Молекулярный механизм клеточного деления у бактерий

Молекулярный механизм клеточного деления у бактерий.

Деление клеток у бактерий состоит из ряда последовательных этапов.

Разделению ирасхождению клеток предшествует удваение ДНК нуклеида, его раепликация .

Различают 3 периода репликации ДНК бактерий:

1. Инициация
2. 2. Элонгация
3. Терминация

1.Инициация: репликация нач-ся на уч-ке с определенной нукл-й последовательностью(уч-ки origin - начало). При инициации к цепям ДНК последовательно присоединяются ферменты (хеликаза, топоизомераза) и ДНК-связывающие белки расплетают ДНК, удерживают матрицу в разведённом состоянии и вращают молекулу ДНК. Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований и активностью ДНК-полимеразы, способной распознать и исправить ошибку.

 

2.Элонгация: после расплетания и разделения родительских цепей ДНК они выступают в роли матриц, по кот-м синт-ся дочерние цепи ДНК. Синтез новых доч-х цепей ДНК: ДНК-полимераза-3, кот-я в кач-ве субстрата исп-т дезоксирибонуклеозид-3-фосфаты(dАТФ,dГТФ,dЦТФ,dТТФ),т.к. свободные азотистые основания в природе мало распространены. В к-ке они представлены в виде нуклеозидов/нуклеотидов. Синтез дочерней цепи идет по матричной по пр-пу комплементарности. Для осущ-я р-ии полимеризации любым ДНК-полимеразам необходимо наличие затравки со свободным 3’-ОН-концом. Хим смысл полимеризации: своб 3’-ОН-конец взаимодействует с атомом фосфора нуклеозид-3-фосфата, при этом отщепляется пирофосфат – обр-ся фосфодиэфирная связь. 3’-ОН присоед-ся нуклеотида выступает в роли затравки для присоединения след-го нуклеотида.

Цепи ДНК антипараллельны, т.е. в обл-ти репликативной вилки присутствуют и 3’ и  5’ концы синтезируемых цепей. Поск-ку для действия ДНК-полимеразы необходимо присутствие3’-ОН-конца, то всего лишь 1 из 2-х растущих доч-х цепей ДНК синт-ся непрерывно. Для начала её синтеза нужна 1 затравка. Эта цепь названа ведущей. Поск-ку элонгация каждой доч-й цепи идет ток в направлении 5’→3’, то синтез другой цепи(отстающая) идет прерывисто, путем синтеза и соед-я коротких фрагментов (Оказаки). Эти фрагменты синт-ся в направлении противоположном направл-ю движения реплик-й вилки. Фрагменты Оказаки имеют небольшие размеры, у E.coli – 2000, у эукариот – 200. В начале каждого фрагмента Оказаки синт-ся праймер. Праймеры не сохр-ся в зрелой ДНК. После инициации репликации они удал-ся с пом-ю ДНК-полимеразы-1 за счет проявления её 5’→3’-экзонуклеазной активности. В дальнейшем праймеры м-т распадаться на отдельные нуклеотиды, но м-т переноситься с готового фрагмента в точку старта синтеза след-го фрагмента с пом-ю белковых ф-ров репликации. После удаления затравки ДНК-полимераза-1 достраивает образовавшуюся брешь. 3. Терминация: ДНК реплиц-ся полностью. В рез-те: 2 мол-лы ДНК, в кажд из кот-х 1 цепь материнская, а 2-я дочерняя.

 

 

 

Деление кл у бакт. Осциллирующие белки, FtsZ, дивидисома.

Деление клеток — процесс образования дочерних  клеток из материнской. Отличительной чертой деления прокариотических клеток является непосредственное участие реплицированной ДНК в процессе деления. В подавляющем большинстве случаев прокариотические клетки делятся с образованием двух одинаковых по размеру дочерних клеток, поэтому этот процесс ещё иногда называют бинарным делением.

Формирование Z-кольца

 Белок FtsZ, играет ключевую  роль в его формировании Z-кольца . Белок FtsZ имеет тенденцию формировать длинные фибриллярные структуры. После деления FtsZ формирует прилегающую ко внутренней мембране спираль, закрученную вдоль оси клетки. Эта спираль постоянно меняет своё положение и быстро осциллирует от одного полюса клетки к другому. Примерно ко времени завершения репликации ДНК спираль FtsZ схлопывается, в результате чего формируется Z-кольцо посередине клетки. Есть все основания предполагать, что Z-кольцо на самом деле также представляет собой короткую плотную спираль.

Белок FtsZ — прокариотический гомолог тубулина с похожей третичной структурой. Это позволяет предполагать, что ассоциация FtsZ в Z-кольцо может напоминать сборку микротрубочек эукариот. FtsZ, как и тубулин, обладает ГТФазной активностью, гидролиз ГТФобеспечивает полимеризацию FtsZ с образованием линейных протофиламентов. Z-кольцо — динамичная структура: молекулы FtsZ в составе кольца постоянно заменяются молекулами из цитоплазматического пула.

FtsZ сам по себе не  имеет сродства к мембране, формирование кольцевой структуры из протофиламентов, их закрепление во внутренней мембране и стабилизацию Z-кольца обеспечивают белки FtsA и ZipA, которые взаимодействуют с FtsZ прямо и независимо. ZipA — интегральный белок внутренней мембраны, FtsA — цитоплазматический белок, который тем не менее может связываться с мембраной за счёт особой аминокислотной последовательности на C-конце. ZipA, по-видимому, характерен только дляγ-протеобактерий, в то время как FtsA более универсален. Z-кольцо у E. coli может формироваться при отсутствии одного из этих белков, но не двух сразу, что указывает на их перекрывающиеся функции.

Ещё два белка — ZapA и ZapB — включаются в состав Z-кольца на ранней стадии, однако их присутствие не строго обязательно для его формировани. ZapA — универсальный для многих прокариот белок, а вот ZapB, по всей вероятности, есть только у γ-протеобактерий. ZapA связывается с FtsZ непосредственно, а ZapB связывается с ZapA. Интересно, что ZapB формирует ещё одну кольцевую структуру, которая находиться дальше от мембраны, чем Z-кольцо. Функции этих белков ещё до конца не установлены, однако предполагается, что они принимают участие в превращении спирали FtsZ в Z-кольцо, а также в последующей стабилизации Z-кольца[7].

Созревание септального кольца

Z-кольцо существует в  описанном виде 14—21 минуту (в зависимости  от скорости деления), и только  после этого к нему присоединяются  все остальные ключевые белки, начиная с FtsQ. В какое время  присоединяется FtsK, пока точно не  установлено. Оставшиеся белки включаются  в состав септального кольца  практически одновременно в течение 1—3 минут. До того момента, как  начинает собираться септальное  кольцо, Z-кольцо стимулирует синтез пептидогликана в центре клетки таким образом, что клетка начинает удлиняться. Молекулярный механизм этого процесса, однако, до сих пор не установлен.

Одними из последних в септальное кольцо включаются белки, ответственные за синтез полярного пептидогликана (FtsW, FtsI), и белки, обеспечивающие частичный гидролиз пептидогликана на границе раздела между двумя клетками (AmiA, B, C, EnvC, NlpD).

Формирование перетяжки

Завершающим этапом деления прокариотической клетки является формирование перетяжки и конечное разделение двух новых клеток. Образование перетяжки затрагивает все компоненты клеточной оболочки (внутреннюю мембрану, слой пептидогликана и внешнюю мембрану). Есть основания полагать, что за инвагинацию внутренней мембраны отвечает Z-кольцо, однако как именно оно передаёт напряжение на мембрану, пока не известно. Параллельно с с этим процессом ферменты септального кольца синтезируют (или модифицируют особым образом предсуществующий) пептидогликан септы. После формирования септы в работу вступают пептидогликангидролазы, которые отделяют будущие клетки друг от друга. Завершается процесс деления инвагинацией и обособлением внешних мембран клеток.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Деление грамотрицательных бактерий

Раскрытию механизма деления грамотрицательных бактерий способствовало изучение мутантных штаммов E. coli, у которых этот механизм нарушен. В результате мутаций, которые затрагивают гены, участвующие в делении клетки, могут формироваться следующие фенотипы:

• филаменты — длинные клетки, которые формируются, если септа по тем или иным причинам не образуется. Филаменты бывают нескольких типов:

• содержащие многочисленные нуклеоиды, равномерно распределённые по длине клетки. В таких штаммах сегрегация ДНК проходит нормально, но септа тем не менее не формируется; их называют Fts− (от англ. filamentation temperature-sensitive);

• содержащие единственный нуклеоид примерно посередине клетки. В данном случае причиной образования филаментов являются нарушения в синтезе ДНК, соответственно штаммы называют Dna;

• содержащие многочисленные нуклеоиды посередине клетки. В дальнейшем ближе к концам таких клеток могут формироваться септы, и вследствие этого образовываться безъядерные клетки (см. ниже). Эти события являются результатом нарушений в механизме сегрегации ДНК, соответствующие штаммы чаще всего называются Par− (от англ. partition);

• миниклетки — маленькие, лишённые ДНК клетки. Миниклетки образуются, когда при делении формируется больше одной септы или она находится в неправильном месте. Штаммы с такими нарушениями называют Min− (от англ. miniature);

• безъядерные клетки — клетки нормального размера, лишённые ДНК. Как было сказано выше, безъядерные клетки могут образовываться из филаментов типа Par−. В то же время при некоторых мутациях, например Muk−(от яп. mukaku — безъядерный), в популяции клеток могут обнаруживаться только безъядерные клетки при отсутствии филаментов. Тем не менее такой фенотип также связан с нарушением сегрегации ДНК.