуется выполнение определенных задач. Стресс- индуцируемые белки служат четкими молекулярными маркерами-показателями "здоровья" стартовых культур. Такие белки указывают, что последние подверглись стрессу, и клетки не обязательно осуществят ферментацию в оптимальном режиме. С другой стороны, они могут быть использованы в качестве положительных индикаторов культуры, которая полностью готова к противостоянию определенным негативным воздействиям.

Обнаружение того, что бактерии с ослабленным стрессовым ответом являются менее вирулентными (болезнетворными), позволяет по-новому взглянуть на микробный патогенез - учение о закономерностях развития и исхода заболеваний.

Научные изыскания Л. И. Воробьевой поддержаны грантом Российского фонда фундаментальных исследований N 02-04.49930.


* Серии - алифатическая аминокислота, входящая в состав белков и некоторых сложных липидов; играет важную роль в проявлении каталитической активности ряда ферментов, расщепляющих белки (прим. ред.).

** Осмотический шок - избыточное давление со стороны раствора, препятствующее проникновению растворителя из менее концентрированного раствора в более концентрированный (прим. ред.).


© elibrary.com.ua

Permanent link to this publication:

https://elibrary.com.ua/m/articles/view/Проблемы-Поиск-Решения-СТРЕССЫ-У-БАКТЕРИЙ

Similar publications: LUkraine LWorld Y G


Publisher:

Бельбек ТахумовContacts and other materials (articles, photo, files etc)

Author's official page at Libmonster: https://elibrary.com.ua/Scientist

Find other author's materials at: Libmonster (all the World)GoogleYandex

Permanent link for scientific papers (for citations):

Проблемы. Поиск. Решения. СТРЕССЫ У БАКТЕРИЙ // Kiev: Library of Ukraine (ELIBRARY.COM.UA). Updated: 18.06.2014. URL: https://elibrary.com.ua/m/articles/view/Проблемы-Поиск-Решения-СТРЕССЫ-У-БАКТЕРИЙ (date of access: 19.02.2025).

Comments:



Reviews of professional authors
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Related topics
Publisher
Rating
0 votes
Related Articles
Судьбу можно программировать?..
3 days ago · From Україна Онлайн
Век XIV Северо-Восточная Русь и монголо-татарское иго
Catalog: История 
6 days ago · From Україна Онлайн
ТОРЖЕСТВЕННОЙ ВСТРЕЧИ НЕ БУДЕТ?
8 days ago · From Україна Онлайн
В КОМ ДУХ ВЕЛИК, В ТОМ СИЛА НЕРУШИМА*
9 days ago · From Україна Онлайн
ТРУДНЫЕ ВОПРОСЫ. СВЕТЛАНА АЛЕКСИЕВИЧ: "МЫ - ЛЮДИ ЛАГЕРНОГО СОЗНАНИЯ"
14 days ago · From Україна Онлайн
FORMS OF CLASS STRUGGLE OF THE PEASANT-COSSACK MASSES OF UKRAINE IN THE XVIII CENTURY
Catalog: История 
18 days ago · From Denys Reznikov
G. I. MARAKHOV. SOCIO-POLITICAL STRUGGLE IN UKRAINE IN THE 50S-60S OF THE XIX CENTURY
21 days ago · From Denys Reznikov
ESSAYS ON THE HISTORY OF TRADE UNIONS OF THE UKRAINIAN SSR
21 days ago · From Denys Reznikov
K. A. KHMELEVSKY, S. K. KHMELEVSKY. STORM OVER THE QUIET DON. HISTORICAL ESSAY ON THE CIVIL WAR ON THE DON
21 days ago · From Denys Reznikov
"УКРАЇНСЬКИЙ ІСТОРИЧНИЙ ЖУРНАЛ" - ДЕСЯТЬ РОКІВ У МЕРЕЖІ
Catalog: История 
22 days ago · From Україна Онлайн

New publications:

Popular with readers:

News from other countries:

ELIBRARY.COM.UA - Digital Library of Ukraine

Create your author's collection of articles, books, author's works, biographies, photographic documents, files. Save forever your author's legacy in digital form. Click here to register as an author.
Library Partners

Проблемы. Поиск. Решения. СТРЕССЫ У БАКТЕРИЙ
 

Editorial Contacts
Chat for Authors: UA LIVE: We are in social networks:

About · News · For Advertisers

Digital Library of Ukraine ® All rights reserved.
2009-2025, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of affiliates, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. Once you register, you have more than 100 tools at your disposal to build your own author collection. It's free: it was, it is, and it always will be.

Download app for Android