Биологический смысл активной адаптации состоит в: Общие принципы и механизмы адаптации организма человека к условиям среды обитания

Содержание

Общие принципы и механизмы адаптации организма человека к условиям среды обитания

Хранение офисной мебели на складе: как хранить мебель на складе www.safe-box.ru. .

Процесс приспособления организма к природным, производственным и социальным условиям представляет собой универсальное явление. С момента рождения организм внезапно попадает в совершенно новые для себя условия и вынужден приспособить к ним деятельность всех своих органов и систем. В дальнейшем, в ходе индивидуального развития, факторы, действующие на организм, непрерывно видоизменяются, что требует постоянных функциональных перестроек.

Человек, несмотря на то, что ему присущи многие специфические качества, является одним из биологических видов класса млекопитающих. Он также имеет свою, только ему присущую, экологическую нишу, т.е. совокупность требований к условиям среды (экологическим факторам), в которых он обитает.

Как биологический вид человек может обитать только в пределах суши экваториального пояса (тропики, субтропики).

По вертикали его ниша простирается на 3 — 3,5 км над уровнем моря. Но благодаря своим социальным свойствам – разуму, речи, способности к трудовой деятельности – человек значительно расширил ареал своего обитания. Так, он может выживать, преодолевая сопротивление лимитирующих факторов, частично путем адаптации к новым условиям, но в большинстве своем – с помощью различных искусственных приспособлений (жилища, одежда и.т.д.) и создавая новые экологические ниши для себя как биосоциального существа.

Под адаптацией понимают все виды врожденной и приобретенной приспособительной деятельности, которые обеспечиваются определенными физиологическими реакциями, происходящими на уровне клетки, органа, системы и организма в целом.

Защитно-приспособительные реакции регулируются рефлекторным и гуморальным (т.е. с помощью

жидких сред организма) путем, причем главная роль в этих реакциях принадлежит высшей нервной деятельности.

Теория функциональных систем, сформулированная в нашей стране П. К. Анохиным, способствовала пониманию закономерностей развития реакций целого организма на изменения в окружающей среде. Системный подход позволил объяснить, каким образом организм с помощью механизмов саморегуляции обеспечивает оптимальные жизненные функции и каким образом они осуществляются в нормальных и экстремальных условиях.

Процесс саморегуляции является циклическим и осуществляется на основе «правила отрицательной обратной связи» – всякое отклонение какого-либо фактора от жизненно важного уровня служит толчком к мобилизации соответствующей функциональной системы, вновь восстанавливающей этот уровень.

Функциональная система включает в себя:

  • рецепторы, являющиеся своеобразными живыми датчиками, оценивающими величину регулируемого показателя;
  • центральный аппаратразличные уровни структуры мозга, анализирующие все многообразие поступающих сигналов, принимающие решение и программирующие ожидаемый результат;
  • поступающие команды;
  • исполнительные механизмы периферические органы, реализующие поступающие команды.

Кроме того, в системе есть обратная связь, которая информирует центр об эффективности деятельности исполнительных механизмов и о достижении конечного результата.

Биологический смысл активной адаптации состоит в установлении и поддержании гомеостаза, позволяющего существовать в измененной внешней среде.

Общая схема функциональной системы

Гомеостазотносительное динамическое постоянство внутренней среды и некоторых физиологических функций организма человека (термо-регуляции, кровообращения, газообмена и пр.), поддерживаемое механизмами саморегуляции в условиях колебаний внутренних и внешних раздражителей.

Наибольший интерес представляют внешние раздражители – факторы окружающей среды, контактирующие с человеческим организмом: температура, влажность, химический состав воздуха, воды, пищи, шум, психогенные факторы и др. Основные константы гомеостаза – температура тела, осмотическое давление крови и тканевой жидкости и другие – поддерживаются сложными механизмами саморегуляции, в которых участвуют нервная, эндокринная и сенсорные системы. Постоянство состава, физико-химических и биологических свойств внутренней среды организма человека является не абсолютным, а относительным и динамическим. оно постоянно корректируется в зависимости от изменения внешней среды и в результате жизнедеятельности организма.

Диапазон колебаний параметров факторов окружающей среды, при котором механизмы саморегуляции функционируют без физиологического напряжения, относительно невелик. При отклонении параметров факторов окружающей среды от оптимальных уровней механизмы саморегуляции начинают функционировать с напряжением, и для поддержания гомеостаза в процесс включаются механизмы адаптации.

Итак, адаптация – процесс приспособления организма к меняющимся условиям среды, что означает возможность приспособления человека к природным, производственным или социальным условиям. Она обеспечивает работоспособность, максимальную продолжительность жизни и репродуктивность в неадекватных условиях среды.

Если уровни воздействия факторов окружающей среды выходят за пределы адаптационных возможностей организма, то включаются дополнительные защитные механизмы, противодействующие возникновению и прогрессированию патологического процесса.

Чрезмерно сильные воздействия среды могут стать причиной развития болезней – от язвенных до тяжелых сердечно-сосудистых и иммунных.

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ АДАПТАЦИИ ОРГАНИЗМА К РАЗЛИЧНЫМ УСЛОВИЯМ

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ АДАПТАЦИИ ОРГАНИЗМА К РАЗЛИЧНЫМ УСЛОВИЯМ

План: 1. Общая характеристика адаптации. 2. Адаптогенные факторы – природные факторы. – социальные факторы 3. Формы адаптации 4. Фазы развития процесса адаптации (стресс и общий адаптационный синдром) 5. Механизмы адаптации

• Под адаптацией понимают все виды врожденной и приобретенной приспособительной деятельности человека, которые обеспечиваются определенными физиологическими реакциями, происходящими на уровне клеток, органов, систем и организма в целом.

Адаптогенные факторы Природные факторы • Климатические: – гравитация – состав атмосферы – ее давление, температура, радиация, инсоляция, – ветер, осадки, влажность, и др. • Биологические: – патогенные вирусы, микроорганизмы, – синтетические и генетически модифицированные продукты и напитки, – медикаменты – изменения внутренней среды организма, – отсутствие раздражителей

Адаптация к природным факторам • В ходе эволюции организмы адаптировались к действию широкого спектра природных раздражителей: определенному барометрическому давлению и гравитации, уровню космических и тепловых излучений, строго определенному газовому составу окружающей атмосферы и т. д. • Действие природных факторов, вызывающих развитие адаптационных механизмов, всегда является комплексным. • Животные приобрели способности заранее реагировать на смену времен года, например, приближении зимы. • По мнению П. К. Анохина «опережающие» реакции приспособления развиваются благодаря фиксации в организменений окружающего мира и сигнального значения факторов внешней среды.

Адаптация к природным факторам • У человека также происходит адаптация к смене времен года, дня и ночи и пр. • Но человек, кроме своих физиологических реакций, использует различные защитные средства цивилизации: одежду, сооружение домов и т. д. • Это освобождает организм от нагрузки на некоторые адаптивные системы, но вместе с тем и снижает способность адаптироваться к природным факторам (например, к холоду).

Социальные факторы • условия труда, • вредные привычки, • отсутствие контроля над событиями, • отсутствие цели в жизни • групповое давление, гонение

Факторы, связанные с трудовой деятельностью человека • Расширение среды обитания порождает все новые для человеческого организма условия и воздействия. • Человек вынужден приспосабливаться к шуму, изменению освещенности, невесомости, ограничению подвижности, ЭМП. • Механизированный труд снижает усилия, но усиливает нервно-психическое напряжение. • Нервное напряжение связано с возросшими скоростями производственных процессов, а также с повышенными требованиями к вниманию и сосредоточенности человека, осуществляющего процессы управления.

бегство от неблагоприятного раздражителя пассивное подчинение ему активное противодействие за счет развития специфических адаптивных реакций

• Биологический смысл активной адаптации состоит в установлении и поддержании гомеостаза, позволяющего существовать в измененной внешней среде. • Как только окружающая среда изменяется, или изменяются какие-либо существенные ее компоненты, организм вынужден изменять и некоторые константы своих функций.

• Можно представить себе адаптацию как длинную цепь реакций различных систем, из которых одни должны видоизменять свою деятельность, а другие регулировать эти видоизменения. • Поскольку основой жизни является обмен веществ, неразрывно связанный с энергетическими процессами, адаптация должна реализовываться через приспособительное изменение метаболизма и поддержание такого его уровня, который лучше всего соответствует новым измененным условиям.

• Процесс адаптации метаболизма к измененным условиям существования относительно инертный. • Ему предшествуют изменения в «служебных» системах организма. К ним относятся кровообращение и дыхание. • Эти функции первыми включаются в реакции, вызываемые действием внешних факторов.

Изменения двигательной активности служат существенным звеном адаптации. • Двигательная система, с одной стороны, базируется на метаболизме, с другой — управляет им в интересах адаптации. • Особая роль в адаптивном процессе принадлежит – нервной системе, – железам внутренней секреции, • их гормонам.

• Гормоны гипофиза и мозгового слоя и коры надпочечника вызывают – первоначальные двигательные реакции и одновременно – изменения кровообращения, дыхания и т. д. • Изменения деятельности этих систем являются первой реакцией на любое сильное раздражение и предотвращают стабильные сдвиги гомеостаза.

• На начальных стадиях влияния на организм измененных условий отмечается интенсификация деятельности всех систем органов. • Это обеспечивает существование организма в новых условиях, однако он энергетически невыгоден, неэкономичен и лишь подготавливает почву для другого, более стойкого и надежного тканевого механизма перестройки служебных систем, которые, функционируя в новых условиях, постепенно возвращаются к нормальному исходному уровню деятельности.

Фазы развития процесса адаптации • Первая «аварийная» фаза: Эндокринная система ВНС Активация симпатоадренало вой системы Висцеральные служебные системы (кровообращение, дыхание) Усиление катаболизма Двигательный аппарат Тканевые и, тем более, молекулярные процессы в клетках и мембранах организма в эту фазу направленно не изменяются

• 2 фаза — устойчивой адаптации (резистентности) • характеризуется новым уровнем деятельности тканевых, клеточных и мембранных элементов, перестроившихся благодаря временной активации вспомогательных систем. • Вспомогательные системы при этом могут практически функционировать на исходном уровне, тогда как тканевые процессы активизируются, обеспечивая новый уровень гомеостаза, адекватный новым условиям.

2 фаза • Основными особенностями этой фазы являются: – мобилизация энергетических ресурсов; – повышенный синтез структурных и ферментативных белков; – мобилизация иммунной системы. • В организме при этом наблюдаются однотипные изменения, независимо от действующего раздражителя, поэтому она была названа общим адаптационным синдромом. • Он приобретает неспецифическую и специфическую устойчивость.

Цена адаптации • Несмотря на экономичность — выключение «лишних» реакций и затрат энергии — переключение реактивности организма на новый уровень не дается организму даром, а протекает при определенном напряжении управляющих систем. • Это напряжение принято называть ценой адаптации.

3 фаза ― истощения Поскольку фаза стойкой адаптации связана • с постоянным напряжением управляющих механизмов, • перестройкой нервных и гуморальных соотношений, • формированием новых функциональных систем, то, в том в случае, когда цена адаптации превышает функциональные резервы организма, они могут истощаться. Происходит срыв адаптации (дизадаптация). В ходе развития адаптивных процессов важную роль играют гормональные механизмы, поэтому они являются наиболее истощаемым звеном.

Механизмы адаптации 1. 2. Возникновение ориентировочной реакции и генерализованного возбуждения в ЦНС. Возбуждение симпатического отдела ВНС и формирование 1 -й (аварийной) фазы адаптации. Это сопровождается усилением афферентного синтеза, целенаправленными защитными реакциями и изменением гормонального фона (активируется система АКТГ-глюкокортикоиды). Как результат: – – – Усиливается синтез белков и ферментов. Улучшается энергетическое и пластическое обеспечение организма. Повышается иммунитет. Если действие кратковременно, аварийная фаза не переходит в адаптацию.

• При длительном или повторном действии достаточно интенсивного фактора эффекты суммируются, формируются «структурные следы» . • Развивается переходная, а затем устойчивая адаптация. • Она связана с – напряжением управляющих механизмов, – перестройкой нервных и гуморальных соотношений, – формированием новых функциональных систем. • Истощение управляющих механизмов, с одной стороны, и клеточных механизмов, связанных с повышенными энергетическими затратами — с другой стороны — приводит к дизадаптации.

Адаптации как биологическое явление » Привет Студент!

Вопрос об адаптациях — приспособлениях — является принципиально важным в биологии вообще и, в частности, в экологии. Решение этого вопроса исторически связано с судьбой самой биологии, с разработкой исторического метода в биологии, с победой материализма в биологии.

Долгое время, вплоть до конца XVIII в., явления приспособленности организмов к условиям жизни и их совершенства трактовались телеологически и теологически. Ф. Энгельс, рассматривая естествознание метафизического периода, отмечает, что оно характеризовалось выработкой своеобразного общего мировоззрения, центром которого было представление об абсолютной неизменности природы. Линней применил его к живой природе в форме учения о постоянстве видов. «Высшая обобщающая мысль, — как указывает Ф. Энгельс, — до которой поднялось естествознание рассматриваемого периода, это — мысль о целесообразности установленных в природе порядков, плоская вольфовская телеология, согласно которой кошки были созданы для того, чтобы, пожирать мышей, мыши, чтобы быть пожираемыми кошками, а вся природа, чтобы доказывать мудрость творца» (Диалектика -природы, 1946, стр. 9).

К. Линней, будучи первоклассным натуралистом, на каждом шагу видел явления приспособленности организмов к среде и целесообразности в их строении, но толковал эти явления в духе времени — телеологически.

Долгое время явления так называемой органической целесообразности расценивались естествопытателями, философами-идеалистами и церковниками в качестве важнейших прямых «доказательств» наличия творца и его мудрости. Биологические воззрения приспосабливались к этому основному положению. Например К. Линней, чтобы согласовать теорию постоянства видов и их творения с наблюдаемым в природе закономерным распределением различных видов по соответствующим ландшафтным зонам, предложил оригинальную гипотезу. Сущность ее заключается в том, что бог якобы сотворил животных и растения на острове с высокой горой, на склонах которой существовали все климатические зоны — от полярной (на ее покрытой снегом вершине) и до тропической (у ее подножия). По мысли автора этой гипотезы виды были сотворены в соответствующих их организации высотных зонах, где и жили до того момента, когда море начало отступать и остров соединился с сушей. По мере этого соединения животные и растения стали расселяться по поверхности Земли, размножившись в соответствующих широтных зонах.

Согласно всем этим креационистским взглядам виды сначала появились, наделенные определенными признаками и потребностям и, а потом расселились, подыскав условия существования, отвечающие их потребностям. В основе этого взгляда лежит идея преадаптации, о которой говорилось выше. Преадаптационная точка зрения характеризуется полным отрицанием зависимости свойств организма от среды и является неприкрыто идеалистической.

Совершенно очевидно, что такой взгляд является ненаучным, и пока он лежал в основе ботанических и зоологических представлений, биология развиваться не могла.

В этой обстановке с революционным утверждением выступает Ч. Дарвин, заявивший, что виды изменяются, случайно появившиеся полезные изменения дают преимущество их обладателям в повсеместно совершающейся борьбе за существование, в результате чего происходит выживание наиболее приспособленных. Происходящий таким образом естественный отбор вызывает образование новых видов, содействует повышению организации живых существ в историческом аспекте и непрерывно совершенствует их.

Теория естественного отбора, созданная Ч. Дарвином, впервые давала материалистическое объяснение явлениям приспособленности и лишала их ореола таинственности и непознаваемости, тем самым выбивая из рук идеалистов один из важных аргументов креационизма. Известно, как реагировали основоположники марксизма на появление теории Дарвина, отмечая его огромную заслугу в разработке исторического взгляда на живую природу. Не прошло и трех недель, как в Лондоне вышла в свет и была сразу же распродана книга «Происхождение видов», а Ф. Энгельс уже писал К. Марксу: «Вообще же Дарвин, которого я как раз теперь читаю, превосходен. В этой области телеология не была еще разрушена, а теперь это сделано. Кроме тот, до сих пор еще не было такой грандиозной попытки доказать историческое развитие в природе, да еще с таким успехом» (письмо от 12 декабря 1859 г. ). К. Маркс, ознакомившись с сочинением Дарвина, писал: «… эта книга дает естественно-историческую основу нашим взглядам» (письмо Ф. Энгельсу, 19 декабря 1860 г. ) и «… здесь в первые не только нанесен смертельный удар «телеологии» в естественных науках, но и эмпирически выяснен ее рациональный смысл» (письмо Ф. Лассалю, 16 января 1861 г. ).

Возможность естественно-исторического изучения приспособлений привлекла биологов, и они широким потоком хлынули в эту новую область исследования. Адаптации морфологические и физиологические, эмбриональные, защитная окраска, явления мимикрии и т. п. стали излюбленными объектами изучения. Слово адаптация — приспособление, стало, по мнению К. А. Тимирязева, наиболее часто употребляемым в устах биолога.

Саму экологию некоторые стали трактовать как науку об адаптациях, но это определение узко и не имеет многих сторонников.

Дальнейшее развитие материалистической биологии связано с преодолением ограниченностей и ошибок дарвинизма. Дарвин, как нами указывалось, поверхностно понимал взаимоотношения организма и среды и неправильно трактовал изменчивость организмов, различая определенные и неопределенные изменения, причем особое значение придавал последним (ненаправленной и случайной изменчивости). И. В. Мичурин и его последователи развили учение Дарвина в этом вопросе, установив единство организма с необходимыми для его жизни условиями и главенствующее значение направленной, определенной адекватной изменчивости.

Некоторые современные биологи, не понимая учения И. В. Мичурина и неправильно представляя себе адекватную изменчивость, связывают последнюю с целесообразностью и естественным отбором. Т. Д. Лысенко показал, что «изменчивость процессов развития органов и признаков всегда приспособительна к условиям внешней среды, но нужно помнить, что свойство приспособленности не всегда будет аналогичным целесообразности. Относительная целесообразность, гармоничность растений и животных в естественной природе создавались только естественным отбором, то есть наследственностью, ее изменчивостью и выживаемостью».

Когда мы говорим об адекватной изменчивости, то должны себе ясно представлять, что речь идет о прямых реакциях организма, живого вещества в широком смысле. Адекватная направленная изменчивость наследственности возникает не в результате отбора, а до него, как естественная реакция организма на изменение условий жизни. Не всякое внешнее влияние характеризуется адекватной: изменчивостью, а именно изменение необходимых условий жизни.

Никого не удивляет, что в неорганической природе изменение тел и предметов под влиянием внешних условий вполне определенно, закономерно, адекватно. Соответственно своей природе при затвердении металлы сжимаются, а вода расширяется, при накаливании происходят последовательные изменения окраски тел, при соединении разных веществ возникают сплавы или смеси с определенными новыми свойствами, яды могут стать безвредными и т. д., и т. п. Изучив эти свойства и особенности окружающих его предметов, человек стал их подлинным хозяином. Познав законы изменения неорганической природы, он уверенно использует их в тысячах производственных операций, вплоть до получения атомной энергии и ее широкого применения в народном хозяйстве. И ни у кого не появляется сомнений, что цепная ядерная реакция при известных условиях идет определенным образом, сколько бы раз ее не повторять, что при 0° чистая вода всегда будет замерзать и т. п., и т. д.

Однако среди части биологов все еще распространены наивные представления об отсутствии всяких закономерностей в изменении организмов, как будто бы протоплазма не состоит из тех же неорганических элементов, которые подчиняются определенным физикохимическим процессам. И подобно тому, как на холоде или жаре вода реагирует определенно, так и протоплазма, состоящая в большей части из той же воды, будет реагировать также вполне определенно, и было бы сверхестественно, если бы дело обстояло иначе. Но, конечно, организмы устроены сложнее тел неорганических, и потому их изменения под влиянием внешних сил подчиняются более сложным закономерностям.

Адекватная изменчивость организмов одного вида вовсе не означает их однотипного, одинакового изменения. В природе нет двух тождественных особей. В силу разнообразия исходных свойств и различия в условиях развития на протяжении индивидуальной жизни, особи вида разнокачественны и будут меняться по-разному, но не произвольно и случайно, а адекватно, соответственно своей природе и внешнему воздействию.

В этих условиях для проявления естественного отбора открывается широкий простор. Адекватность означает приспособительное изменение по отношению к отдельным факторам среды, но в условиях сложной природной обстановки не все может быть целесообразным. Естественный отбор и создает относительную целесообразность. Можно думать, что способность организмов к адекватному изменению наследственности при изменении условий жизни развилась под влиянием естественного отбора. Последний содействовал закреплению в историческом развитии животных и растительных форм, обладавших в наибольшей степени способностью к приспособительной изменчивости.

 

 

Заяц-беляк (Lepus timidus sibiricorum). Вверху: в летнем меху на лежке. Мошковский район, Новосибирской области. Май 1954 г. Внизу: в зимнем меху на кормежке. Там же.

 

Бабочка голубая орденская лента (Catocala fraxini) на коре ствола осины (Populus tremula). Кожевниковский район Томской области 2 сентября 1957 г.

 

 

 

 

 

 

Семейство краснощеких сусликов (Citellus erythrogenys) на кормежке. Карасук, Новосибирская область Июль. 1952 г.

 

 

 


 

Насиживающая тетерка (Lyrurus tetrix), Бараба, Новосибирская область. Июнь 1951г.

 

 

 

 

 

 

Вылупление птенцов в гнезде белой куропатки (Lagopus lagopus). Купинский район Новосибирской области, 2 мая 1949 г.

 

В то же время, по-видимому, имеет место и ненаправленная изменчивость признаков, наблюдаемая, например, при действии радиоизлучений, колхицина и других факторов, которые не являются условиями жизни подопытных объектов. Подобные явления могут иметь место не только в эксперименте, но и в природе, где также возможно влияние на организмы не только измененных условий существования и развития, но и прочих факторов воздействия, с которыми тот или иной организм не находится в определенных отношениях и которые он не ассимилирует.

В биологии долгое время идет борьба двух школ, односторонне трактующих явления изменчивости. Генетики, действуя на дрозофилу рентгеном и обнаруживая ненаправленные мутации, считают наблюдаемое явление проявлением всеобщего закона изменчивости. Напротив, агробиологи, воздействуя на культурные растения измененными условиями жизни, обнаруживают адекватные изменения и также придают им всеобщее значение, совершенно исключая возможность ненаправленных изменений. Мы полагаем, что указанные две точки зрения не являются двумя принципиальными позициями в биологии, на что они долгое время претендуют. Это—объяснения двух разных групп фактов.

Воздействие на организмы через условия жизни, с которыми они в истории вида неоднократно сталкивались, естественно вызывает у них адекватную изменчивость соответствующих свойств. Но если на организм действуют колхицин, рентген или другие излучения, которых нормально в природе он никогда не испытывал, то неудивительно, что изменения некоторых признаков могут быть самые различные, хотя в ряде работ уже показано, что и под влиянием мутагенных факторов происходят направленные изменения признаков. Очевидно, что наследственность изменяется адекватно внешним воздействиям, но ее проявления через признаки могут быть довольно вариабильными, что нередко затрудняет установление прямых корреляций «признак — фактор».

В последнее время Г. В. Никольский (1958) показал, что при воздействии нового фактора организм реагирует на него как на близкое воздействие (например, при попадании на тело кислоты — так же, как при прикосновении к горячему предмету).

Мы не можем согласиться с теми, исследователями, которые полагают, что все в природе приспособлено и потому якобы не происходит отбора и выживания «наиболее приспособленных».

Среда непрерывно меняется, условия существования одних видов меняются быстро, других — медленно, третьих — продолжительное время остаются стабильны. Там, где условия постоянны, у организмов складывается определенная приспособленность, возникает консерватизм наследственности; где условия меняются — и организмы оказываются пластичными, их признаки не имеют возможности окончательно сформироваться.

Изменения условий жизни всегда идут впереди изменений организма, поэтому приспособление запаздывает, оно не бывает полным. При перемене условий жизни организм не обязательно погибает или перестраивается скачком, приспособление может затянуться. В этом случае возможно появление рудиментов и других «не-нужных» признаков и свойств, представляющих отражение филогенеза в онтогенезе.

История развития жизни на Земле свидетельствует о том что при резких переменах в условиях жизни (на границах геологических эпох и периодов) прежде существовавшие животные и растения оказываются неприспособленными, вымирают, а на смену им приходят новые формы, более приспособленные. Процесс вымирания— не всегда внезапная катастрофа, а часто длительный исторический процесс, начинающийся снижением численности особей вида. Такие явления происходят и в настоящее время, наряду с прогрессивным развитием других видов.

Г. В. Никольский считает, что все признаки и свойства имеют приспособительное значение, даже рудименты, но мы якобы не знаем, в чем оно заключается. С этим согласиться нельзя.

Д. Н. Кашкаров обращает внимание не только на относительность адаптаций, но и их ограниченность. Не все в организации вида является адаптацией. Наряду с органами, имеющими несомненно адаптивное значение, вид может обладать признаками, не имеющими такового. Очевидно эти признаки имели адаптивное значение в прошлом, как, например, крылья у некоторых перешедших к жизни в воде и нелетающих насекомых (водяные скорпионы: Nepa cinerea, Ranatra linearis и др. ), соски у самцов млекопитающих и т. д.

Во взаимодействии среды и организма решающее значение имеет среда, условия жизни, в которых организм черпает энергию и материал для ассимиляции. Но от организма зависит содержание обмена веществ: потребление одних элементов и выделение других. В этом смысле организм выступает в качестве активной силы, а среда — пассивной.

Как указывает А. П. Шенников, активное отношение организма к среде, избирательное усвоение ее, переработка в свое тело составляет содержание активного приспособления. Приспособление растения к среде есть в то же время его изменение. Когда растение оказывается в новой для него среде, последняя, усваиваясь и становясь телом растения, делает его новым, иным, перестроенным. Не всякая среда может быть освоена любым растением. Например, гибель растения или части его от заморозка означает, что оно не смогло приспособиться к сильному понижению температуры среды и последствий его. Следовательно, отношение растения к среде, взаимодействие с нею не ограничиваются приспособлением к ней. Часто оно выражается полным прекращением обмена со средой, не пригодной для природы растения. Отсюда следует, что экологию неправильно определять как учение о приспособлениях, что некоторыми делается.

Сказанное здесь полностью приложимо и к животным. Поэтому нельзя согласиться с Д. Н. Кашкаровым, утверждающим, что проблема адаптаций — проблема экологическая, притом основная, центральная. Проблема адаптаций — биологическая, и каждая из отраслей биологии рассматривает адаптации «по принадлежности»: морфология—морфологические, физиология—физиологические и т. п..

Существуют два основных способа физиологической адаптации животных к изменениям среды: 1) физиологическое приспособление, т. е. изменение внутреннего состояния организма при изменении среды, и 2) физиологическая регуляция, т. е. поддержание относительного постоянства внутреннего состояния организма в пределах довольно значительных изменений среды (Проссер, 1955).

В. А. Пегель (1949, 1950) обосновал гипотезу о механизме регуляции соотношения функций при изменении температуры и его эволюции у позвоночных животных. Названный автор показал, что у животных организмов эволюция приспособлений к температуре среды заключалась в перестройке механизма координации, свойственного холоднокровным, в механизм терморегуляции, характерный для теплокровных.

Экологический аспект проблемы адаптаций заключается в том, что они определяют степень выживаемости и уровень численности различных видов. Адаптации наглядно проявляются в выработке определенных жизненных форм. Несомненно, что в каждое данное время и в данном месте наиболее многочисленные виды растений и животных являются в то же время и наиболее приспособленными, а малочисленные — менее приспособленными. Поэтому уровень численности разных видов можно рассматривать в качестве косвенного показателя степени адаптированности вида к условиям жизни. По мере приспособления вида к среде возрастает численность особей, расширяется ареал, усиливается внутривидовая изменчивость, т. е. происходит то, что А. Н. Северцов называл биологическим прогрессом. И, напротив, сокращение численности особей и ареала, вида, характеризующее биологический регресс, означает сокращение приспособительных возможностей вида вследствие того, что изменения среды вышли за рамки требований вида.

Во взаимоотношениях организма и среды следует различать, и разграничивать две группы явлений: физиологические и экологические взаимоотношения (С. А. Северцов именовал последние отношениями борьбы за существование). Физиологические отношения определяют жизненные отправления организмов на основе непосредственного обмена веществ с внешней средой (дыхание, питание и прочие функции.

Экологические отношения возникают при реализации жизненных отправлений в биоценозе, где имеют место разнообразные взаимодействия самих организмов. Физиологические отношення организмов со средой известны и изучаются давно, экологические — открыты Дарвином, но изучены еще очень слабо. Под влиянием физиологических воздействий среды изменяются строение и функция органов, и происходит адекватная изменчивость наследственности организмов; отношения же экологические вызывают изменение приспособлений организма — возникновение адаптаций, т. е. реакций вида на отношения организмов в биоценозе.

 

Используемая литература: Основы Экологии: Учеб. лит-ра./Б. Г. Иоганзен
Под. ред.: А. В. Коваленок,-
Т.: Типография № 1,-58 г.

 

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Пароль на архив: privetstudent.com

Определение и признание биологической адаптации в JSTOR

Абстрактный

Биологическая адаптация — это свойство фенотипических особенностей организмов по отношению к требованиям отбора окружающей среды. Адаптивные особенности — это те, которые обладают свойствами формы и функции, которые позволяют организму успешно поддерживать синергизм между биологической ролью этой особенности и заявленной силой отбора. Степень совершенства адаптации можно измерить с помощью количества энергии, необходимого для поддержания синергизма, при этом меньшая энергия указывает на лучшую адаптацию.Адаптация не применяется к точному совпадению между различными элементами или между формой и функцией элемента или к взаимным взаимодействиям между элементами структурной сети. Состояние адаптации не зависит от процесса адаптации, поскольку адаптации не обязательно должны развиваться под контролем сил отбора, к которым они теперь адаптированы. Отбор здесь рассматривается как требования, предъявляемые к организму окружающей средой, с которой организм должен справляться, чтобы продолжать выживать как индивидуум.Адаптированные характеристики оценивались с использованием трех методов — сравнительного, коррелятивного и синтетического, из которых действителен только последний. Синтетический метод требует изучения форм и функций признака в лаборатории, а также биологических ролей признака и требований к отбору окружающей среды в полевых условиях. Предполагается, что лучший подход к изучению адаптаций — это командные усилия с постоянной обратной связью между лабораторным и полевым этапами исследования. Настоятельно рекомендуется уделять внимание развитию экологической морфологии, чтобы дополнить функциональную морфологию и обеспечить необходимую основу для правильного выяснения биологических адаптаций.

Информация об издателе

Oxford University Press — это отделение Оксфордского университета. Издание во всем мире способствует достижению цели университета в области исследований, стипендий и образования. OUP — крупнейшая в мире университетская пресса с самым широким присутствием в мире. В настоящее время он издает более 6000 новых публикаций в год, имеет офисы примерно в пятидесяти странах и насчитывает более 5500 сотрудников по всему миру. Он стал известен миллионам людей благодаря разнообразной издательской программе, которая включает научные труды по всем академическим дисциплинам, библии, музыку, школьные и университетские учебники, книги по бизнесу, словари и справочники, а также академические журналы.

Адаптация живых систем

Abstract

Адаптация относится к биологическому феномену, при котором живые системы изменяют свое внутреннее состояние в ответ на изменения в окружающей их среде, чтобы поддерживать определенные ключевые функции, критические для их выживания и приспособленности. Адаптация — одно из самых распространенных и, возможно, одно из самых фундаментальных свойств живых систем. Это происходит во всех биологических масштабах, от адаптации популяций видов в течение эволюционного времени до адаптации отдельной клетки к различным стрессам окружающей среды в течение ее жизненного цикла.В этой статье мы рассмотрим некоторые из недавних достижений в понимании молекулярных механизмов адаптации на клеточном уровне. Мы используем минималистский (или физический) подход и изучаем простейшие системы, демонстрирующие типичное адаптивное поведение. Мы сосредоточены на понимании основных сетей биохимического взаимодействия в живом веществе, которые отвечают за динамику адаптации. Комбинируя теоретическое моделирование с количественными экспериментами, мы демонстрируем универсальные особенности адаптации, а также важные различия в различных клеточных системах, включая хемотаксис в бактериальных клетках ( Escherichia coli ) и эукариотических клетках ( Dictyostelium ).Обсуждаются будущие работы по расширению структуры моделирования для изучения адаптации в более сложных системах, таких как сенсорные нейроны.

Ключевые слова: Адаптация, биохимическая сеть, динамика, неравновесие, молекулярный механизм, моделирование, хемотаксис, градиентное зондирование

1. Введение

Живые системы, от одной клетки до многоклеточных организмов и популяции взаимодействующих видов, все обладают удивительной способностью приспосабливаться к изменениям в своей среде.Адаптация позволяет живым системам приспосабливаться к постоянным изменениям окружающей среды. В эволюционном масштабе времени адаптация побуждает виды развиваться под влиянием изменений в окружающей среде. На временной шкале продолжительности жизни живой системы способность к адаптации имеет решающее значение для выживания живой системы, поддерживая ее гомеостаз в различных условиях окружающей среды. В еще более коротком временном масштабе отдельных сигнальных путей, таких как пути передачи сенсорного сигнала, адаптация может значительно расширить диапазон чувствительного обнаружения, а также обеспечивает способ вычисления / обработки информации об окружающей среде.

Каковы возможные механизмы адаптации живых систем? Существуют ли какие-либо универсальные принципы, управляющие взаимодействиями основного живого вещества (биомолекул, клеток, организмов), которые отвечают за огромное разнообразие адаптивного поведения в биологии? Есть ли принципиальные ограничения на выполнение адаптации? В этой статье мы рассматриваем некоторые из недавних разработок в решении этих вопросов путем объединения теоретического анализа, компьютерного моделирования и количественных экспериментов для репрезентативных сенсорных сигнальных систем, включая бактериальные клетки ( Escherichia coli ) и эукариотические клетки ( Dictyostelium discodeum ). .Сначала мы даем общую математическую основу для двух основных сетей взаимодействия, которые демонстрируют адаптацию, и исследуем их динамику. Далее мы предоставляем подробное описание двух биологических систем, использующих эти сети. Затем мы изучаем универсальные свойства адаптации, не зависящие от конкретной сетевой структуры. В заключение мы обозначим некоторые из оставшихся проблем для будущих исследований.

2. Адаптация как динамическая система: математическая основа

Мы начинаем с представления общей математической основы для изучения адаптации.Обозначим X ( t ) как вход (сила стимула) и Z ( t ) как выход биохимической сети, где t — время. Изменение X приводит к изменению Z с быстрым временем отклика. Выход также зависит от более медленной внутренней переменной Y ( t ), которая сама зависит от X , Y и Z . Система может быть описана двумя типичными динамическими уравнениями:

dZdt = G (X, Y, Z), dYdt = F (X, Y, Z),

(1)

, где F и G — функции скорости для Z и Y соответственно.

Нулевые линии от dZ / dt = 0 и dY / dt = 0 задаются как Z = g ( Y , X ) и Y = f ( Z , X ) соответственно. Решение установившегося состояния для фиксированного X определяется пересечением двух нулевых линий. Здесь мы выражаем стационарное решение как Y = Y s ( X ) и Z = Z s ( X ).Типичный адаптивный ответ показан на. При внезапном увеличении входа с X до X + Δ X , выходной сигнал системы Z сначала изменяется с Z s ( X ) на пиковое значение Z p ( X + Δ X , X ) перед восстановлением (адаптацией) к новому значению устойчивого состояния Z с ( X + Δ X ) в течение более длительного времени. Далее мы описываем основные требования для адаптации.

Общее адаптационное поведение и ответственные сетевые мотивы. A: Иллюстрация динамики адаптации выхода Z ( t ) в ответ на изменение ступенчатой ​​функции на входе с X на X + Δ X . B: Две основные архитектуры сети (мотивы), которые могут обеспечить точную адаптацию. Линии с красными стрелками выделяют медленные взаимодействия, критически важные для адаптации. Различное размещение этих медленных взаимодействий в сетях NFL и IFFL отличает эти две сети.

Разделение шкал времени

Мы можем определить две шкалы времени τZ≡- (∂G∂Z) -1 и τZ≡- (∂F∂Y) -1, которые характеризуют временные шкалы для ответа и адаптации, соответственно. Чтобы иметь высокую чувствительность к внезапным изменениям окружающей среды, клетка должна сначала быстро отреагировать. Чтобы поддерживать высокую чувствительность в широком диапазоне фонов, клетке необходимо адаптироваться к постоянной среде в течение более длительного периода времени. Действительно, одним из ключевых требований к адаптации является разделение этих двух временных шкал, т.е.е., τ Z τ Y . Это означает, что контроллер Y настраивает систему только после того, как у него будет достаточно времени для ответа. Из-за медленной шкалы времени Y также можно рассматривать как рабочую память для сигнала, с которым сталкивается ячейка.

Чувствительность отклика и точность адаптации

Есть две ключевые характеристики адаптации. Кратковременный отклик характеризуется чувствительностью отклика, определяемой как

S≡∣Zp (X + ΔX, X) -Zs (X) ∣∣ΔX∣

(2)

для малого Δ X .Длительное восстановление характеризуется ошибкой адаптации ε , определяемой как:

ε≡∣Zs (X + ΔX) -Zs (X) ∣∣Zp (X + ΔX, X) -Zs (X) ∣,

(3)

, который измеряет, насколько близко выход адаптируется к своему исходное значение относительно первоначального ответа. Адаптивное поведение требует ε <1, а идеальная адаптация соответствует ε = 0, когда адаптированный выходной сигнал восстанавливается до точно своего значения до стимула.

Требования к сети для адаптации

Учитывая разделение шкал времени τ Z τ Y , кратковременная реакция Z p может быть выражена как Z p ( X + Δ X , X ) ≈ г ( Y с ( X ), X + Δ X ).Для малых | Δ X | мы можем выразить начальную реакцию как: ∣Zp (X + ΔX, X) -Zs (X) ∣≈∣g (Ys (X), X + ΔX) -g (Ys (X), X) ∣ = ∣∂g∂XΔX∣и адаптированный ответ в качестве: ∣Zs (X + ΔX) -Zs (X) ∣ = ∣g (Ys (X + ΔX), X + ΔX) -g (Ys (X), X) ∣ = ∣ (∂g∂X + ∂g∂Y × dYsdX) ΔX∣. Подставляя эти выражения в уравнение. Согласно (3) требование ε <1 приводит к необходимому условию адаптации:

∂g∂X × [∂g∂Y × ∂YsdX] <0.

(4)

Вышеупомянутое требование для адаптации имеет простую интуитивную интерпретацию: для адаптации требуются два пути от входа к выходу — один прямой ( ∂g∂X) и один косвенный через Y (∂g∂Y × dYsdX) — иметь противоположные знаки, т.е.е., один возбуждающий, а другой тормозной.

Два основных сетевых мотива для адаптации

Не теряя общности, мы предполагаем, что ∂g∂X> 0, т.е. выход увеличивается с увеличением входа. Кроме того, мы рассматриваем случай, когда ∂g∂Y <0, т.е. выход имеет противоположную зависимость от управляющей переменной Y . Из уравнения. (4) тогда имеем условие адаптации:

dYsdX = ∂f∂X + ∂f∂Z∂g∂X1-∂f∂Z∂g∂Y≈∂f∂X + ∂f∂Z∂g∂X> 0,

(5)

где последнее приближение было получено с использованием ∂f∂Z∂g∂Y∝τZ / τY≪1.

Этому условию адаптации удовлетворяют две основные сети с минимальным количеством ненулевых взаимодействий: (1) ∂ f / ∂ Z > 0, ∂ f / ∂ X = 0, и ( 2) ∂ f / ∂ X > 0, ∂ f / ∂ Z = 0. Как показано на, первая сеть называется цепью отрицательной обратной связи (NFL) из-за петли отрицательной обратной связи Z Y Z . Вторая сеть называется сетью некогерентного контура с прямой связью (IFFL), потому что петля образована двумя путями с прямой связью: X Z и X Y Z с противоположными (некогерентными) знаки.Действительно, исчерпывающий поиск всех возможных трехузловых сетей показал, что NFL и IFFL являются единственными двумя основными сетевыми мотивами, которые обеспечивают сильный отклик и точную адаптацию (1).

В реальных биологических системах динамическими переменными являются концентрации белка в различных конформационных состояниях, а взаимодействия осуществляются посредством ферментативных реакций со многими промежуточными элементами управления (вектор Y⃗ ). Однако, несмотря на свою простоту, общая модель динамической системы и базовые сетевые структуры (NFL и IFFL) обеспечивают мощную основу для понимания адаптации в широком диапазоне различных сотовых систем, включая E.coli и Dictyostelium , которые мы опишем ниже.

3. Адаптация при бактериальном хемотаксисе

Благодаря своей относительной простоте хемотаксис E. coli послужил важной модельной системой для изучения сенсорной адаптации. Впервые Берг и Браун наблюдали более 40 лет назад, что при внезапном увеличении концентрации хемоаттрактанта аспартата частота акробатических движений клетки сначала уменьшается, затем она восстанавливается и, в конечном итоге, возвращается к своему престимульному уровню (2).Адаптированное значение частоты переворачивания остается неизменным для широкого диапазона силы стимула (концентрации аспартата). Эта точная адаптация примечательна, учитывая большие различия в концентрациях ключевых биомолекул среди отдельных клеток (3). Поиски молекулярного механизма адаптации послужили поводом для проведения большого объема глубоких исследований хемотаксиса E. coli , что привело к количественному пониманию системы.

3.1. Молекулярный механизм

Сигнальная трансдукция

Бактериальный сигнальный путь хемотаксиса хорошо изучен (см. (4) обзор сигнального пути).Внешние химические сигналы воспринимаются связанными с мембраной хеморецепторами в бактериальной клетке, такой как E. coli . Когда молекулы хемоэффекторов (лиганды), такие как молекулы аминокислот и сахара, связываются с хеморецепторами, они вызывают тонкие конформационные изменения рецептора, которые, в свою очередь, контролируют киназную активность цитозольного белка CheA. Хеморецепторы, гистидинкиназа CheA и адаптерный белок CheW образуют протяженный двумерный кластер, в котором содержится до тысяч белков (5).Эти кластеры рецепторов со многими прямо или косвенно связанными рецепторами ответственны за усиление сигнала в системе (см. Недавний обзор моделирования в (6)). Активированный CheA сначала аутофосфорилирует, а затем передает фосфатную группу на белки-регуляторы ответа CheY и CheB. Фосфорилированный CheY, CheY-P, может связываться с белком переключателя моторов FliM, чтобы контролировать направление вращения жгутикового мотора бактерий и, следовательно, подвижность клетки. Это составляет «линейную» часть передачи сигнала при бактериальном хемотаксисе.

Механизм адаптации

Описанный выше путь линейной передачи сигнала позволяет клетке ощущать и реагировать. Однако диапазон концентраций стимула, на который клетка может реагировать, ограничен диапазоном чувствительности хеморецептора, который конечен (менее одного порядка величины). Возникает вопрос, как бактериальная хемосенсорная система функционирует в среде с широким диапазоном концентраций хемоэффекторов. Ответ — адаптация. Теперь мы знаем, что на молекулярном уровне бактериальные хеморецепторы адаптируются путем ковалентной модификации, т.е.е., метилирование и деметилирование, катализируемое ферментами CheR и CheB-P, соответственно. Адаптация рецептора динамически регулирует свой чувствительный диапазон в соответствии с фоном и позволяет рецептору обнаруживать изменения в окружающей среде, используя наиболее чувствительную часть своей кривой реакции.

3.2. Стандартная модель бактериального хемотаксиса

Состояние данного рецептора может быть представлено тремя переменными: его активностью a , его статусом занятости лиганда l , определяемым концентрацией лиганда [ L ], и его уровнем метилирования м .Для простой модели с двумя состояниями (активным и неактивным) для рецептора с 5 уровнями метилирования и статусом связывания лиганда (связанный с лигандом и вакантный) существует 2 × 2 × 5 = 20 состояний с 4 × 9 × 2 = 72 реакциями. из их. Математические модели, основанные на переходах между этими дискретными состояниями, использовались для исследования динамики и устойчивости системы (7, 8, 9). Здесь мы используем простую крупнозернистую модель для описания динамики усредненных свойств системы. Следуя соглашению, разработанному в предыдущем разделе, мы определяем выход Z ≡ < a > и контроллер Y ≡ < m >, которые являются непрерывными переменными.Входными данными является концентрация лиганда X [ L ] (соответствие между различными переменными суммировано в). Ниже мы разрабатываем простейшую математическую модель для этих усредненных переменных, руководствуясь разделением временных масштабов и количественными экспериментами.

Таблица 1

Обозначение соответствия для бактериального и эукариотического хемотаксиса.

EF
Этот обзор Бактериальный хемотаксис Эукариотический хемотаксис

Входной X Концентрация лиганда [ L ] Концентрация лиганда (R)
Внутренний Y Уровень метилирования m Активатор R / G G RasGAP)
Выход Z Активность рецептора a Выход (RasGTP)
Динамика быстрого ответа

Для бактериального хемотаксиса динамика связывания лиганда и динамика активности киназы быстрее, чем динамика связывания лиганда. процесс метилирования рецепторов.Следовательно, во временном масштабе быстрее, чем время метилирования, мы рассматриваем только динамику выхода Z с константой Y :

, где τ Z — быстрая шкала времени, которая зависит как от связывания лиганда, так и от динамики активации киназы. В устойчивом состоянии мы имеем Z = г ( Y , X ). Функциональная форма g ( Y , X ) может быть определена экспериментально путем измерения отношения ввода-вывода ( Z по сравнению с X ) в ячейках с фиксированным значением Y , т.е.g., выбивая ферменты метилирования (CheR) и / или деметилирования (CheB) (10, 11). Экспериментально было обнаружено, что это соотношение ввода-вывода имеет сигмоидальную форму с большим коэффициентом Хилла. Теоретически эту зависимость между входами и выходами можно объяснить с помощью модели Моно-Ваймана-Ченнёкса (MWC) (11, 12, 13) для большого кластера высоко кооперативных (все или ничего) рецепторов или модели Изинга. модель, в которой рецепторы взаимодействуют со своими ближайшими соседями в расширенной решетке рецепторов (14, 15, 16).Модель MWC приводит к простому аналитическому результату, который мы используем здесь:

г (Y, X) = [1 + eNfm (Y) (1 + X / Ki1 + X / Ka) N] -1,

(7)

, где N — количество высококоррелированных рецепторов в кластере K a ( i ) — константы диссоциации для активного (неактивного) рецептора с K a K i . Эффекты метилирования рецептора выражаются разницей свободной энергии f m ( Y ) между активным и неактивным состояниями для рецептора, который не связан с лигандом.Исходя из экспериментальных данных, имеем f м ( Y ) ≈ — α ( Y м 0 ) и, таким образом, зависит (примерно) линейно от Y с α . ≈ 1,7 (17, 18).

Медленная динамика адаптации

Из уравнения (7) ясно, что изменение Y сдвигает чувствительность реакции ввода-вывода. Как система регулирует уровень метилирования рецепторов в ответ на изменения в окружающей среде, чтобы обеспечить адаптацию? Детали ферментативных реакций (метилирование и деметилирование) и их кинетические скорости не очень хорошо известны.Однако существенное понимание динамики метилирования было получено благодаря адаптационному поведению на системном уровне. Для хемотаксиса E. coli адаптация высокоточная с ошибкой ε ~ 1 — 4%, то есть адаптированное значение активности Z не зависит от входного X , явление, называемое идеальной адаптацией. Простой способ добиться идеальной адаптации — сделать так, чтобы функция скорости метилирования F зависела только от Z :

, где явной зависимостью F от Y и X можно пренебречь.В устойчивом состоянии адаптированная активность определяется как F ( Z ) = 0, что приводит к адаптированной активности Z = Z s независимо от ввода X . Этот совершенный механизм адаптации связан с интегральной системой управления в технике (19).

Учитывая, что ∂g∂Y> 0, нам нужно, чтобы dF (Z) dZ <0 (по крайней мере, около Z = Z s ) для поддержания стабильности адаптированного состояния. Следовательно, взаимодействия между выходом ( Z ) и контроллером ( Y ) имеют противоположные знаки. dF (Z) dZ × ∂g∂Y <0, что ясно указывает на то, что адаптация бактериального хемотаксиса осуществляется сетью отрицательной обратной связи (NFL).Комбинируя быстрые и медленные динамические уравнения, уравнение (6) и уравнение. (8) составляют «стандартную модель бактериального хемотаксиса» (20), которую можно использовать для прогнозирования ответов на произвольные входные сигналы (21, 18).

3.3. Сравнение с количественными экспериментами. 10).Стандартная модель может быть проанализирована с помощью анализа нулевого наклона и разделения временных шкал, как показано и объясняется в. Кроме того, стандартная модель использовалась для прогнозирования реакции на более сложные изменяющиеся во времени сигналы для непосредственного сравнения с количественными экспериментами.

Сравнение прогнозов стандартной модели бактериального хемотаксиса и количественных экспериментов. A: Ответ E. coli на повышение и понижение (добавление и удаление) концентраций аттрактанта MeAsp ( X 1 и X 2 ).Ответ (активность киназы) измеряется с помощью FRET (данные Sourjik и Berg (10)). B: нулевой анализ динамических уравнений для бактериального хемотаксиса. Обозначенные буквами точки времени (A – E) соответствуют точкам на панели A. Сплошные серые линии — это нулевые линии Z, , Z = g, ( Y , X 1 ) и Z = г ( Y , X 2 ), для разных входов X 1 и X 2 (> X 1 ) соответственно.Пунктирная линия — это нулевая линия Y , выраженная как F ( Z ) = 0 или Z = Z s a константа. Сплошные линии со стрелками (зеленые) показывают быстрые реакции, вызванные изменениями (добавлением и удалением) входных данных X между X 1 и X 2 . Пунктирные линии со стрелками (синие) показывают медленную адаптивную динамику вдоль нулевых линий Z . C: Ответы на колебательные сигналы (верхняя панель) характеризуются амплитудой ответа | A | и фазовый сдвиг ϕ .Обе зависимости | A | (средняя панель) и ϕ (нижняя панель) на входной частоте ν количественно согласуются с предсказаниями стандартной модели. Результаты показывают, что система вычисляет производную сигнала по времени на низких частотах (заштрихованная область), где ν < ν м ≈ 0,006 Гц . Вычисление градиента можно увидеть напрямую, задав H A / ( iνA L ), которое остается примерно постоянным в заштрихованной области (пунктирная синяя линия на средней панели).Часть C адаптирована из ссылки (18).

Ответы на скачки

В среде, где концентрация аттрактанта продолжает увеличиваться во времени, уровень метилирования рецептора непрерывно увеличивается, чтобы адаптироваться. Однако из-за медленной адаптации система может адаптироваться только к уровню активности Z c , который ниже, чем Z s . Фактически, для экспоненциального нарастания: X = X 0 e rt с r скоростью нарастания, было показано (20) из стандартной модели, что Z c — это константа, которая зависит от скорости нарастания r: Z c = F -1 ( r / α ), где F -1 — функция, обратная F .Это замечательное соединение обеспечивает способ определения внутриклеточной функции скорости F ( Z ) путем измерения клеточных линейных ответов. Действительно, тщательное исследование in vivo линейных ответов с использованием FRET (18) не только подтвердило предсказание модели, но и количественно определило функцию скорости F ( Z ). Фактически, F ( Z ) имеет большой линейный режим около Z s , то есть F ( Z ) ≈ k RB ( Z s Z ), где параметр k RB зависит от кинетических скоростей реакций метилирования и деметилирования, катализируемых CheR и CheB-P, соответственно.

Ответы на колебательные сигналы

После определения F ( Z ) стандартную модель можно использовать для прогнозирования реакции на любые изменяющиеся во времени сигналы без каких-либо регулируемых параметров . Для экспоненциального синусоидального сигнала X ( t ) = X 0 exp [ A L sin (2 πνt )], стандартная модель предсказывает, что ответ будет Z ( t ) = Z s + Re ( A ), где сложный ответ A = A L exp ( i (2 πνt ϕ ) )) с амплитудой | A | и фазовая задержка ϕ , определяемая как:

∣A∣ = NZs (1-Zs) 1+ (νm / ν) 2AL, ϕ = π-tan-1 (νm / ν),

(9)

где ν м = — αNZ s (1 — Z s ) F ′ ( Z s ) / 2 π — характерная частота адаптации.Эти прогнозы, уравнение. (9) количественно согласуются с экспериментами, показанными в (18). Наконец, взяв преобразование Фурье производной сигналов по времени B iνA L и вычленив это из отклика, мы получим функцию фильтрации системной производной по времени H A / B = NZ s (1 — Z s ) ( + ν m ) −1 , что является константой для ν ν m как показано в .Это ясно показывает, что E. coli вычисляет производную сигнала по времени на частотах ниже, чем частота адаптации ν m .

Ответы на реалистичные сигналы

Помимо прогнозирования ответов неподвижных клеток на предписанные изменяющиеся во времени сигналы, стандартная модель использовалась для понимания динамики внутриклеточных сигналов свободно движущихся клеток (22, 23). Комбинация стандартной модели сигнального пути и количественной модели моторного ответа жгутика дала важные выводы и количественные прогнозы о том, как подвижные клетки ведут себя в пространственно-временных условиях.Эти предсказания были проверены в микрофлюидных экспериментах с градиентами стационарных, стоячих и бегущих волн (24, 25, 26).

4. Адаптация в хемотаксисе эукариот

Адаптация не ограничивается бактериальным хемотаксисом, но также критически участвует в хемотаксисе эукариот. Ряд эукариотических клеток реагируют на химические градиенты и направляют свое движение на более высокие концентрации хемоаттрактантов (27, 28, 29). Хемотаксис играет важную роль в нескольких биологических процессах, включая заживление ран (30), эмбриологию (31, 32) и миграцию раковых клеток (33).Как и в случае бактериального хемотаксиса, внешние молекулы хемоаттрактанта связываются с поверхностными рецепторами, активируя внутриклеточные сигнальные пути, которые включают множество биохимических компонентов (34). Точные молекулярные механизмы хемотаксиса эукариот все еще обсуждаются (28, 35, 36, 34), но многие компоненты пути идентифицированы. Более того, эти пути в основном консервативны для разных типов клеток, что позволяет использовать экспериментально доступные модельные системы. (37, 38, 39).Одной из наиболее изученных модельных систем является Dictyostelium discoideum , социальный амебоид, который использует хемотаксис для образования центров агрегации после голодания (40, 41). Клетки Dictyostelium движутся быстро, и с ними относительно легко манипулировать в лабораторных условиях. Кроме того, доступно множество флуоресцентных репортеров, что позволяет количественно оценить кинетику и амплитуду ответа.

Как эукариотические клетки используют хемотаксис? Так же, как и бактерии, эукариотические клетки способны адаптироваться к изменяющейся среде по мере продвижения вверх по градиенту.Логика такая же, как и для бактерий: при адаптивном подходе клетки могут поддерживать свою реакцию в более широком диапазоне фоновых концентраций (42, 43). Тем не менее, существует ряд важных различий между бактериальным хемотаксисом и хемотаксисом у эукариот. Эти различия в первую очередь связаны с контрастирующими режимами движения между двумя типами клеток, а также с различиями в их размерах. Вместо того, чтобы плавать, эукариотические клетки ползают и мигрируют, расширяя свою мембрану в передней части клетки, в то же время втягивая заднюю часть клетки (44, 45, 27).Результирующая скорость миграции может варьироваться от менее 1 мкМ м / мин для макрофагов и фибробластов (46, 47) до приблизительно 10 мк м / мин для нейтрофилов и клеток Dictyostelium (48, 49), что значительно ниже, чем типичная скорость плавания бактерий ~ 25 мкм м / с (2). Хемотаксирующие эукариотические клетки, как правило, также намного больше, чем бактерии, и их размер 2 мкм , варьирующийся от 10 мкм мкм в диаметре (нейтрофилы и Dictyostelium ) до примерно 100 мкм мкм для удлиненных фибробластов.Взятые вместе, гораздо меньшая скорость и большие размеры клеток не позволяют эукариотическим клеткам использовать механизмы измерения времени, используемые плавающими бактериями. Вместо этого эти клетки используют пространственные механизмы направленного восприятия , в которых симметрия клетки нарушена, что приводит к четкой передней и задней части, которую можно визуализировать с помощью флуоресцентных маркеров (50, 51, 52).

A: Пример нарушения пространственной асимметрии нейтрофилов, подвергнутых градиенту (вверху справа).Показано распределение актина (слева) и легкой цепи фосфорилированного миозина (справа), выявленное флуоресцентным окрашиванием (из (53)) B: нарушение пространственной симметрии в клетке Dictyostelium в градиенте, указывающем вправо. Визуализируется локализация активированного Ras (RasGTP) с использованием домена связывания Ras, слитого с зеленым флуоресцентным белком (RBD-GFP).

Как адаптация может помочь эукариотическим клеткам во время хемотаксиса? Несколько экспериментальных исследований показали, что клетки могут обнаруживать очень маленькие градиенты (54).Например, клетки Dictyostelium могут реагировать на разницу концентраций примерно в 1% в теле клетки (55, 56). Кроме того, эти клетки реагируют на градиенты с большим диапазоном фоновых концентраций, определяемых здесь как пространственно усредненная концентрация, испытываемая клеткой. Таким образом, клетки не могут определить свое направление на основе фиксированной рабочей точки, поскольку это заставит их реагировать только в очень небольшом диапазоне концентраций. Вместо этого клетки должны иметь возможность сравнивать уровни связанных рецепторов спереди и сзади независимо от фоновой концентрации.Как предполагают несколько исследований, этому сравнению будет способствовать адаптация, которая гарантирует, что разница между передней и задней частью не зависит от фоновых уровней (57, 58, 59). Важно отметить, что эксперименты по мониторингу FRET между двумя субъединицами рецепторов продемонстрировали, что эта адаптация происходит ниже по течению от рецепторов хемоаттрактантов (60).

4.1. Экспериментальные доказательства адаптации

Ранние эксперименты с использованием наблюдений за морфологическими изменениями или анализа клеточной популяции показали, что клетки могут адаптироваться к изменяющимся стимулам (61, 62).Более количественный анализ адаптации стал возможным благодаря недавнему внедрению микрофлюидики в сочетании с улучшенной микроскопией. Этот экспериментальный метод позволяет изучать динамику маркеров в отдельных клетках, подвергнутых тщательно контролируемой среде (63, 64, 65, 48, 56, 66, 52, 67). Недавно Takeda et al. количественно оценил динамику активированного Ras, Ras-GTP, измеренную с использованием флуоресцентного репортера RBD-GFP (68, 69) после ступенчатых стимулов хемоаттрактанта.Этот сигнальный компонент был выбран, поскольку он находится непосредственно ниже по течению от рецепторов хемоаттрактантов, связанных с G-белком, при этом Ras, вероятно, активирует ряд нижестоящих эффекторов. Таким образом, его ответ должен быть более прямым считыванием адаптации, чем компоненты, находящиеся дальше по потоку и которые могут быть частью нескольких контуров прямой связи и обратной связи.

Takeda et al. обнаружил, что без изменения внешней концентрации цАМФ RBD-GFP равномерно распределяется в цитозоле ().Однако при внезапном увеличении внешней концентрации цАМФ RBD-GFP быстро локализуется на мембране с последующим постепенным возвратом в цитозоль (). Динамика Ras была определена количественно после увеличения концентрации на несколько порядков (от 0,1 нМ до 1 мкМ М), и было обнаружено, что цитозольный RBD-GFP вернулся к своему предварительному уровню стимула примерно через 35 секунд, что указывает на идеальную адаптацию (). Кроме того, как можно видеть из, время пика отклика уменьшается с увеличением изменений концентрации.Аналогичное качественное поведение было обнаружено в исследовании Wang et al. , который исследовал динамику активации PI3K (фосфоинозитид-3-киназы) с использованием флуоресцентного фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфатного (PIP3) биосенсора (70) после ступенчатого изменения цАМФ.

Адаптация измерена в клетках Dictyostelium (из (68)). A: Снимки клетки, подвергающейся внезапному увеличению концентрации хемоаттрактанта при t = 0 с (отображается красным). Активированный Ras визуализируется с помощью RBD-GFP, который показывает временную транслокацию к мембране.B: Интенсивность цитозольной флуоресценции RBD-GFP, I ( t ), нормализованная по интенсивности флуоресценции до стимуляции, как функция времени для различных величин стимуляции. Обратите внимание, что время пиковой реакции уменьшается с увеличением силы стимула. C: Интенсивность цитозольной флуоресценции RBD-GFP как функция силы стимула показывает идеальную адаптацию. D: Некогерентная топология сети с прямой связью, соответствующая экспериментальным данным: хемоаттрактант связывается с рецепторами R, которые активируют как RasGEF, так и RasGAP.Затем эти два фермента активируют (GEF) и инактивируют (GAP) Ras. E: Экспериментальные результаты (кривые зависимости реакции от дозы RBD-GFP для различных концентраций до обработки, нанесены на график в виде символов) и результаты некогерентной сети прямого распространения с использованием параметров модели, полученных путем подгонки (нанесены на график в виде линий).

4.2. Сетевая топология для адаптации при хемотаксисе эукариот

Обнаружение того, что активированная динамика Ras прекрасно адаптируется, предполагает, что в основе сигнальная сеть.Действительно, количественные данные Takeda et al. Эксперимент способен исключить сеть NFL и согласуется только с мотивом IFFL. Это легче всего увидеть, исследуя динамику адаптации в зависимости от размера стимула. Для мотива NFL временные масштабы достижения максимального ответа и последующего возврата к базовым уровням значительно увеличиваются по мере увеличения размера стимула. Это можно интуитивно понять, осознав, что мотив NFL работает через петлю обратной связи.Следовательно, более сильный стимул приведет к большим отклонениям от равновесия, требуя больше времени для возврата к базовым уровням.

Для мотива IFFL, с другой стороны, время отклика может фактически уменьшаться при увеличении силы стимула. Это можно увидеть, аналитически исследуя динамику ответа как функцию силы стимула, используя простые формы нулевого порядка для F и G:

dZdt = kZX (1-Z) -k-ZYZ, dYdt = kYX-k-YY.

(10)

Значения в установившемся режиме: Y s = k Y X / k Y и Z s = ( k Y k Z ) / ( k Y k Z + k Y k Z ), что иллюстрирует Z не зависит от X , что является отличительной чертой идеальной адаптации.Чтобы аппроксимировать динамику восстановления, мы предполагаем, что активация происходит намного быстрее, чем ингибирование, поэтому мы можем использовать квазистационарное приближение, которое дает

1XdZdt = kZ (1-Z) -kYk-Zk-YZ

(11)

Таким образом, масштаб времени восстановления увеличивается с увеличением X, что согласуется с экспериментальными результатами.

Чтобы дополнительно определить, согласуется ли топология некогерентной прямой связи с экспериментами, Takeda et al. сопоставил экспериментальные данные с моделью, содержащей мотив IFFL.Модель основана на биохимии Ras: Ras активируется RasGEF (факторами обмена гуаниновых нуклеотидов) и инактивируется RasGAP (белками, активирующими GTPase). Таким образом, в схеме адаптации RasGAP является эквивалентом «Y», активированный Ras является эквивалентом «Z», а концентрация хемоаттрактанта играет роль «X». Чтобы учесть роль RasGEF, был вставлен дополнительный узел между концентрацией хемоаттрактанта и активированным Ras (т.е. X и Z). Это соответствие между переменными указано в.Кроме того, кинетика рецептора была включена с использованием экспериментально определенных значений динамики связывания. Результирующая топология, показанная на, имеет те же качественные характеристики, что и мотив IFFL. Выход модели был протестирован с использованием подмножества экспериментальных данных, а значения параметров были скорректированы с использованием процедуры подбора (68). Окончательная модель смогла воспроизвести все экспериментальные результаты; например, кривые доза-реакция модели (линии) и экспериментов (символы) показывают хорошее согласие ().Экспериментальные кривые на этом рисунке были получены с использованием клеток, которые подвергались воздействию различных и постоянных концентраций хемоаттрактанта в течение длительного времени. Другие сравнения, включающие постоянные записи и внезапное снижение концентрации цАМФ, также показывают удовлетворительное согласие между экспериментом и моделью, указывая на то, что мотив IFFL отвечает за адаптацию.

К аналогичному выводу пришли Wang et al. , который использовал другой протокол стимула, чтобы различать два возможных сетевых мотива.В частности, они использовали линейный сигнал линейного нарастания X = X 0 + βt , где β представляет увеличение концентрации в единицу времени. Можно получить точное выражение для Y как функции времени:

Y (t) = kYk-Y (X0 + βt + βk-Y (ek-Yt-1))

(12)

Таким образом, для больших t оба Y и X оба будет увеличиваться линейно и будет пропорционально крутизне кривой сигнала.Следовательно, выход Z не будет зависеть от сигнала и будет идеально адаптироваться. Обратите внимание, однако, что в целом эта адаптация происходит медленнее, чем при применении ступенчатого стимула. Напротив, мотив NFL не , а адаптируется в ответ на линейное изменение. Эксперименты Wang et al. показывают, что активность PI3K адаптируется независимо от скорости увеличения цАМФ (70). Таким образом, в сочетании с исследованием Takeda et al. , эти результаты предполагают, что адаптация при хемотаксисе эукариот и бактерий осуществляется с использованием различных механизмов: IFFL для эукариот и NFL для бактерий.

4.3. Связь с моделями направленного зондирования

Хотя было обнаружено, что топология хемотаксического пути отличается от хорошо известного пути бактериального хемотаксиса, его открытие не было полной неожиданностью. Эукариотические модели хемотаксиса не только должны иметь дело с ответом на однородные изменения концентрации, но также должны объяснять пространственную асимметрию, наблюдаемую, когда клетки помещаются в градиент (см.). Одной из первых моделей направленного зондирования является модель локального возбуждения, глобального торможения (LEGI), первоначально предложенная Родителем и Девреотесом (57).Он содержит топологию IFFL и предполагает, что возбуждение происходит локально и быстро, а ингибирование является более медленным и более глобальным, что моделируется включением диффузионного члена для ингибитора (GAP in). Основная идея здесь заключается в том, что ингибитор нейтрализует эффект средней занятости рецептора, тогда как локальное возбуждение позволяет реагировать на локальные отклонения от среднего значения (58). Адаптация тогда приведет к большему отклику на стороне клетки, которая направлена ​​на более высокую концентрацию хемоаттрактанта, чем на стороне, направленной от источника хемоаттрактанта.

Несмотря на то, что LEGI демонстрирует идеальную адаптацию и создает пространственную асимметрию в присутствии градиента хемоаттрактанта, он не может полностью уловить хемотаксис эукариот. Проблема в том, что генерируемая асимметрия всегда меньше, чем асимметрия от градиента. Другими словами, механизм LEGI не может усилить внешний сигнал и вместо этого просто считывает внешний градиент. Было предложено несколько моделей для обеспечения необходимого усиления.Например, вариант модели LEGI включает идею сверхчувствительности нулевого порядка (71). Он больше не предполагает, что количество ферментов, контролирующих компонент считывания, неограничено, что приводит к реакции, моделируемой полной кинетикой Михаэлиса-Ментен. Затем для определенных значений параметров компонент считывания сети может быстро переключаться между низким и высоким состоянием, что приводит к желаемому усилению (72). Другая модель определения градиента использует модульный подход и постулирует, что выходные данные модуля LEGI подаются в возбудимый модуль (73, 74).Очевидно, что эта модель все еще может идеально адаптироваться и может вызывать большой отклик из-за своей возбудимости. Тот факт, что клеточные реакции можно описать возбудимыми признаками, также был отмечен другими исследованиями (75, 76, 77, 78) и мотивирован временными и стохастическими выпячиваниями и сокращениями мембранных расширений клеток, а также сигнальными «пятнами». после стимуляции цАМФ (79, 80). Модельная ячейка, помещенная в градиент, вызовет реакцию LEGI, которая будет выше спереди, чем сзади ячейки.При тщательном выборе параметров модели это приведет к тому, что возбуждения будут чаще возникать в передней части ячейки.

4.4. Масштабно-инвариантный адаптивный ответ

Помимо идеальной адаптивности, реакция модели LEGI на внезапные изменения стимула также может быть масштабно-инвариантной. Ответ называется масштабно-инвариантным, если его динамика зависит исключительно от соотношения между уровнем до и после стимула. Другими словами, масштабная инвариантность означает, что изменение стимула с X 0 на X 1 дает тот же ответ, что и изменение стимула с pX 0 на pX 1 .Такое «обнаружение кратных изменений» было исследовано теоретически (81, 82, 83) и экспериментально продемонстрировано на хемотаксисе E. coli (84). В более позднем исследовании общие необходимые и достаточные правила масштабной инвариантности были получены для топологий трехузловой сети (85). Кроме того, это исследование исследовало, соответствует ли топология, найденная в [5]. (68) (и показано на) демонстрирует масштабную инвариантность. Изучая базовую модель IFFL уравнений. 10 показывает, что это не совсем масштабный инвариант: изменение входного X pX в основной модели приведет к Y pY .Уравнение для вывода, однако, показывает, что Z нетривиально зависит как от X , так и от Y , что приводит к динамике, которая не является масштабно-инвариантной. Однако в пределе, когда динамика выпуска очень быстрая, мы можем использовать приближение квазистационарного состояния. Затем Z задается его значением в установившемся состоянии, которое можно легко проверить как инвариантное при кратном изменении входного сигнала.

Полная модель адаптации, подробно описанная в (68), отображает масштабную инвариантность только для промежуточных значений стимулов цАМФ.Это показано на графике реакции полной модели, измеренной как уровень RBD-GFP, на различные изменения внешних концентраций цАМФ. Для промежуточных значений цАМФ кривые для ступеней 1–10 и 2–20 нм почти неразличимы, что указывает на масштабную инвариантность (рис. 4D и рис. 6 в (85)). Однако для меньших и больших значений цАМФ ответ больше не является масштабно-инвариантным, как это видно на. Причина отсутствия масштабной инвариантности для малых значений сАМР заключается в том, что приближение стационарного состояния не работает (подробное обсуждение необходимых условий масштабной инвариантности см. В [2]).(85)). С другой стороны, для больших значений цАМФ уравнение занятости рецептора в полной модели больше не зависит линейно от концентрации хемоаттрактанта из-за насыщения рецептора. Результирующая нелинейная зависимость от концентрации цАМФ приводит к ответам, которые не зависят от масштаба. Эти результаты должны быть проверены с помощью микрофлюидической системы Takeda et al. , в котором концентрация повышается систематически.

Ответ адаптационной модели Ref.(68) к разным шагам стимула. Только ответы в B точно масштабно инвариантны.

5. Эффект адаптации: закон Вебера-Фехнера

Почему адаптация так важна в биологии? Общий ответ заключается в том, что адаптация позволяет живой системе нормально функционировать в широком диапазоне фонов. Для сенсорных систем это качественное объяснение связано с хорошо известным эмпирическим законом Вебера-Фехнера (ВФ), который гласит, что реакция (или восприятие) адаптивной сенсорной системы пропорциональна относительному изменению стимула.Далее мы описываем общую теорию масштабирования для адаптивного отклика, чтобы продемонстрировать закон ВФ.

5.1. Общая теория масштабирования адаптивного ответа

Как мы обсуждали в разд. 2, для системы, адаптированной к уровню внешнего стимула X , быстрая реакция на внезапное изменение стимула на X + Δ X может быть получена, если предположить, что внутренняя переменная Y остается примерно неизменной Y Y s ( X ) из-за его относительно медленной динамики.Основываясь на общем наблюдении, что основным эффектом адаптации является сдвиг кривой отклика без изменения ее формы, мы предполагаем, что адаптация в основном нормализует входные данные на коэффициент K ( Y s ). Тогда пиковое значение можно записать как:

Zp (X + ΔX, X) ≈R (X + ΔXK (Ys (X))) ≡R (X + ΔXKs (X)),

(13)

где R — функция отклика, а K s ( X ) — коэффициент масштабирования, который зависит от фона X через его прямую зависимость от Y s .

Адаптированный вывод Z с ( X ) на уровне фона X задается как Z с ( X ) = R ( X / K с ( X )), из которого мы можем вычислить чувствительность S :

S (X) ≡ | ΔZΔX | ≡ | Zp (X + ΔX, X) -Zs (X) ΔX | = Ks (X) -1R ′ (X / Ks (X)),

(14)

, где R ′ — производная от R .

Чтобы адаптироваться к широкому диапазону фонов, масштабированная сила стимула X / K s ( X ) должна быть примерно постоянной для широкого диапазона X .Чтобы удовлетворить это условие, K s должен примерно линейно зависеть от X :

K с ( X ) ≈ K 0 + λ X ,

(15)

где K 0 и λ — константы . Идеальная адаптация соответствует K 0 = 0, где адаптированный выход Z s ( X ) = R ( λ ) не зависит от X .Случай без адаптации соответствует λ = 0, где K s = K 0 вообще не меняется с X .

Используя уравнение. (15) для K s ( X ), мы можем вычислить чувствительность по формуле. (14):

S (X) = (K0 + λX) -1R ′ (XK0 + λX) → C0X-1

(16)

для X K 0 / λ с C 0 λR ′ ( λ ) постоянная.Из уравнения. (16) имеем ∣ΔZ∣ = C0∣ΔX∣X, что в точности соответствует закону Вебера-Фехнера (ВФ). Закон ВФ гласит, что ответ зависит только от относительного изменения стимула, что связано с идеей обнаружения кратных изменений, которая недавно была изучена как в отношении бактериального хемотаксиса (86), так и хемотаксиса эукариот (85, 68), как обсуждалось в последний раздел. Здесь мы демонстрируем закон ВФ независимо от деталей конкретной системы, таких как ее функция отклика R , пока общая гипотеза масштабирования для адаптивного отклика, уравнение.(13) выполнено.

Далее мы покажем обоснованность гипотезы масштабирования как для бактериального хемотаксиса, так и для хемотаксиса эукариот, а также то, как закон ВФ может быть применен для изучения адаптивных сенсорных систем в целом.

5.2. Закон Вебера-Фехнера в различных сенсорных системах

Бактериальный хемотаксис

Как описано в Разделе 3, клетка E. coli адаптируется к среде с фоновой химической концентрацией X , регулируя уровень метилирования хеморецепторов до Y s ( X ), который восстанавливает его предпочтительную активность Z s .Когда концентрация внезапно изменяется на новый уровень X + Δ X , немедленная реакция дается уравнением. (7). В диапазоне чувствительности рецептора K i X K a , мы можем упростить уравнение. (7) для получения ответа в действии:

Zp (X + ΔX, X) = [1+ (X + ΔXKs (X)) N] -1,

(17)

, что удовлетворяет гипотезе масштабирования Ур. (13). Более конкретно, функция отклика R в E.coli принимает форму функции Хилла с коэффициентом Хилла N . При определении Y s с использованием условия идеальной адаптации Z p ( X , X ) = Z s , функция масштабирования задается следующим образом: Ks (X) = Kiexp (α (Ys-m0)) = (Zs-1-1) 1NX, который линейно зависит от X , подтверждая предположение о масштабировании Ур. (15) для адаптации.

Мы можем вычислить чувствительность на фоне X K i :

S ( X ) ≈ N Z s (1 — Z s ) X -1 ,

(18)

который это в точности закон ВФ.Для неадаптивной клетки уровень метилирования рецептора не меняется. Для высоких фоновых концентраций X K i чувствительность неадаптивной клетки Sna (X) ≈NKiNX- (N + 1) распадается намного быстрее, чем S ( X ).

Хемотаксис эукариот

Для хемотаксиса эукариот адаптация достигается сетью IFFL, динамика которой описывается уравнением. (10). Мы можем вычислить отклик, сначала используя условие квазиравновесия для определения внутренней переменной Ys≈kYk-YX на фоне X .После того, как вход изменится с X на X + Δ X , выходной сигнал Z начнет увеличиваться, и пиковый отклик можно найти, установив dZ / dt = 0 в уравнении. (10), что дает

Zp (X + ΔX, X) ≈kZ (X + ΔX) kZ (X + ΔX) + k-ZYs = uu + 1,

(19)

где u = ( X + Δ X ) / K s ( X ). Функция масштабирования Ks (X) = k-ZkZ-1Ys = k-ZkYk-YkZX линейно зависит от X в соответствии с условиями идеальной адаптации Ур.(15). Чувствительность на фоне X легко определить:

S ( X ) = (1 — Z s ) Z s X -1 ,

(20)

, что следует за WF закон. Для неадаптивных мутантов с фиксированным Y легко показать, что чувствительность спадает быстрее, чем X −2 .

Из уравнения. (18) и уравнение. (20), мы показываем, что гипотеза масштабирования для адаптивного ответа верна, и закон WF универсален для адаптивных систем, не зависящих от базовой биохимической сетевой структуры (NFL или IFFL).

Сенсорные нейроны

Общая модель масштабирования для адаптивного ответа может использоваться для описания адаптивной системы даже в тех случаях, когда подробный механизм адаптации не полностью понят. Функциональная форма функции ответа R может быть измерена неадаптивными мутантами, у которых K s остается постоянной, независимо от фона. После определения R все ответы адаптивных ячеек дикого типа (WT) на любом заданном фоне могут быть определены всего двумя параметрами: K 0 и λ .Этот подход успешно использовался для объяснения чувствительности ответа как в родопсине, так и в обонятельных нейронах (87).

6. Неравновесная термодинамика адаптации

Внутри живой клетки все биологические функции, включая адаптацию, выполняются биохимическими реакциями с относительно небольшим числом молекул (намного меньшим, чем число Авогадро). Стохастический характер молекулярной реакции и диффузии приводит к значительным колебаниям биохимических реакций.Еще одна общая черта живых систем состоит в том, что они далеки от равновесия. Живая материя очень диссипативна. Свободная химическая энергия, собираемая метаболическими процессами, обеспечивает взаимодействие живого вещества в различных биохимических сетях для достижения различных биологических функций. Как мы описываем неравновесную термодинамику небольшой живой системы? Как может клетка точно функционировать перед лицом этих шумных биохимических реакций? Далее мы рассмотрим эти вопросы в контексте сенсорной адаптации клеток.

6.1. Разбивка детального баланса

Чтобы понять влияние шума на динамику адаптации, мы вводим динамику Ланжевена, включив шум в простые динамические уравнения, описанные в разделе 2:

dZdt = G (X, Y, Z) + ηZ ,, dYdt = F (X, Y, Z) + ηY,

(21)

η Z ( t + t ) η Z ( t )〉 = Δ Z δ ( t ), 〈 η Y ( т + т ) η Y ( т )〉 = Δ Y δ ( т )

(22)

где η Y и η Z — шумовые составляющие из-за стохастической природы лежащих в основе биохимических реакций.В общем, уровень шума Δ Y и Δ Z может зависеть от переменных ( X , Y , Z ).

Для равновесной системы с функционалом энергии ℰ ( X , Y , Z ), ее динамика дополнительно определяется локальным градиентом ℰ ( X , Y , Z ). тепловым колебаниям. Например, в простейшей форме мы можем иметь G = -∂E∂Z и F = -∂E∂Y с уровнем шума Δ Y = Δ Z = 2 k B T , где k B T — тепловая энергия термостата. система находится в равновесии с.Легко показать, что равновесное уравнение Ланжевена приводит к распределению Больцмана ехр (-EkBT). Независимо от конкретной формы ℰ ( X , Y , Z ) ограничение ∂G∂Y = ∂F∂Z удовлетворяется всеми равновесными системами в результате детального баланса (88). Однако, как мы обсуждали в разд. 2, для адаптивных систем эти два члена взаимной производной имеют разные знаки и поэтому не могут быть равными:

, что означает нарушение детального баланса при адаптации.Это означает, что лежащие в основе биохимические реакции выходят из равновесия из-за рассеяния энергии.

6.2. Компромисс между энергией, скоростью и точностью

Как система использует свободную энергию для достижения адаптации, и как рассеивание энергии связано с производительностью адаптации и ограничивает ее? Чтобы ответить на эти вопросы, мы исследуем ключевые биохимические реакции, лежащие в основе двух мотивов цепи адаптации — NFL и IFFL, которые можно изучить с помощью простой модели с четырьмя состояниями, как показано на рис.

Неравновесная динамика в адаптации и универсальный компромисс между энергией, скоростью и точностью. A: Биохимические реакции в сетях NFL (вверху) и IFFL (внизу) для адаптации. Обе биохимические сети нарушают детальный баланс, и устойчивые циклы потоков, как показано оранжевыми стрелками, которые циклически меняются, существуют в адаптированном неравновесном устойчивом состоянии (NESS). Быстрая и медленная реакции отмечены черными и красными стрелками соответственно. Ключевые ферменты, которые способствуют неравновесным реакционным циклам, выделены зеленым.Пунктирными стрелками отмечены реакции, подавленные диссипацией свободной энергии. B: Для модели равновесия с Γ = 1 (черная линия) адаптации не существует. Адаптивная динамика возникает после того, как Γ уменьшается выше определенного критического значения, и она становится более точной при уменьшении Γ (красные и синие линии). C: Соотношение энергия-скорость-точность. Ошибка адаптации ε экспоненциально уменьшается с Δ W ∝ | ln Γ | до тех пор, пока он не достигнет значения насыщения ε c , которое зависит от конкретных параметров системы, а также от уровня фонового сигнала.Разные линии соответствуют разным фоновым концентрациям аттрактантов. Части B и C адаптированы из исх. (89).

Для адаптации в хемотаксисе E. coli каждое состояние хеморецептора характеризуется парой параметров порядка ( s , m ): s = 0, 1 соответствует активному и неактивному состояние рецептора, а уровень метилирования рецептора m = 1, 2 (здесь рассматриваются только два соседних уровня). Скорости биохимического перехода между четырьмя состояниями даны со всеми скоростями против часовой стрелки (CCW) и по часовой стрелке (CW), обозначенными как k l и k l соответственно ( l = 1, 2, 3, 4).

Для фиксированного уровня метилирования рецептора переходы между активным и неактивным состоянием рецептора регулируются уровнями свободной энергии двух состояний, т. Е. k2k-2 = exp [E (0,2) -E (1,2)], k4k-4 = exp [E (1,1) -E (0,1)], где E ( s , m ) = sf m ( m ) — уровень свободной энергии состояния ( s , m ) с f m ( m ) = — α ( m m 0 ) свободная энергия метилирования (см. Раздел 3).Однако скорости метилирования и деметилирования рецепторов не удовлетворяют условиям детального баланса. В частности, для осуществления контроля с отрицательной обратной связью скорость метилирования неактивного рецептора должна быть увеличена по сравнению со скоростью деметилирования, а скорость деметилирования должна быть увеличена по сравнению со скоростью метилирования активного рецептора, т. Е. k1k-1> exp [E (0,1) -E (0,2)] и k3k-3> ехр [E (1,2) -E (1,1)]. Этим двум неравновесным процессам способствуют два фермента — CheR для метилирования и CheB-P для реакций демилирования.См. (Верхняя панель).

Мы можем определить параметр «обратимости» Γ для всего цикла реакции:

Γ≡∏cwk∏ccwk = ∏l = 14k-lkl,

(24)

, который определяет, находится ли полный цикл реакции в тепловом равновесии с окружающей средой. При Γ ≠ 1 система является диссипативной, и ее стационарное состояние представляет собой неравновесное стационарное состояние (NESS), которое должно поддерживаться конечной скоростью потребления свободной энергии.

Для адаптационной сети в E.coli , управление отрицательной обратной связью осуществляется путем подавления «нежелательных» обратных реакций, которые можно охарактеризовать небольшим параметром γ <1: k-1 = γk-1 (0) и k-3 = γk-3 (0) где равновесные обратные ставки к-1 (0) и k-3 (0) удовлетворяют подробному балансу с соответствующими форвардными курсами, что приводит к необратимому параметру Γ = γ 2 . Для равновесной системы с Γ = 1 система не адаптируется, см. Черную линию на. Адаптация, т.е., восстановление происходит только тогда, когда Γ уменьшается ниже критического значения Γ c (<1). Ошибка адаптации уменьшается по мере уменьшения γ (или, что то же самое, Γ). Ошибка адаптации может быть выражена как: ε = ε c + ε 0 γ , где ε 0 — константа O (1), которая зависит от деталей система. Ошибка насыщения при γ → 0 определяется как ε c , что зависит от параметров системы. ε c можно сделать сколь угодно малым при правильной конструкции системы (89). Для тех систем с ε c ≈ 0, идеальная адаптация ( ε = 0) может быть достигнута, когда γ = 0.

Скорость производства энтропии в системе также может быть вычислена: = Σ л ( J л + J л ) лн ( J л + / J л ) где J l — прямые и обратные потоки вероятностей для l -й реакции.Из , мы можем определить минимальную скорость рассеивания свободной энергии = k B TṠ для поддержания адаптированного состояния, в котором единица тепловой энергии k B T = 1 окружающей среды может быть установлен на единицу. Можно показать, что скорость диссипации увеличивается с увеличением скорости адаптации. ωadp≡τadp-1 с τ adp время адаптации: = — c 0 ω adp ln ( γ ), с c 0 a зависит от системы O (1) постоянная.

Изменяя γ , т. Е. Силу управления с отрицательной обратной связью, мы можем связать стоимость адаптации, характеризующуюся минимальной скоростью рассеивания свободной энергии (), с ее характеристиками, характеризующимися ее скоростью ( ω adp ) и точность ( ε ):

W. = c0 × ωadp × ln [ε0ε-εc],

(25)

, что называется компромиссным соотношением энергия-скорость-точность (ESA), как показано на.

Связь ESA кажется общей для адаптивных систем.Уравнение (25) оказалось действительным для сети IFFL в хемотаксисе эукариот (90). Подобно адаптации с помощью контроля отрицательной обратной связи в бактериальном хемотаксисе, два противоположных фермента, фактор обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF) и GTPase-активирующий белок (GAP), активируют и деактивируют Ras, соответственно, двумя разными путями в хемотаксисе эукариот, как показано на (ниже панель). Свободная энергия постоянно потребляется в адаптированном установившемся состоянии для подавления «нежелательных» обратных реакций и приводит в движение устойчивый циклический поток между четырьмя состояниями.Свободная энергия обеспечивается гидролизом высокоэнергетических биомолекул, которые связаны с этими циклами, например, АТФ или GTP для цикла фосфорилирования-дефосфорилирования при хемотаксисе эукариот и S-аденозилметионина (SAM) для цикла метилирования-деметилирования в бактериальный хемотаксис. Измерения динамики адаптации в лишенных энергии клетках E. coli согласуются с зависимостью ESA (89).

Общие отношения ESA обеспечивают фундаментальный физический предел важной биологической функции, адаптации.Он также дает представление о разработке биохимических цепей для достижения оптимальной производительности при ограниченных ресурсах. Также изучалось влияние диссипации энергии на другие ключевые характеристики адаптации. В частности, было обнаружено, что диссипация свободной энергии может быть использована для подавления флуктуаций адаптированной активности, не влияя на кратковременный отклик системы, нарушение соотношения флуктуационной диссипации в равновесных системах (91).

7. Адаптация в других биологических системах

Адаптация в клетках не ограничивается передачей сигналов хемотаксиса.Например, недавно было обнаружено, что жгутиковый переключатель бактерий может адаптироваться к внутриклеточному уровню CheY-P, регулируя количество молекул FliM в комплексе переключения (92, 93). Адаптация также играет ключевую роль в различных гомеостатических процессах, например, адаптация к гиперосмотическим шокам в почкующихся дрожжевых клетках Saccharomyces cerevisiae . В недавнем исследовании Muzzey et al измерили ядерное обогащение MAP-киназы Hog1 и обнаружили, что она идеально адаптируется, что означает, что стационарные уровни до и после стимула были идентичны (94).Это исследование также приводило доводы в пользу наличия интегратора и с помощью ряда тщательно отобранных экспериментов либо с мутантными штаммами, либо с разными протоколами стимулов обнаружило, что один интегрирующий механизм, который включает активность киназы Hog1 и регулирует синтез глицерина, отвечает за наблюдаемые результаты. приспособление.

Все сенсорные нейроны демонстрируют адаптивное поведение. Хотя полный молекулярный механизм неясен, известны некоторые ключевые этапы пути адаптации. Например, при обонятельном восприятии в нейронах млекопитающих (95, 96) связывание одоранта вызывает активацию аденилатциклазы (AC), которая вызывает входящий поток кальция (Ca +2 ).Внутриклеточный кальмодулин (CaM) взаимодействует с обогащенным кальцием с образованием Ca-CaM, который активирует AC-фосфорилазу, кальмодулинкиназу II (CAMKII), которая в конечном итоге фосфорилирует и дезактивирует AC. Для светочувствительности нейронов млекопитающих (97, 98, 99) свет активирует рецептор, связанный с G-белком (фотонный сенсор), который снижает клеточный уровень циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ) и ингибирует поступающий кальций (Ca +2 ). ) поток, который в конечном итоге включает родопсинкиназу осьминога (ORK) для фосфорилирования и деактивации фотонного сенсора.Механизм адаптации волосковых клеток и участие в нем Ca +2 до сих пор остается спорным (100, 101). Из-за множества временных масштабов, наблюдаемых в адаптационном поведении нейрона, весьма вероятно, что в адаптации нейрона используется вложенная сеть, состоящая как из мотивов NFL, так и из мотивов IFFL. Таким образом, интересно использовать описанный здесь динамический системный подход вместе с количественными измерениями отдельных ячеек для определения базовой сетевой архитектуры для адаптации в более сложных системах, таких как сенсорные нейроны.

В качестве последнего примера адаптации мы хотели бы указать, что она не должна ограничиваться отдельными клетками, но также может происходить на уровне ткани, органа или всего тела. Одним из примеров идеальной адаптации на уровне тела является контроль уровня кальция у млекопитающих. Эти уровни должны хорошо контролироваться и должны находиться в небольшом диапазоне значений. Эль-Самад и др. описал, как интегральный механизм обратной связи управления может удовлетворить эти требования, и предложил биологически правдоподобную модель гомеостаза кальция (102).В частности, они показали, что ранее предложенный и простой механизм управления с обратной связью недостаточен для надежного контроля уровней кальция и что добавление интегратора, во многом похожего на тот, который схематически показан на рисунке, может обеспечить уровни кальция, которые не зависят от возмущения. Применительно к данным, полученным от рожающих коров, что представляет собой большое нарушение содержания кальция, модель смогла уловить идеальную адаптацию, наблюдаемую у животных. Однако, как можно себе представить, получение большого количества количественных данных для полного определения динамики в масштабе животных — сложная и трудоемкая задача, иллюстрирующая, почему хемотаксис отдельных клеток является излюбленной системой для изучения адаптации.

Учебное пособие по адаптации — Онлайн-руководство по биологии

Адаптация растений и животных в водных средах обитания

Адаптация в биологии и экологии относится к процессу или признаку, благодаря которому организмы или популяции в среде обитания становятся более приспособленными или лучше подходят для своих среда. Это похоже на термин «акклиматизация» в том смысле, что оба они представляют собой процессы, которые приводят к адаптации к изменениям, таким как изменение температуры, влажности или pH. Однако адаптация — это результат длительного процесса развития и эволюции, который продолжается на протяжении многих поколений.Это противоположно акклиматизации, которая происходит в относительно более короткий период времени, например. в течение нескольких часов или недель в организме. Согласно эволюционной теории естественного отбора Чарльза Дарвина, организмы приспосабливаются к окружающей среде, чтобы противостоять вымиранию и выжить. При этом у них больше шансов передать свои гены следующему поколению.

Цели

  • Понять адаптацию регуляции воды у животных и растений, чтобы дать им возможность выжить в своей среде обитания, особенно в пресноводной и морской среде
  • Изучить геологические и биологические процессы, связанные с круговоротом воды
  • Получить знания о воде гомеостаз у животных и растений

Ключевые моменты

  • Благодаря осморегуляции, организмы способны поддерживать оптимальную концентрацию воды во внутренней среде и, таким образом, могут продолжать нормально и оптимально функционировать.
  • Животные адаптируются анатомически, физиологически и поведенчески. Все эти приспособления созданы для того, чтобы они могли более терпимо выживать в своей среде обитания.
  • Растениям нужна вода, так как она является одним из реагентов фотосинтеза. Таким образом, они поглощают воду из того места, где они растут, и они очень эффективны в поддержании подходящего количества воды, оптимального для их выживания и роста.
Круговорот воды

Круговорот воды (также называемый гидрологическим круговоротом) — это система непрерывного перемещения воды из воздуха, моря и воды в круговороте.В этом руководстве кратко объясняется, что происходит в круговороте воды. Кроме того, он определяет, что такое подземные воды и поверхностный сток. Это важный фон того, как вода движется в экосистеме, как геологически, так и биологически…

Подробнее



Регулирование водных ресурсов растений

Растениям необходимо регулировать уровень воды, чтобы оставаться в вертикальном положении и структурно стабильными. Узнайте о различных эволюционных адаптациях растений с точки зрения строения (например, устьиц) и физиологических механизмов (например, устьиц).грамм. давление корней, капиллярность, тяга при транспирации, изгиб листьев и т. д.), что позволило им поддерживать соответствующий уровень воды…

Подробнее



Регулирование водопользования для животных

Животные приспосабливаются к окружающей среде в аспектах анатомии, физиологии, и поведение. Этот урок поможет вам понять, как животные адаптируются к среде обитания. Например, как животные процветают в водной среде обитания и могут преодолевать осмос. Это также проливает свет на причины адаптации животных…

Подробнее



Клеточные изменения и адаптивные реакции

Последнее обновление: 5 августа 2021 г.

Резюме

Клеточная адаптация — это способность клеток реагировать на различные типы раздражители и неблагоприятные изменения окружающей среды.Эти адаптации включают гипертрофию (увеличение отдельных клеток), гиперплазию (увеличение числа клеток), атрофию (уменьшение размера и числа клеток), метаплазию (переход от одного типа эпителия к другому) и дисплазию (нарушение роста клеток). Ткани адаптируются по-разному в зависимости от репликативных характеристик клеток, составляющих ткань. Например, лабильная ткань, такая как кожа, может быстро воспроизводиться и, следовательно, также может регенерироваться после травмы, тогда как постоянная ткань, такая как нервная и сердечная ткань, не может восстанавливаться после травмы.Если клетки не способны адаптироваться к неблагоприятным изменениям окружающей среды, гибель клеток происходит физиологически в форме апоптоза или патологически в форме некроза. В этой статье представлен обзор основных клеточных адаптивных механизмов и их различных последствий в организме человека.

Клеточная адаптация

Обзор клеточной адаптации
Определение Формы и примеры
Атрофия
  • инволюционные процессы е.г., вилочковая железа, грудь).
  • Старческая атрофия
    • Физиологическое старение клеток, затрагивающее все органы
    • Включает образование липофусциновых отложений
      • Состоит из липидных полимеров и комплексов фосфолипид-белок
      • Желто-коричневые гранулированные пигменты, обнаруженные в таких органах, как сердце, легкие, толстая кишка, почки, печень и глаза
      • Вызваны нормальным износом- and-tear
      • Образуется путем перекисного окисления полиненасыщенных липидов субклеточных мембран
  • Патологическая атрофия
Дистрофия
  • Дегенерация ткани или органа (например,g., из-за недоедания или наследственного заболевания)
Гипертрофия
  • Увеличение размера ткани за счет увеличения клеток (из-за увеличения органелл и структурных белков)
Гиперплазия
  • Контролируемая пролиферация в виде повышенной скорости воспроизводства стволовых и дифференцированных клеток → ↑ количество клеток → ↑ масса ткани
  • Физиологическая гиперплазия
  • Патологическая гиперплазия
Анаплазия
Метаплазия
  • В ответ на хронический стресс стволовые клетки репрограммируются в другой тип эпителия (например,g., плоскоклеточная метаплазия), более переносимая к неблагоприятной среде.
  • Может полностью регрессировать или привести к стойкому инсульту и злокачественной трансформации (дисплазия; считается предраковым заболеванием)
Дисплазия

5 9354

9354 9354 9354 9354 9359 количество ячеек

  • Лабильная ткань
    • Короткоживущие, быстро делящиеся клетки с постоянным делением или обновлением клеток
    • В первую очередь образуются путем репликации стволовых клеток (например,g., слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта и дыхательных путей, кожа, кроветворная ткань)
  • Постоянная ткань: клетки с небольшой репликацией или без нее на протяжении всей жизни (например, сердечная мышца, нейроны)
  • Стабильная ткань: расширяемая ткань (например, экзокринные и эндокринные железы, соединительная ткань, печень и почечная паренхима, кости)
Регенерация
  • Полная регенерация: утраченная ткань одновременно функционально и структурно замещается.
  • Неполная регенерация: потеря ткани заменяется тканью более низкого качества.

Повреждение клетки

Этапы

  • Ранняя стадия: характеризуется обратимым клеточным набуханием (например, отечная дегенерация)
  • Поздняя стадия: характеризуется необратимым повреждением мембраны и гибелью клеток

Причины

Ишемия

  • Описание
    • Снижение кровоснабжения, которое не может удовлетворить потребность органа или ткани в кислороде
    • Если не исправить, ишемия может привести к гибели клеток из-за набухания клеток (онкоз).
  • Патогенез
    • Снижение артериальной перфузии (например, из-за атеросклероза, тромбоэмболии) в твердых органах с единственным (концевым) кровоснабжением (например, почки, сердце) → бледный инфаркт
    • Снижение венозного оттока (например, венозная окклюзия, синдром Бадда-Киари, перекрут яичка, перекрут яичника) в тканях с более чем одним кровоснабжением (например, кишечник, легкие, печень, яички) или реперфузия (например, после ангиопластики) → красный инфаркт
    • Амортизатор со следующими вариантами:
  • Время толерантности к ишемии: время, по истечении которого ишемия вызывает необратимое повреждение ткани
    • Кожа: 12 часов
    • Мускулатура: 6-8 часов
    • Нервная ткань: 2-4 часа

Повреждение свободными радикалами

Определение

Патофизиология

Возникновение

Кислородная токсичность

[7] [8]
Реперфузионное повреждение

Заболевания накопления металлов

Химическая смерть / 9 лекарственная смерть Смерть клеток — это необратимое повреждение, из-за которого клетки не могут выполнять свои функции.Это приводит либо к апоптозу, либо к некрозу.

64
Обзор апоптоза и некроза
Характеристики Апоптоз Некроз
Определение
  • 918 918 Запрограммированный воспалительный ответ
  • Нефизиологическая гибель клеток
  • Вызывает воспалительный ответ
Патофизиология
  • Внешние сигнальные пути
  • Внутренние сигнальные пути
Микроскопия

Апоптоз

Общая информация

  • Определение: запрограммированная гибель клеток (физиологический оборот клеток)
  • Этиология
  • Характеристики
  • Патогистологические данные

  • Апоптоз может инициироваться двумя разными путями: внешним путем (через внешние стимулы) или внутренним путем (через внутренние стимулы).
  • Общая последовательность событий: стимул → активация инициаторных каспаз → активация каспаз-палачей → апоптоз

Внешний путь (путь рецептора смерти)

Может быть активирован с помощью 2 механизмов:

Внутренний путь (митохондриальный путь)

  • Участвует в ремоделировании тканей (например, во время эмбриогенеза)
  • p53 активируется посредством повреждения ДНК (например, гипоксия, химические токсины, радиация) или изъятия регулирующих факторов из популяции пролиферирующих клеток (например,g., IL-2 после завершения иммунологической реакции → апоптоз эффекторных клеток).
  • p53 вызывает внутриклеточное увеличение проапоптотических белков семейства Bcl-2 (например, Bax, Bad, Bak).
  • Проапоптотические белки увеличивают проницаемость внешней мембраны митохондрий (например, за счет образования мембранного канала гетеродимером Bax / Bad).
  • Цитохром c высвобождается из внутренней митохондриальной мембраны и попадает в цитозоль.
  • Цитохром c связывается с APAF-1 (фактором активации апоптотической протеазы 1) в цитозоле, образуя колесообразную структуру, известную как апоптосома.
  • Комплекс цитохрома с и APAF-1 превращает прокаспазу 9 в активную каспазу 9.
  • Каспаза 9 активирует каспазы палача, такие как каспаза 3.

Белки семейства Bcl-2 могут иметь противоположные эффекты: Bad, Bax и Bak обладают проапоптотическим действием, тогда как Bcl-2 и Bcl-xL обладают антиапоптотическим действием.

Аномальная регуляция апоптоза

Гены-супрессоры опухолей, которые регулируют клеточный цикл и гибель клеток, могут мутировать и позволять клеткам оставаться живыми, даже если у них есть аномальные гены, которые могут вызывать рак.

Некроз

Обзор

ишемия тканей, которая возникает в большинстве тканей, кроме мозга.
Характеристики некроза
Тип Определение Патофизиология Микроскопическая картина A Тип
  • Снижение доставки кислорода → ↓ ATP
  • Сохраненная, безъядерная, эозинофильная клеточная архитектура
  • H&E: эозинофильное окрашивание из-за связывания красителя эозина с денатурированными внутриклеточными белками
  • Инфаркт миокарда, селезенки, печени и почек
  • Гангрена
  • Повреждение органов кислотными растворами
Разжиженный некроз
  • Высвобождение гидролитических ферментов из нейтрофильных лизосом, которые переваривают пораженную ткань.
  • Ранняя стадия: макрофаги и клеточный мусор
  • Поздняя стадия: кавитация или кистозное пространство
  • Бактериальные инфекции: клеточный мусор и нейтрофилы
Фибриноидное повреждение толстые стенки с фрагментами внедренного клеточного мусора, сыворотки и фибрина
  • Пораженные некротические участки окрашиваются в интенсивный красный цвет.
  • Казеозный некроз
    Некроз жира
    • Тип некроза, при котором жировые клетки отмирают преждевременно в результате ферментативной реакции или травматического повреждения.
    Гангренозный некроз

    Клеточные включения

    Стеатоз

    Кальцификация

    33 Описание Диффузная кальцификация нормальной ткани
    Обзор кальцификации
    Метастатическая кальцификация Дистрофическая кальцификация
    Вовлеченные ткани
    • Нормальные ткани почек, легких, слизистой оболочки желудка и кровеносных сосудов
    • Вовлеченные ткани быстро теряют кислоту.
    • Повышенный уровень pH способствует отложению кальция.
    • Аномальные некротические ткани или дегенерированные участки воспаления
    Этиология

    Сопутствующие состояния / ткани

    Сердечно-сосудистые заболевания, сердечно-сосудистые заболевания

    сердечно-сосудистые заболевания , кальциноз атеросклеротических бляшек
  • Некроз жира (напр.г., панкреатит), жидкий некроз хронических абсцессов
  • Инфаркт
  • Аутоиммунные заболевания соединительной ткани (например, системный склероз, CREST-синдром, дерматомиозит)
  • Хроническая гранулематозная болезнь
  • Инфекционные причины: туберкулез (легких и перикард), шистосомоз, токсоплазмоз, краснуха, врожденная ЦМВ-инфекция
  • Содержание кальция в сыворотке

    Гистология

    • Гиалин
      • Тип белка, который является эозинофильным при окрашивании H&E (также окрашивается в красный цвет при окрашивании по Ван Гизону) и кажется однородно прозрачным при световой микроскопии.
      • Может использоваться для различения внутриклеточного и внеклеточного гиалина
    • Гиалинизация: замена нормальной ткани белками, которые имеют эозинофильный, гомогенный, полупрозрачный вид при окрашивании H&E

    Внутриклеточный гиалин

    Внеклеточный гиалин

    Список литературы

    1. Фам-Хай Л.А., Хе Х., Фам-Хай К.Свободные радикалы, антиоксиданты при болезнях и здоровье .. Международный биомедицинский журнал: IJBS . 2008; 4 (2): с.89-96.
    2. Лобо В., Патил А., Фатак А., Чандра Н. Свободные радикалы, антиоксиданты и функциональные продукты питания: влияние на здоровье человека. Обзоры фармакогнозии . 2010; 4 (8): с.118. DOI: 10.4103 / 0973-7847.70902. | Открыть в режиме чтения QxMD
    3. Игходаро О.М., Акинлое О.А. Антиоксиданты первой линии защиты — супероксиддисмутаза (SOD), каталаза (CAT) и глутатионпероксидаза (GPX): их фундаментальная роль во всей системе антиоксидантной защиты. Александрийский медицинский журнал . 2018; 54 (4): с.287-293. DOI: 10.1016 / j.ajme.2017.09.001. | Открыть в режиме чтения QxMD
    4. Eltzschig HK, Eckle T. Ишемия и реперфузия — от механизма к трансляции. Нат Мед . 2011; 17 (11): с.1391-1401. DOI: 10,1038 / нм 2507. | Открыть в режиме чтения QxMD
    5. Kalogeris T, Baines CP, Krenz M, Korthuis RJ. Клеточная биология ишемии / реперфузионного повреждения.. Международный обзор клеточной и молекулярной биологии . 2012; 298 : с.229-317. DOI: 10.1016 / B978-0-12-394309-5.00006-7. | Открыть в режиме чтения QxMD
    6. Ахмад I, Барнетсон Р.Дж., Кришна Н.С. Кератинизирующая плоская метаплазия мочевого пузыря: обзор. Урол Инт . 2008; 81 год (3): с.247-251. DOI: 10,1159 / 000151398. | Открыть в режиме чтения QxMD
    7. Михалопулос Г.К. Регенерация печени .. J Cell Physiol .2007; 213 (2): с.286-300. DOI: 10.1002 / jcp.21172. | Открыть в режиме чтения QxMD
    8. Герини Д. Насосы для Ca2 + и обменники Na + / Ca2 + .. Biometals . 1998; 11 (4): с.319-30.

    1.1 Темы и концепции биологии — концепции биологии — 1-е канадское издание

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Определить и описать свойства жизни
    • Опишите уровни организации живых существ
    • Перечислите примеры различных дисциплин биологии

    Посмотрите видео об эволюции путем естественного отбора.

    Биология — это наука, изучающая жизнь. Что такое жизнь? Это может показаться глупым вопросом с очевидным ответом, но дать определение жизни непросто. Например, раздел биологии под названием вирусология изучает вирусы, которые обладают некоторыми характеристиками живых существ, но не имеют других. Оказывается, хотя вирусы могут атаковать живые организмы, вызывать заболевания и даже воспроизводиться, они не соответствуют критериям, которые биологи используют для определения жизни.

    С самого начала биология боролась с четырьмя вопросами: какие общие свойства делают что-то «живым»? Как функционируют эти различные живые существа? Столкнувшись с удивительным разнообразием жизни, как нам организовать различные виды организмов, чтобы лучше понять их? И, наконец, что в конечном итоге пытаются понять биологи, как возникло это разнообразие и как оно продолжается? Поскольку новые организмы открываются каждый день, биологи продолжают искать ответы на эти и другие вопросы.

    Все группы живых организмов обладают множеством ключевых характеристик или функций: порядок, чувствительность или реакция на стимулы, размножение, адаптация, рост и развитие, регуляция, гомеостаз и обработка энергии. Вместе эти восемь характеристик определяют жизнь.

    Заказать

    Организмы — это высокоорганизованные структуры, состоящие из одной или нескольких клеток. Даже очень простые одноклеточные организмы чрезвычайно сложны. Внутри каждой ячейки атомы составляют молекулы.Они, в свою очередь, составляют клеточные компоненты или органеллы. Многоклеточные организмы, которые могут состоять из миллионов отдельных клеток, имеют преимущество перед одноклеточными организмами в том, что их клетки могут быть специализированы для выполнения определенных функций и даже принесены в жертву в определенных ситуациях на благо всего организма в целом. Как эти специализированные клетки объединяются, чтобы сформировать такие органы, как сердце, легкие или кожа у организмов, подобных жабе, показанной на рисунке 1.2, будет обсуждаться позже.

    Рисунок 1.2 Жаба представляет собой высокоорганизованную структуру, состоящую из клеток, тканей, органов и систем органов.

    Чувствительность или реакция на стимулы

    Организмы реагируют на разнообразные раздражители. Например, растения могут наклоняться к источнику света или реагировать на прикосновения. Даже крошечные бактерии могут двигаться к химическим веществам или от них (процесс, называемый хемотаксисом) или свету (фототаксис). Движение к стимулу считается положительной реакцией, а движение от стимула — отрицательной.

    Рис. 1.3. Листья этого чувствительного растения (Mimosa pudica) мгновенно опадают и складываются при прикосновении. Через несколько минут растение возвращается в нормальное состояние.

    Концепция в действии


    Посмотрите это видео, чтобы увидеть, как чувствительное растение реагирует на прикосновение.

    Репродукция

    Одноклеточные организмы воспроизводятся, сначала дублируя свою ДНК, которая является генетическим материалом, а затем делят его поровну, когда клетка готовится к делению с образованием двух новых клеток.Многие многоклеточные организмы (состоящие из более чем одной клетки) производят специализированные репродуктивные клетки, из которых формируются новые особи. Когда происходит размножение, ДНК, содержащая гены, передается потомству организма. Эти гены являются причиной того, что потомство будет принадлежать к одному виду и иметь характеристики, аналогичные родительским, такие как цвет меха и группа крови.

    Адаптация

    Все живые организмы «приспособлены» к окружающей среде. Биологи называют это приспособление адаптацией, и это следствие эволюции путем естественного отбора, который действует во всех родословных воспроизводящих организмов.Примеры приспособлений разнообразны и уникальны: от термостойких архей, обитающих в кипящих горячих источниках, до длины языка моли, питающейся нектаром, которая соответствует размеру цветка, которым она питается. Все адаптации усиливают репродуктивный потенциал человека, который их демонстрирует, включая их способность выживать и воспроизводить потомство. Адаптации непостоянны. По мере изменения окружающей среды естественный отбор заставляет характеристики особей в популяции отслеживать эти изменения.

    Рост и развитие

    Организмы растут и развиваются в соответствии с конкретными инструкциями, закодированными их генами. Эти гены предоставляют инструкции, которые будут управлять клеточным ростом и развитием, гарантируя, что детеныши вида вырастут и будут демонстрировать многие из тех же характеристик, что и его родители.

    Рисунок 1.4 Несмотря на то, что нет двух одинаковых котят, эти котята унаследовали гены от обоих родителей и обладают многими схожими характеристиками.

    Постановление

    Даже самые маленькие организмы сложны и требуют множества регуляторных механизмов для координации внутренних функций, таких как транспорт питательных веществ, реакция на раздражители и преодоление стрессов окружающей среды.Например, системы органов, такие как пищеварительная или кровеносная системы, выполняют определенные функции, такие как перенос кислорода по всему телу, удаление отходов, доставка питательных веществ в каждую клетку и охлаждение тела.

    Гомеостаз

    Для правильного функционирования клеткам необходимы соответствующие условия, такие как правильная температура, pH и концентрация различных химических веществ. Однако эти условия могут меняться от одного момента к другому. Организмы способны поддерживать внутренние условия в узком диапазоне почти постоянно, несмотря на изменения окружающей среды, посредством процесса, называемого гомеостазом или «устойчивым состоянием» — способности организма поддерживать постоянные внутренние условия.Например, многие организмы регулируют температуру своего тела с помощью процесса, известного как терморегуляция. Организмы, обитающие в холодном климате, такие как белый медведь, имеют структуру тела, которая помогает им выдерживать низкие температуры и сохранять тепло тела. В жарком климате у организмов есть методы (например, потоотделение у людей или одышка у собак), которые помогают им отводить избыточное тепло тела.

    Рис. 1.5 Белые медведи и другие млекопитающие, обитающие в покрытых льдом регионах, поддерживают температуру своего тела, выделяя тепло и уменьшая потери тепла через густой мех и плотный слой жира под кожей.

    Энергетика

    Все организмы (например, калифорнийский кондор, показанный на рис. 1.6) используют источник энергии для своей метаболической активности. Некоторые организмы улавливают энергию солнца и превращают ее в химическую энергию в пище; другие используют химическую энергию от молекул, которые они принимают.

    Рис. 1.6 Калифорнийскому кондору требуется много энергии для полета. Химическая энергия, получаемая из пищи, используется для полета. Калифорнийские кондоры — вымирающий вид; Ученые постарались прикрепить к каждой птице бирку с крыльями, чтобы помочь им идентифицировать и определить местонахождение каждой отдельной птицы.

    Живые существа высокоорганизованы и структурированы, следуя иерархии от малого до большого. Атом — самая маленькая и самая фундаментальная единица материи. Он состоит из ядра, окруженного электронами. Атомы образуют молекулы. Молекула представляет собой химическую структуру, состоящую по крайней мере из двух атомов, скрепленных химической связью. Многие молекулы, которые имеют биологическое значение, — это макромолекул , большие молекулы, которые обычно образуются путем объединения более мелких единиц, называемых мономерами.Примером макромолекулы является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), которая содержит инструкции для функционирования организма, который ее содержит.

    Рис. 1.7. Молекула, как и эта большая молекула ДНК, состоит из атомов.

    Концепция в действии


    Чтобы увидеть анимацию этой молекулы ДНК, щелкните здесь.

    Некоторые клетки содержат агрегаты макромолекул, окруженные мембранами; их называют органеллами. Органеллы — это небольшие структуры, которые существуют внутри клеток и выполняют специальные функции.Все живые существа состоят из клеток; Сама клетка — это наименьшая фундаментальная единица структуры и функции в живых организмах. (Это требование является причиной того, почему вирусы не считаются живыми: они не состоят из клеток. Чтобы создать новые вирусы, они должны вторгнуться и захватить живую клетку; только тогда они могут получить материалы, необходимые для воспроизводства.) Некоторые организмы состоят из одна клетка, а другие — многоклеточные. Клетки подразделяются на прокариотические и эукариотические. Прокариоты — это одноклеточные организмы, в которых отсутствуют органеллы, окруженные мембраной, и ядра, окруженные ядерными мембранами; напротив, клетки эукариот действительно имеют мембраносвязанные органеллы и ядра.

    В большинстве многоклеточных организмов клетки объединяются в ткани, которые представляют собой группы похожих клеток, выполняющих одну и ту же функцию. Органы — это совокупность тканей, сгруппированных по общей функции. Органы есть не только у животных, но и у растений. Система органов — это более высокий уровень организации, состоящий из функционально связанных органов. Например, у позвоночных животных есть много систем органов, таких как система кровообращения, которая транспортирует кровь по всему телу, в легкие и из них; он включает такие органы, как сердце и кровеносные сосуды.Организмы — это индивидуальные живые существа. Например, каждое дерево в лесу — это организм. Одноклеточные прокариоты и одноклеточные эукариоты также считаются организмами и обычно называются микроорганизмами.

    Рис. 1.8 Биология исследует все аспекты жизни, от атома до всей Земли.

    Какое из следующих утверждений неверно?

    1. Ткани существуют внутри органов, которые существуют в системах органов.
    2. Сообщества существуют в популяциях, существующих в экосистемах.
    3. Органеллы существуют внутри клеток, которые существуют в тканях.
    4. Сообщества существуют в экосистемах, существующих в биосфере.

    Все особи вида, живущие на определенной территории, вместе называются популяцией. Например, в лесу может быть много белых сосен. Все эти сосны представляют собой популяцию белых сосен в этом лесу. На одной и той же территории могут проживать разные группы населения. Например, сосновый лес включает популяции цветковых растений, а также популяции насекомых и микробов.Сообщество — это совокупность популяций, населяющих определенную территорию. Например, все деревья, цветы, насекомые и другие популяции в лесу образуют лесное сообщество. Сам лес — это экосистема. Экосистема состоит из всех живых существ в определенной области вместе с абиотическими или неживыми частями этой среды, такими как азот в почве или дождевая вода. На самом высоком уровне организации биосфера представляет собой совокупность всех экосистем и представляет собой зоны жизни на Земле.Он включает землю, воду и части атмосферы.

    Биология имеет очень широкие масштабы, потому что на Земле существует огромное разнообразие форм жизни. Источником этого разнообразия является эволюция, процесс постепенного изменения, в ходе которого новые виды возникают из более старых видов. Эволюционные биологи изучают эволюцию живых существ во всем, от микроскопического мира до экосистем.

    В 18 веке ученый Карл Линней впервые предложил организовать известные виды организмов в иерархическую таксономию.В этой системе виды, которые наиболее похожи друг на друга, объединяются в группу, известную как род. Более того, похожие роды (множественное число родов) объединяются в одну семью. Такое группирование продолжается до тех пор, пока все организмы не будут собраны в группы на самом высоком уровне. Текущая таксономическая система теперь имеет восемь уровней в своей иерархии, от низшего к высшему, а именно: вид, род, семейство, порядок, класс, тип, царство и домен. Таким образом, виды группируются внутри родов, роды — внутри семейств, семейства — внутри отрядов и т. Д.

    Рис. 1.9. На этой диаграмме показаны уровни таксономической иерархии собаки, от самой широкой категории — домена до наиболее специфичных — видов.

    Самый высокий уровень, домен, является относительно новым дополнением к системе с 1990-х годов. В настоящее время ученые признают три области жизни: эукарию, архей и бактерии. Домен Eukarya содержит организмы, у которых есть клетки с ядрами. Он включает в себя царства грибов, растений, животных и несколько царств протистов. Археи — это одноклеточные организмы без ядер, среди которых много экстремофилов, обитающих в суровых условиях, например, в горячих источниках.Бактерии — еще одна совершенно другая группа одноклеточных организмов без ядер. И археи, и бактерии — прокариоты, неофициальное название клеток без ядер. Осознание в 1990-х годах того, что некоторые «бактерии», ныне известные как археи, генетически и биохимически отличаются от других бактериальных клеток, как и от эукариот, послужило основанием для рекомендации разделить жизнь на три области. Это резкое изменение в наших знаниях о дереве жизни демонстрирует, что классификации не являются постоянными и изменятся, когда станет доступна новая информация.

    В дополнение к иерархической таксономической системе Линней был первым, кто назвал организмы двумя уникальными именами, которые теперь называются биномиальной системой именования. До Линнея использование общих названий для обозначения организмов вызывало путаницу, поскольку в этих общих названиях существовали региональные различия. Биномиальные названия состоят из названия рода (которое пишется с большой буквы) и названия вида (все в нижнем регистре). При печати оба имени выделяются курсивом. Каждому виду дается уникальный бином, признанный во всем мире, так что ученый в любом месте может знать, о каком организме идет речь.Например, североамериканская голубая сойка известна под уникальным именем Cyanocitta cristata . Наш собственный вид — Homo sapiens .

    Рисунок 1.10 Эти изображения представляют разные домены. Микрофотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывает: (а) бактериальные клетки принадлежат к домену «Бактерии», а (б) экстремофилы, все вместе видимые в виде цветных матов в этом горячем источнике, принадлежат домену архей. И (c) подсолнечник, и (d) лев являются частью домена Eukarya.

    Эволюция в действии

    Карл Вёзе и филогенетическое древо

    Эволюционные отношения различных форм жизни на Земле можно обобщить на филогенетическом дереве.Филогенетическое дерево — это диаграмма, показывающая эволюционные отношения между биологическими видами, основанные на сходстве и различии генетических или физических признаков или того и другого. Филогенетическое дерево состоит из точек ветвления или узлов и ветвей. Внутренние узлы представляют предков и являются точками эволюции, когда на основании научных данных считается, что предок разделился и образовал два новых вида. Длину каждой ветви можно рассматривать как оценку относительного времени.

    В прошлом биологи сгруппировали живые организмы в пять царств: животные, растения, грибы, простейшие и бактерии.Однако новаторская работа американского микробиолога Карла Вёзе в начале 1970-х годов показала, что жизнь на Земле развивалась по трем линиям, которые теперь называются областями — бактерии, археи и эукарии. Вёзе предложил домен как новый таксономический уровень, а архей как новый домен, чтобы отразить новое филогенетическое дерево. Многие организмы, принадлежащие к домену архей, живут в экстремальных условиях и называются экстремофилами. Чтобы построить свое дерево, Вёзе использовал генетические отношения, а не сходства, основанные на морфологии (форме).В филогенетических исследованиях использовались различные гены. Дерево Вёза было построено на основе сравнительного секвенирования универсально распределенных генов, обнаруженных в некоторых слегка измененных формах в каждом организме, сохраненных (это означает, что эти гены оставались лишь незначительно измененными на протяжении всей эволюции) и соответствующей длины.

    Рис. 1.11 Это филогенетическое дерево было построено микробиологом Карлом Вёзе с использованием генетических родств. Дерево показывает разделение живых организмов на три области: бактерии, археи и эукарии.Бактерии и археи — это организмы без ядра или других органелл, окруженных мембраной, и поэтому они являются прокариотами.

    Посмотреть видео о науке и медицине

    Область биологии обширна и поэтому включает множество разделов и дисциплин. Биологи могут изучать одну из этих субдисциплин и работать в более узкой области. Например, молекулярная биология изучает биологические процессы на молекулярном уровне, включая взаимодействия между молекулами, такими как ДНК, РНК и белки, а также то, как они регулируются.Микробиология — это изучение структуры и функций микроорганизмов. Сама по себе это довольно обширная ветвь, и в зависимости от предмета изучения, среди прочего, также присутствуют физиологи-микробиологи, экологи и генетики.

    Другая область биологических исследований, нейробиология, изучает биологию нервной системы, и хотя она считается разделом биологии, она также признана междисциплинарной областью исследований, известной как нейробиология. Из-за своей междисциплинарной природы эта дисциплина изучает различные функции нервной системы с использованием молекулярных, клеточных, связанных с развитием, медицинских и вычислительных подходов.

    Рис. 1.12. Исследователи работают над раскопками окаменелостей динозавров на месте в Кастельоне, Испания.

    Палеонтология, еще один раздел биологии, использует окаменелости для изучения истории жизни. Зоология и ботаника изучают животных и растения соответственно. Биологи могут также специализироваться как биотехнологи, экологи или физиологи, и это лишь некоторые области. Биотехнологи применяют знания биологии для создания полезных продуктов. Экологи изучают взаимодействие организмов в окружающей их среде.Физиологи изучают работу клеток, тканей и органов. Это лишь небольшая часть из множества областей, которыми могут заниматься биологи. От нашего собственного тела до мира, в котором мы живем, открытия в биологии могут влиять на нас самым прямым и важным образом. Мы зависим от этих открытий для нашего здоровья, наших источников пищи и преимуществ, предоставляемых нашей экосистемой. Из-за этого знание биологии может помочь нам в принятии решений в нашей повседневной жизни.

    Развитие технологий в двадцатом веке, которое продолжается и сегодня, особенно технология описания и манипулирования генетическим материалом, ДНК, изменила биологию.Эта трансформация позволит биологам продолжить более детальное понимание истории жизни, того, как устроено человеческое тело, нашего человеческого происхождения и того, как люди могут выжить как вид на этой планете, несмотря на стрессы, вызванные нашей растущей численностью. Биологи продолжают разгадывать огромные загадки жизни, предполагая, что мы только начали понимать жизнь на планете, ее историю и наши отношения с ней. По этой и другим причинам знание биологии, полученное с помощью этого учебника и других печатных и электронных средств массовой информации, должно быть полезным в любой области, в которой вы работаете.

    Судмедэксперт

    Судебная медицина — это применение науки для ответа на вопросы, связанные с законом. Судебными экспертами могут быть биологи, химики и биохимики. Судебно-медицинские эксперты предоставляют научные доказательства для использования в судах, и их работа включает изучение следов, связанных с преступлениями. За последние несколько лет интерес к судебной медицине возрос, возможно, из-за популярных телешоу, в которых судмедэксперты участвуют в работе.Кроме того, развитие молекулярных методов и создание баз данных ДНК обновили виды работы, которую могут выполнять судебно-медицинские эксперты. Их служебная деятельность в первую очередь связана с преступлениями против людей, такими как убийства, изнасилования и нападения. Их работа включает анализ таких образцов, как волосы, кровь и другие биологические жидкости, а также обработку ДНК, обнаруженной во многих различных средах и материалах. Судмедэксперты также анализируют другие биологические доказательства, оставленные на местах преступления, такие как части насекомых или пыльцевые зерна.Студенты, которые хотят продолжить карьеру в области судебной медицины, скорее всего, должны будут пройти курсы химии и биологии, а также некоторые интенсивные курсы математики.

    Рис. 1.13. Этот судебно-медицинский эксперт работает в комнате для извлечения ДНК в Лаборатории уголовных расследований армии США.

    Биология — наука о жизни. Все живые организмы обладают несколькими ключевыми свойствами, такими как порядок, чувствительность или реакция на раздражители, размножение, адаптация, рост и развитие, регуляция, гомеостаз и обработка энергии.Живые существа высокоорганизованы по иерархии, которая включает атомы, молекулы, органеллы, клетки, ткани, органы и системы органов. Организмы, в свою очередь, подразделяются на популяции, сообщества, экосистемы и биосферу. Эволюция является источником огромного биологического разнообразия на Земле сегодня. Диаграмма, называемая филогенетическим деревом, может использоваться для демонстрации эволюционных взаимоотношений между организмами. Биология очень широка и включает множество разделов и дисциплин. Примеры включают, среди прочего, молекулярную биологию, микробиологию, нейробиологию, зоологию и ботанику.

    атом: основная единица вещества, которая не может быть разрушена с помощью обычных химических реакций

    биология: изучение живых организмов и их взаимодействия друг с другом и окружающей их средой

    биосфера: совокупность всех экосистем на Земле

    ячейка: наименьшая фундаментальная единица структуры и функции живых существ

    сообщество: совокупность популяций, населяющих определенную территорию

    экосистема: все живые существа в определенной области вместе с абиотическими, неживыми частями этой среды

    эукариот: организм с клетками, имеющими ядра и мембраносвязанные органеллы

    эволюция: процесс постепенного изменения популяции, который также может привести к появлению новых видов, происходящих от более старых видов

    гомеостаз: способность организма поддерживать постоянные внутренние условия

    макромолекула: большая молекула, обычно образованная путем соединения более мелких молекул

    молекула: химическая структура, состоящая как минимум из двух атомов, удерживаемых вместе химической связью

    орган: структура, состоящая из тканей, работающих вместе для выполнения общей функции

    Система органов: верхний уровень организации, состоящий из функционально связанных органов

    органелла: мембраносвязанный отсек или мешок внутри клетки

    организм: индивидуальное живое существо

    филогенетическое дерево: диаграмма, показывающая эволюционные отношения между биологическими видами на основе сходства и различий в генетических или физических признаках или обоих

    Население: все особи одного вида, живущие на определенной территории

    прокариот: одноклеточный организм без ядра или любой другой мембраносвязанной органеллы

    ткань: группа подобных клеток, выполняющих ту же функцию

    Атрибуция в СМИ

    5.3 Активный транспорт — Биология 2e

    Цели обучения

    К концу этого раздела вы сможете сделать следующее:

    • Понять, как электрохимические градиенты влияют на ионы
    • Различают первичный активный транспорт и вторичный активный транспорт

    Активные транспортные механизмы требуют энергии клетки, обычно в форме аденозинтрифосфата (АТФ). Если вещество должно двигаться в клетку против своего градиента концентрации — то есть, если концентрация вещества внутри клетки больше, чем его концентрация во внеклеточной жидкости (и наоборот) — клетка должна использовать энергию для перемещения вещества.Некоторые активные механизмы транспорта перемещают материалы с небольшой молекулярной массой, такие как ионы, через мембрану. Другие механизмы транспортируют гораздо более крупные молекулы.

    Электрохимический градиент

    Мы обсуждали простые градиенты концентрации — разную концентрацию вещества в пространстве или мембране — но в живых системах градиенты более сложны. Поскольку ионы входят в клетки и выходят из них, и поскольку клетки содержат белки, которые не перемещаются через мембрану и в основном заряжены отрицательно, существует также электрический градиент, разница зарядов через плазматическую мембрану.Внутренняя часть живых клеток электрически отрицательна по отношению к внеклеточной жидкости, в которой они купаются, и в то же время клетки имеют более высокие концентрации калия (K + ) и более низкие концентрации натрия (Na + ), чем внеклеточная жидкость. Таким образом, в живой клетке градиент концентрации Na + имеет тенденцию загонять его в клетку, а его электрический градиент (положительный ион) также толкает ее внутрь к отрицательно заряженной внутренней части. Однако с другими элементами, такими как калий, ситуация сложнее.Электрический градиент K + , положительного иона, также направляет его в клетку, но градиент концентрации K + вытесняет K + из клетки (рис. 5.16). Мы называем комбинированный градиент концентрации и электрический заряд, который влияет на ион, его электрохимическим градиентом.

    Визуальное соединение

    Визуальное соединение

    Фигура 5,16 Электрохимические градиенты возникают в результате комбинированного воздействия градиентов концентрации и электрических градиентов.Структуры, обозначенные буквой A, представляют собой белки. (кредит: «Synaptitude» / Wikimedia Commons)

    Введение раствора калия в кровь смертельно опасно. Так умирают субъекты смертной казни и эвтаназии. Как вы думаете, почему инъекция раствора калия смертельна?

    Фигура 5,17 Протонный градиент обеспечивает энергией вторичный активный переносчик. Протонный насос создает электрохимический градиент протонов (ионы водорода, H +), используя АТФ для управления первичным активным транспортом.Этот градиент обеспечивает совместный / вторичный транспорт сахарозы против ее градиента концентрации, когда протоны спускаются вниз по градиенту концентрации через свой мембранный белок-котранспортер. Предоставлено: Рао, А. Таг, А. и Райан, К., Биологический факультет Техасского университета A&M.

    Движение против градиента

    Чтобы перемещать вещества против концентрации или электрохимического градиента, клетка должна использовать энергию. Эта энергия поступает из АТФ, вырабатываемого в процессе метаболизма клетки.Активные транспортные механизмы или насосы работают против электрохимических градиентов. Мелкие вещества постоянно проходят через плазматические мембраны. Активный транспорт поддерживает концентрации ионов и других веществ, которые необходимы живым клеткам перед лицом этих пассивных движений. Клетка может тратить большую часть своей метаболической энергии на поддержание этих процессов. (Эритроцит использует большую часть своей метаболической энергии для поддержания необходимого клетке дисбаланса между внешними и внутренними уровнями натрия и калия.) Поскольку активные транспортные механизмы зависят от метаболизма клетки для получения энергии, они чувствительны ко многим метаболическим ядам, которые мешают доставке АТФ.

    Существует два механизма транспортировки материалов с малой молекулярной массой и небольших молекул. Первичный активный транспорт перемещает ионы через мембрану и создает разницу в заряде на этой мембране, которая напрямую зависит от АТФ. Вторичный активный транспорт напрямую не требует АТФ: вместо этого это движение материала из-за электрохимического градиента, установленного первичным активным транспортом.

    Белки-носители для активного транспорта

    Важной мембранной адаптацией для активного транспорта является присутствие определенных белков-переносчиков или насосов для облегчения движения: существует три типа белков или транспортеров (рис. 5.18). Унипортер несет один конкретный ион или молекулу. Симпортер переносит два разных иона или молекулы в одном направлении. Антипортер также несет два разных иона или молекулы, но в разных направлениях. Все эти переносчики также могут транспортировать небольшие незаряженные органические молекулы, такие как глюкоза.Эти три типа белков-носителей также облегчают диффузию, но им не требуется АТФ для работы в этом процессе. Некоторыми примерами насосов для активного транспорта являются Na + -K + ATPase, которая переносит ионы натрия и калия, и H + -K + ATPase, которая переносит ионы водорода и калия. Оба они являются белками-носителями антипортеров. Двумя другими белками-носителями являются Ca 2+ ATPase и H + ATPase, которые несут только ионы кальция и только ионы водорода соответственно.Оба насоса.

    Фигура 5,18 Унипортер несет одну молекулу или ион. Симпортер переносит две разные молекулы или ионы в одном направлении. Антипортер также несет две разные молекулы или ионы, но в разных направлениях. (кредит: модификация работы «Лупаск» / Wikimedia Commons)

    Основной активный транспорт

    Первичный активный транспорт, который функционирует с активным транспортом натрия и калия, позволяет осуществлять вторичный активный транспорт.Второй метод транспортировки все еще активен, поскольку он зависит от использования энергии, как и первичный транспорт (рис. 5.19).

    Фигура 5,19 Натрий-калиевый насос является примером первичного активного транспорта, который перемещает ионы, в данном случае ионы натрия и калия, через мембрана против их градиентов концентрации. Энергия обеспечивается гидролизом АТФ. Три иона натрия выводятся из ячейки на каждые 2 ионы калия, которые попадают в клетку.Это создает электрохимический градиент, который имеет решающее значение для живых клеток. Предоставлено: Рао А., Райан К. и Флетчер. S. Биологический факультет Техасского университета A&M.

    Одним из наиболее важных насосов в клетках животных является натриево-калиевый насос (Na + -K + АТФаза), который поддерживает электрохимический градиент (и правильные концентрации Na + и K + ). в живых клетках. Натрий-калиевый насос перемещает K + в ячейку, одновременно выводя Na + , в соотношении три Na + на каждые два введенных иона K + .АТФаза Na + -K + существует в двух формах, в зависимости от ее ориентации внутри или снаружи клетки и ее сродства к ионам натрия или калия. Процесс состоит из следующих шести шагов.

    1. Поскольку фермент ориентирован внутрь клетки, носитель имеет высокое сродство к ионам натрия. С белком связываются три иона.
    2. Белок-носитель гидролизует АТФ, и к нему присоединяется низкоэнергетическая фосфатная группа.
    3. В результате носитель меняет форму и переориентируется по направлению к внешней стороне мембраны.Сродство белка к натрию снижается, и три иона натрия покидают носитель.
    4. Изменение формы увеличивает сродство носителя к ионам калия, и два таких иона присоединяются к белку. Впоследствии низкоэнергетическая фосфатная группа отделяется от носителя.
    5. После удаления фосфатной группы и присоединения ионов калия белок-носитель перемещается внутрь клетки.
    6. Белок-носитель в своей новой конфигурации имеет пониженное сродство к калию, и два иона перемещаются в цитоплазму.Теперь белок имеет более высокое сродство к ионам натрия, и процесс начинается снова.

    В результате этого процесса произошло несколько событий. В этот момент снаружи клетки больше ионов натрия, чем внутри, и больше ионов калия внутри, чем снаружи. На каждые три выходящих иона натрия входят два иона калия. Это приводит к тому, что внутреннее пространство становится немного более отрицательным по сравнению с внешним. Эта разница в загрузке важна для создания условий, необходимых для вторичного процесса.Таким образом, натрий-калиевый насос является электрогенным насосом (насос, который создает дисбаланс заряда), создающий электрический дисбаланс на мембране и способствующий мембранному потенциалу.

    Ссылка на обучение

    Ссылка на обучение

    Посмотрите это видео, чтобы увидеть симуляцию активного транспорта в натрий-калиевой АТФазе.

    Вторичный активный транспорт (совместный транспорт)

    Вторичный активный транспорт использует кинетическую энергию ионов натрия для переноса других соединений против градиента их концентрации в клетку.Поскольку концентрация ионов натрия увеличивается за пределами плазматической мембраны из-за первичного активного процесса переноса, это создает электрохимический градиент. Если белок канала существует и открыт, ионы натрия будут двигаться вниз по градиенту его концентрации через мембрану. Это движение переносит другие вещества, которые должны быть прикреплены к тому же транспортному белку, чтобы ионы натрия могли перемещаться через мембрану (рис. 5.20). Таким образом в клетку попадают многие аминокислоты, а также глюкоза.Этот вторичный процесс также накапливает высокоэнергетические ионы водорода в митохондриях клеток растений и животных для производства АТФ. Потенциальная энергия, которая накапливается в накопленных ионах водорода, преобразуется в кинетическую энергию, когда ионы проникают через АТФ-синтазу белка канала, и эта энергия затем преобразует АДФ в АТФ.

    Визуальное соединение

    Визуальное соединение

    Фигура 5.20 Электрохимический градиент (концентрация Na + — зеленый) создается первичным активным транспортом.Энергия, запасенная в градиенте Na + , обеспечивает энергию для перемещения других веществ против их градиентов концентрации (глюкоза — синий), процесс, называемый ко-транспортом или вторичным активным транспортом. Предоставлено: Рао А., Райан К., Тэг А. и Флетчер С., Биологический факультет Техасского университета A&M.

    Если pH вне клетки снижается, ожидаете ли вы, что количество аминокислот, транспортируемых в клетку, увеличится или уменьшится?

    Адаптации белков у архей-экстремофилов

    Экстремофилы, особенно у архей, обладают множеством адаптаций, благодаря которым их клеточные белки остаются стабильными и активными в экстремальных условиях, в которых они живут.Вместо того, чтобы иметь один базовый набор адаптаций, который работает для всех сред, археи развили отдельные функции белка, которые настраиваются для каждой среды. Мы разделили архей на три основные группы, чтобы описать то, что известно об их белковой адаптации: термофильные, психрофильные и галофильные. Термофильные белки, как правило, имеют выраженное гидрофобное ядро ​​и повышенные электростатические взаимодействия для поддержания активности при высоких температурах. Психрофильные белки имеют пониженное гидрофобное ядро ​​и менее заряженную белковую поверхность, что позволяет сохранять гибкость и активность при низких температурах.Галофильные белки характеризуются повышенным отрицательным поверхностным зарядом из-за повышенного содержания кислых аминокислот и пептидных вставок, что компенсирует экстремальные ионные условия. Хотя ацидофилы, алкалифилы и пьезофилы представляют собой отдельный класс архей, их белковая адаптация к pH и давлению менее заметна. Понимая белковую адаптацию, используемую экстремофилами архей, мы надеемся, что сможем разработать и использовать белки для промышленных, экологических и биотехнологических приложений, где для жизнедеятельности требуется функционирование в экстремальных условиях.

    1. Введение

    Археи процветают во многих различных экстремальных условиях: жара, холод, кислота, щелочь, соленость, давление и радиация. Эти различные условия окружающей среды с течением времени позволили архее эволюционировать в своей экстремальной среде, так что они адаптировались к ней и, фактически, им трудно адаптироваться к менее экстремальным условиям. Это отражено в современной таксономии архей [1, 2]. В настоящее время археи делятся на четыре ветви: галофилы, психрофилы, термофилы и ацидофилы.Хотя мы обычно думаем о метаногенах как об отдельной группе, на самом деле они распространены среди всех других ветвей в архее. Для целей этого обзора мы включили их в их основную ветвь (например, термофилы), где это необходимо.

    Интересно пересекаются ветви архей. Например, алкалифилы (которые не являются одной из упомянутых выше ветвей) группируются с галофилами, потому что две группы архей не только встречаются вместе в соленой среде, но и имеют общие геномные сходства.Ветви термофилов и ацидофилов также сгруппированы вместе, не только потому, что большинство кислотных сред горячее, но и потому, что эти группы также имеют общие геномы. Многие архейные пьезофилы (организмы, любящие давление) обитают в глубоководных термальных источниках, что делает их очень похожими на гипертермофилов. Психрофилы также разделяют ветви с галофилами; опять же по тем же причинам психрофильная среда может быть гиперсоленой.

    При исследовании различных архей мы разделили белковые адаптации архей на три основные категории: термофильные, психрофильные и галофильные.Организмы, которые можно классифицировать более чем в одну ветвь, могут демонстрировать одну или несколько из этих трех основных адаптаций с небольшими корректировками для приспособления к условиям окружающей среды. Например, галоалкалифилы, такие как Natronomonas pharaonis , имеют свою первичную белковую адаптацию как галофильные без явной адаптации к экстремально основной среде (pH> 11), в которой они живут [3]. Для N. pharaonis это соответствует условиям их клеток, которые являются умеренно основными, но чрезвычайно солеными. N. pharaonis допускает попадание соли через клеточную мембрану для высокой внутренней концентрации соли, но внутриклеточный pH умеренно щелочной (pH ~ 8).

    Ацидофильные белки, некоторые из которых демонстрируют повышенный отрицательный поверхностный заряд, также проявляют термофильные адаптации [4, 5]. Ацидофилы выкачивают протоны из клетки, чтобы поддерживать умеренно кислую цитоплазму. pH варьируется от 5,0 до 6,5, что позволяет их первичной адаптации к термофильной среде. Мезофильные ацидофилы подтверждают это, поскольку их белки имеют небольшие изменения, которые могут объяснить их активность в кислой цитоплазме [4, 5].

    С другой стороны, термофилы, психрофилы и галофилы эволюционировали, чтобы жить в своих условиях окружающей среды, а не приспосабливать способы их обхода. Очевидно, термофилы и психрофилы не могут изолировать тепло или холод, поэтому, помимо клеточных адаптаций, таких как вторичные метаболиты, которые поддерживают общую стабильность клетки, для выживания требовались новые белковые адаптации. Галофилам пришлось разработать систему, позволяющую справляться с экстремальным осмотическим стрессом. Чтобы облегчить это, они обладают мембранной системой для закачки калия при откачке натрия [6].Внутриклеточная концентрация калия в зависимости от вида галобактерий может колебаться от 1,2 до 4,5 М [6–9]. Это работает для поддержания осмотического баланса в клетке. Однако их белки требуют определенных функций, которые позволили бы им работать в таких экстремальных ионных условиях.

    В то время как три категории (термофилы, психрофилы и галофилы) архей демонстрируют наиболее очевидные белковые адаптации к окружающей их среде, эти адаптации не обязательно одинаковы для всех их белков.Это затрудняет изучение белковых адаптаций у всех экстремофилов, особенно архей, потому что нужно не просто искать какую-то одну тенденцию или особенность. Фактически, вариабельность адаптаций неоднократно отмечалась в исследованиях белков архей и экстремофилов [4, 12–14]. Было предложено множество причин для этих различий. Одна из наиболее убедительных идей состоит в том, что, имея всего несколько модификаций белка, фермент может проявлять активность в ряде условий [4, 14-17].Это дает организму некоторую гибкость для роста в различных условиях. Другая идея состоит в том, что различные белковые адаптации могут быть альтернативой регуляторным путям. Вдоль этих линий конкретный белок станет оптимально активным только при определенных условиях, что избавит организм от необходимости регулировать этот белок посредством клеточных сигнальных путей [18]. Это подтверждает мнение о том, что археи используют преимущества простых приспособлений, чтобы воспользоваться преимуществами экстремальных условий окружающей среды.

    Однако не все адаптации жестко закодированы в белковой последовательности. Это следует потому, что для того, чтобы белки функционировали в экстремальных условиях, необходимо учитывать множество структурных соображений, чтобы сбалансировать активность, гибкость и стабильность [19–21]. Некоторые проблемы структуры / функции белков в экстремальных условиях окружающей среды могут быть решены с помощью гибкого фолдинга [22]. Состояния сворачивания белков динамичны; они должны измениться, чтобы белковая складка приспособилась к различным условиям и оставалась активной.Однако существует предел того, сколько событий сворачивания может быть выполнено для решения экологических проблем [23, 24]. Например, цистеинил-тРНК синтетаза из Halobacterium salinarum sp. NRC-1 показывает небольшие изменения в активности и общей структуре, когда концентрация соли изменяется от 3,5 M до 2 M. Это изменение будет большим уменьшением солености для организма, что приведет к потере целостности клеточной мембраны и S -слой, но этот фермент толерантен к изменению.Фермент, вероятно, остается активным и структурно здоровым из-за локальных событий сворачивания, которые приспосабливаются к изменению условий. Когда соленость дополнительно снижается с 2 М до 0,5 М, фермент теряет активность и свою структуру, что указывает на то, что состояния сворачивания имеют свой предел и другие силы должны действовать, чтобы фермент оставался стабильным [16, 18]. Это отражает то, что изменения последовательности с течением времени привели к появлению свойств белка, которые защищают или сохраняют функцию в более тяжелых условиях.

    В этом обзоре мы суммируем известные в настоящее время белковые адаптации термофильных, психрофильных и галофильных архей.Попутно мы обсудим другие экстремальные условия, такие как кислота, щелочь и давление, для которых их адаптация считается вторичной по сравнению с основной адаптацией. Например, термоацидофилы, термопьезофилы и галогеналкалифилы будут обсуждаться с термофилами и галофилами. Это было сделано как попытка отсортировать «второстепенные» адаптации в их определяющую категорию, не игнорируя их.

    2. Термофильные белки

    Хотя термальные источники и горячие источники считаются одними из самых экстремальных сред на Земле, некоторые организмы могут процветать в этих враждебных местах, где погибнет большая часть жизни.Среди них термофилы и гипертермофилы. Хотя эти двое имеют схожие приспособления для выживания в этих экстремальных условиях, они различаются оптимумом роста температуры. Гипертермофилы могут оптимально расти при температуре до 105 ° C, тогда как термофилы классифицируются как растущие при температуре от 50 ° C до 70 ° C. При таких экстремальных температурах белки, лишенные необходимых адаптаций, подвергаются необратимому разворачиванию, обнажая гидрофобные ядра, что вызывает агрегацию [25]. Термофильные белки имеют несколько адаптаций, которые придают белку способность сохранять структуру и функционировать при экстремальных температурах.Некоторые из наиболее заметных — это увеличенное количество крупных гидрофобных остатков, дисульфидных связей и ионных взаимодействий.

    2.1. Олигомеризация и большое гидрофобное ядро ​​

    Наблюдаемые во многих термостабильных белках отклонения от стандартной четвертичной организации наблюдаются в их мезофильных аналогах. Считается, что эта стратегия увеличивает жесткость отдельных субъединиц, способствует более плотной упаковке гидрофобного ядра и снижает воздействие растворителя на гидрофобные остатки [14].Три ацетил-КоА-синтетазы и одна амилаза из термофильных архей подчеркивают аргумент, что отклонения в четвертичной структуре являются причинными факторами термостабильности этих ферментов, а также других.

    Недавние характеристики двух ацетил-КоА-синтетаз (ACS) из Ignicoccus hospitalis [26] и Pyrobaculum aerophilum [27] выявили новые структурные адаптации, а именно отличие олигомерного состояния от мезофильных вариантов.По сравнению со своими мезофильными аналогами эти гипертермофильные ферменты образуют октомеры, тогда как вышеупомянутые мезофилы следуют общей тенденции быть мономерами или гомодимерами. Однако ACS от Archaeoglobus fulgidus , гипертермофила с более низким оптимумом роста температуры, является тримером [28].

    Гидрофобный эффект становится все более важным для стабильности и фолдинга белка при повышении температуры. Это наблюдалось в фосфотриэстеразе из Sulfolobus solfataricus , где наблюдается более плотная упаковка из-за благоприятных гидрофобных взаимодействий на границе раздела димеров [29].Эта стратегия также могла быть принята гипертермофильными белками ACS для уменьшения общего отношения площади поверхности к объему в отношении отдельных субъединиц и гидрофобных областей, подверженных действию растворителя. Как следствие, это приведет к более плотной упаковке гидрофобного ядра, что является общей характеристикой всех термостабильных белков.

    В отличие от увеличения олигомерного состояния в ACS, исследование термостабильной амилазы из Pyrococcus furiosus (Pf) показало отсутствие олигомеризации по сравнению с мезофильными гомологами [30].Это первый пример функциональной мономерной версии фермента, гидролизующего циклодекстрин. Бактериальные гомологи нуждаются в димеризации, прежде чем станет очевидной активность [31]. Новый домен на N-конце (N ‘) позволяет амилазе Pf быть активным в качестве мономера, хотя, как следствие, ему не хватает переносящей активности, наблюдаемой у ферментов, гидролизующих CD. Бактериальный N-домен имеет петлю, которая простирается над активным сайтом, которая действует как структурная «крышка» и функционирует для стабилизации определенных субстратов, таких как мальтоза, тогда как амилаза Pf этого не делает.

    Хотя отсутствие четвертичной структуры и N-концевой петли в амилазе Pf изменяет субстратную специфичность, похоже, что эта модификация важна с точки зрения общей стабильности. Широко признано, что структурная гибкость в структуре белка неблагоприятна для термостабильных ферментов, даже несмотря на то, что не существует общепринятого механизма, с помощью которого достигается жесткость и прокси-стабильность [32]. В случае термостабильной ACS более высокое олигомерное состояние является благоприятным, тогда как амилаза Pf реализует противоположную стратегию: организация всех необходимых компонентов в единую субъединицу, создание структурной жесткости и содействие более плотной упаковке гидрофобного ядра.Оба случая подтверждают гипотезу о том, что изменения в четвертичной структуре могут быть полезными; однако в этой стратегии нет заметной тенденции.

    2.2. Увеличенное количество дисульфидных связей

    Дисульфидный мостик между остатками цистеина является важным третичным структурным элементом, который имеет первостепенное значение при определении общей структуры белка. Организмы во всех сферах жизни адаптировали свои собственные системы контроля над мостами, поскольку некоторые из них благоприятны, а некоторые полностью инактивируют ферменты.В термостабильных ферментах эти структурные элементы важны, поскольку было показано, что они повышают стабильность в термофильных белках и играют роль в предотвращении изменения четвертичной структуры. Исследования Cacciapuoti et al. [12, 33] и отдельно Boutz et al. [34] предоставляют доказательства этих утверждений.

    Одним из примеров использования дисульфидного мостика в термостабильности является 5′-дезокси-5’метилтиоаденозинфосфорилаза II, которая была использована для изучения мотива CXC и внутрисубъединичных дисульфидных связей в термофильных белках [12, 33].С помощью спектроскопии кругового дихроизма в восстанавливающих условиях было замечено, что гексамерный белок диссоциирует в свое мономерное состояние обратимым образом. Химическая и термическая денатурация привели к необратимой деградации структуры. Одиночные и двойные мутанты по ключевым остаткам цистеина продемонстрировали заметное изменение термостабильности. Наблюдалось, что нативный белок почти полностью денатурирован при 108 ° C, тогда как одиночный мутант (C262S) был сдвинут до 102 ° C и 99 ° C для двойного мутанта CXC (C259S / C261S).Эти результаты показали, что мутации в этих остатках снижают термостабильность, что свидетельствует о том, что образование дисульфидных мостиков является структурной адаптацией [12]. Примечательно, что мотив CXC образует напряженное 11-членное дисульфидное кольцо, которое считается полезным окислительно-восстановительным реагентом [35]. Эта новая адаптация параллельна таковой у дисульфидизомераз, функция которых заключается в поддержании правильного образования дисульфидных мостиков внутри белков [36].

    Было также показано, что дисульфидные связи играют важную роль в олигомеризации.Цитратсинтетаза из Pyrobaculum aerophilum проиллюстрировала использование дисульфидных связей для создания циклизованных белковых цепей, которые топологически связывают две мономерные субъединицы гомодимера [34]. Эта новая структурная особенность придает стабильность димеру, не позволяя разделить отдельные субъединицы. Эти два примера демонстрируют роль дисульфидного мостика в термостабильности либо из-за повышенной жесткости, либо из-за блокировки соседних цепей между мономерными субъединицами.

    2.3. Повышенное солевое связывание

    Солевое образование мостиков — преобладающая характеристика большинства термофильных ферментов по сравнению с их мезофильными вариантами [37]. Это контрастирует с выводами о том, что связывание солей может дестабилизировать мезофильные белки и является неблагоприятным по сравнению с гидрофобными взаимодействиями [38]. Штраф за десольватацию и энтропийные затраты, связанные с образованием пар ионов в солевых мостиках, легче преодолеть при более высоких температурах [39]. Когда эти термодинамические соображения игнорируются, солевые мостики становятся структурно стабилизирующим элементом, увеличивая теплоемкость белков за счет благоприятных зарядно-зарядовых взаимодействий.

    Экспериментальные исследования кругового дихроизма в термофильном рибосомном белке L30e из Thermococcus celer вызвали заметное изменение теплоемкости, не вызвав серьезных структурных изменений [39]. Мутации заряженных остатков, участвующих в образовании солевых мостиков, в гидрофобные остатки увеличивают изменение теплоемкости при разворачивании. Снижение может быть стратегией, используемой для увеличения термостабильности белков, отдавая предпочтение естественному свернутому состоянию по сравнению с развернутым.Это показывает, что благоприятные взаимодействия заряженных остатков (солевых мостиков) улучшают термическую стабильность белков [39].

    2.4. Повышенные поверхностные заряды

    Повсеместно в термостабильных белках происходит увеличение заряженных остатков на поверхности белков [40]. Замена полярных незаряженных поверхностных остатков полярно заряженными остатками может привести к общей повышенной стабильности за счет нескольких факторов. При более высоких температурах полярные остатки, такие как аспарагин и глутамин, могут подвергаться дезаминированию, что снижает стабильность [40].Замена этих и других термолабильных остатков увеличивает как короткодействующие, так и дальнодействующие зарядовые взаимодействия, которые, как правило, помогают защитить от термической денатурации [41].

    Для дальнейшего объяснения роли зарядно-зарядовых взаимодействий помимо тех, которые участвуют в солевых мостиках, были сделаны множественные одноточечные мутации поверхностных заряженных остатков в аланин рибосомного белка L30e из Thermococcus celer [41]. Было обнаружено, что теплоемкость этого термофильного белка может быть дополнительно увеличена за счет благоприятных мутаций заряженных остатков и может быть уменьшена при замене поверхностных зарядов на аланин.Было обнаружено, что дальнодействующие заряд-зарядовые взаимодействия являются большим определяющим фактором стабильности L30e, поскольку устранение этих электростатических взаимодействий привело к большей восприимчивости к термической и химической денатурации.

    Эффекты слишком большого поверхностного заряда наблюдались в предполагаемом ДНК-связывающем белке из Methanothermobacter thermautotrophicus , MTh20b [42]. Хотя активность белка неизвестна, теплоемкость значительно снижается в отсутствие соли.В кристаллической структуре наблюдалась сильно заряженная поверхность, что давало представление о солевой стабильности. Неравномерное распределение поверхностного заряда, подавляющее большинство которого заряжено положительно, объясняется тем, что белок теряет внутреннюю термостабильность, присущую другим в этом семействе белков. MTh20b демонстрирует, что присутствие соли действует, чтобы компенсировать силы отталкивания, которые действуют, дестабилизируя белок, придавая термостабильность [42].

    Хотя более высокое содержание поверхностно заряженных остатков может служить для стабилизации белков, предотвращая агрегацию при более высоких температурах, оно также может служить для дестабилизации структуры [43].Необходимость неорганических солей для стабильности и функциональности белка также наблюдалась для других ферментов в M. kandleri [44]. Это говорит о том, что чрезвычайно заряженная поверхность белка может потребовать некоторой формы компенсации, чтобы воспользоваться положительными преимуществами этой структурной адаптации.

    2.5. Промышленные применения

    Термофильные ферменты демонстрируют высокий потенциал для биотехнологического и промышленного применения, поскольку они оптимально активны при высоких температурах, когда кинетика и термодинамика катализируемой реакции более благоприятны [45].Это обеспечивает более эффективную реакцию и более высокий выход продукта. Вторичные преимущества, сопровождающие термостабильность, включают меньшую вероятность бактериального заражения (что важно для пищевых продуктов и лекарственных препаратов) и снижение эксплуатационных расходов за счет постоянной замены ферментов из-за термической денатурации [45, 46]. Первым применением термофильных ферментов была ДНК-полимераза Taq из бактерии Thermus aquaticus . Умное использование этого фермента снизило стоимость и позволило автоматизировать ПЦР, что значительно продвинуло исследования в лабораториях биохимии и молекулярной биологии [45, 46].Сегодня вместо T. aquaticus используется ряд термофильных ДНК-полимераз из архей, включая БОЕ, Turbo, DeepVent R , Therminator и другие (Stratagene Inc. и New England BioLabs Inc.). Потенциальное применение термофильных ферментов архей было обнаружено в мутационных исследованиях, проведенных на термостабильной амилазе из Pyrococcus furiosus . Мутация амилазы Pf вызвала увеличение продукции мальтогептаозы из β -циклодекстрина.Мальтогептаоза и другие линейные мальтоолигосахариды имеют высокую ценность в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности, где они могут использоваться в качестве носителей [30]. Другие потенциальные применения термофильных ферментов основаны не на их активности при высоких температурах, а на их отсутствии каталитической активности при температурах окружающей среды. Термофильные ферменты могут действовать как оптические наносенсоры, которые могут связывать субстрат, но не переворачивать продукт [46]. Комплекс субстрат-фермент затем может быть обнаружен путем измерения изменения флуоресценции фермента, что, в свою очередь, может позволить количественное определение количества субстрата в образце.Такие инновации могут стать важными инструментами в биотехнологии, медицинских испытаниях и открытии лекарств [46].

    3. Пьезофильные белки

    Пьезофилы — это организмы, которые живут под чрезвычайно высоким гидростатическим давлением, часто в других экстремальных условиях, таких как высокая или низкая температура. Их типичная среда обитания — глубоко в океане, под экстремальным давлением, в условиях сильной жары гидротермальных источников или на холоде океана. Большинство архейных пьезофилов, таких как Pyrococcus abyssi или Sulfolobus solfataricus , являются термофильными, тогда как психрофильные пьезофилы обычно, но не строго, являются бактериальными [47].Адаптация их белков к экстремальному давлению, по-видимому, вторична по сравнению с их адаптацией к температуре [48]. Общие адаптации для пьезофилов архей и бактерий, помимо их температурной адаптации, представляют собой компактное, плотное гидрофобное ядро, преобладание более мелких водородно-связывающих аминокислот и повышенную мультимеризацию [49–51].

    Одним из примеров этого является Pyrococcus abyssi , гипертермофильный пьезофил. В его протеоме наблюдается увеличение количества мелких аминокислот по сравнению с протеомом родственного архея, но не пьезофила, Pyrococcus furiosus [50].Общий уменьшенный размер аминокислот приводит к уменьшению количества крупных гидрофобных остатков, таких как триптофан и тирозин, в ядре его белков. Это противоречит составу гидрофобного ядра, наблюдаемому в большинстве термофильных белков, которые содержат более высокий процент крупных аминокислот. Тем не менее, такая адаптация выгодна, потому что она позволяет более плотно упаковывать, создавая более устойчивый к давлению белок [50]. Другим примером пьезофильной адаптации компактного гидрофобного ядра было исследование, проведенное с Sso7d, ДНК-связывающим белком из Sulfolobus solfataricus (Ss) [52, 53].Используя мутагенез и структурные исследования с помощью ЯМР, было продемонстрировано, что любое изменение, которое либо создает полость в белке, либо нарушает гидрофобную природу ядра белка, снижает стабильность давления, а также термостабильность белка [52, 53] . Аналогичные результаты наблюдались для глутаматдегидрогеназы из Thermococcus litoralis [54].

    Другой способ, которым белки могут справиться с давлением, — это формирование мультимерных белков. Пьезофильный белок, пептидаза TET3 (TET3) из Pyrococcus horikoshii , образует дискретный додекамер, а не бочкообразный мультимер, и демонстрирует повышенную стабильность при высоком давлении [55].Тот факт, что он образовал додекамер, был важен для этого белка, поскольку его образование делает отдельные мономеры более компактными по форме. Благодаря тому, что его мономеры становятся более компактными, у воды меньше шансов проникнуть в сердцевину белка при приложении высокого давления. Захваченная вода нарушит структуру белка [49, 55].

    Мультимеризация также защищает водородные связи между белковыми субъединицами, которые, как правило, не так чувствительны к давлению, как ионные взаимодействия [49, 55].Ионные взаимодействия, особенно электростатические, более восприимчивы к сольватации, которая нарушает эти внутрибелковые взаимодействия при более высоком давлении [49, 51]. Сила водородных связей между субъединицами достаточна для смягчения нестабильности солевого мостика [55]. Некоторые термофильные адаптации, такие как увеличение количества основных аминокислот, особенно аргинина, оказались полезными для белка в обеих экстремальных средах. Это также наблюдалось в белках из P.abyssi [50].

    Хотя архейные психрофильные пьезофилы действительно существуют, их белковые адаптации относительно не изучены. Однако бактерии, которые действительно занимают эту нишу, имеют важные, а иногда и похожие адаптации к термопьезофилам. В частности, психрофильные пьезофилы не полагаются на солевые мостики для стабильности белка, как термопьезофилы, что помогает им адаптироваться к низкой температуре и высокому давлению [48].

    3.1. Возможные промышленные применения

    Пьезофильные ферменты мало исследовались; тем не менее, существует большой потенциал промышленного применения.Существует множество промышленных процессов, в которых используется высокое давление в сочетании с высокой или низкой температурой, особенно в пищевой промышленности. Высокое давление не только стерилизует, но и сохраняет цвет и вкус продуктов. В этих условиях могли функционировать ферменты, выделенные из психрофильных или термофильных пьезофилов [56].

    Еще один потенциал, который можно использовать с пьезофильными белками, — это систематическая ошибка в химии, которая наблюдалась с некоторыми пьезофильными ферментами. Abe и Horikoshi обсуждали свиную α -амилазу, которая продемонстрировала более высокую продукцию мальтотриозы вместо мальтозы и мальтотетраозы, когда мальтогексаоза использовалась в качестве субстрата при высоком давлении [57].И наоборот, при низком давлении все три продукта производились с одинаковой скоростью [57]. Другие пьезофильные ферменты могут проявлять аналогичные свойства, и это можно использовать для выбора определенных продуктов, применимых в промышленности.

    4. Ацидофильные белки

    Ацидофилы — это организмы, которые растут при низких значениях pH. Ацидофильные ферменты имеют оптимальную структуру и стабильность в кислой среде, и было показано, что они каталитически активны при столь низких значениях pH, как 1.Большинство известных ацидофилов также являются термофилами, и, следовательно, их белки отражают термофильные свойства. Интересно, что адаптация ацидофильных белков к pH неясна и непоследовательна.

    Ацидофильные белки должны адаптироваться к низкому pH, потому что кислота влияет на заряд многих остатков. При низком pH многие полярные заряженные остатки протонируются и, следовательно, их заряды меняются. Это может нарушить стабилизирующие структурные взаимодействия, разворачивая белок.

    Хотя конкретная адаптация подробно не исследована, активность этих белков при низком pH, по-видимому, объясняется преобладанием кислых (отрицательно заряженных при нейтральном pH) аминокислот на поверхности этих ферментов и белков.

    4.1. Отрицательный поверхностный заряд

    Исследования показали, что ряд ацидофильных ферментов обладают оптимальной активностью при pH, значительно более низком, чем внутриклеточный pH, в котором находится этот фермент. Одно объяснение стабильности pH предложено в исследованиях, проведенных на ацидофильной и термостабильной эндо- β -глюканазе из Sulfolobus solfataricus .Этот фермент имеет оптимальный pH 1,8 [58]. Характерной чертой является избыток поверхностных остатков глутаминовой и аспарагиновой кислот на ферменте при моделировании. Это приводит к сильно отрицательной поверхности при pH 7. Huang et al. также отметили, что многие кислотные поверхностные остатки были приписаны нестабильности при высоком pH из-за отталкивания этих избыточных отрицательных зарядов. Однако при более низком pH, равном 2, эндо- β -глюканаза не будет иметь избыточного отрицательного заряда, наблюдаемого при более высоком pH, что могло бы помочь стабилизировать ее в кислых условиях.Эти дополнительные кислотные остатки также будут соответствовать более низкой изоэлектрической точке (pI) для эндо- β -глюканазы. Однако следует отметить, что неацидофильные β -глюканазы имеют теоретические значения pI, очень близкие к таковым из S. solfataricus , в то же время имея оптимальную активность при нейтральном или только слегка кислом pH. Это предполагает, что обилие кислотных остатков на поверхности не может быть единственным фактором, определяющим кислотную стабильность эндо- β -глюканазы [58].

    4.2. Возможные объяснения расхождений в pH Optima

    Другой пример низкой стабильности pH был продемонстрирован с использованием α -глюкозидазы из Ferroplasma acidiphilum . α -глюкозидаза продемонстрировала предпочтение pH 3 вместо 5,6, что является внутренним средним значением pH цитоплазмы F. acidiphilum [59]. Аналогичным образом было показано, что карбоксилэстераза в F. acidiphilum имеет оптимум pH приблизительно 2. Несколько других цитоплазматических ферментов также показали аналогичные оптимумы pH.Все эти ферменты показали значительно более низкую активность после того, как pH был выше 5, за исключением F. acidiphilum α -глюкозидазы, которая все еще оставалась ~ 60% активной [59]. Такой низкий оптимум pH можно было бы ожидать для выделяемых ферментов из-за кислой среды, которой они подвергаются, но не для ферментов, находящихся в цитоплазме или мембране. Голышина и Тиммис предложили два возможных объяснения этих расхождений. Возможно, что эти ферменты локализованы в высококислотных «компартментах» цитоплазмы, даже несмотря на то, что существует мало доказательств, подтверждающих это утверждение.Другое предположение состоит в том, что эти ферменты образуют полиферментные комплексы, которые повышают оптимум pH ближе к таковому в цитоплазме (5.8). Однако у F. acidiphilum или других ацидофилов не наблюдалось подобных мультиферментных комплексов [59].

    Не все белки ацидофилов отдают предпочтение низкому pH, как показано в предыдущих примерах. Этого следовало ожидать, поскольку внутриклеточный pH не такой кислый, как внешняя среда. Примером этого является АТФ-зависимая ДНК-лигаза в Ferroplasma acidarmanus .В то время как глюкозидаза и другие ферменты из F. acidiphilum имеют оптимум pH в диапазоне от 2 до 3, ДНК-лигаза F. acidarmanus предпочитает более нейтральную среду. Он обладает оптимальной активностью по сшиванию ников при pH 6-7, что аналогично ДНК-лигазам из нонацидофилов [60, 61]. Возникает вопрос, почему некоторые внутриклеточные ацидофильные ферменты имеют такой низкий оптимум pH, а другие, такие как ДНК-лигаза, нет. Ответ может быть связан с субстратом фермента; ДНК имеет пониженную стабильность при кислом pH [60, 61].Следовательно, для ДНК-лигазы F. acidarmanus было бы невыгодно быть оптимально активной при низком pH.

    4.3. Возможное промышленное применение

    Многие из этих ацидофильных ферментов также относятся к термофильной категории и имеют потенциал для биотехнологического и промышленного применения. Одним из таких примеров является производство биотоплива, где в настоящее время соединения с высоким содержанием сахара (например, кукуруза) используются для производства этанола. Полимерные и олигомерные источники представляют собой большой, но, к сожалению, недоступный источник углерода.Например, если целлюлазы и ксиланолитические ферменты можно использовать в горячей кислой среде, то высокая температура и кислотность могут помочь гидролизу лигноцеллюлозных материалов, делая их более доступными [5]. Это может помочь улучшить выход этанола из этих источников углерода. Еще одно потенциальное применение может быть в пищевой промышленности, где глюкоамилазы могут использоваться для расщепления сложных полисахаридов на базовые сахара декстрозы и фруктозы [5]. Если бы эти ферменты были устойчивыми к нагреванию и кислоте, это могло бы повысить эффективность производства моносахаридов.Дальнейшее применение термостабильных / кислотоустойчивых ферментов может быть в горнодобывающей промышленности. Выброс кислотных и металлических загрязнителей с участков добычи может нанести ущерб окружающей среде [4]. В методе, известном как биовыщелачивание, используются микроорганизмы и их ферменты для сбора металлов, таких как медь, никель, кобальт, цинк и уран [62]. Это могло бы уменьшить экологический ущерб, наносимый горнодобывающими предприятиями.

