Особенности организации бактериальных клеток СПб ГУ 2012

Особенности организации бактериальных клеток СПб. ГУ 2012

ДОБРЖАНСКИЙ Феодосий Григорьевич Американский генетик Член Национальной АН США и Американской академии искусств и наук В 1921 г закончил Киевский университет 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 В клетках большинства микроорганизмов (бактерий) 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.

Этапы формирования теории существования прокариот n 1925 г. n термин "прокариоты" (рrokaryota) для объединения различных форм неядерных микроорганизмов. n 1962 г. n Р. Стейннер и К. Ван Ниль n сформировали теорию существования прокариот

Теория существования прокариот Р. Стейннер и К. Ван Ниль: n У прокариот нет специального компартмента для хранения генетического материала, т. е. нет ядра n Микроорганизмы, имеющие клеточное строение, разделены на 2 группы: n 1. прокариоты (нет ядра, вместо ядра нуклеоид) n 2. эукариоты (есть ядро) – это n 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, хаотично). К концу XIX века потребовались новые критерии: 3. Биохимические свойства. 4. Физиологические свойства.

Идентификация бактерий по Д. Берги D. Bergey n 1923 г. - новый 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).

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

Экстремафильные прокариоты n. К. Воз : n создал базы данных для бактерий и n n 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.

Археи n. К. Воз : 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.

4 вопрос Три домена живой природы 3 основные эволюционные ветви назвали доменами Археи (архебактерии) Эубактерии Эукариоты (водоросли, простейшие, грибы)

Отличие археев от бактерий (архебактерий от эубактерий) 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. Никогда не вызывают заболеваний. n 6. В настоящее время стали известны археи, приспособленные к существованию в организме человека.

Теория симбиогенеза n Первичные клетки (проклетка – прогенот) n Пурпурные бактерии Формирование митохондрий n Цианобактерии Формирование пластид

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 Животные Царство Растения

Современная систематика бактерий Три домена Филы (группы микроорганизмов, объединенных общим родством) секции субсекции рода кластеры виды штаммы

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

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 мембран ядра, митохондрий, аппарата Гольджи и ЭПС. ЦПМ образована двумя слоями фосфолипидов (ФЛ), в которых комплексы белков, как у эукариотов. ФЛ есть как во внешнем, так и во внутреннем листке ЦПМ, холестерины отсутствуют

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.

Жирные кислоты (ЖК) ЦПМ бактерий n ЖК состоят из 16 -18 атомов С. n У бактерий, в отличие от эукариот, практически отсутствуют двойные (ненасыщенные) связи в ЖК. n Степень насыщенности ЖК определяет свойства бактериальных мембран. n У бактерий мембраны должны находиться в переходном, подвижном состоянии, чтобы активно реагировать на воздействия извне. n В связи с этим у большинства бактерий - широкие температурные границы существования.

Гомео-вязкостная адаптация бактерий n Состояние мембран бактерий зависит от степени n n насыщенности двойных связей ЖК. 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 (метильные группы), то такие мембраны также трудно заморозить. При понижении температуры мембраны бактерий могут переходить в состояние жидкого кристалла. Температура плавления жирных кислот определяет температурные границы существования бактерий. n Гомео-вязкостная адаптация - способность к изменению содержания жирных кислот, отличающихся по насыщенности двойных связей.

Вопрос 6. Функции цитоплазматической мембраны n 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 выделим 5 групп функций ЦПМ

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 в том, что процесс идет с участием специфических транспортных белков – пермеаз. Однако в отличие от облегченной диффузии требуется затрата энергии.

Транспорт веществ через мембрану

Вопрос 8. Энергетическая функция n n n Система первичной протонной помпы или протондвижущая сила (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.

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 K+ первичная помпа. n 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 Т. о. , ПДС может создаваться за счет разных ионов.

Вопрос 9. Транспортная функция ЦПМ n Бактерии могут существовать только во влажной среде, поглощая растворенные вещества. n Все вещества должны проходить через ЦПМ. n Существует несколько вариантов переноса веществ через ЦПМ: n 1. Активный транспорт 2. Вторичная помпа

1. Первый вариант переноса через ЦПМ - активный транспорт n Участвуют специфические транспортные белки – пермеазы, отличаются друг от друга по ряду показателей: n По степени сродства к субстрату n По специфичности к определенным веществам n По эффективности определения концентрации веществ в клетке и вне клетки

2. Второй вариант переноса вторичная помпа n Активный транспорт - осуществляется при участии энергетического протонного потенциала – вторичной помпы. 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.

1 -й вариант вторичной помпы n Унипорт – втягивание вещества отрицательным зарядом за счет разности потенциалов на мембране. Например, электрофоретический вариант переноса вещества.

2 -й вариант вторичной помпы n Синпорт – белок катализирует одновременный и однонаправленный перенос веществ (двух или сразу нескольких) вместе с протоном за счет ПДС. Например, Н+ и лактоза.

3 -й вариант вторичной помпы n Антипорт – белки вторичной помпы катализируют одновременный и встречный перенос двух различных веществ. Например, Н+ и иона Са+ или Na+.

Секреция – выделение веществ из бактериальной клетки через ЦПМ n Бактерии выделяют различные вещества: ферменты, токсины (факторы патогенности). n Напр. , Y. pestis – 11 белков, n E. coli – 6 белков, n P. aeruginosa – 6 белков n Ферменты: липаза, фосфатаза, экзотоксины.

Система транслокации n Транспорт белков из клеток определяется комплексом специфических белков – системой транслокации. n Белки-транслоказы (Sec) – могут быть связаны с ЦПМ или свободными, а также находиться в других частях клетки (цитоплазме, периплазме). n Напр. , белок Sec. В (шаперон) влияет на конформацию белков, трансформирует третичную структуру белка во вторичную (нитевидную), в таком виде белок легче проходит через ЦПМ.

Вопрос 10. Сенсорная функция ЦПМ n Бактерии способны улавливать и определять малейшие изменения в окружающей среде n Сенсорные системы бактерий похожи на подобные системы в клетках высших организмов.

2 -х компонентные сенсорные системы n У бактерий преобладают 2 -х компонентные сенсорные системы, в них 2 белка регулируют передачу сигнала: n 1 -й белок сенсор, n 2 –й белок регулятор. n Белок-сенсор реагирует на изменения определенных параметров окружающей среды, (напр. , на концентрацию веществ), передает сигнал на белок-регулятор, который координирует поведение бактерий в зависимости от условий окружающей среды.

Механизм действия 2 -х компонентных сенсорных систем n После поступления сигнала извне на белок-сенсор он автофосфорилируется. n воздействует на белок регулятор (находится рядом в ЦПМ), в котором при этом фосфорилируется аспарагиновый участок. n После фосфорилирования белок-регулятор действует на определенные участки генома, регулируя активность определенных генов. n Белок-регулятор может выступать в роли активатора, а также в роли репрессора.

Вторичная помпа