Механизм деления бактерий (прокариот)

Добавил пользователь Morpheus
Обновлено: 21.12.2024

• Известно, что большинство обитающих на Земле прокариот существует в форме организованных сообществ, называемых биопленками

• Образование биопленки включает несколько этапов: формирование поверхности, рост и деление микроорганизмов, синтез полисахаридов, созревание и распространение биопленки

• Микроорганизмы, входящие в биопленку, взаимодействуют между собой посредством систем quorum sensing

Большая часть обитающих на Земле микробов существует в виде связанных между собой групп, включающих много видов, которые называются биопленки. Большинство поверхностей, которые находятся в условиях достаточной влажности и наличия питательных компонентов, могут поддерживать образование биопленки. Структурно, биопленки организованы в виде грибообразных микроколоний, которые пронизаны сложной системой водных каналов, обеспечивающих обитателей постоянным притоком питательных компонентов.

Индивидуальные микроорганизмы в биопленке встроены в полисахаридную матрицу, играющую защитную роль. Образование сидячих (иммобилизованных) биопленок происходит при развитии многих заболеваний у человека, таких, например, как отит (инфекционное заболевание уха) и кистозный фиброз. Много дополнительных проблем создаст образование биофильмов в постоянных катетерах, искусственных сердечных клапанах и в других подобных имплантантах.

Прикрепившиеся формы имеют ряд преимуществ над планктонным существованием. Во-первых, полимерная матрица окружающая биопленку, обладает адгезивными свойствами и помогает концентрировать углерод, азот, фосфор и другие питательные компоненты. В то же время микробы в биопленке хорошо защищены от антибиотиков, механических воздействий и защитных систем организма хозяина. Биопленки также подвергаются фрагментации, что обеспечивает распространение микробов на новые поверхности.

В основном образование биопленок исследовано в лабораторных условиях. Имеются существенные различия между биопленками, существующими в организме, и используемыми в большинстве исследований. Существующие в организме биопленки почти всегда содержат много разных видов микроорганизмов, в то время как в лабораторных условиях имеют дело с системами, состоящими из одного вида. В организме биопленки образуются практически на любых поверхностях структур из неорганических материалов, а в лабораторных условиях они почти всегда растут на поверхности пластика или стекла. Тем не менее лабораторные исследования дали много информации о сложности процесса формирования биопленок.

Этапы образования биопленки

Образование биопленки включает этап адгезии бактерий на поверхности и этап образования колоний,
которые скрепляются друг с другом посредством внеклеточных полисахаридов.

Образование биопленок Е. coli и Pseudomonas aeruginosa исследовали на мутантах, неспособных образовывать их на поверхности пластика. Эти исследования продемонстрировали ступенчатый механизм процесса формирования биопленки. Этап начального контакта бактерий и их связывания с поверхностью обратим и происходит с участием жгутиков. Остается неясным, принимают жгутики непосредственное участие в адгезии или же обеспечивают подвижность, необходимую для прикрепления микроорганизмов к поверхности. После прикрепления образуется диффузный монослой клеток, который превращается в плотно упакованный слой, пронизанный микроколониями микробов.

У Р. aeruginosa образование микроколоний зависит от присутствия пилей типа IV. Эти пили обеспечивают «подергивание» клеток, способствующее взаимодействию их друг с другом. Поэтому пили типа IV способствуют созреванию биопленки, обеспечивая два процесса: межклеточные взаимодействия в растущей биопленке, и/или передвижение микробов в направлении растущей микроколонии. В результате роста микроколонии происходит формирование зрелой структуры биопленки, которая характеризуется наличием каналов, обеспечивающих доступ питательных компонентов к находящимся в ней микроорганизмам. Полимерные полисахариды скрепляют биопленку. Эти полисахариды также обеспечивают защиту от внешних воздействий, которые оказывают повреждающее действие на планктонные микробы.

Зрелая биопленка представляет собой динамичную структуру, от которой все время отщепляются микроорганизмы. Этот процесс называется распространением или фрагментацией. Процесс может происходить по всему объему, в результате чего группа микроорганизмов открепляется от биопленки, но остается заключенной в защитную пол-сахаридную матрицу. Находясь в такой матрице, организмы остаются защищенными от внешних воздействий и, чтобы продолжить рост, могут присоединяться к соседним поверхностям. В то же время подвижные организмы, подобно планктонным, могут выходить из биопленки, не нарушая ее структуры. Такой метод распространения обеспечивает «ознакомительную» деятельность микробов, с тем чтобы найти в окружающей среде места для образования новых колоний и при этом не нарушить жизнь всего сообщества.

Биопленки представляют собой вершину организации прокариотических сообществ. Как и в любом сообществе, взаимодействие между отдельными его членами жизненно необходимо для успешного существования всей популяции. Прокариоты взаимодействуют друг с другом, секретируя сигнальные молекулы, которые узнаются соседями. Эти сигнальные молекулы, называемые аутоиндукторы, обеспечивают скоординированную экспрессию генов в группе микроорганизмов. Поскольку аутоиндукторы узнаются, только когда они присутствуют в относительно больших количествах, для того чтобы произошли изменения в экспрессии генов, необходимо сосредоточение большого количества микроорганизмов на небольшой площади.

Поэтому регуляция экспрессии генов с участием аутоиндукторов называется quorum sensing. Описаны только три типа аутоиндукторов: система ацилгомосерин лактона (ацил HSL) у грамотрицательных микроорганизмов, система аутоиндуктор-2, у грамотрицательных и грамположительных, и пептидная система у грамположительных бактерий. Показано, что quorum sensing регулирует несколько процессов, протекающих с участием бактерий. У грамположительных бактерий они включают споруляцию Bacillus subtilis, конъюгацию Enterococcus faecalis, вирулентность Staphylococcus aureus, и инфекционность Streptococcus pneumoniae. У грамотрицательных микроорганизмов также много процессов регулируются по этому механизму: среди прочих свечение Vibrio fiscberi, вирулентность Р. aeruginosa и образование корончатых галлов под действием Agrobacterium tumefaciens.

На рисунке ниже представлена общая схема кворумного узнавания системы ацил-HSL. В этой системе фермент из семейства LuxI ацил-HSL-синтаз катализирует образование ацил-HSL. При низкой плотности клеток активации генов не происходит. Однако при превышении порогового уровня ацил-HSL регуляторы транскрипции семейства LuxR связывают аутоиндуктор, что приводит к активации транскрипции зависимых генов.

Индукторы HSL участвуют в образовании биофильмов такими организмами, как Р. aeruginosa и Streptococcus mutants. Штамм Р. aeruginosa, несущий мутацию по гену lasI (гомологу гена luxI), не продуцирует аутоиндуктор и не образует зрелой биопленки. Способность к формированию биопленки мутантными клетками восстанавливается после добавления к ним экзогенного гомосерин лактона. Микроорганизм Strepococcus mutans образует биопленки на поверхности зубной эмали и содержит гомолог гена luxS, который необходим для их правильного формирования. Однако quorum sensing не всегда обеспечивает образование биопленки.

Например, у Vibrio cholera образование гомосерин лактона необходимо для эффективной фрагментации биопленки. У многих видов микроорганизмов quorum sensing, вероятно, участвует в формировании биопленки. Однако большинство исследований, направленных на понимание молекулярных основ образования биопленок, пока еще находится в начальном периоде.

Один из основных аспектов исследований биопленок состоит в выяснении вопроса, как отличается экспрессия генов у прикрепившихся и планктонных клеток. Исследование этих различий поможет выяснить молекулярные основы устойчивости бактерий к антибиотикам и к иммунной системе клеток организма хозяина. Только недавно для клеток Е. coli и Р. aeruginosa выяснена генетика образования биопленок. Аналогичные исследования необходимо провести на других организмах с тем, чтобы выяснить общие черты в формировании биопленок. Наконец, поскольку большинство биопленок, образующихся в организме, состоят из многих типов микробов, динамика их формирования должна быть исследована более подробно.

Система Quorum sensing ацил-HSL

Сигнальной молекулой, синтезируемой бактериями и участвующей в системе quorum sensing,
является ацилгомосерин лактон (ацил-HSL).
По мере накопления клеток, концентрация ацил-HTS достигает порогового значения, и индуктор связывается с регулятором транскрипции.
При этом происходит активация генов, участвующих в формировании биопленки.
Для ацил-HSL, R1 может быть Н, ОН или O- и R2 может быть СН2-СН2-СН=СН-СН2-СН2 или (СН2)2-14

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Особенности деления прокариотических клеток: способы и механизмы клеточного деления

Деление прокариотических клеток представляет собой процесс образования дочерних клеток прокариот на основе материнской клетки.

Есть 2 наиболее важных события, происходящих на протяжении жизненного цикла клеток прокариот. Это:

Практически всегда прокариотические клетки делятся так, что в результате образуются две одинаковые по размеру дочерние клетки. В некоторых случаях такой процесс называют еще бинарным делением или делением пополам.

В большинстве случаев прокариотические клетки характеризуются наличием клеточных стенок. Поэтому в результате бинарного деления образуется септа.

Септа — это определенная система перегородок, находящихся между дочерними клетками, имеющая свойство расслаиваться посередине.

В ходе деления различных бактериальных клеток наблюдаются определенные различия. Оригинальная система деления — система деления грамотрицательный бактерий. Этот механизм был открыт в результате исследований бактерий E. coli. У этих бактерий механизм деления нарушен. Внутри этих клеток можно наблюдать мутации, затрагивающие гены, которые и формируют механизм клеточного деления.

Происходит формирование определенных фенотипов:

  • филаменты или длинные клетки. Они формируются, когда септа по определенным причинам не может сформироваться. Филаменты могут распределяться внутри клетки равномерно, иметь один нуклеоид или несколько;
  • миниклетки или клетки минимального размера. Эти клетки лишены ДНК. Их образование происходит в случае, если в ходе клеточного деления формируется не одна, а несколько септ;
  • безъядерные клети или клетки нормального размера. Они также лишены ДНК.

Механизмы клеточного деления

Один из механизмов деления, характерных для прокариотических клеток — молекулярный. В этом механизме септальное кольцо или кольцевая органелла играют ключевую роль. Кольцевая органелла находится посередине клетки и способна сокращаться — так образуются перетяжки между двумя дочерними клетками.

Зрелое септальное кольцо — это сложный белковый комплекс. В него входит большое количество разнообразных белков.

  • модулирующие сборку филаментов;
  • те, что связывают кольцо с мембраной;
  • белки, которые координируют процесс образования септы с сегрегацией ДНК;
  • те, что синтезируют пептидогликан;
  • белки, гидролизующие пептидогликан.

У перечисленных белков есть своя неповторимая роль в процессе перераспределения генетической информации. Также все они выступают в качестве связующих звеньев в ходе деления клеток.

Функция септального кольца для многих белков все еще остается неопределенной.

Процесс формирования зрелой формы септального кольца характеризуется определенными особенностями.

После того как происходит деление, с помощью белка формируется спираль, прилегающая ко внутренней мембране. Эта спираль закручивается вдоль клеточной оси, постоянно меняет свое расположение и относительно быстро перемещается от одного полюса клетки к другому. Почти одновременно с этим завершается процесс репликации ДНК. Происходит захлопывание спирали и формирование Z-кольца посередине клетки.

Ученые считают, что Z-кольцо представлено короткой спиралью.

Следующий этап — созревание септального кольца. Этот процесс достаточно быстрый — продолжается от 14 до 21 минут. По истечении этого времени все ключевые белки присоединяются к Z-кольцу. Всего за 1-3 минут эти белки включаются в состав септального кольца.

До момента сборки септального кольца Z-кольцо отвечает за стимулирование синтезпептидогликана в центре клетки — в результате такого стимулирования клетка удлиняется.

Молекулярные основы описанного процесса все еще в полной мере не выяснены.

Белки, отвечающие за синтез полярных пептидогликанов включаются в септальное кольцо одними из последних. Одновременно с ними также включаются белки, обеспечивающие частичный гидролиз пептидогликана на границе раздела между клетками.

Завершает процесс клеточного деления формирование перетяжки и окончательное разделение двух дочерних клеток. Образование перетяжек имеет отношение ко всем компонентам клеточной оболочки: в частности, внутренней мембране, внешней мембране и слою пептидогликана.

Есть предположения, что Z-кольцо отвечает за инвагинацию внутренней части мембраны. Однако все еще остается непонятным механизм передачи напряжения на эту мембраны.

Одновременно с инвагинацией происходит синтез и преобразование пептидогликана септы с помощью ферментов септального кольца. Как только септа сформирована, в процесс деления клетки включаются ферменты пептидогликангидролазы, благодаря которым происходит отделение будущих дочерних клеток одна от другой.

Завершает процесс деления прокариотических клеток инвагинация и обособление внешних мембран дочерних клеток.

Из описанного выше ясно, что процесс деления клеток прокариот отличается собственными оригинальными чертами. Этот процесс называют прямым делением клетки или амитозом. Однако внутри такого деления происходят сложные преобразования белковых структур и реализация ДНК клетки.

Как вариант бинарного деления выступает почкование — многие рассматривают его как неравномерное бинарное деление. В результате почкования на одном полюсе материнской клетки формируется вырост или почка — в процессе роста она увеличивается. Как только эта почка достигает размеров материнской клетки, через некоторое время она от нее отделяется.

Прямым бинарным делением делятся клетки, дочерние клетки которых потом могут иметь довольно много морфологических и физиологических различий. Дочерняя и материнская клетки могут различаться, в том числе, своими размерами, однако генетический набор информации остается одинаковым и реализуется в последствии похожими принципами.

Такое деление дает возможность отслеживать процесс старения прокариотических клеток. Образованные в результате этого варианта деления дочерние клетки более жизнеспособные и лучше приспосабливаются к внешней среде.

Особенности размножения бактерий: общие сведения о размножении, репликация бактериальной хромосомной ДНК, размножение в различных средах

Как размножаются бактерии? Вот некоторые общие положения.

Размножение — процесс, заключающийся в воспроизведении себе подобных организмов, и сопровождающийся увеличением бактериальных клеток в популяции.

Выделяют следующие способы размножения бактерий:

  • бинарное делениебактерий. В результате бинарного деления (на две части), которое осуществляется симметрично относительно поперечной и продольной осей, происходит образование одинаковых дочерних клеток;
  • почкование. Это вариант бинарного деления. На одном из полюсов образуется почка, которая растет и отделяется, когда ее размер становится таким же, как у материнской клетки. Что касается симметрии, то соблюдается только относительно продольной оси;
  • множественное деление. Оно заключается в том, что с клеткой происходят быстрые последовательные бинарные деления внутри фибриллярного слоя материнской клетки. Благодаря этому образуются баеоциты — мелкие клетки в количестве от 4 до 1000. Когда клеточная стенка материнского организма разрывается, то баеоциты выходит наружу;
  • размножение бактерий происходит и при помощи спор;
  • способ фрагментации клеток, отличающихся нитевидной формой;
  • конъюгация. Обозначает половой процесс, в ходе которого клетки обмениваются генетическим материалом;
  • трансформация. В ее основе — перенос «голой» ДНК;
  • трансдукция. В этом случае генетическая информация переносится за счет бактериофагов.

Репликация бактериальной хромосомной ДНК

Репликация хромосомы в бактериальной клетке осуществляется согласно полуконсервативному типу. В результате удваивается ДНК нуклеоида — бактериального ядра. Такой тип репликации подразумевает раскрытие двухспиральной молекулы ДНК, а также достраивание каждой отдельной нити ДНК комплементарной нитью.

Репликация ДНК осуществляется от начальной точки ori и катализируется ДНК-полимеразами. Хромосома бактериальной клетки связана с цитоплазматической мембраной именно в области ori.

Первоначально речь идет о деспирализации или раскручивании двойной цепи ДНК. В результате формируется репликативная вилка — это две разветвленные цепи. Одна из этих цепей достраивается и связывает нуклеотиды от 5 к 3 концу. Вторая цепь достраивается посегментно.

Репликация ДНК состоит из нескольких этапов:

Репликация как процесс дает две хромосомы. Они закрепляются за цитоплазматическую мембрану или ее производные, и с увеличением клетки отдаляются друг от друга. Как только образуется перегородка или перетяжка деления, хромосомы окончательно разъединяются. Перегородки разрушаются под воздействием аутолитических ферментов.

Размножение бактерий в жидкой среде

Бактерии, заселенные в определенную питательную среду, постепенно ее истощают, поскольку непрерывно размножаются и потребляют питательные вещества. Истощение питательной среды же ведет к остановке роста микроорганизмов.

Культивирование микроорганизмов в такой системе получило название периодическое культивирование, а культура бактерий — непрерывная культура.

Рост культуры в жидкой питательной среде бывает:

Есть несколько фаз роста и размножения бактерий (периодической культуры). Проще всего их продемонстрировать в виде отрезков кривой размножения.

Особенности размножения бактерий

Фазы размножения бактерий:

  1. Лаг-фаза. Затрагивает период, начальной точкой которого является посев бактерий, а конечной — начало процесса размножения. Длительность фазы — от 4 до 5 часов. За это время микроорганизмы увеличиваются в размерах и готовятся делиться. Также наблюдается увеличение количества белка, нуклеиновых кислот и прочих соединений.
  2. Фаза логарифмического роста. Это время, когда клетки интенсивно делятся. Длится это 5-6 часов. Особенность фазы в том, что на этом этапе клетки бактерий наиболее чувствительны.
  3. Фаза стационарного роста. По-другому ее еще называют фазой максимальной концентрации бактерий. Отмечается постоянное количество жизнеспособных клеток. То есть, М-концентрация (максимальная концентрация). Сколько длится фаза, зависит от вида, особенностей бактерий и культивирования.
  4. Фаза гибели бактерий. Бактерии отмирают, когда питательная среда истощается и накапливаются продукты метаболизма. Эта фаза может длиться от десяти часов до нескольких недель.

Размножение бактерий на плотной питательной среде

Бактерии, которые растут на плотной питательной среде, формируют изолированные колонии. Эти колонии отличаются ровными или неровными краями округлой формы, разным цветом и консистенцией. Пигмент бактерии определяет цвет питательной среды.

У микроорганизмов самые распространенные пигменты — каротины, ксантофилы, меланины.

У многих пигментом наблюдаются антибиотикоподобное, антимикробное действие.

При помощи формы, цвета, вида колоний на плотной питательной среде бактерии идентифицируются, а также отбираются колонии для создания чистых культур.

Механизм деления бактерий (прокариот)

Изменение жизненного цикла развития Caulobacter crescentus

• Многие бактерии были использованы в качестве простых и удобных объектов для изучения процессов развития и дифференцировки клеток

• Caulobacter crescentus является примером микроорганизма, который с каждым циклом деления образует специализированные клетки

Многие типы бактерий являются удобными экспериментальными системами и исследовались как интересные объекты, позволяющие изучать процесс развития. К числу таких хорошо изученных, простых и удобных микроорганизмов относится бактерия Caulobacter crescentus. обитающая в воде. Эти бактерии образуют два различных типа клеток. Один тип имеет ножку, расположенную на конце клетки.

Она выполняет две функции: служит для прикрепления и увеличивает площадь поверхности клетки, через которую усваиваются питательные компоненты. Второй тип — клетки, растущие группами. Эти клетки могут плавать и поэтому обеспечивают организму возможность распространения. На рисунке ниже представлен цикл, начинающийся с подвижной клетки растущей в группе. У этой клетки цикл остановлен, и ее состояние напоминает стадию Go для некоторых клеток эукариот. В это время клетка с помощью одного полярного жгутика перемещается от того места, где она образовалась.

Затем она сбрасывает жгутик и образует вместо него ножку, которая представляет собой расширение цитозоля и слоев клеточной оболочки. Ножка действует как фиксатор для клетки, а также, вероятно, увеличивает площадь ее поверхности, что способствует усвоению питательных компонентов. При переходе от клеток, растущих группами, к клеткам, имеющим ножку, генерируется сигнал вступления в цикл и инициируется репликация ДНК После того как клетка разделилась, новообразованный полюс клетки (т. е. полюс, не содержащий ножку) начинает дифференцироваться.

Удивительно, что это проявляется в начале сборки нового жгутика. При делении образуется клетка, имеющая ножку, и клетка, растущая в группе. Последняя обладает жгутиком и может мигрировать, продолжая, таким образом, процесс распространения микроорганизма. Клетка, обладающая ножкой, отличается от клетки, растущей в группе тем, что при возобновлении репликации ДНК она всегда готова к вступлению в цикл.

У С. crescentus события дифференцировки и вступления клеток в цикл тесно связаны между собой. Например, обработка микроорганизмов агентами, блокирующими репликацию ДНК, предотвращают образование жгутиков. Продвижение клеток по циклу регулируется рядом белков, ключевую роль среди которых играет CtrA. Подобно белку Spo0A subtilis его активность контролируется фосфорилированием, и в регуляции развития С. crescentus важную роль играют различные киназы и фосфобелки. Такой показатель, как скорость обмена белков, также важен для некоторых ключевых участников клеточного цикла, которые деградируют сразу же после выполнения своих функций. Белок CtrA может активировать или подавлять транскрипцию многих генов.

Изменения транскрипции при прохождении клеткой цикла и исследование мутантов ctrA подробно исследовано с использованием техники протеомного анализа. Белок CtrA также способен непосредственно контролировать процесс инициации репликации ДНК, связываясь с сайтами, расположенными в области oriС.

Клеточный цикл Caulobacter crescentus

Схема клеточного цикла Caulobacter crescentus.
При нормальном развитии С. crescentus образуются клетки двух типов,
растущие группами и имеющие ножку.

Деление прокариотических клеток

Деление прокариотических клеток — процесс образования дочерних прокариотических клеток из материнской. Ключевыми событиями клеточного цикла как прокариот, так и эукариот являются репликация ДНК и деление клетки. 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. Так как чаще всего прокариотические клетки имеют клеточную стенку, бинарное деление сопровождается образованием септы — перегородки между дочерними клетками, которая затем расслаивается посередине. Процесс деления прокариотической клетки подробно изучен на примере Escherichia coli.

Содержание

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 );

    Молекулярный механизм деления


    Центральную роль в делении клеток грамотрицательных бактерий играет септальное кольцо — кольцевая органелла, расположенная примерно посередине клетки и способная сокращаться, образуя перетяжку между двумя новыми дочерними клетками. Зрелое септальное кольцо представляет собой сложный белковый комплекс, состоящий более чем из дюжины разных белков. Десять из них (FtsA, B, I, K, L, N, Q, W, Z и ZipA) абсолютно необходимы для формирования септы, и нарушение в их работе приводит к формированию филаментов типа Fts − . Остальные компоненты не являются строго необходимыми, их функции могут частично перекрываться. Формирование септального кольца происходит в несколько этапов, новые белки присоединяются по одному в таком порядке: FtsZ→FtsA/ZipA→FtsK→FtsQ→FtsL/FtsB→FtsW→FtsI→FtsN.

    Белки, входящие в состав септального кольца, помимо FtsZ, можно разделить на несколько классов по функциям:

    • модулирующие сборку филаментов FtsZ (FtsA, ZipA, ZapA, ZapB);
    • связывающие Z-кольцо с мембраной (FtsA, ZipA);
    • координирующие образование септы с сегрегацией ДНК (FtsK);
    • синтезирующие (модулирующие) пептидогликан (FtsI, FtsW);
    • гидролизующие пептидогликан для расхождения дочерних клеток (AmiC, EnvC).

    Однако для многих белков септального кольца точная функция до сих пор не известна.

    Формирование Z-кольца

    Незрелую форму септального кольца называют Z-кольцом, по имени белка FtsZ, который играет ключевую роль в его формировании. Однако стоит отметить, что часто термины септальное кольцо и Z-кольцо используют как синонимы, поэтому в каждом отдельном случае это нужно оговаривать особо. 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 ГТФ обеспечивает 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 для γ-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 формирования. 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.

    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 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.

    Читайте также: