Генетика бактерий Электронная микрофотография ультратонкого среза делящейся

Генетика бактерий

Электронная микрофотография ультратонкого среза делящейся пары стрептококков группы А (20, 000 X). Видны фибриллы на поверхности клеток, состоящие в основном из белка М. Также хорошо видна клеточная стенка к которой с одной стороны прикреплены фибриллы, а с другой стороны она контрастирована более электронно-плотной. цитоплазмой. Зона нуклеоида также отличается электроннопрозрачностью. Диаметр клеток составляет порядка одного микрона. Нуклеоид – область нуклеоплазмы которая не содержит рибосом, и в которой расположена бактериальная хромосома. Эта область не окружена мембраной.

Figure 2 -2. Neisseria gonorrhoeae Электронно-прозрачный регион нуклеода (n). Область нуклеоида отличается фибриллярной структурой. Плотно распределенные рибосомальные частицы в цитоплазме. Отсутствие внутриклеточных органелл.

А. Ультратонкий срез клеток Klebsiella pneumoniae. Видна фибриллярная ультраструктура нуклеоида (Н). Шкала 0, 1 мкм. В. Изолированный нуклеоид из E. coli, полученный при лизисе клеток путем осмотического шока. ДНК менее плотная и частично деспирализована из-за разрушения комплексов белок-нуклиновые кислоты. Видны петли ДНК. Шкала 1 мкм.

Контрастированный металлом препарат клеток E. coli, разрушенных при использовании мягких условий лизиса, т. е. не осмотического шока. Фрагменты нитей хромосомы выходят в среду вместе со связанными белками и РНК в виде нитей бус. ДНКсвязывающие белки и РНК могут играть у прокариот важную роль в конденсации ДНК и в регуляции процессов с участием ДНК. При помощи ДНК-связывающих белков нить ДНК длинной не менее 1, 2 мм упаковывается в клетке в структуру длинной несколько микронов. Шкала 0, 5 мкм.

Хромосома Плазмида Генетический материал бактерий представлен двунитевой молекулой ДНК замкнутой в кольцо. Кроме хромосом, генетическая информация содержится у прокариот в более мелких элементах – плазмидах. Плазмиды – это независимые элементы, содержащие дополнительные гены (необходимые лишь в специфических условиях). Подобно хромосомам, плазмиды реплицируются автономно. Размер хромосом у бактерий обычно составляет несколько миллионов пар нуклеотидов, редко несколько сотен тысяч пар нуклеотидов. Размер плазмид обычно составляет тысячи или десятки тысяч пар нуклеотидов, редко несколько сотен тысяч пар нуклеотидов.

Двойная спираль В-формы ДНК. Две антипараллельные цепи ДНК закручены в правостороннюю двойную спираль, имеющую большую и малую бороздки, в которых ДНК-связывающие белки узнают последовательности нуклеотидов

ДНК состоит из сахарофосфатного остова, представляющего собой последовательность из чередующихся остатков сахара и фосфата и связанных при помощи N- гликозидных связей с дезоксирибозой азотистых оснований

Пары пуриновых и пиримидиновых оснований в составе ДНК. Пара аденин-тимин (АТ) образует две водородные связи, гуанин-цитозин (G-C) – три. Следует обратить внимание на нумерацию атомов в остатках оснований (1 -9) и сахаров (1’ – 5’)

В полинуклеотидной цепи ДНК дезоксинуклеотиды соединены 3’-5’ фосфодиэфирными связями, образующимися между кольцами дезоксирибозы

В зависимости от концентрации ионов и нуклеотидного состава молекулы, двойная спираль ДНК в живых организмах существует в разных формах. На рисунке (слева направо) представлены A, B и Z формы

Длина геномов не зависит от сложности организма. Сравнительные размеры геномов в разных группах организмов Объект размер генома, пн Микоплазмы 104 -106 Эубактерии (E. coli) 105 -107 Грибы (2 -5)x 107 Черви ~108 Моллюски 5 x 108 -5 x 109 Насекомые 108 -5 x 109 Ракообразные ~109 Иглокожие 2 x 108 -2 x 109 Рыбы 3 x 108 -1010 Амфибии 7 x 108 -7 x 1010 Рептилии (2 -3)109 Птицы 109 Млекопитающие 3 x 109 Цветковые растения 2 x 108 -1011 .

Размеры геномов и количество генов [Alberts, 2002] Вид Число генов Длина генома, пн Eubacteria Mycoplasma genitalium 477 580. 070 E. coli 4280 4. 639. 221 Helicobacter pylori 1590 1667 тыс Bacillus subtilis 4099 4214 тыс Micobacterium tuberculosis 4402 4447 тыс Treponema pallidum 1041 1138 тыс Rickettsia prowazekii 834 1111 тыс Eucaryotes Saccharomyces cerevisiae ~6300 12. 069 тыс Drosophila melanogaster ~14000 137. 000 тыс Homo sapiens ~30000 3. 200. 000 тыс

Топоизомеры плазмидной (RFS 1010) ДНК. Слева направо: линейная, релаксированная, кольцевая сверхспирализованная и частично развернутая (показана стрелкой) сверхспирализованная ДНК

Для бактерий характерна оперонная модель экспрессии генов. Оперон представляет собой транскрипционную единицу в составе хромосомы, содержащую один (моноцистронная единица) или несколько (полицистронная единица) генов, старт-сигнал и стоп-сигнал для РНКполимеразы. В полицистронном опероне гены подвергаются сопряженной регуляции. Физическое сцепление этих генов обеспечивает транскрипцию их в виде одной молекулы РНК, количество копий которой изменяется под действием вне- или внутриоперонных регуляторных элементов.

Репрессор (негативная регуляция) Lac. I Lac. Za Активатор c. AMP-Crp (позитивная регуляция)

Растущие белки и. РНК-полимераза Полирибосомальный комплекс Старт трансляции Связь транскрипции и трансляции у бактерий. Сразу после начала траскрипции рибосомы связываются с и. РНК на ее 5’ конце. Таким образом, трансляция стартует еще до завершения процесса траскрипции. Многочисленные рибосомы связываются с матричной РНК формируя полисомы

Активированный участок генома E. coli – оперон с предположительным сайтом транскрипции. Видны временно существующие комплексы, содержащие ДНК-зависимую РНК полимеразу и новообразованную м. РНК с полисомами, состаящими из рибосом, осуществляющими трасляцию. Шкала 0, 2 мкм.

50 S 30 S Общие представления о трансляции т. РНК связанная с ее аминокислотой и взаимодействующая с EF-Tu фактором приходит в сайт А 30 S субъединицы рибосомы Фермент пептидилтрансфераза 50 S субъединицы присоединяет новую аминокислоту к растущей полипептидной цепи т. РНК передвигается в Р сайт при помощи EF-G, освобождая А сайт для новой т. РНК. Наконец, т. РНК освобожденная от ее аминокислоты, движется в Е сайт перед тем как покинуть рибосому.

Точка начала репликации Вилка Сайт завершения репликации Репликация ДНК. Цепи ДНК разделяются и каждая из них служит матрицей для синтеза комплементарной цепи ДНК. Каждая из дочерних молекул наполовину состоит из родительского материала. Этот механизм назван полуконсервативной репликацией.

ДНК полимераза III Праймаза ДНК Pol III Лидерная цепь Отстающая цепь Фрагмент Оказаки Праймаза ДНК Pol III 5’ ДНК Pol I 3’ ДНК Pol III PP 5’ ДНК лигаза