Генетический аппарат и репликация хромосомы

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 51Следующая ⇒

Строение генетического аппарата прокариот долгое время было предметом жарких дискуссий, суть которых сводилась к тому, есть у них такое же ядро, как у эукариот, или нет. Установлено, что генетический материал прокариотных организмов, как и эукариотных, представлен ДНК, но имеются существенные различия в его структурной организации. У прокариот ДНК представляет собой более или менее компактное образование, занимающее определенную область в цитоплазме и не отделенное от нее мембраной, как это имеет место у эукариот. Чтобы подчеркнуть структурные различия в генетическом аппарате прокариотных и эукариотных клеток, предложено у первых его называть нуклеоидом в отличие от ядра у вторых.

При электронно-микроскопическом наблюдении видно, что нуклеоид прокариот, несмотря на отсутствие ядерной мембраны, довольно четко отграничен от цитоплазмы, занимает в ней, как правило, центральную область и заполнен нитями ДНК диаметром около 2 нм. Не исключено, что на выявляемую в электронном микроскопе организацию прокариотной хромосомы большое влияние оказывают условия фиксации препарата. По имеющимся наблюдениям, в живой клетке нуклеоид занимает больше места в цитоплазме.

Вся генетическая информация прокариот содержится в одной молекуле ДНК, имеющей форму ковалентно замкнутого кольца и получившей название бактериальной хромосомы[††]. Длина молекулы в развернутом виде может составлять более 1 мм, т. е. почти в 1000 раз превышать длину бактериальной клетки. Длительное время считали, что в распределении нитей ДНК бактериальной хромосомы не прослеживается никакой закономерности. Однако если исходить из того, что молекула ДНК образует беспорядочный клубок, трудно объяснить процесс репликации и последующее распределение образовавшихся хромосом по дочерним клеткам. Специальные исследования показали, что хромосомы прокариот представляют собой высокоупорядоченную структуру, имеющую константу седиментации 1300–2000S для свободной и 3200–7000S для связанной с мембраной формы. В том и другом случае часть ДНК в этой структуре представлена системой из 20–100 независимо суперспирализованных петель. В обеспечении суперспирализованной организации хромосом участвуют молекулы РНК.

Хромосомы большинства прокариот имеют молекулярную массу в пределах (1–3) • 10⁹ Да. У микоплазм генетический материал представлен молекулами, имеющими наименьшее для клеточных организмов количество ДНК (0,4–0,8) • 10⁹, а наибольшее содержание ДНК обнаружено у нитчатых цианобактерий (8,5–10⁹). Хотя каждая прокариотическая клетка содержит 1 хромосому, часто в экспоненциально растущей культуре количество ДНК на клетку может достигать массы 3, 4, 8 и более хромосом. Нередко в клетках при действии на них определенных факторов (температуры, рН среды, ионизирующего излучения, солей тяжелых металлов, некоторых антибиотиков и др.) происходит образование множества копий хромосомы. При устранении воздействия этих факторов, а также после перехода в стационарную фазу в клетках, как правило, обнаруживается по одной копии хромосомы.

Из изложенного выше следует, что термины «нуклеоид» и «хромосома» не всегда совпадают. В зависимости от условий нуклеоид прокариотной клетки может состоять из одной или некоторого числа копий хромосомы.

ДНК прокариот построена так же, как и эукариот (рис. 21). Молекула ДНК несет множество отрицательных зарядов, поскольку каждый фосфатный остаток содержит ионизированную гидроксильную группу. У эукариот отрицательные заряды нейтрализуются образованием комплекса ДНК с основными белками – гистонами. В клетках подавляющего большинства прокариот не обнаружено гистонов, поэтому нейтрализация зарядов осуществляется взаимодействием ДНК с полиаминами (спермином и спермидином), а также с ионами Mg²⁺. Содержание пар оснований А + Т и Г + Ц в молекуле ДНК является постоянным для данного вида организма и служит важным диагностическим признаком. У прокариот молярная доля ГЦ в ДНК колеблется в очень широких пределах: от 23 до 75 %.

Рис. 21. Строение ДНК: а – фрагмент нити ДНК, образованной чередующимися остатками дезоксирибозы и фосфорной кислоты. К первому углеродному атому дезоксирибозы присоединено азотистое основание: 1 – цитозин; 2 – гуанин; б – двойная спираль ДНК: Д – дезоксирибоза; Ф – фосфат; А – аденин; Т – тимин; Г – гуанин; Ц – цитозин (по Гусеву М.В. и Минеевой Л.А., 2003)

Деление молекулы ДНК (репликация) происходит по полуконсервативному механизму и в норме всегда предшествует делению клетки. С помощью электронного микроскопа установлено, что репликация ДНК начинается в точке прикрепления кольцевой хромосомы к ЦПМ, где локализован ферментативный аппарат, ответственный за репликацию. Часто можно обнаружить, что контакт ДНК с ЦПМ осуществляется посредством мезосом. Репликация, начавшаяся в точке прикрепления, идет затем в двух противоположных направлениях, образуя характерные для кольцевой хромосомы промежуточные структуры (рис. 22). Возникающие дочерние хромосомы остаются прикрепленными к мембране. Репликация молекул ДНК происходит параллельно с синтезом мембраны в области контакта ДНК с ЦПМ. Это приводит к разделению (сегрегации) дочерних молекул ДНК и оформлению обособленных хромосом (рис. 23).

Рис. 22. Репликация кольцевой бактериальной хромосомы в двух направлениях: а – родительская молекула ДНК; б – промежуточные репликативные формы; в – дочерние молекулы ДНК после завершения процесса репликации и расхождения: 1 – точка начала репликации; черными стрелками показано направление репликации (по Гусеву М.В. и Минеевой Л.А., 2003)

Рис. 23. Механизм распределения бактериальных хромосом: а – бактериальная клетка содержит частично реплицированную хромосому, прикрепленную к мембране в точке (или точках) репликации; б – репликация хромосомы завершена. В бактериальной клетке две дочерние хромосомы, каждая из которых прикреплена к ЦПМ. Показан синтез клеточной стенки и ЦПМ; в – продолжающийся синтез мембраны и клеточной стенки приводит к разделению дочерних хромосом. Показано начало деления клетки путем образования поперечной перегородки; 1 – ДНК; 2 – прикрепление хромосомы к ЦПМ; 3 – ЦПМ; 4 – клеточная стенка; 5 – синтезированный участок ЦПМ; 6 – новый материал клеточной стенки (по Гусеву М.В. и Минеевой Л.А., 2003)

Модель строения бактериальной хромосомы должна объяснять также прохождение в клетке процессов транскрипции и трансляции. Согласно существующим представлениям суперспирализованные петли соответствуют неактивным в данное время участкам ДНК и находятся в центре нуклеоида. По его периферии располагаются деспирализованные участки, на которых происходит синтез информационной РНК (иРНК), при этом, поскольку у бактерий процессы транскрипции и трансляции идут одновременно, одна и та же молекула иРНК может быть одновременно связана с ДНК и рибосомами (рис. 24).

Рис. 24. Модель организации нуклеоида Е. coli: 1 – наружная мембрана клеточной стенки; 2 – пептидогликановый слой; 3 – ЦПМ; 4 – точка прикрепления бактериальной хромосомы к ЦПМ; 5 – рибосомы, «сидящие» на иРНК; остальные объяснения см. в тексте (по Громову Б.В., 1985)

Рост и способы размножения

Под ростом прокариотной клетки понимают согласованное увеличение количества всех химических компонентов, из которых она построена. Рост является результатом множества скоординированных биосинтетических процессов, находящихся под строгим регуляторным контролем, и приводит к увеличению массы (а следовательно, и размеров) клетки. Но рост клетки не беспределен. После достижения определенных (критических) размеров клетка подвергается делению.

Для подавляющего большинства прокариот характерно равновеликое бинарное поперечное деление, приводящее к образованию двух одинаковых дочерних клеток. При таком способе деления имеет место симметрия в отношении продольной и поперечной оси. У большинства грамположительных эубактерий и нитчатых цианобактерий деление происходит путем синтеза поперечной перегородки, идущего от периферии к центру (рис. 25а). Так, у Bacillus subtilis в середине клетки сначала имеет место кольцевое впячивание ЦПМ, сопровождающееся формированием мезосом разного внешнего вида. Они образуются в месте закладки поперечной перегородки, и предполагается их активное участие в процессах синтеза пептидогликана и других компонентов клеточной стенки. Поперечная перегородка формируется из ЦПМ и пептидогликанового слоя, ее наружные слои синтезируются позднее. Клетки большинства грамотрицательных эубактерий делятся путем перетяжки. У Е. coli на месте деления обнаруживается постепенно увеличивающееся и направленное внутрь искривление ЦПМ и клеточной стенки (рис. 25б). Синтез новой клеточной стенки может происходить в нескольких местах или только в зоне формирования поперечной перегородки (рис. 25а, б).

Рис. 25. Способы деления и синтез клеточной стенки у прокариот: а – деление путем образования поперечной перегородки; б – деление путем перетяжки; В – почкование; Г – множественное деление; 1 – клеточная стенка (толстой линией обозначена клеточная стенка материнской клетки, тонкой – заново синтезированная); 2 – ЦПМ; 3 – мембранная структура; 4 – цитоплазма, в центре которой расположен нуклеоид; 5 – дополнительный фибриллярный слой клеточной стенки (по Гусеву М.В. и Минеевой Л.А., 2003)

Вариантом бинарного деления является почкование, которое можно рассматривать как неравновеликое бинарное деление. При почковании на одном из полюсов материнской клетки образуется маленький вырост (почка), увеличивающийся в процессе роста. Постепенно почка достигает размеров материнской клетки, после чего отделяется от последней. Клеточная стенка почки полностью синтезируется заново (рис. 25в). В процессе почкования симметрия наблюдается в отношении только продольной оси. При равновеликом бинарном делении материнская клетка, делясь, дает начало двум дочерним клеткам и сама, таким образом, исчезает. При почковании материнская клетка дает начало дочерней клетке, и между ними можно в большинстве случаев обнаружить морфологические и физиологические различия: есть старая материнская клетка и новая дочерняя. В этом случае можно наблюдать процесс старения. Так, для некоторых штаммов Rhodomicrobium показано, что материнская клетка способна отпочковывать не более 4 дочерних клеток. Дочерние клетки лучше приспосабливаются к меняющимся условиям. Почкование обнаружено в разных группах прокариот: среди фото- и хемотрофов, осуществляющих авто- и гетеротрофный конструктивный метаболизм.

Бинарное деление может происходить в одной или нескольких плоскостях. В первом случае, если после деления клетки не расходятся, это приводит к образованию цепочек палочковидных или сферических клеток, во втором – к клеточным скоплениям разной формы (см. рис. 7, 4 –6).Расхождение образовавшихся дочерних клеток происходит в результате лизиса среднего слоя клеточной стенки.

Описано размножение бактерий путем множественного деления. Оно начинается с предварительной репликации хромосомы и увеличения размеров вегетативной клетки, которая затем претерпевает ряд быстрых последовательных бинарных делений, происходящих внутри дополнительного фибриллярного слоя материнской клеточной стенки (рис. 25г).

У шаровидных бактерий может образовываться не одна, а несколько поперечных перегородок. Если возникает одна перегородка, то клетка делится в одной плоскости и образуются микрококки, диплококки, стрептококки. Две перегородки располагаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и тогда при делении образуются тетракокки. При расположении перегородок в трех взаимно перпендикулярных плоскостях получаются скопления клеток в виде сарцин. Эти способы закладки перегородок являются наследственно закрепленными и используются в систематике бактерий. При делении с образованием поперечной перегородки ЦПМ вместе с клеточной стенкой врастает внутрь клетки, инвагинаты сближаются, соединяются и образовавшаяся перегородка расщепляется. Расщепление клеточной перегородки может происходить по мере ее роста (у стрептококков) или быстро, толчком в конце деления (у стафилококков) и бывает полным, тогда дочерние клетки расходятся, либо неполным и клетки остаются связанными (стафилококки).

Деление прокариотной клетки начинается, как правило, спустя некоторое время после завершения цикла репликации молекулы ДНК. Вероятно, репликация бактериальной хромосомы запускает какие-то процессы, ведущие к клеточному делению.

Фазы развития бактериальной популяции

Теоретически допустимо, что если бактериям создать условия непрерывного притока и прогрессивного увеличения массы свежей питательной среды и оттока продуктов выделения, то размножение будет возрастать логарифмически, а гибель – арифметически.

Общую закономерность роста и размножения бактериальной популяции представляют графически в виде кривой, которая отражает зависимость логарифма числа живых клеток от времени. Типичная кривая роста (рис. 26) имеет S-образную форму и позволяет различать несколько фаз, следующих в определенной последовательности :

I. Исходная (стационарная, латентная или фаза покоя). Представляет собой период от момента посева бактерий на питательную среду до их роста. В этой фазе число живых бактерий не увеличивается, а может даже уменьшиться. Продолжительность – 1–2 ч. (рис. 26).

II. Фаза задержки размножения. В этот период бактериальные клетки интенсивно растут, но слабо размножаются. Продолжительность около 2 ч. и зависит от ряда условий: возраста культуры (молодые культуры приспосабливаются быстрее, чем старые), биологических особенностей микробных клеток (для кишечных бактерий характерен короткий период приспособления, для микобактерий туберкулеза – длительный), полноценности питательной среды, температуры выращивания, концентрации СО2, рН, степени аэрации среды, окислительно- восстановительного потенциала и др. Нередко обе фазы объединяют термином «лаг-фаза» (от англ. lag – отставание, запаздывание).

III. Логарифмическая фаза. В этот период скорость размножения клеток и увеличение бактериальной популяции максимальны. Период генерации (от лат. generatio – рождение, воспроизведение), т. е. время, прошедшее между двумя последовательными делениями бактерий, постоянное для данного вида, а количество бактерий удваивается в геометрической прогрессии. Это означает, что в конце первой генерации из одной клетки формируются две, в конце второй – обе бактерии, разделяясь, образуют четыре, из поденных четырех формируются восемь и т. д. Следовательно, после п генераций количество клеток в культуре будет равно 2 п. Продолжительность – 5–6 ч.

IV. Фаза отрицательного ускорения. Скорость размножения бактерий снижается, число делящихся особей уменьшается, а число погибших увеличивается. Продолжительность около 2 ч. Одна из возможных причин, замедляющих размножение бактерий, – истощение питательной среды, т. е исчезновение специфических веществ, необходимых для жизнеспособности данного вида.

V. Стационарная фаза максимума. Число новых бактерий почти равно числу отмерших, т. е. наступает равновесие между погибшими клетками и вновь образующимися. Продолжительность – 2 ч.

VI. Фаза ускорения гибели. Прогрессивное превосходство числа погибших клеток над числом вновь нарождающихся. Продолжительность около 3 ч.

VII. Фаза логарифмической гибели. Отмирание клеток происходит с постоянной скоростью. Продолжительность около 5 ч.

VIII. Фаза уменьшения скорости отмирания. Остающиеся в живых клетки переходят в состояние покоя.

Рис. 26. Фазы роста культур на питательных средах

Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 238; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!