Генетичний апарат та реплікація хромосоми
А — фрагмент нитки ДНК, утвореної залишками дезоксирибози і фосфорної кислоти, що чергуються. До першого вуглецевого атома дезоксирибози приєднано азотисту основу: 1 - цитозин; 2 - гуанін; Б - подвійна спіраль ДНК: Д - дезоксирибозу; Ф - фосфат; А - аденін; Т - тімін; Г - гуанін; Ц - цитозин
Будова генетичного апарату прокаріотів довгий час була предметом жарких дискусій, суть яких зводилася до того, є в них таке ж ядро, як у еукаріотів, чи ні. Встановлено, що генетичний матеріал прокаріотних організмів, як і еукаріотних, представлений ДНК, але є суттєві відмінності у його структурній організації. У прокаріотів ДНК являє собою більш менш компактне утворення, що займає певну область в цитоплазмі і не відокремлене від неї мембраною, як це має місце у еукаріотів. Щоб підкреслити структурні відмінності в генетичному апараті прокаріотних та еукаріотних клітин, запропоновано у перших його називати нуклеоїдом на відміну від ядра у других.
При електронно-мікроскопічному спостереженні видно, що нуклеоїд прокаріот, незважаючи на відсутність ядерної мембрани, досить чітко відмежований від цитоплазми, займає в ній, як правило, центральну область і заповнений нитками ДНК діаметром близько 2 нм. Не виключено, що на організацію прокаріотної хромосоми, що виявляється в електронному мікроскопі, великий вплив мають умови фіксації препарату. За наявними спостереженнями, у живій клітині нуклеоїд займає більше місця у цитоплазмі.
Вся генетична інформація прокаріотів міститься в одній молекулі ДНК, що має форму ковалентно замкнутого кільця і отримала назву бактеріальної хромосоми (У прокаріотній клітині ДНК може знаходитися і поза бактеріальною хромосомою — у плазмідах, але останні не є обов'язковими клітиннимикомпонентами).
Довжина молекули у розгорнутому вигляді може становити понад 1 мм, тобто майже в 1000 разів перевищувати довжину бактеріальної клітини. Тривалий час вважали, що у розподілі ниток ДНК бактеріальної хромосоми не простежується жодної закономірності. Однак якщо виходити з того, що молекула ДНК утворює безладний клубок, важко пояснити процес реплікації і подальший розподіл хромосом, що утворилися, по дочірніх клітинах. Спеціальні дослідження показали, що хромосоми прокаріотів являють собою високоупорядковану структуру, що має константу седиментації 1300-2000S для вільної і 3200-7000S для пов'язаної з мембраною форми. У тому й іншому випадку частина ДНК у цій структурі представлена системою із 20 – 100 незалежно суперспіралізованих петель. У забезпеченні суперспіралізованої організації хромосом беруть участь молекули РНК.
Реплікація кільцевої бактеріальної хромосоми у двох напрямках
А - батьківська молекула ДНК; Б - проміжні реплікативні форми;
В - дочірні молекули ДНК після завершення процесу реплікації та розбіжності: 1 - точка початку реплікації; чорними стрілками показано напрямок реплікації.
Хоча кожна прокаріотна клітина містить 1 хромосому, часто в культурі, що експоненціально росте, кількість ДНК на клітину може досягати маси 3, 4, 8 і більше хромосом. Нерідко в клітинах при дії на них певних факторів (температури, pH середовища, іонізуючого випромінювання, солей важких металів, деяких антибіотиків та ін) відбувається утворення безлічі копій хромосоми. При усуненні впливу цих факторів, а також після переходу в стаціонарну фазу в клітинах, як правило, можна знайти по одній копії хромосоми.
ДНК прокаріотів побудована так само, як і еукаріотів (рис. 14).Молекула ДНК має безліч негативних зарядів, оскільки кожен фосфатний залишок містить іонізовану гідроксильну групу. У еукаріотів негативні заряди нейтралізуються утворенням комплексу ДНК з основними білками - гістонами. У клітинах переважної більшості прокаріотів не виявлено гістонів, тому нейтралізація зарядів здійснюється взаємодією ДНК з поліамінами (сперміном і спермідином), а також з іонами Mg 2+. Останнім часом у деяких архебактерій та ціанобактерій виявлено гістони та гістоноподібні білки, пов'язані з ДНК. Зміст пар основ А+Т та Г+Ц у молекулі ДНК є постійним для даного виду організму і є важливою діагностичною ознакою. У прокаріотів молярна частка ГЦ в ДНК коливається в дуже широких межах: від 23 до 75%.
Механізм розподілу бактеріальних хромосом
А - бактеріальна клітина містить частково репліковану хромосому, прикріплену до мембрани у точці (або точках) реплікації.
Б - реплікація хромосоми завершена. У бактеріальній клітині дві дочірні хромосоми, кожна з яких прикріплена до ЦПМ. Показано синтез клітинної стінки та ЦПМ.
В — синтез мембрани і клітинної стінки, що триває, призводить до поділу дочірніх хромосом. Показано початок поділу клітини шляхом утворення поперечної перегородки: 1 - ДНК; 2 - прикріплення хромосоми до ЦПМ: 3 - ЦПМ; 4 - клітинна стінка: 5 - синтезована ділянка ЦПМ; 6 - новий матеріал клітинної стінки.
Розподіл молекули ДНК (реплікація) відбувається за напівконсервативним механізмом і в нормі завжди передує поділу клітини. За допомогою електронного мікроскопа встановлено, що реплікація ДНК починається у точці прикріплення кільцевої хромосоми до ЦПМ, де локалізовано ферментативний апарат, відповідальний за реплікацію. Часто можнавиявити, що контакт ДНК із ЦПМ здійснюється за допомогою мезосом. Реплікація, що почалася у точці прикріплення, йде потім у двох протилежних напрямках, утворюючи характерні для кільцевої хромосоми проміжні структури (рис. 15).
Дочірні хромосоми, що виникають, залишаються прикріпленими до мембрани. Реплікація молекул ДНК відбувається паралельно із синтезом мембрани в області контакту ДНК із ЦПМ. Це призводить до поділу (сегрегації) дочірніх молекул ДНК та оформлення відокремлених хромосом (рис. 16).
Модель будови бактеріальної хромосоми повинна пояснювати також проходження у клітині процесів транскрипції та трансляції. Згідно з існуючими уявленнями суперспіралізовані петлі відповідають неактивним на даний час ділянкам ДНК і знаходяться в центрі нуклеоїду. По його периферії розташовуються деспіралізовані ділянки, на яких відбувається синтез інформаційної РНК (іРНК), при цьому, оскільки у бактерій процеси транскрипції та трансляції йдуть одночасно, та сама молекула іРНК може бути одночасно пов'язана з ДНК і рибосомами (рис. 17).
Модель організації нуклеоїда Е. coli
1 - зовнішня мембрана клітинної стінки; 2 - пептидоглікановий шар; 3 - ЦПМ; 4 - точка прикріплення бактеріальної хромосоми до ЦПМ; 5 - рибосоми, що "сидять" на іРНК.
Зростання та способи розмноження
Під зростанням прокаріотної клітини розуміють узгоджене збільшення кількості всіх хімічних компонентів, із яких вона побудована. Зростання є результатом безлічі скоординованих біосинтетичних процесів, що знаходяться під строгим регуляторним контролем, і призводить до збільшення маси (а отже, і розмірів) клітини. Але зростання клітини не безмежне. Після досягнення певних (критичних) розмірів клітина піддається поділу.
Для переважної більшості прокаріотів характерний рівновеликий бінарний поперечний поділ, що призводить до утворення двох однакових дочірніх клітин. При такому способі поділу має місце симетрія щодо поздовжньої та поперечної осі. У більшості грампозитивних еубактерій та нитчастих ціанобактерій поділ відбувається шляхом синтезу поперечної перегородки, що йде від периферії до центру (рис. 18, А).
Так у Bacillus subtilis всередині клітини спочатку має місце кільцеве вп'ячування ЦПМ, що супроводжується формуванням мезосом різного зовнішнього вигляду. Вони утворюються в місці закладки поперечної перегородки, і передбачається їхня активна участь у процесах синтезу пептидоглікану та інших компонентів клітинної стінки. Поперечна перегородка формується з ЦПМ та пептидогліканового шару, її зовнішні шари синтезуються пізніше. Клітини більшості грамнегативних еубактерій діляться шляхом перетяжки. У Е. coli на місці розподілу виявляється поступово зростаюче і спрямоване всередину викривлення ЦПМ і клітинної стінки (рис. 18; 5). Синтез нової клітинної стінки може відбуватися у кількох місцях чи лише у зоні формування поперечної перегородки (рис. 18, А, Б).
Варіантом бінарного поділу є брунькування, яке можна розглядати як нерівновелике бінарне поділ. При брунькаванні одному з полюсів материнської клітини утворюється невеликий виріст (нирка), що збільшується у процесі зростання. Поступово нирка досягає розмірів материнської клітини, після чого відокремлюється від останньої. Клітинна стінка нирки повністю синтезується заново (рис. 18, У).
У процесі брунькування симетрія спостерігається щодо лише поздовжньої осі. При рівновеликому бінарному поділі материнська клітина, ділячись, дає початок двом дочірнім клітинам і сама, такимТаким чином, зникає. При брунькаванні материнська клітина дає початок дочірній клітині, і між ними можна здебільшого виявити морфологічні та фізіологічні відмінності: є стара материнська клітина та нова дочірня. І тут можна спостерігати процес старіння.
Так, для деяких штамів Rhodomicrobium показано, що материнська клітина здатна відпочковувати не більше 4 дочірніх клітин. Дочірні клітини краще пристосовуються до умов, що змінюються. Ниркування виявлено в різних групах прокаріотів: серед фото- та хемотрофів, що здійснюють авто- та гетеротрофний конструктивний метаболізм. Ймовірно, воно у процесі еволюції виникало кілька разів.
Способи поділу та синтез клітинної стінки у прокаріотів
А - розподіл шляхом утворення поперечної перегородки;
Б - розподіл шляхом перетяжки;
Г - множинний поділ: 1 - клітинна стінка (товстою лінією позначена клітинна стінка материнської клітини, тонкою - заново синтезована); 2 - ЦПМ; 3 - мембранна структура; 4 - цитоплазма, в центрі якої розташований нуклеоїд; 5 - додатковий шар фібрилярний клітинної стінки.
Бінарний поділ може відбуватися в одній або кількох площинах. У першому випадку, якщо після поділу клітини не розходяться, це призводить до утворення ланцюжків паличкоподібних або сферичних клітин, у другому - до клітинних скупчень різної форми (рис. 1; 4 - 6). Розбіжність дочірніх клітин, що утворилися, відбувається в результаті лізису середнього шару клітинної стінки.
Для однієї групи одноклітинних ціанобактерій описано розмноження шляхом множинного поділу. Воно починається з попередньої реплікації хромосоми та збільшення розмірів вегетативної клітини, яка потім зазнає ряду швидких послідовних бінарних поділів, що відбуваютьсявсередині додаткового шару фібрилярного материнської клітинної стінки. Це призводить до утворення дрібних клітин, що отримали назву баеоцитів 12, кількість яких у різних видів коливається від 4 до 1000. Визволення боєоцитів відбувається шляхом розриву материнської клітинної стінки (рис. 20, Г). Отже, основу множинного поділу лежить принцип рівновеликого бінарного поділу. Відмінність полягає в тому, що в цьому випадку після бінарного поділу не відбувається зростання дочірніх клітин, що утворилися, а вони знову піддаються поділу.
Розподіл прокаріотної клітини починається, як правило, через деякий час після завершення циклу реплікації молекули ДНК. Ймовірно, реплікація бактеріальної хромосоми запускає якісь процеси, що ведуть до клітинного поділу. Більш детальне вивчення у різних видів прокаріотів взаємозв'язку між реплікацією ДНК і розподілом клітини не призвело до однозначних результатів. Отримано дані про те, що сигналом до клітинного поділу є початок реплікації ДНК, її завершення або реплікація певного локусу бактеріальної хромосоми. Таким чином, у нормі існує цілком певний тимчасовий зв'язок між реплікацією хромосоми та розподілом бактеріальної клітини. Впливи різними хімічними речовинами та фізичними факторами, що призводять до придушення реплікації ДНК, зупиняють клітинний поділ. Однак за деяких умов зв'язок між обома процесами може бути порушений, і клітини здатні ділитися без синтезу ДНК. Це вдалося отримати запровадженням певних мутацій в генетичний апарат бактеріальної клітини.
Порушити послідовність процесів реплікації бактеріальної хромосоми та клітинного поділу також можна, вирощуючи бактерії за різної температури.
Культивування Bacillus subtilis на багатійживильному середовищі при 37° призводить до інтенсивного поділу бактеріальної хромосоми і зростання клітин, внаслідок чого в культурі утворюються ниткоподібні клітини, що містять безліч хромосомних копій з відсутніми зовсім або недосформованими (незамкнутими) поперечними перегородками. При уповільненні швидкості зростання спостерігається поділ ниткоподібних клітин, що веде до утворення бактеріальних клітин нормальної довжини.