Размножение и спорообразование бактерий

1. Размножение и спорообразование бактерий

СПбГУ
2014

2. План лекции

1. Размножение бактерий (клеточный цикл)
2. Начальные стадии репликации ДНК
3. Элонгация и терминация
4. Расхождение хромосом
5. Бинарное (мономорфное) деление клеток
6. Дифференцировка клеток (диморфный тип
деления)
7. Образование спор
8. Строение эндоспор
9. Функции эндоспор
10. Прорастание эндоспор

3. 1 Вопрос. Размножение бактерий (клеточный цикл)

У всех живых организмов рост
клеток – это увеличение массы с
последующим делением и
образованием двух идентичных
клеток.
Деление клетки
Neisseria gonorrhoeae возбудитель гонореи

4. Вегетативный клеточный цикл (ВКЦ)

Период от деления до деления
называется – вегетативным
клеточным циклом (ВКЦ)
ВКЦ включает несколько этапов:
Репликация ДНК – удвоение
генетического материала
Расхождение двух наборов
хромосом
Деление клетки

5. Особенности клеточного цикла прокариот

ВКЦ прокариот и эукариот во
многом сходен.
Отличие:
во время быстрого роста в одной
бактериальной клетке может
происходить 2 - 3 цикла
репликации хромосом
одновременно.

6. 2 вопрос. репликация ДНК

3 этапа:
1. инициация
2. элонгация
3. терминация

7. Инициация репликации

стадии:
1.Узнавание точки начала
репликации - oriC
2.Синтез РНК-затравки
3.Связывание ДНК-геликазы с матрицей
4. Связывание SSB-белков с матрицей

8. Узнавание точки начала репликации - oriC

Репликация начинается с точки начала
репликации - oriC
БХ реплицируются в двух направлениях
Репликация идет за счет нескольких вилок
репликации, но всегда с точки – oriC
Чем чаще возникают вилки репликации, тем
быстрее бактерия размножается
Новая вилка репликации возникает, когда
предыдущая репликация еще не завершена
Существует механизм регуляции частоты
образования вилок репликации (белкамирегуляторами)

9. Синтез РНК-затравки

Подготовку к синтезу РНК-затравки праймера осуществляют белковые
комплексы – праймосомы: DnaA, DnaВ
и DnaС.
DnaA (инициаторный белок) – выполняет
главную роль - соединение в точке
начала репликации – oriC.
После связывания DnaA с 2Н ДНК к
этому участку присоединяются белки
DnaВ и DnaС.

10. Связывание ДНК-геликазы и SSB-белков с матрицей ДНК

1. ДНК-геликаза приводит к раскручиванию
2Н ДНК
2. SSB-белки предотвращают образование
дуплекса, покрывая ДНК сплошным
слоем (стехиометрическое количество
белка)
3. SSB-белки обнаружены во всех живых
организмах, от вирусов до человека

11. 3 вопрос. Элонгация и терминация

Элонгация:
рост реплицирующегося фрагмента (репликона).
1-я цепь (ведущая) – синтезируется непрерывным
способом.
2-я цепь (отстающая) – синтезируется прерывисто
путем образования фрагментов Оказаки
(сшиваются лигазой).
За синтез отвечают холоферменты (от англ. –
объединяющие):
ДНК-полимераза I
ДНК-полимераза III

12. Репликация ДНК

13. Терминация

окончание процесса синтеза, т.е.
завершение репликации - в точке
terC.
после завершения репликации
бактерия переходит к следующему 2-му этапу клеточного цикла расхождению хромосом

14. 4 вопрос. Расхождение хромосом

в процессе репликации и разделения
цепей ДНК происходит их конденсация и
суперспирализация
после завершения репликации 2
дочерние хромосомы спутаны и
сцеплены, чтобы разделиться они
должны быть расцеплены
затем хромосомы расходятся в стороны –
в центры будущих дочерних клеток

15. Расхождение хромосом в клетках эукариот

16. Расхождение хромосом бактерий - соответствие митозу эукариот

у бактерий нет микротрубочек как у
эукариот в митозе
аналогов центромер у бактерий
пока не обнаружено

17. Схемы расхождения бактериальных хромосом

Схема 1. Классическая схема Мано перетягивание хромосом за счет
активности мембран
Мембрана растет, увеличиваясь на
участке прикрепления ДНК, что приводит
к ее перемещению
Схема 2. С помощью белков,
генерирующих растяжение (белковый
аналог аппарата веретена деления)

18. 5 вопрос. Бинарное мономорфное деление клеток

бинарное деление материнской клетки и
расхождение 2-х дочерних клеток происходит
после расхождения дочерних хромосом
сначала в середине клетки образуется инвагинация
ЦПМ и клеточной стенки
процесс активируется пенициллинсвязывающим
белком Pbp3 (принимает участие в синтезе
пептидогликана клеточных перегородок)
в центре клетки образуется специфическая
белковая структура – перисептальное кольцо

19. Перисептальное кольцо (от септа – перегородка)

образуется в центре клетки непосредственно перед
началом деления
состоит из молекул одного белка FtsZ, экспрессия
которого связана только с определенным этапом
клеточного цикла.
FtsZ – белок близок к белкам эукариот – тубулинам,
из которых образуются микротрубочки в митозе.
в норме образование перегородок происходит в
центре клеток.
у мутантов в локусе minB локализация перегородок
нарушена.
образуется одна круглая mini-клетка без ДНК, а
другая удлиненная – содержит всю материнскую ДНК.

20. Образование поперечной перегородки в делящейся клетке S. pyogenes а — образующаяся перегородка; б — нуклеоид; в — клеточная

стенка.

21. Мономорфное деление

- после разделения материнской
бактериальной клетки образуются
две одинаковые дочерние клетки.
мономорфное деление –
образование двух равноценных
клеток.
пример бессмертия!!!

22. 2-й вариант мономорфного деления - перетяжкой Миксобактерии рода Polyangium

2-й вариант мономорфного деления перетяжкой
Миксобактерии рода Polyangium

23. 6 вопрос. Дифференцировка клеток (диморфный тип деления)

водные стебельковые бактерии
почкующиеся бактерии:
p. Hyphomicrobium
p. Caulobacter

24. Диморфный клеточный цикл у бактерий p. Hyphomicrobium

Материнская клетка дает начало
почке – дочерней клетке
Хромосома проходит через гифу.

25. Диморфный клеточный цикл бактерий p. Caulobacter

бактерия – мать может дать начало 4 дочерним
клеткам
При делении образуются две разные клетки:
1. свободноживущая клетка (дочь или швермерная
клетка)
2. стебельковая клетка (прикрепляется к поверхности).

26. 7 вопрос. Образование спор

Споруляция – особая форма дифференцировки
клеток.
Дифференцировка приводит к образованию клеток
с различными функциями - диморфный
клеточный цикл.
Формируется особый тип покоящихся клеток –
споры.
Споры образуют в основном Гр(+) бактерии:
6 родов: Bacillus, Clostridium, Streptomyces и др.
Гр(-) спорообразующая бактерия р. Sporomasa
(имеет форму банана)

27. Bacillus anthracis в центре спорообразующие клетки

28. 1-я стадия стадия образования спор B. subtilis

В оптимальных условиях клетки
B. subtilis размножаются бинарным
делением
при исчерпании питательного субстрата и
высокой плотности популяции появляется
первый признак споруляции –
ассиметрично расположенная
перегородка (спорулирующая септа)

29. 2-я стадия

клетка делится септой на 2 части:
1 – большой клеточный компартмент развивается материнская клетка
2-й - меньший компартмент – будущая спора
(предспора).
Мембраны материнской клетки окружают
меньший компартмент, формируя двойную
мембрану вокруг предспоры.

30. 3, 4, 5 стадии

3 стадия - образуется протопласт
предспоры, покрытый 2-мембранной
структурой (зародышевой клеточной
стенкой).
4 стадия- между двумя мембранами
откладывается пептидогликан –
образование кортекса споры.
5 стадия – сборка белковых покровов
споры.

31. 6, 7 стадия

6-я стадия - созревание - спора
становится устойчивой к действию ф-х
факторов и приобретает свойства
покоящейся формы.
На 7-й стадии происходит лизис
материнской клетки с освобождением
споры.
Спора – обезвоженная покоящаяся
форма клетки, сильно
преломляющая свет.

32. 8 вопрос. Строение эндоспор. Схема и ультратонкий срез эндоспоры B. subtilis

1 — эндоспориум; 2 — слои споровой оболочки; 3 —
внешняя мембрана споры; 4 — кора (кортекспептидогликан); 5 — внутренняя мембрана споры; 6 —
сердцевина.

33. Химический состав эндоспор

В сердцевине:
дипиколиновая кислота,
ионы Са2+ (цементируют сердцевину споры)
низкомолекулярные белки (связываются с
молекулой ДНК, придавая ей стабильность)
сердцевина обезвожена и окружена мембранами
(активной функции не выполняют)
затем слой муреина – кортекс (основа будущей
клеточной стенки)
все окружает эндоспориум (вещества различной
химической природы)

34. 9 вопрос. Функции эндоспор

Способны выдерживать стресс, сохраняя
жизнеспособность
находясь в состоянии покоя (лишены воды)
- устойчивы к различным ф-х факторам:
химические вещества,
пониженная Т°
повышенная Т°
частично УФ-излучение.

35. Ископаемые споры бактерий

споры термофильной бактерии
Thermoactinomyces пролежали 110
лет в илах, воде и т.д.
споры Bacillus circulaus пролежали
350 000 000 лет в отложениях
соленых высохших озер.

36. 10 вопрос. Прорастание эндоспор

Для прорастания спор необходимо снять
внутренний и внешний покой, напр.
нагреванием.
Для Bacillus subtilis сигналом служит
аминокислота – аланин.
Для других бактерий сигналы:
глюкоза,
фруктоза,
ионы К+

37. Стимуляция прорастания спор вызывает

нарушение структуры оболочек,
инициацию репарации ДНК,
репликацию ДНК.
В результате из споры может
образоваться новая бактерия.

38. Прорастающая спора Bacillus megaterium