Особенности организации бактериальных клеток СПб ГУ 2011

Особенности организации бактериальных клеток СПб. ГУ 2011

ДОБРЖАНСКИЙ Феодосий Григорьевич Американский генетик, член Национальной АН США (1941 г. ), Американской академии искусств и наук. Окончил Киевский университет (1921 г. ). В 1924 -1927 гг. работал в Ленинградском университете. С 1927 г. - в США. «Все в биологии приобретает смысл только в свете эволюции»

План лекции n 1. Теория существования прокариот n 2. Классические критерии систематизации прокариот n 3. Главный современный критерий систематизации прокариот n 4. Три домена живой природы n 5. Строение бактериальной клетки: строение цитоплазматической мембраны. n 6. Функции цитоплазматической мембраны n 7. Регуляция осмотического давления n 8. Энергетическая функция n 9. Транспортная функция n 10. Сенсорная функция

1 вопрос Теория существования прокариот Основоположники клеточной теории (1839) Теодор ШВАНН (зоолог) Маттиас ШЛЕЙДЕН (ботаник)

Согласно клеточной теории Т. ШВАННА и М. ШЛЕЙДЕНА n В каждой клетке должно быть ядро. n Однако в клетках большинства микроорганизмов ядра не обнаруживали. n Считали, что вся клетка микроорганизма – это большое ядро, а по краям - тонкая прослойка цитоплазмы. n К какой группе живых организмов их отнести? n Получалось, что клеточная теория на них не распространяется.

Формирование теории существования прокариот n 1925 г. – термин "прокариоты" (рrokaryota) для n n n объединения различных форм безядерных микроорганизмов. 1962 г. Создатели теории существования прокариот: Р. Стейннер и К. Ван Ниль: у прокариот нет специального компартмента для хранения генетического материала, микроорганизмы, имеющие клеточное строение, разделены на 2 группы: 1. прокариоты (нет ядра, есть нуклеоид) 2. эукариоты (есть ядро) Т. О. - две ветви эволюционного дерева (дихотомическое ветвление).

Ультратонкий срез клетки Escherichia coli Ядра НЕТ!!!

2 вопрос. Классические критерии систематизации прокариот n Критерии сравнительно-морфологического n n n подхода: 1. Морфологические свойства: форма и размеры бактерий (кокки, палочки, вибрионы, извитые формы). 2. Характер взаимного расположения клеток (диплококки, цепочки, группы, пакеты, хаотичное). К концу XIX века потребовались новые критерии: 3. Биохимические свойства. 4. Физиологические свойства.

Идентификация бактерий по Д. Берги (D. Bergey) n 1923 г. - первый определитель бактерий Д. Берги: n дано точное описание бактерий и порядок проведения исследований для их идентификации. n В 1948 г. - номенклатурный кодекс бактерий, в основе - бинарная номенклатура Карла Линнея (1707 -1778 «Система природы» ). n К настоящему времени вышло 9 выпусков определителя Д. Берги. n Но и в последнем определителе не содержится ключей для определения филогенетического, т. е. эволюционного родства бактерий!!!

3 вопрос. Главный современный критерий систематизации прокариот n Главный критерий, определяющий таксономическое положение бактерий эволюционное родство. n Источник информации об эволюционном происхождении бактерий последовательность нуклеотидов в 16 S р. РНК – малой субъединице рибосомы бактерий. n Молекулярный маркер предложен Карлом Возом (K. Woese).

16 S р. РНК в бактериальной рибосоме 70 S n Состоит из малой субъединицы 30 S и большой n n n n субъединицы 50 S. Включает 55 белков и 3 разновидности р. РНК: 5 S, 16 S, 23 S. S - единица Сведберга или константа седиментации К. Воз выбрал участки р. РНК наиболее оптимальной длины: 16 S р. РНК =~1500 нуклеотидов (не очень большой и не очень короткий). В ней жеcткие консервативные участки перемежаются с вариабельными. Сравнивая количество несоответствий, высчитывают коэффициент соответствия и строят диаграмму.

n Схема строения n бактериальной рибосомы 70 S

Археи- экстремофильные прокариоты n К. Воз : n n n создал базы данных для бактерий и экстремофилов: 1. термофильные бактерии – при высоких температурах, 2. психрофильные бактерии – при низких температурах, 3. галофильные бактерии – при высоким содержании Na. Cl, 4. ацидофильные бактерии – при низких значениях р. Н. n отметил, что у микроорганизмов, обитающих в экстремальных условиях, очень незначительное родство с большинством бактерий. n предложил выделить экстремофильных прокариот в отдельную группу и ввести термин «археи» n Таким образом эволюционное дерево из дихотомического стало трихотомическим.

Прогенот n У всех микроорганизмов существовал общий предок – прогенот (проклетка). n Все три ветви – потомки одной формы – прогенота. n Оказалось, эукариотическая ветвь отходит от ветви археев и поэтому археи не могут считаться самыми древними микроорганизмами, как предполагали ранее.

4 вопрос Три домена живой природы Археи(архебактерии – «древние» бактерии) Эубактерии » высшие» бактерии Эукариоты (водоросли, простейшие, грибы)

Археи отличаются от бактерий по нескольким признакам n 1. По строению клеточной стенки (нет муреина). n 2. Особый жгутик. n 3. Комплекс транскрипции РНК-pol эукариотического типа. n 4. У археев в геноме есть гистоноподобные белки. n 5. Не вызывают заболеваний (пока). n 6. В настоящее время стали известны не только экстремофильные археи, но и симбиотические с макроорганизмами.

ДОМЕН 3 основные эволюционные ветви назвали доменами: 1. 1. Археи 2. 2. Эубактерии 3. Эукариотические микроорганизмы

Схема современной систематики бактерий Три домена Филы (группы микроорганизмов, объединенные общим родством) секции субсекции рода кластеры виды штаммы

n. Характеристика видов прокариот n Понятие "вида" у прокариот основано на генетической изоляции n Для характеристики видов прокариот исследуют ДНК: n измеряют ее длину, различия в строении генома, сходство и различие рестрикционных фрагментов, содержание пар Г+Ц (в моль%).

Морфотипы n Все три ветви филогенетического дерева (бактерии + археи + эукариоты) соответствуют определенным морфологическим типам клеток – морфотипам. n Морфотипы характеризуются набором определенных морфологических признаков: форма, размеры, строение клеточных компонентов.

Теория симбиогенеза n Прогенот n Цианобактерии n Пурпурные бактерии n Эндосимбиоз n Грибы n Растения n Животные

Схема эволюции органического мира на основе теории симбиогенеза Первичные клетки (проклетка - прогенот) Пурпурные бактерии Цианобактерии Формирование эукариотической клетки Эндосимбиоз с ядерными клетками Одноклеточные грибы Одноклеточные простейшие Многоклеточные животные Многоклеточные грибы Одноклеточные водоросли (зелёные, красные) Многоклеточные водоросли Беспозвоночные Высшие растения Позвоночные Царство Грибы Царство Животных Царство Растений

5 вопрос. Строение бактериальной клетки. Строение цитоплазматической мембраны. n Цитоплазма бактериальной клетки снаружи окружена цитоплазматической мембраной (ЦПМ). n ЦПМ - физиологически активное образование – билипидная универсальная структура. n ЦПМ – это высокоселективный барьер, обеспечивающий существование клетки. n Жизнеспособность бактериальной клетки обусловлена следующими свойствами мембраны: n Текучесть – это не жесткая структура (белки способны свободно перемещаться в толще мембраны). n Способность изгибаться – флексибильность. n Стабильность за счет ионов Ca 2+ и Mg 2+

Строение цитоплазматической мембраны Модель строения элементарной мембраны: 1 — молекулы липидов: а — гидрофильная "голова"; б — гидрофобный "хвост"; 2 — молекулы белков: в — интегральная; г — периферическая; д — поверхностная.

Белки ЦПМ n В состав мембран входят белки и белковые комплексы. n Белки интегральные могут несколько раз пронизывать мембрану. n Белки гидрофобные – внутри мембран, n Белки гидрофильные – снаружи на поверхности мембран. n В мембранах есть также периферические белки (находятся на мембране, но не в цитоплазме) – это в основном ферменты.

Строение плазматической мембраны эукариот гликопротеины гликолипиды холестерин углеводы периферические белки интегральные белки филаменты

Строение ЦПМ n У большинства бактерий снаружи от ЦПМ есть n n особая структура – клеточная стенка. ЦПМ – единственное мембранное образование у бактерий, определяющее ее жизнедеятельность. У бактерий нет ядерной мембраны, митохондрий, аппарата Гольджи и ЭПС. ЦПМ образована двумя слоями фосфолипидов (ФЛ), в которых комплексы белков как у эукариот. ФЛ есть как во внешнем, так и во внутреннем листке ЦПМ, холестеринов нет.

Жирные кислоты (ЖК) ЦПМ бактерий n ЖК состоят из 16 -18 атомов С, реже от 14 до 20 атомов. n У бактерий, в отличие от эукариот, практически отсутствуют n n двойные (ненасыщенные) связи в ЖК. Ненасыщенные ЖК бактерий обычно имеют прямую цепь, что определяет свойства бактериальной мембраны. У бактерий мембраны должны находиться в переходном, подвижном состоянии, что позволяет им активно реагировать на воздействия извне. В связи с этим у большинства бактерий - широкие температурные границы существования. При понижении температуры мембраны бактерий могут переходить в состояние жидкого кристалла.

Гомео-вязкостная адаптация бактерий n Температура плавления жирных кислот определяет n n температурные границы существования бактерий. Состояние мембран бактерий зависит от их жирнокислотного состава - от степени насыщенности двойных связей. Когда в структуре жирных кислот двойные связи насыщены, то угол между атомами «С» такой, что они лучше отталкиваются друг от друга и их трудно заморозить. Когда в структуре жирных кислот есть разветвленные веточки углеродных цепей (напр. метильные группы), то такие мембраны также трудно заморозить. Гомео-вязкостная адаптация - способность к изменению содержания жирных кислот, отличающихся по насыщенности двойных связей.

Строение ЦПМ определяет ее функции n ЦПМ - полифункциональная структура, вместилище различных ферментов. n Ферменты участвуют в самых различных процессах жизнедеятельности бактерий. n Все функции мембраны связаны и плавно перетекают друг в друга. n Условно разделим функции ЦПМ на 5 групп:

Вопрос 6. Функции цитоплазматической мембраны 1. Главный осмотический барьер. 2. Энергетическая функция. 3. Транспортная функция. 4. Сенсорная функция. 5. Регуляция деления бактериальной клетки.

Вопрос 7. Регуляция осмотического давления 1. Неспецифическая простая диффузия по градиенту концентрации. Осуществляется без затраты энергии. 2. Облегченная диффузия – за счет фермента – субстрат-специфической пермеазы (транспортный белок) по градиенту концентрации, процесс не требует затрат энергии. 3. Активный транспорт. Общее с облегченной диффузией то, что процесс идет с участием специфических транспортных белков – пермеаз. Однако в отличие от облегченной диффузии, такого рода транспорт требует затрат энергии.

Транспорт веществ через мембраны

Вопрос 8. Энергетическая функция n Система первичной протонной помпы или протондвижущая сила (ПДС) n n n ПДС возникает: 1. В результате дыхания. 2. Источником поддерживающим ПДС может быть энергия света. 3. ПДС возникает за счет работы белкового комплекса АТФ-азы (включает 7 разных белков). 4. За счет ПДС протоны Н+ поступают внутрь клетки (см. рис. 1)

Схема работы протонной помпы

ПДС складывается: 1. Электрический мембранный потенциал 2. Разность р. Н между наружной и внутренней сторонами мембраны. 3. Или тем и другим одновременно. 4. Процесс идет за счет энергии АТФ.

Другие варианты первичной помпы n Вместо протонов (Н+) могут работать другие ионы, например, K+, Na+: n 1. K+ первичная помпа. n 2. Na+ первичная помпа. n В этих случаях происходит поступление K+, Na+ за счет энергии АТФ. n Например: морские бактерии, термофилы, бактерии в рубце жвачных животных. n Таким образом, ПДС может создаваться за счет разных ионов.

Вопрос 9. Транспортная функция ЦПМ n Бактерии существуют во влажной среде, поглощают растворенные вещества. n Все эти вещества должны проходить через ЦПМ. n Существует несколько вариантов переноса: n 1. Активный транспорт 2. Вторичная помпа

1. Первый вариант переноса через ЦПМ n 1. Активный транспорт – участвуют специфические транспортные белки – пермеазы отличаются друг от друга по ряду показателей: n Степень сродства к субстрату n Специфичность к определенным веществам n Эффективность определения концентраций веществ в клетке и вне клетки

2. Второй вариант переноса Вторичная помпа n Активный транспорт - осуществляется при участии энергетического протонного потенциала – вторичная помпа. n В этом случае специфические белки катализируют перенос различных субстратов за счет ПДС. n Как и в случае первичной помпы это перенос, но различных веществ (не только ионов Н+, K+, Na+) в клетку за счет разности мембранного потенциала, обеспечивающего ПДС.

Варианты вторичной помпы: n 1. Унипорт – втягивание вещества отрицательным зарядом за счет разности потенциалов на мембране. Например, электрофоретический вариант переноса вещества. n 2. Синпорт – белок катализирует одновременный и однонаправленный перенос веществ (двух или сразу нескольких) вместе с протоном за счет ПДС. Например, Н+ и лактоза. n 3. Антипорт – белки вторичной помпы катализируют одновременный и встречный перенос двух различных веществ. Например, Н+ и иона Са+ или Na+.

Вторичная помпа

Секреция из бактериальной клетки через ЦПМ n Выделение веществ : ферменты, токсины (факторы патогенности) n Y. pestis – 11 белков, n E. coli – 6 белков, n P. aeruginosa – 6 белков-ферментов (липаза, фосфатаза, экзотоксин). Транспорт белков из клеток определяется специфичными белками – система транслокации.

Транслоказы (Sec) n могут быть связаны с ЦПМ, n но могут быть свободными или находиться в других частях клетки (цитоплазме, периплазме и т. д. ). n Напр. , белок Sec. В (шаперон) влияет на конформацию белка, т. е. может трансформировать третичную структуру белка во вторичную (нитчатую). В таком виде белок легче может проходить через ЦПМ.

Вопрос 10. Сенсорная функция ЦПМ n n 2 -х компонентные сенсорные системы 2 белка регулируют передачу сигнала: 1 – белок сенсор, 2 – белок регулятор. n После поступления сигнала извне на белок-сенсор, он автофосфорилируется и воздействует на белок регулятор (находится рядом в ЦПМ), в котором фосфорилируется аспарагиновый участок. n После фосфорилирования белок-регулятор действует на определенные участки генома, регулируя активность определенных генов.

Белок-регулятор n Белок-регулятор : n 1. может выступать в роли активатора n 2. в роли репрессора. n Белок-сенсор n 1. реагирует на изменения определенных параметров окружающей среды, (напр. изменение концентрации веществ), n 2. передает сигнал на белок-регулятор, который координирует поведение бактерий в зависимости от условий окружающей среды.