Введение к работе
- І
ft**/
: /Актуальность проблемы. Клетка надежно защищена мембраной
^~/«ж неблагоприятных воздействий округавдей срздн. В то же время клетка является термодинамически открытой системой, нувдаздей-ся в постоянном потоке энергии, веществ и информации. Связь клетки с окружающей средой также осуществляется через мембрану, благодаря строго согласованной работе различных механизмов -пепэнтороз, ферментных комплексов, транспортных и рог5гляторных систем, располсжонних ка мембране. Изучение отих систем является одюм пз ЕакнейПЕХ задач бпсфтзига, а удобным ео многих отношениях объектом ксследсгакпй являлся бактерии, обладание гаькет разнообразила мембранными системами.
Процесс жизнедеятельности любого оргашзма нежсдкм без потребления и выделения энергии. Б превращениях осмотической и электрической энергии ванную роль играют биологические мембрана. Центральной проблемой биоэнергетики на протякеюпі полувека било выяснение механизма, с помощью которого энергия, высвобождаемая при окислений субстратов или при поглощении свота используется для катализа энергозависимых процессов, таких как синтез АТР, перенос ионов и других яизненно важных веществ через мембрану против градиентов их концентраций, подвижность и т.д. (Кагала, 1985; Николе, 1985; iiaaanoto, Kagawa, 1985; нагом, каісіпмла, IS86; Hoefner, IS82). Четверть 'века назод Митчеллом (nitohsii, 1961; 1966) была сфорглулировака и получила экспериментальное- обоснование хемиосмотичесхая теория, довольно успешно описывающая процессы трансформации энергии з сопрягающих мембранах. Согласно этой теории исходным электрохимическим процессом является перенос протонов через мембрану и создание разности электрохимических потенциалов по ионам Н*.
В жизнедеятельности бактерий большую роль играют ионы К+, которые накапливается клетками против градиента, в концентрациях на несколько порядков превышающих содержание этого иона в окружающей среде (Christian, waltho, 1962; Schults, Solonon, 1961; waiderhaug ot ai., I9S7). K+ служит клеткам для поддержания тургорлого давления, активации внутриклеточных ферментов, для поддержания клеточного рН, стимуляции транспорта, роста бактерий, а такяе для хранения резервных форл энергии и других
- 4 -фуНКПИЙ (Epstein, Schultz, 1965, 1968; Statlachev, I978;Helraar,
1982; Drachev ot ai., 1985; waiderhaug ot ai., 1987). С развитием биотехнологии важное значение приобретают сообщения о значительной роли и довольно узких пределах оптимальных концентраций ионов К+ в ферментационных средах для увеличения продуктивности птаимов-цродуцентов аминокислот (Хачатрян и др., 1986). В настоящий момэнт генетически идентифицированы две системы, осуществляйте противоградаентоное поглощение К+ у е.созд (zarien-
go, .Schultz, 1966; Rhoads, Epstein, 1977) И у ряда ДРУГИХ бактерий (Kakinuma, Harold, 1985).
Уже свыше десяти лет рядом авторов у нас в стране и за рубежом на митохондриях ЙСрасинская и др., 1984: Маршанский и др. 1934; ЯгужИНСКИЙ, КрасИНСКая, 1987; Krasinskaya et ai., 1984; Pletrobon ot al., 1983; Slater et al., 1985; Herweijer ot al., 1986) И бактериях (Venturolli, Holandri, 1982; Bourd, Martiro-3ov, 1983; Kitchens, Keii, 1983; Eiferink at ai., 1984) показа-HO, что многие экспериментальные факты удобнее объяснить с по-мощью идел прямого взаимодействия между злектроктранспорткой цепью и другими транспортники скстамаш. ЯгукгаегшЁ с соавтора-ш (Краснйская з др., I9S-A; Ягумнсккй, Красинская, 1337; кга-oin«i;u7c ot ai., 1964) прлгки к выводу о всж.»екост;і как прягшого, так я косвенного взаг^одеЯстипя ыекду дыхательной допью к АТР-сіПітетазой у мптохоидрігй е занюкмостк от условпїі окррглз-ше средн.
С другой cvopa;;;j Марїйросо;з:-г.: д Трчунялэ.ч (Мартзросоэ, 1935; Martirosov, rrchounir.n, 1986) било показано, что з аэробных условиях їГ-АТРаза к К+-исксфор їгк у к.ссіі Езапмодейстзу-вт косвенно, тогда как їпзі анаэробном выращивании единственным объяснением кабладавмых явлений когеєт служить только прямое взаимодействие этих систем и объединение их н суперкошлексы
Шартиросов, 1985; Bourd, Ifcrtiro3ov, 1983; Martirosov, Trchou-
nian, 1983, 1986). Было выдвинуто предположение о том, что в мембранах дашадих бактерий, способных синтезировать АТР с помогло окислительного фосфоршшрования, такого рода суперкомплексы не формируются. Однако, экспериментов на азробах, демонстрирующие правильность этого предположения, не было проведено. Кроме того, накопилось много данных о роли мембранного потенциала в передаче информации п регуляции хемотаксиса у под-
ВЇШШХ МИКрооргаНИЗМОВ (Szmolcruui, АШог, І97Й; jiisonbuch, 1982,
І9Бі). .-
Поэтому, представляется актуальным изучение аэробных и ке-подвияннх бактерий, таксономкчески далеко отстоящих от ранее исследованию: микроорганизмов. Таким объектом были выбраны
ГрЗМП0Л0лЭТ6ДЬНЫ8 бакТбрЗИ Bravibactoi-iiun flavura , ЛМЄВДЙЄ ШКрО-
ко8 применение з биотехнологии, но плохо поученные с точки зрения бИСфїЗДКИ.
Цель и задача исследований. Целью настоящей работа явилось изучзйпе характера взаимодействия дыхательной гаті, Н+-АТРазкого комплекса р0р± и система, транспортируккей ионы К* у Br.fiavun. Основные задача заключались в еяедувдем:
-
Определить потом! иовов, ответственных за изменения мембранного потенциала и тип электрического ответа прл аппликации сахароз.
-
Установить роль измаиений мембранного потенциала во взазмодействаа систем, щюдупирущих и потреблякадп: еяерпт.
-
Установить ста системы, транспортирующей нош К*.
-
Раскрыть принцип взаимодействия систем переноса ионов у aspoSos.
Научная новизна работы. В результате проведенных исследований зпергые показано налячяе резккх, кратковременных изменений мембранного потенциала у Br.iiavun при апдлпкапяз утилизируемых Сахаров и определены иовн, ответственные за возникновение stex изменений &ty. ВпорЕыо показано, что начало функционирования дыхательной цета несколько оперегает работу К+-АТР-азн, а резкая гяперполяризация мембраны вследсиае начального быстрого выброса Н+через дыхательную день, возможно, слуаит сигналом для перестройки фактора F, АТРазного комплекса в АТР-спатзтазнуа конформаппо. Описана їГ-транспортирущая система а мембране вг.Датси , характеристик! которой близки к таковвм, известным для тгк системы E.ooli,
Практическое значение работы. Полученные данные о регуляции работы ІГ^-АЇР-синтетазн v р1 с помощью кратковременных изменений лЦг углубляют существуете предегазлеяня о природо взаимодействия мембранных элоктроЕтранспортншс систем и АТР-синтезируидше комплексов. Проведенные исследования представляют депшшательянй кагарши для боле о пирокого понимания а об-
суждения возюжншс вариантов взаимодействия одних и тех ге мембранных систем в зависимости от аэробных шш анаэробных условий жизнедеятельности микроорганизмов.
Результаты исследований о быстром закаслении среды при аппликации незначительных концентраций утилизируемых Сахаров (А. с. Jfc I34II90) важны для ускорения и удешевления выбора оптимальных питательных сред культивирования микроорганизмов и могут быть применены в биотехнологии.
Апробация работы. Основной материал диссертационной работы обсуждался на научных семинарах лаборатории физиологии и биохимии микроорганизмов НИЗИ аминокислот (Ереван) и кафедры биофизики биологического факультета Ереванского госукшзерситета.
Результаты работы доложены на Ш Советско-Шведском симпозиуме по фізико-химической биологии (Тбилиси, 1981), на Ш Республиканской научной сессии по вопросам биофизики (Ереван, 1982), на II Республиканской конференции, посвященной проблемам фгзико-хшлческой биологии (Ереван, 1986), на П Всесоюзной конференции молодух ученых "Современные проблемы биотехнологии микроорга-низмов" (Рига. 1987), на научной конференции молодых ученых, посвященной 70-летию Великой Октябрьской социалистической революции (Ереван, 1987).
Публикации. По результатам исследований опубликованы 16 работ.
Объел' работы. Диссертационная работа изложена на 142 страницах машинописного текста и содержит 7 таблиц и 29 рисунков. Библиография включает 204 наименования литературных источников, в том числе 159 на иностранном языке.