Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Экстремофильді микроорганизмдер сілтілі (pH шамамен 8,5–11) ортада тіршілік ете алады. Алкалифтер – экстремофильді микроорганизмдер класы, олар сілтілі (pH шамамен 8,5–11) ортада тіршілік ете алады және 10 pH шамасында ең жақсы өседі. Бұл бактерияларды міндетті алкалифтер (өмір сүру үшін жоғары pH қажет ететіндер), факультативті алкалифтер (жоғары pH-та тіршілік ете алатындар, бірақ қалыпты жағдайда да өседі) және галоалкалифтер (өмір сүру үшін тұздың жоғары концентрациясы қажет ететіндер) деп жіктеуге болады.
Extremophile microbes capable of survival in alkaline (pH roughly 8.5 – 11) environments
Alkaliphiles are a class of extremophilic microbes capable of survival in alkaline (pH roughly 8.5–11) environments, growing optimally around a pH of 10. These bacteria can be further categorized as obligate alkaliphiles (those that require high pH to survive), facultative alkaliphiles (those able to survive in high pH, but also grow under normal conditions) and haloalkaliphiles (those that require high salt content to survive).
Негізгі мәліметтер
Алкальды жағдайлардағы микробтық өсім қалыпты биохимиялық белсенділік пен көбеюге бірнеше қиындықтар туғызады, себебі жоғары pH қалыпты жасушалық процестерге зиян келтіреді. Мысалы, сілтілік ДНК-ның денатурациялануына, плазмалық мембрананың тұрақсыздығына және цитозольдік ферменттердің белсенділігін жоғалтуына, сондай-ақ басқа да қолайсыз физиологиялық өзгерістерге алып келуі мүмкін. Осы кедергілерді тиімді айналып өту үшін алкалифлер сілтілік диапазонда ең жақсы жұмыс істейтін нақты жасушалық механизмдерге ие болуы керек, немесе олар цитозольді сыртқы ортамен салыстырғанда қышқылдандырудың әдістерін қолдануы керек. Алкалифил жоғарыда аталған мүмкіндіктердің қайсысын пайдаланатынын анықтау үшін жүргізілген тәжірибелер алкалифильдік ферменттердің pH-тың салыстырмалы түрде қалыпты деңгейінде жұмыс істейтінін көрсетті. Бұл ферменттердің физиологиялық бейтарап pH диапазонында (шамамен 7,5–8,5) ең тиімді жұмыс істейтінін анықтау, алкалифтердің күшті сілтілі ортада қалай тірі қалатынын түсінудегі маңызды қадам болды. Цитозольдік pH шамамен бейтарап болуы керек болғандықтан, алкалифтердің жоғары сілтілі ортада цитозольді қышқылдандырудың бір немесе бірнеше механизмдері болуы тиіс.
Microbial growth in alkaline conditions presents several complications to normal biochemical activity and reproduction, as high pH is detrimental to normal cellular processes. For example, alkalinity can lead to denaturation of DNA, instability of the plasma membrane and inactivation of cytosolic enzymes, as well as other unfavorable physiological changes. Thus, to adequately circumvent these obstacles, alkaliphiles must either possess specific cellular machinery that works best in the alkaline range, or they must have methods of acidifying the cytosol in relation to the extracellular environment. To determine which of the above possibilities an alkaliphile uses, experimentation has demonstrated that alkaliphilic enzymes possess relatively normal pH optimums. The determination that these enzymes function most efficiently near physiologically neutral pH ranges (about 7.5–8.5) was one of the primary steps in elucidating how alkaliphiles survive intensely basic environments. Since the cytosolic pH must remain nearly neutral, alkaliphiles must have one or more mechanisms of acidifying the cytosol when in the presence of a highly alkaline environment.
Цитозолдық қышқылдану механизмдері
Алкалиплдер цитозолдық қышқылдануды пассивті де, белсенді де жолдармен сақтайды. Пассивті қышқылдануда жасуша қабырғалары галактурон қышқылы, глюкон қышқылы, глутамин қышқылы, аспартик қышқылы және фосфор қышқылы сияқты қалдықтардан құралған қышқыл полимерлерді қамтиды деген болжам бар. Бұл қалдықтар бірлесіп қышқыл матрицаны құрайды, ол гидроксид иондарының енуін болдырмай, натрий және гидрон иондарының сіңуіне жағдай жасайды, соның арқасында плазма мембранасы сілтілі ортадан қорғалады. Сонымен қатар, алкаллифильді B. subtilis-тің пептидогликанындағы гексозаминдер мен аминқышқылының деңгейі, оның бейтарап аналогына қарағанда жоғары екені анықталды. Алкалиплдер осы қышқыл қалдықтарын туындаған мутациялар нәтижесінде жоғалтса, сілтілі ортада өсу қабілеттері күрт төмендейді. Бұл антипорт жүйесіне қажетті натрийдің болуы кейбір алкаллиплдердің тек тұзды ортада ғана өсуіне себеп болады.
Alkaliphiles maintain cytosolic acidification through both passive and active means. In passive acidification, it has been proposed that cell walls contain acidic polymers composed of residues such as galacturonic acid, gluconic acid, glutamic acid, aspartic acid, and phosphoric acid. Together, these residues form an acidic matrix that helps protect the plasma membrane from alkaline conditions by preventing the entry of hydroxide ions, and allowing for the uptake of sodium and hydronium ions. In addition, the peptidoglycan in alkaliphilic B. subtilis has been observed to contain higher levels of hexosamines and amino acids as compared to its neutrophilic counterpart. When alkaliphiles lose these acidic residues in the form of induced mutations, it has been shown that their ability to grow in alkaline conditions is severely hindered. The sodium required for this antiport system is the reason some alkaliphiles can only grow in saline environments.
Алкаллифильді АТФ өндірісінің айырмашылығы
Жоғарыда талқыланған протон шығару әдісіне қоса, міндетті түрде алкалифилдерде жасушалық тыныс алудың жалпы механизмі нейтрофильдерден өзгеше деп саналады. Әдетте, АТФ өндірісі протон градиентін (мембрана сыртындағы жоғары H+ концентрациясы) және мембраналық электр потенциалын (мембрана сыртындағы оң заряд) құру арқылы жүзеге асырылады. Дегенмен, алкалифилдерде pH градиенті кері болғандықтан, күшті протон қозғаушы күшіне негізделген АТФ өндірісі күрт төмендеуі мүмкін. Бірақ, шындығында керісінше. pH градиенті кері болғанымен, мембраналық электр потенциалы едәуір артады деп ұсынылған. Бұл зарядтың артуы, АТФ-аза арқылы итерілгенде әрбір транслокацияланған протонның көбірек АТФ өндіруіне себеп болады. Осы мәселе бойынша зерттеулер жалғасуда.
In addition to the method of proton extrusion discussed above, it is believed that the general method of cellular respiration is different in obligate alkaliphiles as compared to neutrophiles. Generally, ATP production operates by establishing a proton gradient (greater H+ concentration outside the membrane) and a transmembrane electrical potential (with a positive charge outside the membrane). However, since alkaliphiles have a reversed pH gradient, it would seem that ATP production—which is based on a strong proton motive force – would be severely reduced. However, the opposite is true. It has been proposed that while the pH gradient has been reversed, the transmembrane electrical potential is greatly increased. This increase in charge causes the production of greater amounts of ATP by each translocated proton when driven through an ATPase. Research in this area is ongoing.
Қолданбалар мен болашақ зерттеулер
Алкалиплдер биотехнология және болашақ зерттеулер үшін бірнеше қызықты қолданыстарды ұсынады. pH деңгейін реттеудің алкаллиплдік әдістері және АТФ өндіру ғылыми қауымдастықтың қызығушылығын оятуда. Дегенмен, алкалиплдерден ең үлкен қызығушылық тудыратын нәрсе – олардың ферменттері: сілтілі протеазалар, крахмалды ыдырататын ферменттер, целлюлазалар, липазалар, ксиланазалар, пектиназалар, хитиназалар және олардың метаболиттері, соның ішінде: 2-фениламин, каротиноидтар, сидерофорлар, холь қышқылының туындылары және органикалық қышқылдар. Алкалиплдік ферменттерді одан әрі зерттеу ғалымдарға оларды тікелей қолдануға мүмкіндік береді деп үміттеніледі.
Alkaliphiles promise several interesting uses for biotechnology and future research. Alkaliphilic methods of regulating pH and producing ATP are of interest in the scientific community. However, perhaps the greatest area of interest from alkaliphiles lies in their enzymes: alkaline proteases; starch degrading enzymes; cellulases; lipases; xylanases; pectinases; chitinases and their metabolites, including: 2 phenylamine; carotenoids; siderophores; cholic acid derivatives and organic acids. It is hoped that further research into alkaliphilic enzymes will allow scientists to harvest alkaliphiles' enzymes for use in basic conditions.