معلومة

لماذا معظم الكائنات الحية لديها حمض نووي سالب فائق الالتفاف؟

لماذا معظم الكائنات الحية لديها حمض نووي سالب فائق الالتفاف؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لقد لوحظ أن معظم الكائنات الحية في الطبيعة لها دنا سالب فائق الالتفاف وأن القليل من الكائنات الحية لديها دنا موجب فائق الالتفاف. تعيش بعض الكائنات الحية التي تحتوي على الحمض النووي فائق الالتفاف الإيجابي في بيئات حمضية قوية ولكنها نادرة جدًا مقارنة بالحمض النووي الفائق الالتفاف السلبي. لماذا لا تمتلك كل الكائنات الحية نفس اللفائف الفائقة للحمض النووي؟ هل يؤثر ذلك على بقائهم بأي شكل من الأشكال؟


أحد المفاهيم المهمة في طوبولوجيا الحمض النووي هو رقم الربط ($ Lk $) وهو مجموع التواء اليد اليمنى والتلوي # ($ Tw + Wr $). قل $ Lk = x $ للحمض النووي المريح. إذا $ Lk× دولار.

كلما ارتفعت قيمة $ Lk $ ، زادت الطاقة الحلزونية للحمض النووي وزادت صعوبة فصلها ، مما يعني أن الحمض النووي أصبح الآن أكثر استقرارًا. في ما يسمى بالظروف "الشديدة" (مثل الحموضة العالية أو عالية T˚) يجب على الكائن الحي حماية حمضه النووي من التدهور. لذلك تتطلب هذه الكائنات شكلاً أكثر استقرارًا من الحمض النووي الخاص بها والذي يمكن تحقيقه عن طريق الالتفاف الإيجابي و / أو المحتوى العالي من GC.

الآن لماذا الغالبية العظمى من الكائنات الحية لديها الحمض النووي سالب الملفوف؟ إذا تركت الحمض النووي بمفرده ، فسيتبنى $ Lk = x $ ، أي سيكون في شكله "المريح". نشأ الالتفاف الفائق السلبي بسبب وجود Topoisomerases (النوع الأول والثاني) ، وهي بروتينات تشق الحمض النووي وتطلق التوترات الحلزونية والتي تؤدي بشكل تراكمي إلى تحفيز الحمض النووي بشكل طفيف مقارنة بشكل الاسترخاء. هل هذا جيد للكائن الحي إذا كان يعيش في ظروف غير عدوانية؟ نعم ، لأن انخفاض $ Lk $ سيجعل فصل الحمض النووي أسهل. هذا يعني أن النسخ والنسخ يمكن أن يحدثا بسهولة أكبر أو بعبارات مناسبة ، فهم يحتاجون الآن إلى طاقة أقل لأداء وظائفهم.

هنا مرجع ممتاز حول هذا الموضوع بالإضافة إلى مقطع فيديو على Youtube يشرح هذه المفاهيم باستخدام السلاسل. هذا الأخير مفيد حقًا لأن هذه المفاهيم أسهل في الفهم بصريًا منها في الكتابة.

آمل أن يساعد هذا.


في رقم اللف الفائق السلبي لعدد المرات التي تتقاطع فيها الخيوط مع بعضها البعض أقل من اللف الفائق الإيجابي مما يسهل فكها لعمليات النسخ والنسخ ...


توبويزوميراز الحمض النووي: النوع الثاني

Renier Vélez-Cruz Neil Osheroff ، في موسوعة الكيمياء البيولوجية ، 2004

جيراس الحمض النووي

تم اكتشاف DNA gyrase في عام 1976. كان هذا هو أول نوع II topoisomerase يتم وصفه وهو الوحيد الذي يحتفظ باسمه التاريخي (في التسمية الحديثة ، يُشار إلى النوع II topoisomerase بالأرقام الزوجية). على النقيض من إنزيمات النوع الثاني حقيقية النواة ، يتألف DNA gyrase من وحدتين فرعيتين متميزتين ، GyrA و GyrB (الكتلة الجزيئية ≈96 kDa و 88 kDa ، على التوالي) ويتم ترتيبها كـ A 2ب2 رباعي. يحتوي GyrA على موقع التيروزين النشط المستخدم في انشقاق الحمض النووي والربط ، ويحتوي GyrB على موقع الربط لـ ATP (الشكل 2 أ).

