Αντιγραφή Βακτηριακού DNA: 3 Σημαντικές Έννοιες

Περιεχόμενα

Σε τι διαφέρει η αντιγραφή του βακτηριακού DNA από την αντιγραφή του ευκαρυωτικού DNA;

Χαρακτηριστικά αντίθεσης μεταξύ βακτηρίων Βήματα αντιγραφής DNA (προκαρυωτικό) και ευκαρυωτικό Αναπαραγωγή DNA Οι διαδικασίες ταυτίζονται κυρίως με τη διαφορά στην πολυπλοκότητα και το μέγεθος του DNA και του κυττάρου.

Στα προκαρυωτικά κύτταρα, υπάρχει μόνο ένα σημείο εκκίνησης για να πραγματοποιηθεί η διαδικασία αντιγραφής σε δύο αντίθετες επικεφαλίδες ταυτόχρονα και στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων, σε αντίθεση με τα ευκαρυωτικά κύτταρα, τα οποία έχουν πολυάριθμες περιοχές προέλευσης αντιγραφής και χρησιμοποιούν μονόδρομη αντιγραφή μέσα στο πυρηνόπλασμα.

Προκαρυωτική αντιγραφή DNAΕυκαρυωτική αντιγραφή DNA
Ο τόπος αντιγραφής είναι το κυτταρόπλασμαΤοποθεσία αναπαραγωγής είναι το Nucleus
Προέλευση αντιγραφής: ΕνιαίαΠροέλευση αντιγραφής: Πολλαπλή
DNA Gyrase: ΑπαιτείταιDNA Gyrase: Δεν απαιτείται
Η αντιγραφή συμβαίνει πολύ γρήγορα (συνήθως μέσα σε 20 λεπτά)Η διαδικασία αναπαραγωγής διαρκεί πολύ περισσότερο χρόνο
Πολύ μακριά (1-2 κιλά ζεύγη βάσεων) σχηματίζονται θραύσματα OkazakiΤα θραύσματα Okazaki είναι πολύ σύντομα
Τα τελομερή δεν αναπαράγονται αφού το προκαρυωτικό DNA είναι κυκλικόΤα τελομερή υπάρχουν και αναπαράγονται αφού το ευκαρυωτικό DNA δεν είναι κυκλικό
Πίνακας 1: Αντιπαραβαλλόμενα χαρακτηριστικά σταδίων αναπαραγωγής προκαρυωτικών και ευκαρυωτικών

Άλλα σημαντικά γεγονότα που σχετίζονται με τη διαδικασία αναπαραγωγής:

  • Σε σύγκριση με τα προκαρυωτικά, οι Ευκαρυώτες έχουν 25 φορές περισσότερη περιεκτικότητα σε DNA.
  • Τα ευκαρυωτικά κύτταρα έχουν γενικά διπλό αριθμό Πολυμεράσες DNA σε σύγκριση με τα προκαρυωτικά κύτταρα (κανονικά έχει δύο πολυμεράσες DNA) Η αντιγραφή συμβαίνει επιπρόσθετα με πολύ ταχύτερο ρυθμό στα προκαρυωτικά κύτταρα, σε σύγκριση με τα ευκαρυωτικά. Συνήθως χρειάζονται μόλις 40 λεπτά, ενώ οι άνθρωποι μπορεί να χρειαστούν έως και 400 ώρες.
  • Οι ευκαρυώτες έχουν επίσης μια ιδιαίτερη αλληλεπίδραση για την αναπαραγωγή των τελομερών χρωμόσωμακλείσιμο (τέλος). Ενώ τα προκαρυωτικά έχουν κυκλικά χρωμοσώματα, επομένως δεν υπάρχει τελομερές.
  • Η σύντομη αντιγραφή σε προκαρυωτικά συμβαίνει επίμονα, αλλά σε ευκαρυωτικά κύτταρα αντιγραφή DNA κατά τη διάρκεια της κυτταρικός κύκλος ακριβέστερα στη συνθετική (S-Phase).
βήματα αντιγραφής βακτηριακού DNA
Εικόνα: Σχηματισμός του Το πιρούνι αντιγραφής είναι το βασικό βήμα για το DNA αντιγραφή. Πίστωση εικόνας: AWS Commons

Πού συμβαίνει η αντιγραφή του DNA στα βακτήρια;

Η διαδικασία αντιγραφής του βακτηριακού DNA γίνεται στο κυτταρόπλασμα.

Ο «κυτταρικός κύκλος» του βακτηρίου ξεκινά με την έναρξη της αντιγραφής στην απλή αναπαραγωγή προέλευσης. Η αναπαραγωγή βασίζεται στο μήκος ενός χρωμοσώματος, το οποίο ακολουθείται από κάποιο χρονικό διάστημα μέχρι να ολοκληρωθεί η διαίρεση.

Άλλα σημαντικά Γεγονότα σχετικά με την ανάπτυξη βακτηρίων και την αντιγραφή του DNA:

  • Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται συνολικά κάτω από δύο μοναδικές συνθήκες, είτε υπό περιορισμένη παροχή θρεπτικών συστατικών. Αυτό αναφέρεται ως στατική μικροβιακή ανάπτυξη (χωρίς αύξηση του πληθυσμού) ή σε άφθονη παροχή θρεπτικών συστατικών, όπου η αύξηση του πληθυσμού (πληθυσμού) είναι ταχεία και υπονοείται ως λογαριθμική μικροβιακή ανάπτυξη.
  • Αυτός είναι ο τρόπος που συμβαίνει όταν οι βακτηριακές καλλιέργειες είναι πυκνότερες ή κάποιες διαφορετικές μεταβλητές αντιστέκονται στην ανάπτυξη του πληθυσμού.

Η αντιγραφή του DNA σε ένα βακτήριο κατά τη φάση καταγραφής συμβαίνει συνεχώς. Αυτή είναι μια θεμελιώδης υπόθεση που εξαρτάται από τα συνοδευτικά τέσσερα βασικά γεγονότα:

  • Το γονιδίωμα του E. coli έχει μήκος περίπου 4.5 εκατομμύρια ζεύγη βάσεων.
  • Η ταχύτητα της αντιγραφής είναι περίπου 1000 βάσεις/δευτερόλεπτο.
  • Η αντιγραφή διαρκεί 15 λεπτά για να ολοκληρωθεί
  • Υπάρχει μόνο μία προέλευση αντιγραφής στο γονιδίωμα.

Για να αντιγραφούν 4.5 εκατομμύρια βάσεις ενός βακτηρίου θα απαιτηθούν 4.500 sec ή 75 λεπτά (αν η ταχύτητα αναπαραγωγής είναι 1000 bp/sec). Η αντιγραφή του DNA, ακόμη και με αργό ρυθμό διπλασιασμού, θα διαρκέσει περίπου μία ώρα εάν το Διαδικασία αντιγραφής DNA είναι συνεχής.

Τώρα προκύπτει ένα ερώτημα, πώς μπορεί ένα βακτήριο E.coli να αντιγράψει το DNA του σε 75 λεπτά;

  • Η εξήγηση είναι ότι η αρχή αντιγραφής ξεκινά πριν τελειώσει η αντιγραφή του χρωμοσώματος. Σε περίπτωση απενεργοποίησης του ori κάθε 15 λεπτά όταν ολοκληρωθεί η κύρια αντιγραφή μετά από 75 λεπτά, το χρωμόσωμα θα περιέχει επιπλέον επιπλέον πιρούνια αντιγραφής.
  • Κατά συνέπεια, στους μικροσκοπικούς οργανισμούς, δεν υπάρχει κάτι πολύ παρόμοιο με τον «κυτταρικό κύκλο» όπως στα ευκαρυωτικά κύτταρα. Επιπλέον, δεν αναφερόμαστε στη μίτωση που αφορά τα πυρηνικά κύτταρα, αλλά την κυτταρική διαίρεση. Επιπλέον, η αναπαραγωγή είναι ένας όρος που δεν χρησιμοποιείται συχνά στη μικροβιακή επιστήμη.

Πώς διαιρούνται και αναπαράγονται τα βακτηριακά κύτταρα;

Η δυαδική σχάση είναι ο τύπος της διαδικασίας αναπαραγωγής μέσω της οποίας οι περισσότεροι μικροοργανισμοί πολλαπλασιάζουν τον αριθμό τους.

Το βακτήριο χωρίζεται σε δύο θυγατρικά κύτταρα. Το φαινόμενο της δυαδικής σχάσης ξεκινά όταν το DNA του βακτηρίου αναπαράγεται. Το βακτηριακό κύτταρο αρχικά επιμηκύνεται και στη συνέχεια δημιουργεί δύο θυγατρικά κύτταρα διαχωρίζοντας το περιεχόμενο DNA του γονικού κυττάρου. Κάθε θυγατρικό κύτταρο είναι ο κλώνος ενός γονικού κυττάρου.

Δυαδική σχάση και άλλες μορφές αναπαραγωγής σε βακτήρια:

Δυαδική σχάση

Οι περισσότεροι μικροσκοπικοί οργανισμοί εξαρτώνται από τη δυαδική σχάση για αναπαραγωγή. Είναι μια στοιχειώδης μορφή αναπαραγωγής:

  • Ένα κύτταρο μεγαλώνει σε μέγεθος (τις περισσότερες φορές, διπλασιάζει το αρχικό του μέγεθος) και στη συνέχεια χωρίζεται στα δύο.
  • Κάθε θυγατρικό κύτταρο ένα πλήρες αντίγραφο του θεμελιώδους κληρονομικού του υλικού (γονιδίωμα).

Η βακτηριακή κυτταρική διαίρεση αναλύεται σε πολλά ερευνητικά κέντρα διερεύνησης παγκοσμίως. Αυτές οι εξετάσεις αποκαλύπτουν τους γενετικούς μηχανισμούς που ελέγχουν τη διαίρεση των βακτηριακών κυττάρων - κατανοώντας τη μηχανική αυτού του κύκλου και εξετάζοντας την παραγωγή νέων ουσιών ή αντιβιοτικών που στοχεύουν ρητά τη βακτηριακή κυτταρική διαίρεση.

δυαδική σχάση
Εικόνα: Βασικά βήματα που εμπλέκονται στη διαδικασία της δυαδικής σχάσης. Πίστωση εικόνας: AWS Commons

Μερικές ασυνήθιστες μορφές αναπαραγωγής σε βακτήρια:

  • Υπάρχουν μικρόβια που χρησιμοποιούν ασυνήθιστες μορφές κυτταρικής διαίρεσης για να πολλαπλασιαστούν.
  • Τα μικρόβια αναπτύσσονται δύο φορές το αρχικό τους μέγεθος κυττάρων και στη συνέχεια χρησιμοποιούν επακόλουθες διαιρέσεις για να σχηματίσουν πολλαπλά θυγατρικά κύτταρα.
  • Ορισμένα είδη βακτηρίων πολλαπλασιάζονται με τη διαδικασία της εκκόλαψης.
  • Άλλοι σχηματίζουν δομή (εσωτερική) που σχηματίζεται μέσα στο κυτταρόπλασμα ενός πιο γιγαντιαίου «μητρικού κυττάρου».
  • Υπάρχουν λίγα παραδείγματα αυτών των εκπληκτικών τύπων διαδικασιών αναπαραγωγής βακτηρίων.

Παραγωγή βαειοκυττάρων στο κυανοβακτήριο Stanieria

Η παραγωγή βαοκυττάρων πραγματοποιείται στα ακόλουθα βήματα:

  • Η Stanieria δεν υιοθετεί ποτέ τη διαδικασία της δυαδικής σχάσης για πολλαπλασιασμό. Αρχίζει ως ένα μικροσκοπικό σφαιρικό κύτταρο πλάτους περίπου 1 έως 2 μm. Αυτό το κύτταρο αναφέρεται ως βαιόκυτταρο (που σημαίνει "ένα μικρό κύτταρο").
  • Το βαειόκυτταρο αρχίζει να αναπτύσσεται, σχηματίζοντας τελικά ένα φυτικό κύτταρο μεγέθους έως 30 μm. Καθώς αναπτύσσεται, το κυτταρικό DNA αντιγράφεται ξανά και ξανά και το κύτταρο δημιουργεί μια πυκνή εξωκυτταρική μήτρα.
  • Το βλαστικό κύτταρο τελικά μετατρέπεται σε ένα χρήσιμο στάδιο όπου περνάει από μια γρήγορη εξέλιξη κυτταροπλασματικών διαιρέσεων για να απελευθερώσει πολλαπλά βαοκύτταρα.
  • Το εξωκυττάριο πλαίσιο στο τέλος ανοίγει, απελευθερώνοντας τα βαειοκύτταρα. Διαφορετικά άτομα από το Pleurocapsales (μια τάξη κυανοβακτηρίων) χρησιμοποιούν εκπληκτικά παραδείγματα διαίρεσης στον πολλαπλασιασμό τους.

Ανθίζει σε βακτήρια

  • Η εκκόλαψη έχει παρατηρηθεί σε άτομα από τα Firmicutes, Cyanobacteria, Planctomycetes (aka the Low G+C Gram-Positive Bacteria), και τα προσθετικά Proteobacteria.
  • Αν και ο μηχανισμός εκκόλαψης έχει μελετηθεί εκτενώς στη ζύμη (Saccharomyces cerevisiae) που είναι ένα ευκαρυωτικό σύστημα, ο μηχανισμός ανάπτυξης οφθαλμών βρίσκεται ακόμη υπό έρευνα και διερεύνηση.

Ενδοκυτταρική παραγωγή απογόνων από ορισμένα Firmicutes

  • Το Metabacterium polyspora, τα είδη Epulopiscium και τα Segmented Filamentous Bacteria (SFB) δομούν πολυάριθμους ενδοκυτταρικούς απογόνους.
  • Για ορισμένα μικρόβια, αυτός ο κύκλος φαίνεται να είναι ο καλύτερος τρόπος πολλαπλασιασμού. Η ενδοκυτταρική ανάπτυξη των απογόνων σε αυτούς τους μικροσκοπικούς οργανισμούς προσδίδει ομοιότητες με την ανάπτυξη ενδοσπορίων στον Bacillus subtilis. 

Σε γιγαντιαία είδη Epulopiscium, αυτό το εξαιρετικό αναγεννητικό σύστημα ξεκινά με άνιση κυτταρική διαίρεση. Αντί να ρυθμίσετε τον δακτύλιο FtsZ στο κέντρο των κυττάρων, όπως στη διαδικασία της δυαδικής σχάσης: 

  1. Οι δακτύλιοι Ζ τοποθετούνται κοντά και στους δύο ακροδέκτες κυψέλης στο Epulopiscium. 
  2. Η διαίρεση σχηματίζει ένα γιγαντιαίο μητρικό κύτταρο και δύο μικροσκοπικά θυγατρικά κύτταρα. 
  3. Τα μικρά κελιά περιέχουν DNA και κατακλύζεται εξ ολοκλήρου από το γιγαντιαίο μητρικό κύτταρο. 
  4. Οι εσωτερικοί απόγονοι αναπτύσσονται μέσα στο κυτταρόπλασμα του μητρικού κυττάρου. 
  5. Μόλις τελειώσει η ανάπτυξη των απογόνων, το μητρικό κύτταρο υποβαθμίζεται και παραδίδει τους απογόνους.

Ποια είναι η βασική διαφορά μεταξύ βακτηριακού γονιδιωματικού DNA και πλασμιδικού DNA;

Το γονιδιωματικό DNA και το πλασμιδιακό DNA είναι δύο είδη DNA που εμφανίζονται από ζωντανούς οργανισμούς.

Το γονιδιωματικό DNA είναι το χρωμοσωμικό DNA των ζωντανών μορφών ζωής που περιέχουν γενετικά δεδομένα. Και πάλι, το πλασμιδικό DNA είναι εξωχρωμοσωμικό DNA που υπάρχει σε μικροσκοπικούς οργανισμούς, αρχαιά και μερικά ευκαρυωτικά.

  • Η κύρια διαφορά μεταξύ του πλασμιδικού DNA και του γονιδιωματικού DNA είναι ότι το γονιδιωματικό DNA είναι θεμελιώδες για την αντοχή των μορφών ζωής.
  • Το πλασμιδικό DNA δεν είναι απαραίτητο για την επιμονή των ζωντανών οργανισμών. Ομοίως, το γονιδιωματικό και το πλασμιδικό DNA διαφέρουν επίσης στα μεγέθη τους. Το γονιδιωματικό DNA είναι συνήθως μεγαλύτερο από το πλασμιδικό DNA.
  • Το γονιδιωματικό DNA περιέχει καθοριστικά γονίδια που παράγουν όλες τις πρωτογενείς και πολύτιμες πρωτεΐνες. Ωστόσο, το πλασμιδικό DNA περιέχει γονίδια που δίνουν επιπλέον οφέλη στα πλάσματα. Στη συνέχεια, αυτό είναι επίσης μια διάκριση μεταξύ γονιδιωματικού και πλασμιδικού DNA.
πλασμίδια
Εικόνα: Μοίρα του πλασμιδικού DNA (Extra-Chromosomal). Πίστωση εικόνας: Wikimedia Commons
Χαρακτηριστικά:Πλασμιδιακό DNAΓονιδιωματικό DNA
ΟρισμόςΕίναι ένας τύπος επιπλέον χρωμοσωμικού DNA που υπάρχει σε προκαρυώτες και μερικούς ευκαρυώτεςΕίναι παρόν με τη μορφή γενετικού υλικού που περιέχει τις γενετικές πληροφορίες ενός ατόμου
ΟργανισμόςΕίναι συχνά παρόν σε προκαρυώτες και σε ορισμένους ευκαρυώτες επίσηςΕίναι παρούσα σε όλα τα έμβια όντα
ΜέγεθοςΜικρότερο σε μέγεθος (Λίγα ζευγάρια kilobase)Γενικά μεγαλύτερο σε μέγεθος
ΧαρακτηριστικάΕξω-χρωμοσωμικής φύσηςΠαρουσία σε χρωμοσώματα
Κωδικοποίηση γονιδίωνΚωδικοποιεί πρόσθετες πρωτεΐνες όπως η αντοχή στα αντιβιοτικά, η οποία παρέχει πρόσθετες δυνατότητες επιβίωσης στον οργανισμόΚωδικοποιεί πρωτεΐνες που είναι απαραίτητες για την επιβίωση του οργανισμού (συμμετέχουν στη διεξαγωγή διαδικασιών ζωής)
Μεταφορά γονιδίουΗ οριζόντια μεταφορά γονιδίου (μετασχηματισμός) είναι δυνατή, αλλά η κυτταρική διαίρεση δεν απαιτείταιΗ οριζόντια μεταφορά γονιδίου δεν είναι δυνατή, είναι δυνατή μόνο η κάθετη μεταφορά γονιδίου (από γονείς σε απογόνους)
διάνυσμαΣυχνά χρησιμοποιείται ως φορέας για πειράματα γενετικής μηχανικήςΔεν είναι πολλά υποσχόμενο να χρησιμοποιηθεί ως διάνυσμα
Ποσοστό αντιγραφήςΠολύ ψηλάΧαμηλός
Πίνακας 2: Διαφορές μεταξύ πλασμιδίου και γονιδιωματικού DNA

Διαβάστε επίσης: