Для осуществления реакций окисления в окружающей среде должны быть акцепторы водорода (электронов): для аэробов это О2, а для анаэробов или могут быть органические вещества или органические субпродукты расщепления углеводов, или неорганические соединения (NO3-, SO42и т.п.). Благодаря обмену источников углерода бактерии синтезируют промежуточные продукты, необходимые для образования основных биополимеров. Окисление источников энергии приводит к накоплению АТФ, что позволяет бактериям обеспечивать себя энергией, необходимой для биосинтеза субъединиц биополимеров и их активации. Активированные субъединицы полимеризуются и образуют макромолекулы, которые саморегулируются, формируя субклеточные и клеточные структуры. В результате биомасса клетки удваивается за определенный срок (клеточный цикл), и она размножается путем бинарного деления.

В одно и то же время в бактериальной клетке совершается огромное количество биохимических процессов, завершающихся в конечном счете увеличением биомассы. Это предполагает наличие у нее совершенных механизмов саморегуляции, чутко реагирующих на все изменения условий ее жизни. В настоящее время эти механизмы разделяют на две основные группы: а) группа неспецифических механизмов регуляции роста и размножения; б) группа специфических механизмов саморегуляции.

К неспецифическим механизмам относится совокупность действий различных физико-химических факторов, регулирующих общую скорость всех основных процессов жизнедеятельности. К ним относятся: температура, рН, rH2, концентрация ионов, степень обеспечения среды кислородом, давление и др. Неспецифический характер этой формы регуляции заключается в том, что она влияет, прежде всего, на общую кинетику биосинтетических процессов. Регулируя оптимальное соотношение всех указанных факторов, можно получить максимальную скорость размножения бактерий и максимальный выход биомассы в соответствующих производствах.

Действие физико-химических факторов опосредуется через специфические механизмы саморегуляции клетки. Она носит многоступенчатый характер и отличается выраженной универсальностью, вытекающей из того, что специфическая саморегуляция связана с ферментами, катализирующими биохимические реакции, а все ферменты имеют одинаковую химическую природу. Взаимодействие на уровне фермент субстрат является важнейшим пусковым моментом всей клеточной системы саморегуляции. Именно на этом уровне происходит интеграция неспецифических и специфических механизмов саморегуляции клетки.

Специфичность взаимодействия фермента с субстратом детерминирована генетически она обусловлена последовательностью расположения аминокислот в белковой молекуле и определяемыми ею вторичной, третичной и четвертичной структурами молекулы фермента. В связи с этим никаких дополнительных механизмов регуляции на уровне фермент субстрат не требуется. Синтезированный фермент готов в любой момент, если не изменена его аллостерическая структура, вступить в реакцию с соответствующим субстратом. Как известно, скорость ферментативной реакции можно выразить уравнением



где К+2 константа субстрата;

E0 начальная концентрация фермента;

Km константа Михаэлиса;

S концентрация субстрата.

При увеличении концентрации S, когда S>Km, скорость ферментативной реакции v будет стремиться к некоторой постоянной величине vмакс максимальной скорости реакции:

V = K+2[E0] = vмакс.

То есть при малых величинах концентрации субстрата скорость реакции будет находиться в линейной зависимости от S, а при очень высокой концентрации субстрата скорость реакции v будет стремиться к максимальной vмакс и мало зависеть от дальнейшего увеличения концентрации S. В свою очередь, при условии, когда S > Е0, скорость реакции будет пропорциональна концентрации фермента.

Колебание температурного режима оказывает на ферментативные реакции влияние таким же образом, как и на другие химические реакции. Отношение констант реакций К при более высокой Т2 и более низкой T1 температурах называется температурным коэффициентом:

Q = К2/К1.

Значение его обычно дается для интервала в 10 °С (Q10). Величину Q10 легко вычислить для любого температурного интервала AT по формуле

QXo=K2-\QI K1 AT

Скорость ферментативных реакций зависит также от концентрации водородных ионов. Величина оптимальной рН варьирует в зависимости от типа и свойств ферментов. Даже изоферменты, имеющие одинаковую специфичность к субстрату, могут различаться по оптимуму рН.

Существует специфический механизм саморегуляции скоростей отдельных биохимических реакций, вытекающий из аллостерической природы белков-ферментов: конечный продукт реакции (в случае накопления его некоторого избытка), взаимодействуя с молекулой фермента, так изменяет ее конформацию, что она временно утрачивает свою активность. Этот принцип саморегуляции, получивший название регуляции по типу отрицательной обратной связи, или торможения конечным продуктом, носит универсальный характер. С его помощью создаются идеальные условия для саморегуляции, так как он не требует никакой дополнительной затраты энергии и вещества. Запуск реакций, ведущих к превращению субстрата, осуществляется самим субстратом, а их остановка конечным продуктом. Как только содержание конечного продукта достигает определенного уровня, дальнейший синтез его прекращается. Конечный продукт выступает в роли регулятора собственного синтеза.

