Транспорт веществ в бактериальную клетку

Для того чтобы питательные вещества могли подвергнуться превращениям в цитоплазме клетки, они должны проникнуть в клетку через пограничные слои, отделяющие клетку от окружающей среды. Ответственность за поступление в клетку питательных веществ лежит на ЦПМ.

Существует два типа переноса веществ в бактериальную клетку: пассивный и активный.

При пассивном переносе вещество проникает в клетку только по градиенту концентрации. Затрат энергии при этом не происходит. Различают две разновидности пассивного переноса: простую диффузию и облегченную диффузию. Простая диффузия - неспецифическое проникновение веществ в клетку, при этом решающее значение имеют величина молекул и липофильность. Скорость переноса незначительна. Облегченная диффузия протекает с участием белка-переносчика транслоказы. Скорость этого способа переноса зависит от концентрации вещества в наружном слое.

При активном переносе вещество проникает в клетку против градиента концентрации при помощи белка-переносчика пермеазы. При этом происходит затрата энергии. Имеется два типа активного транспорта. При первом типе активного транспорта небольшие молекулы (аминокислоты, некоторые сахара) накачиваются в клетку и создают концентрацию, которая может в 100-1000 раз превышать концентрацию этого вещества снаружи клетки. Второй механизм, получивший название «транслокация радикалов» (фосфотрансферазный путь), обеспечивает включение в клетку некоторых сахаров (например, глюкозы, фруктозы), которые в процессе переноса фосфорилируются, т.е. химически модифицируются. Для осуществления этих процессов в бактериальной клетке локализуется специальная фосфотрансферная система, составной частью которой является белок-переносчик, находящийся в активной фосфорилированной форме. Фосфорилированный белок связывает свободный сахар на наружной поверхности мембраны и транспортирует его в цитоплазму, где сахар освобождается в виде фосфата. Поступив в клетку, органический источник углерода и энергии вступает в цепь биохимических реакций, в результате которых образуются АТФ и ингредиенты для биосинтетических процессов. Биосинтетические (конструктивные) и энергетические процессы протекают в клетке одновременно. Они тесно связаны между собой через общие промежуточные продукты, которые называются амфиболитами.

В процессе жизнедеятельности бактериям требуется выделять в окружающую среду различные белки и ферменты. Секретируемые белки необходимы для жизнедеятельности бактерий. Они участвуют в построении клеточных оболочек, жгутиков, пилей, расщепляют крупные полимерные молекулы, используемые в качестве питательных веществ, до размеров, способных проходить через бактериальную ЦПМ; осуществляют взаимодействие с системами макроорганизма. У грамположительных микробов белки секретируются непосредственно во внешнюю среду. А у грамотрицательных бактерий они должны пересечь наружную мембрану. Наличие наружной мембраны привело к формированию у грамотрицательных бактерий различных по структуре и функциям систем секреции 5 типов.

Белки, секретируемые по I и III путям, пересекают внутреннюю цитоплазматическую и наружные мембраны в один этап без участия sec-белков, тогда как белки, секретируемые по II и IV путям, проходят через внутреннюю и наружную мембрану отдельными этапами при участии sec-белков. Sec-белки (транслоказы) являются небольшими белками в 30 аминокислот, которые способны узнавать сигнальную последовательность, расположенную на N-терминальном конце секретируемого белка, и связываться с ней сразу же после завершения процесса трансляции, предотвращая включение секретируемого белка в метаболизм клетки. В процессе транслокации белка, которая сопровождается поглощением энергии, происходит отщепление пептидазой в периплазматическом пространстве сигнальной последовательности, а в результате взаимодействия с шаперонами происходит формирование четвертичной структуры переносимого белка. Зрелый белок проходит через пору в наружной мембране в окружающую среду. II тип секреции является основным путем для секреции экстрацеллюлярных гидролитических ферментов у грамотрицательных бактерий. У V. cholerae по этому пути выделяются холерный токсин, нейраминидаза, гемагглютининпротеаза, а у P. aeruginosa - эластаза, фосфолипаза С.

V тип секреции отличается от II типа тем, что в периплазматическом пространстве из С-терминальной части секретируемого полипептида формируется β-цилиндрическая структура, выполняющая роль поры, через которую проходит N-терминальный конец. Внеклеточный протеолиз приводит секретируемый белок в активное функциональное состояние. По этому пути секретируются IgA-протеаза у N. gonorrhoeae, белок пертактин у B. pertussis.

I тип секреции протекает одноэтапно и требует наличия трех секреторных белков: белка, формирующего в цитоплазматической мембране пору АТФазы; белка ЦПМ, пронизывающего периплазматическое пространство; белка клеточной стенки, формирующего пору.

Транспортные белки узнают секретируемый белок по наличию сигнальной последовательности, расположенной на С-терминальном конце белка. Данным путем секретируются в основном пороформирующие токсины: гемолизин, металлопротеаза, а также внеклеточная аденилатциклаза у B. pertussis (рис. 3.3).

Особый интерес для медицинской микробиологии представляет III путь секреции, возникший эволюционно у грамотрицательных бактерий для транспорта из клетки компонентов жгутиков. Показано, что он используется также для направленной доставки в клетку эукариот бактериальных белков. В результате действия последних в клетке возникают различные нарушения функций, приводящие в конечном счете к возникновению у человека заболеваний. В процесс выделения молекул из клетки данным способом вовлечено более 20 различных белков. Секреторная система третьего типа (ТТСС) представляет шприцеподобную структуру (рис. 3.4), способную инъецировать эффекторные молекулы непосредственно в цитозоль клетки-хозяина. Белки ТТСС можно разделить на три группы: белки, формирующие «шприц» ТТСС; белки транслокационного комплекса, обеспечивающие транслокацию эффекторных молекул в цитоплазму клеток хозяина; эффекторные белки,

Рис. 3.3. Схема строения секреторных систем: I тип обеспечивает секрецию формирующих поры токсинов (гемолизина); II тип обеспечивает секрецию гидролитических ферментов, некоторых токсинов (энтеротоксин V. cholerae), поверхностных структур (пили 4 типа); V тип обеспечивает аутотранспорт белков у грамотрицательных бактерий

Рис. 3.4. Схема строения секреторной системы III типа у Salmonella: PrgH, PrgK, InvG,H,J; PrgI - белки, формирующие шприц; Sip B, C, D - белки транслокационного комплекса; SopA, B, E SipA; Spt - эффекторные белки

которые непосредственно оказывают модулирующее действие на клетку-хозяина.

Белки транслокационных комплексов формируют поры в мембране клетки-хозяина, создавая канал для доставки эффекторных молекул. Транслокация через сформировавшийся канал в клетку-хозяина эффекторных молекул происходит при участии белков-шоперонов.

Эффекторные белки вызывают реорганизацию цитоскелета клетки-хозяина, что способствует проникновению бактерии в клетку-хозяина, а также вызывают различные нарушения функций

клеток хозяина, приводящие в конечном счете к возникновению патологического процесса.

Экспрессия генов ТТСС регулируется различными транскрипционными регуляторами, которые интегрируют сигналы окружающей среды, такие, как осмомолярность, концентрация кислорода, рН, температура, концентрация ионов Са. ТТСС имеется у Salmonella, Shigella, Yersinia, P. aeruginosa, Chlamydia, некоторых патогенных E. coli.

Выделение молекул из клетки также осуществляется с помощью белков-переносчиков и фосфотрансферазным путем. Одним из вариантов переносчиков можно считать белковые помпы, обеспечивающие выведение из клеток ряда антимикробных препаратов, например тетрациклинов. Фосфотрансферазный путь широко используется при выведении молекул, необходимых для построения различных структур бактерий, расположенных кнаружи от плазматической мембраны, в частности клеточной стенки, капсулы и др. Некоторые из стадий подобного транспорта подавляются используемыми в практике антимикробными препаратами, например транспорт через мембрану N-ацетилглюкозамина блокируется гликопептидным антибиотиком ванкомицином. Особым типом транспорта веществ из клеток бактерий является недавно открытая секреция мембранных пузырьков. Хотя механизм их выделения остается не совсем ясным, показано, что они могут содержать липиды, белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, в том числе некоторые бактериальные токсины.

Поиск по сайту: