Сенсорные механизмы бактерий

Адаптация бактерий к изменяющимся условиям среды контролируется белковыми системами передачи сигнала. Такие системы состоят из белковых модулей-доменов, собранных в несколько молекул, количество которых варьирует в зависимости от вида бактерии и конкретного фактора среды. Основными компонентами сенсорных систем являются: сенсоры (трансмембранные или цитоплазматические), детектирующие изменения окружающих условий; внутриклеточные посредники, получающие информацию от сенсоров и передающие ее на эффекторы; эффекторы - непосредственные регуляторы физиологического ответа (как правило, на уровне транскрипции).

В конце 80-х слово "двухкомпонентные" было использовано для обозначения нового класса регуляторных систем, найденных у бактерий. На сегодняшний день описаны сотни таких систем у бактерий, архей и некоторых эукариот. Двухкомпонентные системы выступают в качестве основного механизма сопряжения реакции со стимулом, позволяющего организмам реагировать на многие изменения условий окружающей среды.

Типичная двухкомпонентная система состоит из двух белков – гистидиновой протеинкиназы (ГК), содержащей консервативный киназный домен и регулятора ответа (РО), содержащего консервативный регуляторный домен.

Внеклеточные сигналы детектируются ГК, что приводит к изменению ее активности. Затем ГК передает фосфогруппу на РО (реакцию катализирует сам РО). Перенос фосфата на РО приводит к активации эффекторного домена этого белка, что и вызывает в конечном итоге специфический физиологический ответ.

γ-фосфат из АТФ сначала переносится на боковую цепь консервативного гистидинового остатка ГК. Затем РО катализирует перенос фосфата от фосфогистидина на аспартатный остаток своего регуляторного домена. Наконец, фосфат переносится от фосфоаспартата к воде в реакции гидролиза.

Двухкомпонентные сигнальные системы с участием фосфорилируемых остатков гистидина и аспартата наиболее часто встречаются у бактерий. Несмотря на обнаружение таких систем у эукариот, здесь в сигнальных цепях доминируют сигнальные каскады с переносом фосфата между остатками серина, треонина и тирозина. С друкой стороны, Ser/Thr/Tyr киназы у прокариот тоже имеются. Пока нет удовлетворительного объяснения предпочтительному использованию той или иной системы у про- и эукариот.

Каскадный механизм начинается с активации рецептора, воспринимающего сигнал. Сигналом могут быть разные стимулы: химические вещества, свет, температура. В любом случае специализированный рецептор должен обладать способностью изменять свои свойства (то есть переходить в активное состояние или, наоборот, инактивироваться) под влиянием воспринимаемого стимула и передавать сигнал на следующий компонент цепи. Любая клетка, в зависимости от ее специализации, содержит ограниченный набор рецепторов. Не каждая клетка способна отвечать на специфические сигналы.

В живом мире существует бесконечное разнообразие возможных пар лиганд–рецептор. Высокая степень специфичности их взаимодействия достигается благодаря формированию связывающей поверхности рецептора, комплементарной специфическому лиганду. Это обеспечивает образование оптимального количества слабых связей между ними.

Основными компонентами гипотетической сигнальной системы являются рецептор, эффектор, вторичные мессенджеры, G-белки,модифицирующие сигнальные ферменты и конечные мишени.

Рецепторвоспринимает экстраклеточный сигнал и запускает каскадный сигнальный механизм внутри клетки. Клетки обладают разными типами специализированных рецепторов, распознающих определенный вид сигнала.

G-белки— особые сигнальные молекулы, обладающие GTPазной активностью.

Эффектор(или эффекторная молекула) получает сигнал от рецептора, причем сопряжение эффектора и рецептора может быть как прямое, так и косвенное, то есть через молекулы-посредники (адаптеры). Основная функция эффекторов — производство вторичных мессенджеров.

Вторичные мессенджеры — это низкомолекулярные органические соединения или ионы, способные обеспечивать дальнейшую передачу сигнала путем аллостерической регуляции. Активация последующих компонентов сигнальной цепи вторичными мессенджерами осуществляется при достижении ими определенной концентрации. На уровне эффекторов обеспечивается усиление сигнала, так как они синтезируют большое количество вторичных посредников, которые могут активировать множество последующих сигнальных посредников или конечных мишеней.

Адаптерные молекулы— белки, обеспечивающие взаимодействие двух сигнальных посредников. Например, рецептор может воздействовать на эффектор или иную сигнальную молекулу только через адаптерный белок.

Сигнальные молекулы-ферменты,обеспечивающие посттрансляционную модификацию посредников передачи сигнала. (Следует отличать от эффекторов, которые тоже являются ферментами, но имеют иную функцию.) Ведущую роль среди таких сигнальных посредников выполняют протеинкиназы и протеинфосфатазы.

Конечные мишениобеспечивают необходимое функциональное состояние клетки для конкретных условий. В качестве конечных мишеней выступают, например, ферменты или транскрипционные факторы.