Помимо этого уровня саморегуляции, определяющего кинетику единичных ферментативных реакций, общую скорость и координацию большинства биохимических процессов, существует высшая форма клеточной саморегуляции, осуществляемая на генетическом уровне. В соответствии с химическими сигналами, поступающими как из внешней среды, так и эндогенным путем, клетка автоматически запускает (индуцирует) или подавляет (репрессирует) синтез соответствующих ферментов. Эффекты индукции и репрессии противоположны по своим проявлениям, они представляют собой две стороны одного и того же процесса, а именно регуляции образования ферментов. Благодаря механизмам индукции и репрессии, реализуемым с помощью соответствующих генов (регуляторов, операторов, промоторов, аттенуаторов т.п.) и белков (репрессоров, активаторов, апорепрессоров и т.п.), клетка в соответствии с химическими сигналами осуществляет автоматический контроль биосинтеза необходимых ей в данное время ферментов.

Одним из проявлений регуляции синтеза ферментов на уровне генома служит постоянная или временная катаболитная репрессия. Суть ее в том, что некоторые источники углерода, принимающие участие в энергетическом обмене, например глюкоза, способны подавлять биосинтез определенных ферментов.

У бактерий обнаружены различные системы, способные воспринимать из внешней среды физические и химические сигналы. У многих патогенных бактерий (E.coli, Y.pestis, Y.pseudotuberculosis) обнаружены термоиндуцибельные системы, контролирующие синтез факторов патогенности. Например, у E.coli при температуре 18-20 °С практически не происходит синтез факторов адгезии (пилей). Повышение температуры до 37 °С индуцирует их образование. Такой же температурозависимый контроль синтеза факторов патогенности обнаружен у возбудителей чумы, дизентерии (шигеллы) и других заболеваний. Целесообразность этих систем очевидна: факторы патогенности необходимы для обеспечения их существования в организме животных или человека, то есть при 37 °С.

Другим примером того, как бактерии реагируют на физические сигналы, является феномен «теплового шока», описанный в 1952 г. Ф. Ритоссой. Он заключается в том, что нагревание среды до 42 °С активирует работу ряда генов, вследствие чего в 5 20 раз увеличивается синтез почти 20 белков, играющих ключевую роль в жизни клеток. Главную роль в системе теплового шока играет ген (позитивный регулятор) htpR (heat temperature protein regulator), картированный на 76-й минуте хромосомной карты E. coli.

Обнаружена система и «холодового шока»: снижение температуры роста с 37 до 10 °С у E.coli вызывает увеличение в 3 300 раз синтеза 13 белков, изменяющих ход ее биосинтетических процессов в новых условиях роста. Обе эти системы связаны друг с другом и с другими системами, в том числе с системой, регулирующей клеточное деление.

Восприятие химических сигналов бактериями осуществляется с помощью так называемых сенсорно-регуляторных систем. Сенсорнорегуляторная система состоит из белка-рецептора (сенсора), который располагается почти, но не всегда на мембране, и белка-регулятора, локализованного в цитоплазме. Примером такой системы является система осмотической регуляции у E.coli: ее сенсором является белок EnvZ, а регулятором белок OmpR (система EnvZ / OmpR). Белок EnvZ получает информацию из периплазмы, в которой располагается его N-концевой домен. С-концевой домен располагается в цитоплазме и в присутствии АТФ С-домен фосфорилируется, а затем передает фосфорную группу белку-регулятору OmpR. Этот белок контролирует работу двух генов ompC и ompF, кодирующих синтез белков-поринов наружной мембраны.

При большом количестве взаимодействующих систем для их согласованности, то есть для саморегуляции жизненных процессов клетки, решающее значение имеет соблюдение трех основных условий: во-первых, регулирования количественного и качественного состава самих ферментов в строгом соответствии с сигналами, поступающими из окружающей среды; во-вторых, приспособляемости, то есть корреляции между степенью физиологической активности клетки и условиями среды, которая возникает как неизбежное следствие установления взаимосвязи между динамическими системами клетки; в-третьих, внешних условий наличия необходимых субстратов, температуры, рН и др., которые индуцируют одни системы и лимитируют активность других систем.

Целесообразность поведения живой системы складывается из совокупности согласованно протекающих в ней саморегулируемых и взаимосвязанных реакций, то есть она обусловлена самой организацией живой системы.

Конечным результатом регуляции протекающих в клетке биосинтетических и катаболитических процессов является воспроизведение потомства, а показателем сбалансированности функционирующих систем служит скорость роста бактерий.