    5. Психрофильные белки

    Психрофилы — это класс экстремофилов, которые растут при температуре ниже 20 ° C [63].Большинство исследований адаптации белков у психрофилов проводилось с использованием бактериальных и эукариотических белков [64]. Тем не менее, был проведен ряд исследований архейных организмов, живущих в чрезвычайно холодных условиях; большая часть исследований архейных психрофилов была проведена на метаногенах, произрастающих на Аляске и в Антарктике [65].

    Типичный белок имеет чрезвычайно низкую активность при температурах ниже 20 ° C, что не подходит для растущей клетки [66].Активность ферментов снижается при более низких температурах из-за более низкой средней кинетической энергии; конформационные движения белка становятся медленнее и, следовательно, ферментативно менее эффективны [67]. Кроме того, при низких температурах энергетический барьер активации катализа становится слишком большим для белка, что еще больше снижает активность фермента [66]. Адаптация психрофильных белков позволяет им проявлять достаточную активность при низких температурах для того, чтобы психрофильные организмы процветали на холоде, даже если оптимальная активность этих белков находится при температуре выше их физиологической температуры [66].Психрофильные белки обладают высокой активностью при низких температурах, поскольку они лучше способны двигаться и изменять конформацию благодаря более гибкой структуре [64].

    5.1. Слабые белковые взаимодействия

    Психрофильные белки обладают большей гибкостью из-за более низкого энергетического барьера между различными конформациями белка [66]. Это связано с отличием аминокислотного состава от мезофильных белков. Как правило, стабилизирующие взаимодействия, обычно обнаруживаемые внутри белка, ослабляются или устраняются в холодноактивных белках.В превосходном обзоре ферментов, активных к холоду и теплу, Феллер суммировал следующие адаптации психрофильных белков: (i) увеличиваются остатки глицина, что обеспечивает большую конформационную подвижность в психрофильных белках, (ii) остатки пролина, обеспечивающие конформацию жесткость, уменьшается в областях петли, (iii) солевой мостик и водородная связь, образующие остатки аргинина, уменьшаются, (iv) размер неполярных остатков в ядре белка уменьшается, чтобы создавать более слабые гидрофобные взаимодействия [66].В качестве примера этих особенностей белки из адаптированного к холоду галофила из архей Halorubum lacusprofundi демонстрируют уменьшение больших гидрофобных аминокислот, таких как триптофан, и остатков, образующих водородные связи, таких как глутаминовая кислота. В H. lacusprofundi β -галактозидазе наблюдалась повышенная гидрофобность на поверхности белка, которая заменяла анионные электростатические взаимодействия, которые обычно присутствуют в большом количестве на галофильных белках [68, 69].Об этих типах аминокислотных тенденций также сообщалось в белках фактора элонгации 2 психрофильных метаногенов [70].

    Геномы ряда метаногенов архей в широком диапазоне оптимальных температур роста были исследованы Сондерсом и его коллегами в 2003 году. Используя предварительные последовательности генома двух психрофильных метаногенов, Methanogenium frigidum и Methanococcoides burtonii , трехмерные модели белков были сконструированы и сравнены с другими смоделированными белками из мезофильных и термофильных метаногенов [71].Как и ожидалось, на адаптированных к холоду белках наблюдалось уменьшение количества заряженных остатков на поверхности аминокислот. Кроме того, в этих белках наблюдалось увеличение остатков глутамина и треонина. Считается, что это снижает заряд на поверхности белка, не вызывая агрегации, за счет создания слишком гидрофобной поверхности [71]. В этом исследовании изучались психрофильные адаптации на большом количестве молекулярных моделей (141), и оно поддерживало адаптации, которые наблюдались в исследованиях с отдельными белками [71].

    5.2. Более низкая термическая стабильность

    Более слабые взаимодействия между аминокислотными остатками в психрофильном белке предотвращают его «замораживание» в определенной конформации и делают возможными движения молекул, необходимые для катализа. Следствием этих более слабых взаимодействий является менее стабильный белок; таким образом, адаптированные к холоду белки разворачиваются при более низких температурах, чем мезофильные белки [66, 72, 73]. Сообщалось, что тепловое разворачивание психрофильных белков происходит за один переход.Это связано с тем, что более слабые взаимодействия в адаптированных к холоду белках имеют большее влияние на общую стабильность, а локальное разворачивание сильно дестабилизирует белок из-за меньшего количества стабилизирующих взаимодействий [66]. Эти характеристики наблюдались у архейного белка холодового шока из Methanogenium frigidum , который оказался менее стабильным при оптимальной температуре, чем его мезофильный гомолог из E. coli [74].

    5.3. Повышенная удельная активность

    Каталитическая активность психрофильного фермента из-за более гибкой структуры намного выше при низких температурах, чем у того же фермента мезофила.Фактически, несмотря на снижение скорости реакции при низких температурах, удельная активность () психрофильного фермента обычно в 10 раз больше, чем мезофильного фермента [66, 73]. Типичное наблюдение, которое делается для объяснения большего увеличения размера сайта связывания в психрофильных белках [64]. В психрофильных ферментах площадь связывания субстрата увеличивается за счет ряда механизмов, в то время как каталитические остатки остаются неизменными [66]. Некоторые из механизмов увеличения этой области включают делецию петель рядом с сайтом связывания [75], стратегические остатки глицина рядом с функциональными сайтами [66] и вытягивание остова белка для увеличения доступности субстрата [76].В результате субстраты не могут также связываться с психрофильным ферментом, и, следовательно, константа Михаэлиса-Ментен () психрофильных ферментов высока [66, 77]. Низкое сродство к субстрату улучшает активность фермента при низких температурах, поскольку снижает энергию активации фермента [66].

    5.4. Промышленное применение

    Психрофильные ферменты нашли полезное применение в биотехнической промышленности. Из-за их более высокой активности при низких температурах адаптированные к холоду липазы из бактериальных психрофилов используются в коммерческих детергентах [63].Аналогичным образом, целлюлазы находят применение из-за их пониженной термической стабильности, что упрощает инактивацию фермента через определенное время. Это важно для мытья камня в текстильной промышленности, где, если целлюлазы действуют слишком долго, механическое сопротивление хлопка теряется [63, 78]. Адаптированные к холоду ферменты архей не так широко используются, как ферменты бактерий. Тем не менее, они все еще имеют множество возможных применений в промышленности из-за их адаптации.

    6. Галофильные белки

    Соль оказывает значительное влияние на растворимость, стабильность и конформацию белка, что в конечном итоге влияет на его способность функционировать.У организмов, которые процветают в чрезвычайно соленой среде, такой как Большое Соленое озеро или Мертвое море, есть два основных способа адаптации к экстремальной соли. Некоторые галофилы, в основном галофильные бактерии и эукариоты, препятствуют проникновению неорганических солей (таких как NaCl) в клетку и синтезируют небольшие органические молекулы (например, эктоин), известные как осмолиты, для уравновешивания осмотического давления [8]. Галофильные археи, однако, выживают за счет приема высоких концентраций неорганических солей, требующих, чтобы их белки несли адаптации, которые позволяют им оставаться стабильными и функциональными.При высоких концентрациях соли (более 0,1 М) вода менее доступна для белков, поскольку большая часть воды окружает соль в ионной решетке [8]. Более низкая доступность воды может привести к тому, что гидрофобные аминокислоты в белке потеряют гидратацию и агрегатируются. Следовательно, высокие концентрации соли усиливают гидрофобные взаимодействия в белке. Соль также препятствует электростатическим взаимодействиям между заряженными аминокислотами [79]. Негалофильные белки не могут функционировать при высоких концентрациях солей, потому что гидрофобные и электростатические взаимодействия, на которые они обычно полагаются для правильной укладки и для поддержания стабильности, сильно изменяются.Это может даже привести к дестабилизации белка, потенциально вызывая глобальное развертывание и агрегацию, что в конечном итоге приводит к осаждению. Галофильные белки архей обладают рядом адаптаций, которые позволяют им использовать высокие концентрации неорганической соли для стабилизации их естественной складки.

    6.1. Повышенные кислотные остатки

    Одним из наиболее заметных различий между галофильными и негалофильными белками является большое увеличение кислотных остатков, таких как глутаминовая и аспарагиновая кислоты, на поверхности белка.Это почти повсеместно для галофильных белков и позволяет различать галофильные и негалофильные белковые последовательности [80]. У этих кислотных остатков есть ряд возможных ролей. Считается, что увеличенный отрицательный заряд на поверхности белка позволяет белку конкурировать с ионами за молекулы воды и, следовательно, удерживать белок в растворе [79, 81–83]. Это подтверждается кристаллическими структурами галофильных белков, которые показывают связывание воды с этими кислотными поверхностными остатками [8, 83, 84].Биоинформатический анализ галофильных белков показал, что их последовательности также постоянно содержат меньше серина. Серин хорошо взаимодействует с водой, но не конкурирует с заряженными ионами, поэтому считается, что серин менее полезен для белков при высоких концентрациях соли [85]. Альтернативой повышенному связыванию воды могло бы быть то, что кислотные остатки на галофильных белках связывают гидратированные катионы, которые будут поддерживать гидратационную оболочку вокруг белка [8, 79, 83, 86–88]. Известны кристаллические структуры, демонстрирующие специфическое связывание катионов с белками [83, 84, 89].Распространенность связывания белок-катион не совсем понятна, в основном потому, что кристаллические структуры галофильных белков не способны различать соль и воду. Чтобы различать ионы натрия и воду (оба имеют по 10 электронов), необходимы данные о его координационной геометрии, что требует структуры с высоким разрешением (ниже 2,4 А) [8].

    Недавно Qvist et al. предположили, что, несмотря на кристаллическую структуру, галофильные белки не имеют повышенной гидратной воды из-за их большего отрицательного заряда [90].Они изучили мутант (Kx6E) домена в белке L (домен B1, связывающий иммуноглобулин G) из Streptococcus magnus , который содержал ряд солевозависимых особенностей, наблюдаемых у нормальных галофилов (большой отрицательный заряд и солезависимая укладка и стабильность ). Используя метод релаксации магнитного спина 17 O для контроля воды, связывающейся с белком или возвращающейся в более подвижный объемный растворитель, они определили, что не было никакой разницы в количестве воды, связанной с галофильными по сравнению с мезофильными версиями белка L [90 ].Более того, моделируемые гомологией структуры галофильных дигидрофолатредуктаз показывают такое же количество сетей водородных связей, что и их негалофильные аналоги [86]. Это поднимает вопрос о том, как кислотные остатки могут сохранять растворимость галофильных белков. Объясняя гидратирующую водную оболочку, наблюдаемую в кристаллических структурах, Madern et al. Обратите внимание, что условия кристаллизации белков включают условия высаливания, которые вызывают исключение соли и улучшают связывание воды [84].Роль кислотных остатков в галофильном белке может заключаться в увеличении гибкости белков за счет наличия большого количества соседних отрицательных зарядов, которые отталкиваются друг от друга [8]. Отталкивающие заряды могут облегчить галофильному белку изменение своей конформации, несмотря на наличие более жесткого гидрофобного ядра (обсуждается ниже).

    6.2. Снижение гидрофобных остатков

    Помимо большего количества кислотных остатков в галофильных белках, биоинформатические исследования последовательностей галофильных белков показали, что они также содержат другие гидрофобные остатки, чем мезофильные белковые последовательности.Используя известные кристаллические структуры 15 пар галофильных и негалофильных белков, Siglioccolo et al. определили, что гидрофобный контакт в ядре галофильных белков, подвергающихся воздействию молярных концентраций неорганической соли, постоянно меньше, чем в мезофильных белках (но, что интересно, не для галофильных белков, которые подвергаются воздействию органических солей) [91]. Они предполагают, что более низкий гидрофобный контакт в ядре может уравновесить повышенную силу гидрофобных взаимодействий при высоких концентрациях солей [91].Большинство галофильных белков содержат меньше крупных ароматических гидрофобных аминокислот [85]. В гомологически смоделированной структуре галофильной дигидрофолатредуктазы наблюдалось уменьшение количества больших гидрофобных аминокислот и уменьшение ядра фермента [86]. Более слабые гидрофобные взаимодействия из-за меньших гидрофобных остатков могут увеличить гибкость белка в высоком содержании соли, так как это предотвращает превращение гидрофобного ядра в слишком жесткое [8].

    6.3. Salt-Dependent Folding

    Важным достижением в понимании адаптации галофильных белков стало доказательство того, что эти белки полагаются на соль для сворачивания [92].Это исследование демонстрирует, что солевая адаптация галофилов заключается не только в том, чтобы иметь белки, которые выживают в среде с высоким содержанием соли, но и фактически используют их для функционирования [8]. Наше исследование цистеинил-тРНК синтетазы в H. salinarum NRC-1 показывает, как фермент не только сворачивается при увеличении концентрации соли, но также становится более стабильным и сопротивляется термической денатурации (статья в стадии подготовки).

    Зависящая от соли фолдинг, возможно, была важна для очень ранних белков.Типичные аминокислотные адаптации, наблюдаемые у галофилов (большие кислотные остатки и меньшие гидрофобные аминокислоты), также недавно наблюдались в сконструированных пребиотических белках [93]. В настоящее время известно десять аминокислот, которые могли быть созданы без биосинтетических путей: аланин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, глицин, изолейцин, лейцин, пролин, серин, треонин и валин. Исследования Longo et al. показывает, что сворачиваемый набор этих аминокислот приводит к белку с галофильными свойствами и может использовать высокие концентрации соли для сворачивания.Это предполагает, что галофильная среда могла иметь важное значение для биогенеза [93].

    6.4. Галофильные пептидные вставки

    Адаптация белков к высокому содержанию соли не всегда обнаруживается по всей последовательности белка. В некоторых случаях галофильность значительно повышается за счет вставки пептида в белок [16, 18, 94, 95]. Эти вставки обычно содержат большое количество кислых аминокислот, и, как видно на примере цистеинил-тРНК синтетазы из H. salinarum NRC-1, вставка значительно увеличивает каталитический оборот фермента [18].Серинил-тРНК синтетаза в Haloarcula marismortui также имеет последовательность вставки, которая, как предполагается, улучшает гибкость фермента [94, 96]. Было показано, что ферредоксин из того же организма имеет N-концевое удлинение, содержащее 15 отрицательно заряженных аминокислот. Считается, что эта вставка улучшает доступную для растворителя площадь поверхности фермента [83, 84, 97]. Предполагается, что эти инсерционные последовательности выполняют ряд возможных функций и могут быть способом эволюционного быстрого придания галофильных адаптаций белку [97].

    6.5. Возможные промышленные применения

    Галофильные белки до сих пор мало находили применения в промышленности, но есть большой интерес к поиску применения солевых ферментов. Одним из таких возможных применений галофильных ферментов является очистка сточных вод с высоким содержанием соли, таких как отходы травильной промышленности с содержанием соли до 10%. Недавно был рассмотрен ряд других возможных промышленных применений галофилов [98].

    В настоящее время ведется работа по изменению галофильных свойств некоторых ферментов.Ishibashi et al. были способны повышать и понижать солевой рефолдинг нуклеозиддифосфаткиназы H. salinarum только с одной аминокислотной заменой [99]. Мутация аспарагина-111 в лейцин (N111L) устраняет водородную связь между основными димерными единицами белка, предположительно делая формирование функционального фермента более зависимым от гидрофобных взаимодействий. Это изменило оптимальную активность фермента с 0,45 М NaCl до 1,35 М NaCl, поскольку более высокая концентрация соли улучшает гидрофобные взаимодействия в мутанте нуклеозиддифосфаткиназы.Они также смогли создать обратный эффект, заменив глицин 114 на аргинин (G114R). Это создало новую водородную связь между основными димерными единицами и потребовало меньше соли для образования функционального белка [99]. Tokunaga et al. смогли придать галофильные свойства тому же ферменту из негалофильного Pseudomonas aeruginosa путем замены только двух соседних остатков с аланина на глутаминовую кислоту [100]. Если улучшение активности фермента в соли так же просто, как изменение одного или двух остатков или добавление вставочного пептида, это означает, что вскоре можно будет легко изменить практически любой белок, чтобы он функционировал в экстремальных концентрациях соли для промышленных целей.

    7. Галоалкалифильные белки

    Поскольку галофильные среды различаются по pH, подмножества этих сред являются сильно щелочными. Ряд галоалкалифильных видов был обнаружен в содовых озерах в Египте, Кении, Китае, Индии и на западе США [101]. Все алкалифилы архей — галофилы [102, 103]. Адаптация белков к щелочному pH у галоалкалифилов неуловима из-за того, что у этих организмов есть клеточные механизмы для поддержания более нейтрального pH в своей цитоплазме, обычно в диапазоне от 7 до 8.5 [104]. Сложная клеточная оболочка с большим количеством гликозилированных белков помогает поддерживать нейтральный внутриклеточный pH [3, 105]. Кроме того, похоже, что белковая адаптация к pH у галоалкалифилов вторична по сравнению с их галофильной адаптацией. Было обнаружено, что белки из галоалкалифилов содержат высокую долю кислотных остатков, что обычно наблюдается с галофильными белками [3, 106]. В настоящее время не существует коммерческого использования галогеналкалифильных ферментов архей, хотя ряд ферментов из бактериальных алкалифилов нашел применение в промышленности, включая протеазы, целлюлазы, липазы, ксиланазы, пектиназы и хитиназы [104].

    8. Краткое изложение адаптаций архей

    Чтобы проиллюстрировать эти различные белковые адаптации, мы исследовали различия, моделируя гомологию, среди экстремофилов с использованием фермента цистеинил-тРНК синтетазы (CysRS). Этот фермент катализирует высококонсервативную реакцию связывания аминокислоты цистеина с родственной ей тРНК, которая затем используется рибосомой для синтеза белка. Из-за его важности для трансляции структура CysRS является высококонсервативной, а области белковой последовательности, которые участвуют в связывании тРНК, распознавании антикодонов и катализе, идентичны для всех организмов.Различия в моделях CysRS между экстремофилами подчеркивают типы адаптаций, которые наблюдаются у этих организмов.

    Гомологические модели были созданы с использованием MODELLER [107] с кристаллической структурой CysRS-тРНК E. coli (PDB: 1U0B, [10]) в качестве матрицы и аминокислотной последовательностью CysRS из репрезентативных галофильных, термофильных и психрофильных организмы.

    Последовательности, использованные для выравнивания и моделей: E. coli , AP_001173.1, H.salinarum sp. NRC-1, NP_280014.1, P. furiosus , NP_578753.1 и M. Psyrophilus , WP_015053952.1. MODELLER получил следующие данные о моделях: H. salinarum был на 39% идентичен E. coli CysRS и получил оценку GA341 1, P. furiosus был на 48% идентичен E. coli CysRS и дал GA341 балл 1, а M. Psyrophilus был на 44% идентичен E. coli CysRS и дал GA341 балл 1.Оценка GA341, равная 1, является наивысшей оценкой, полученной MODELLER, и указывает на приемлемую модель. Затем модели были согласованы в VMD [108] для дальнейшего уточнения моделей. Минимизация энергии не производилась. Рендеринг выполнялся с помощью Chimera [11]. Все модели нарисованы с помощью карты кулоновской поверхности (рисунки 1 (а) и 1 (с)) и индивидуальной карты гомологии (рисунки 1 (б) и 1 (г)). Карта кулоновской поверхности окрашивает электростатический потенциал аминокислоты (согласно закону Кулона) на поверхностных остатках.


    Как видно из модели кулоновской поверхности E.coli (Ec) CysRS, наблюдается относительно равномерное распределение положительных и отрицательных зарядов, что типично для мезофильной, неэкстремофильной структуры белка. На моделях белка зеленым выделены консервативные области CysRS, необходимые для правильной функции фермента.

    Наиболее существенное отличие от кулоновской модели поверхности Ec CysRS заключается в галофильной модели (Hs), которая показывает значительный отрицательный потенциал многих кислотных остатков (аспарагиновой кислоты и глутаминовой кислоты) и остатков с общим отрицательным поверхностным потенциалом.Это наиболее частая особенность галофильных белков и ферментов. В модели гомологии и дополнительной фигуре S1 галофильного CysRS вставка пептида, которая представляет собой дополнительные 20 остатков, находится рядом с активным сайтом фермента. Считается, что наличие вставки в этом месте придает дополнительную гибкость ферменту вокруг активного сайта [18]. В задней части молекулы на поверхности расположены дополнительные кислотные остатки, которые могут оттягивать положительно заряженные ионы от активного сайта и сайта связывания тРНК.

    Термофильная модель CysRS (Pf) демонстрирует более основную и положительно заряженную поверхность по сравнению с Ec, а также имеет более крупное гидрофобное ядро, видимое рядом с активным центром. Эти особенности обычно связаны с термофильными белками. Модель гомологии и дополнительный рисунок S1 выделяют дополнительные цистеин, пролин, гидрофобные и заряженные остатки (красным). Эти остатки, которые уникальны для термофильного фермента по сравнению с другими организмами, видны с обеих сторон фермента, что, возможно, указывает на то, что эти особенности могут обеспечить большую общую стабильность молекулы.

    Психрофильная модель поверхностного потенциала CysRS (Mp) показывает небольшое снижение поверхностного заряда, несмотря на неожиданное кислотное пятно на обратной стороне молекулы. Пониженный заряд согласуется с общей психрофильной адаптацией повышенных поверхностных гидрофобных остатков. Другими уникальными особенностями, наблюдаемыми в модели гомологии и дополнительной фигуре S1, были дополнительные глицины и гидрофобные пятна (синие). Большинство этих адаптаций происходит проксимально к активному центру белка, что может придавать большую гибкость этой области, улучшая каталитическую активность при более низких температурах.

    9. Заключение

    В этом обзоре мы обсудили основные белковые адаптации, наблюдаемые у архейных организмов, которые процветают в совершенно разных экстремальных условиях. Хотя не все адаптации известны, похоже, что для некоторых белков тонкие изменения в аминокислотном составе — это все, что необходимо, чтобы оставаться функциональными в экстремальных условиях. Эти различия отражаются в изменении заряда, гидрофобности и тонких изменениях структуры. Также ясно, что организмы разработали способы манипулировать этими изменениями для оптимизации активности белка или фермента.Эти адаптации позволяют организму и его белкам использовать окружающую среду в своих интересах. Это привело к большому интересу к пониманию этих экстремальных приспособлений и манипулированию этими изменениями, чтобы найти применение этим биологическим молекулам.

    Благодарности

    К. Риду была оказана поддержка в рамках программы S-STEM в Университете штата Айдахо, которая финансируется за счет гранта Национального научного фонда (NSF № 0965939) и через программу BS / MS через Департамент химии в ИСУ.Х. Льюис и Э. Трехо получили поддержку в рамках программы стажировки Career Path в Университете штата Айдахо. Э. Трехо также получил поддержку в рамках летней программы INBRE, NIH, гранты №№. P20 RR016454 (Национальный центр исследовательских ресурсов) и P20 GM103408 (Национальный институт общих медицинских наук). Авторские модели Hs, Pf и Mp CysRS были созданы с помощью MODELLER и VMD. MODELLER был разработан и разработан Андреем Сали, программой сравнительного моделирования структуры белков на основе соответствия пространственным ограничениям Калифорнийского университета в Сан-Франциско.VMD был разработан при поддержке NIH группой теоретической и вычислительной биофизики Института Бекмана Иллинойского университета в Урбана-Шампейн. Наши модели были визуализированы и проанализированы с помощью пакета UCSF Chimera. Химера разработана Ресурсом по биокомпьютингам, визуализации и информатике Калифорнийского университета в Сан-Франциско (при поддержке NIGMS P41-GM103311). Авторы хотели бы выразить признательность за использование вычислительного кластера GALAXY [109] в базовом центре Molecular and Bioinformatics, который запускал алгоритм HMMER3 [110].GALAXY поддерживается доктором Майклом Томасом и доктором Люобином Янгом, Департамент биологических наук, ISU.

    Дополнительные материалы

    Дополнительный рисунок: Выравнивание последовательностей белков архейных цистеинил-тРНК синтетаз.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *