Тема 7 Цитоплазма и ядерный аппарат бактерий 1

Тема 7 «Цитоплазма и ядерный аппарат бактерий» 1. Цитоплазма бактерий, внутрицитоплазматические включения 2. Рибосомы бактерий 3. Нуклеоид бактериальной клетки 4. Репликация ДНК у бактерий

Вопрос 1. Цитоплазма бактерий, внутрицитоплазматические включения

n Цитоплазма – это содержимое клетки, окруженное цитоплазматической мембраной (ЦМ). n Цитоплазма состоит из двух частей: цитозоля и структурных элементов (органелл цитоплазмы).

• Цитозоль - фракция цитоплазмы, имеющая визуально гомогенную консистенцию и содержащая набор растворимых РНК, ферментных белков, продуктов и субстратов метаболических реакций. • Растворимые ферменты катализируют множество различных реакций метаболизма. • Растворимые м. РНК и т. РНК вместе с рибосомами участвуют в синтезе белка.

• Белки состоят из аминокислот, соединенных в определенной последовательности пептидными связями в полипептидные цепи. • Эти цепи имеют совершенно определенную пространственную конфигурацию, которая стабилизируется дополнительными связями – ковалентными и нековалентными. • Различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры белка.

Пространственная структура белка

n Другая часть цитоплазмы представлена структурными элементами: n рибосомами, n внутрицитоплазматическими включениями, n нуклеоидом, n мембранными структурами

n Внутрицитоплазматические включения подразделяются на 1) активно функционирующие структуры; 2) продукты клеточного метаболизма, которые не выделяются наружу, а откладываются внутри клетки.

К первой группе внутриплазматических включений относятся : газовые вакуоли (аэросомы); хлоросомы; фикобилисомы; карбоксисомы; магнитосомы.

• Ко второй группе включений (продуктам клеточного метаболизма) относятся запасные вещества – полифосфаты, полисахариды, жиры, сера.

n Из полисахаридов в клетках микроорганизмов откладываются гликоген, крахмал и крахмалоподобное вещество гранулоза. n Запасные полисахариды используются микроорганизмами в качестве источников углерода и энергии.

• Много крахмала имеют клетки бактерий рода Nеisseria и вида Acetobacter pasteurianus. • Гранулоза содержится в большом количестве в клетках бактерий рода Clostridium. • Гликоген, или «животный крахмал» , синтезируется у бактерий E. coli, у бактерий рода Salmonella, у бацилл, дрожжей и других микроорганизмов. Установлено, что гликоген у бактерий встречается чаще, чем крахмал.

n Жиры накапливаются в виде гранул и (или) капелек, преломляющих свет по-иному, чем содержимое цитоплазмы, и поэтому хорошо различимы в световом микроскопе. n Запасным жироподобным веществом многих бактерий (например, представителей рода Pseudomonas) является поли-β-гидроксимасляная кислота, которая является хорошим источником углерода и энергии.

• Микроорганизмы могут накапливать также триглицериды (нейтральные жиры). Особенно много их запасается в клетках дрожжей и других грибов. • Кроме того, микобактерии туберкулеза могут содержать до 40 % воска.

n Полифосфаты откладываются в гранулах, называемых волютиновыми или метахроматиновыми зернами. n Полифосфаты играют роль фосфатных депо и источников энергии.

n У многих бактерий, таких как пурпурные и бесцветные серобактерии, зеленые серные бактерии и других, окисляющих сульфид до сульфата, в процессе метаболизма в клетке откладывается молекулярная сера в виде шариков, сильно преломляющих свет. n Количество накопляемой серы зависит от содержания Н 2 S в окружающей среде. Сера служит источником энергии и донором электронов.

n Специфическими запасными веществами цианобактерий являются цианофитиновые гранулы, состоящие из полипептида, в который входят аргинин и аспарагиновая кислота в эквимолярных количествах. n Цианофитиновые гранулы служат резервом азота, который используется цианобактериями при его недостатке в среде.

Вопрос 2. Рибосомы бактерий

n Рибосомы представляют собой крупные нуклеопротеидные структуры, в которых три основные цепи р. РНК находятся в комплексе с набором специфических рибосомных белков.

Рибосомы прокариот имеют константу седиментации 70 S. Они образованы двумя субъединицами – 30 S и 50 S.

n. Меньшая субъединица 30 S содержит молекулу 16 S-р. РНК и в большинстве случаев по одной молекуле белков 21 вида. n Субъединица 50 S состоит из двух типов молекул р. РНК (23 S и 5 S) и около 35 молекул различных белков, представленных, как правило, также одной копией. n По величине и некоторым другим особенностям рибосомы бактерий сходны с рибосомами митохондрий и хлоропластов.

n Бактериальная клетка содержит от 5 тыс. до 50 тыс. рибосом, число их возрастает с увеличением скорости роста клетки. n Рибосомы служат местом синтеза белка. Синтез белка выполняется агрегатами, которые состоят из рибосом, и. РНК и т. РНК. Такие агрегаты называются полирибосомами или полисомами. n Полирибосомы могут быть связаны с мембранными структурами или же находиться свободно в цитоплазме.

Различия между рибосомами бактерий (70 S) и эукариот (80 S) имеют основное значение для борьбы с инфекционными заболеваниями, так как некоторые антибиотики, действуя бактерицидно или бактериостатически, частично или полностью подавляют синтез белка, протекающий на рибосомах 70 S-типа, но не затрагивают функционирования рибосом 80 S-типа.

Структура РНК – это полинуклеотидная цепь. Состоит из рибозы, остатков фосфорной кислоты, азотисных оснований (А, Г, Ц, У). РНК в клетках присутствует в одноцепочечной форме, только на отдельных участках цепи основания могут быть случайно спарены. Электронная микрофотография РНК

Вопрос 3. Нуклеоид бактериальной клетки

«Нуклеоид (nucleoid, prokaryon)(= молекула ДНК, хромосома) – аналог ядра у бактерий – это лишенная мембраны молекула ДНК. • У некоторых прокариот может быть более одного Н. на клетку), • Деление Н. происходит после репликации ДНК с участием клеточной мембраны. »

ПРИМЕРЫ ВОЗМОЖНЫХ СТРУКТУР ДНК 1 - одноцепочечная линейная ДНК ( различные вирусы) 2 - двухцепочечная линейная ДНК (эукариоты, некоторые прокариоты, вирусы) 3 - одноцепочечная кольцевая ДНК (митохондрии, вирусы) 4 - двухцепочечная кольцевая (прокариоты)

В зависимости от метода микроскопирования и фиксации, нуклеоид выглядит по-разному : n. Полностью «уложенный» нуклеоид представляет компактное образование. Стабилизирующую роль в такой организации играют специфические белки. Например, у бактерий кишечной группы известно пять белков, которые способствуют «упаковке» ДНК. Похожие белки выделены у самых различных микроорганизмов, в том числе и архебактерий. Наибольшее значение в «упаковке» ДНК играет белок HU (аш, у). Связываясь с ДНК, он меняет конформацию ее витков. n

n В зависимости от условий, нуклеоид бактериальной клетки может состоять из одной или нескольких копий одной и той же хромосомы. Так, у Azotobacter chroococcum в фазе наиболее интенсивного роста и размножения на одну клетку приходится 20– 25 копий хромосомы. n Есть бактерии, которые содержат 2 или 3 хромосомы. Например, клетки Agrobacterium tumefaciens, имеют по две хромосомы, которые различаются между собой по величине.

n Размеры хромосомной ДНК у различных видов бактерий отличаются друг от друга. Например, у одной из наименьших по размеру бактерий Mycoplasma genitalium, вызывающей у людей уретриты, хромосомная ДНК равна 580. 070 п. н. (пар нуклеотидов); у бактерий E. coli – 4. 653. 831 п. н. n Нить хромосомной ДНК у бактерий E. coli имеет линейный размер в 1, 6 мм, а длина упакованного нуклеоида – 1 мкм, что короче хромосомы в 1600 раз.

Структура ДНК – макромолекула, состоит из дезоксирибозы, остатков фосфорной кислоты азотистых оснований (А и Г, Ц и Т). Одиночные цепи ДНК соединены водородными связями. Последовательность оснований в двух цепях по необходимости комплементарно. Направление цепей противоположно: 3′ → 5′ и 5′ → 3′. Электронная микрофотография ДНК

*По содержанию пар ГЦ в ДНК бактерии очень сильно различаются между собой. Эта величина может варьировать в пределах 30 -70 % у разных видов. ***Содержание пар ГЦ видоспецифично и рассматривается как таксономический признак.

Вопрос 4. Репликация ДНК у бактерий

n «Репликация (replication, reduplication) - процесс самовоспроизведения молекул нуклеиновых кислот, который сопровождается передачей по наследству (от клетки к клетке) точных копий генетической информации; n Р. Происходит с участием набора специфических ферментов (хеликаза, контролирующая расплетание молекулы ДНК; ДНК-полимеразы I и III, ДНК-лигаза), n n Проходит по полуконсервативному типу с образованием репликативной вилки. На одной из цепей синтез комплементарной цепи непрерывен, а на другой происходит за счет образования фрагментов Оказаки; Р. - высокоточный процесс, частота ошибок при котором не превышает 10 -9. »

Молекулярные механизмы репликации

Основные ферменты репликации ДНК : 1) ДНК-геликазы, которые перемещаются по цепи ДНК, независимо от ее направления (как в направлении 5′ → 3′ , так и в направлении 3′ → 5′); 2) SSB-белки (single strand binding - которые связываются с однонитевой ДНК и препятствуют ее ренатурации; 3) ДНК-гиразы, или топоизомеразы - белки, которые снимают напряжение при раскручивании кольцевых молекул ДНК и способствуют ее расплетанию.

n Каждая полинуклеотидная нить служит матрицей для синтеза новой комплиментарной цепи. В этом процессе участвуют ферменты ДНКполимеразы. У бактерий E. coli синтезируются три типа ДНКполимераз (I, II и III). n Главную роль в репликации хромосомной ДНК у бактерий E. сoli играет ДНК-полимераза III.

n Доказано, что синтез новой ДНК протекает только в направлении от 5′ → 3′-ОН концу. n Однако цепи ДНК противоположно направлены и поэтому синтез одной из дочерних цепей происходит непрерывно с помощью ДНК-полимеразы III в направлении 5′ → 3′. n. Это происходит за счет того, что ДНК-полимераза III перемещается по родительской цепи 3′ → 5′ в направлении раскрывания репликативной вилки и синтезирует новую цепь. n. Эта новая цепь называется ведущей, (илилидирующей).

Копия второй цепи противоположной направленности (5′ → 3′) называется запаздывающей и она синтезируется из фрагментов ДНК размером 1000– 2000 нуклеотидов, которые называются n фрагменты Оказаки. Для синтеза фрагментов Оказаки необходима «затравка» , или праймер (рис. ). n В качестве праймера выступает короткая цепь РНК, которая синтезируется с помощью праймазы (ДНК-зависимой РНКполимеразы) на матрице ДНК. К этому праймеру ДНК-полимераза III присоединяет дезоксирибонуклеотиды, в результате образуются фрагменты Оказаки. Затем РНК-праймеры удаляются за счет активности ДНК-полимеразы I, после чего лигаза сшивает отдельные фрагменты Оказаки друг с другом и целостность новой цепи восстанавливается. n

n Обычно деление бактериальной клетки по времени происходит после завершения цикла репликации молекулы ДНК. n Однако в интенсивно растущих культурах репликация ДНК может опережать деление клетки и нередко в ней содержится ДНК в 4– 8 раз больше, чем масса одной хромосомы.

n Согласно модели позитивной регуляции репликации, предложенной Ф. Жакобом, С. Бреннером и Ф. Кьюзеном (1963), структура, способная самостоятельно реплицироваться, называется репликоном : это относится к хромосомам и плазмидам бактерий.

n «Репликон (replicon) – это автономная единица репликации, которая находится под контролем одной точки инициации репликации (репликатора); у прокариот Р. представлен всем геномом. »

Согласно модели позитивной регуляции репликации, репликон должен: n 1) иметь кольцевую форму и реплицироваться не по частям, а как единое целое. n 2) репликон должен быть прикреплен к цм и обязательно обладать двумя специфическими детерминантами или генами – структурным геном и геномрепликатором.

n Модель негативной регуляции репликации была предложена Р. Притчард, П. Барт, Дж. Коллинз, 1969. n Согласно этой модели, в составе репликона есть ген, который отвечает за синтез белка-репрессора. Этот белок при высокой концентрации негативно действует на инициацию репликации, а в малой концентрации не влияет на этот процесс. По мере роста клетки концентрация репрессора снижается и создается возможность репликации хромосомы или плазмиды.

!!!!! Обратите внимание, что рассмотренные модели могут объяснить регуляцию репликации при условии, что бактериальная хромосома имеет кольцевую структуру. Однако нет единого мнения относительно регуляции репликации линейных хромосом.

Спасибо за внимание!