على النقيض من جميع الأنواع الأخرى من الإيزوميراز العلوي من النوع الثاني ، فإن DNA gyrase هو الإنزيم الوحيد القادر على إبطاء اللولب المزدوج (أي الالتفاف السلبي بشكل سلبي). ينجز هذا العمل الفذ عن طريق لف الحمض النووي حول نفسه بطريقة اليد اليمنى وتنفيذ رد فعل ممر حبلا بطريقة أحادية الاتجاه.

يتجاوز نشاط اللفائف الفائق السلبي للـ DNA gyrase بكثير قدرة الإنزيم على إزالة العقد أو التشابك من المادة الجينية. وبالتالي ، فإن الأدوار الفسيولوجية الرئيسية للحمض النووي gyrase تنبع مباشرة من قدرته على تحكُّم الحلزون المزدوج. يلعب DNA gyrase دورًا مهمًا في فتح أصول تكرار الحمض النووي وإزالة الملفات الفائقة الإيجابية التي تتراكم أمام شوكات النسخ ومجمعات النسخ. بالإضافة إلى ذلك ، يعمل هذا الإنزيم جنبًا إلى جنب مع البروتين ω (وهو النوع الأول من الإيزوميراز الذي يزيل الفائق السالبة من اللولب المزدوج) للحفاظ على التوازن العالمي للالتفاف الفائق للحمض النووي في الخلايا البكتيرية.


لماذا معظم الكائنات الحية لديها حمض نووي سالب فائق الالتفاف؟ - مادة الاحياء

يشير الالتفاف الفائق للحمض النووي إلى الالتفاف الزائد أو السفلي لشريط الحمض النووي ، وهو تعبير عن الضغط الواقع على هذا الشريط. يعد الالتواء الفائق مهمًا في عدد من العمليات البيولوجية ، مثل ضغط الحمض النووي. بالإضافة إلى ذلك ، فإن بعض الإنزيمات مثل topoisomerases قادرة على تغيير طوبولوجيا الحمض النووي لتسهيل وظائف مثل تكرار الحمض النووي أو النسخ. تُستخدم التعبيرات الرياضية لوصف الالتفاف الفائق من خلال مقارنة الحالات الملفوفة المختلفة بالحمض النووي ذي الشكل B المريح.

بنية فائقة الالتواء للحمض النووي الدائري: هذا هو هيكل فائق الالتواء من جزيئات DNA دائرية مع تألم منخفض. لاحظ أنه تم حذف الطبيعة الحلزونية لمزدوج الحمض النووي من أجل الوضوح.

كقاعدة عامة ، فإن الحمض النووي لمعظم الكائنات الحية يكون سلبياً للغاية.

في مقطع حلزوني مزدوج & # 8220 من B-DNA ، يلتف الخيطان حول المحور الحلزوني مرة واحدة كل 10.4 إلى 10.5 زوجًا أساسيًا من التسلسل. تؤدي إضافة أو طرح التقلبات ، كما تفعل بعض الإنزيمات ، إلى فرض إجهاد. إذا تم إغلاق جزء من الحمض النووي تحت إجهاد الالتواء في دائرة من خلال ربط طرفيه ثم السماح له بالتحرك بحرية ، فإن الحمض النووي الدائري سوف يتحول إلى شكل جديد ، مثل شكل بسيط ثمانية. مثل هذا الالتواء هو ملف فائق.

الشكل الثامن البسيط هو أبسط ملف فائق ، وهو الشكل الذي يفترضه الحمض النووي الدائري لاستيعاب واحد أكثر من اللازم أو قليل جدًا من التقلبات الحلزونية. سيظهر فصوص الشكل الثامن مستديران إما في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة فيما يتعلق ببعضهما البعض ، اعتمادًا على ما إذا كان اللولب قد انتهى أم لا. لكل التفاف حلزوني إضافي يتم استيعابها ، ستُظهر الفصوص دورانًا إضافيًا حول محورها.

نادرًا ما يتم استخدام شكل الاسم & # 8220supercoil & # 8221 في سياق طوبولوجيا الحمض النووي. بدلاً من ذلك ، يُشار إلى الالتواءات العالمية للحمض النووي الدائري ، مثل دوران الفصوص الثمانية أعلاه ، على أنها الالتواء. يوضح المثال أعلاه أن الالتواء والتلوى قابلان للتحويل. & # 8220Supercoiling & # 8221 هي خاصية رياضية مجردة تمثل مجموع الالتواء والتلوى. الالتواء هو عدد المنعطفات الحلزونية في الحمض النووي ، والتلوي هو عدد المرات التي يتقاطع فيها اللولب المزدوج مع نفسه (هذه هي الملفات الفائقة).

تكون التقلبات الحلزونية الإضافية إيجابية وتؤدي إلى الالتواء الفائق الإيجابي ، بينما يؤدي الالتواء الطرحي إلى الالتواء الفائق السلبي. العديد من إنزيمات توبويزوميراز تستشعر الالتفاف الفائق وتقوم إما بتوليدها أو تبديدها لأنها تغير طوبولوجيا الحمض النووي. الحمض النووي لمعظم الكائنات هو ملفوف بشكل سلبي.

جزئيًا لأن الكروموسومات قد تكون كبيرة جدًا ، قد تعمل الأجزاء الموجودة في المنتصف كما لو كانت نهاياتها مثبتة. نتيجة لذلك ، قد لا يتمكنون من توزيع الالتواء الزائد على بقية الكروموسوم أو امتصاص الالتواء للتعافي من الالتواء السفلي - قد تصبح المقاطع شديدة الالتواء ، بمعنى آخر. ردا على الالتفاف الفائق ، سوف يتحملون قدرًا من الالتواء ، تمامًا كما لو كانت نهاياتهم ملتصقة.

يشكل الحمض النووي فائق الالتواء هيكلين ، وهما plectoneme أو حلقي ، أو مزيج من الاثنين. سينتج جزيء الحمض النووي فائق الالتفاف سلبًا إما حلزونًا أعسرًا ذي بداية واحدة ، أو لولبًا حلقيًا ، أو حلزونًا لليدًا ثنائي البداية مع حلقات طرفية ، plectoneme. عادة ما تكون Plectonemes أكثر شيوعًا في الطبيعة ، وهذا هو الشكل الذي ستتخذه معظم البلازميدات البكتيرية. بالنسبة للجزيئات الأكبر ، من الشائع أن تتشكل الهياكل الهجينة - يمكن أن تمتد حلقة على حلقي إلى plectoneme. إذا امتدت جميع الحلقات الموجودة على الحلقي ، فإنها تصبح نقطة فرع في البنية البكتونية.

أهمية الالتفاف الفائق للحمض النووي

يعد الالتفاف الفائق للحمض النووي مهمًا لتعبئة الحمض النووي داخل جميع الخلايا. نظرًا لأن طول الحمض النووي يمكن أن يكون آلاف المرات من الخلية ، فإن تغليف هذه المادة الجينية في الخلية أو النواة (في حقيقيات النوى) يعد إنجازًا صعبًا. يقلل الالتواء المفرط للحمض النووي من المساحة ويسمح بتعبئة المزيد من الحمض النووي. في بدائيات النوى ، تكون اللفائف الفائقة للدم هي السائدة ، بسبب الكروموسوم الدائري وكمية صغيرة نسبيًا من المادة الوراثية. في حقيقيات النوى ، يوجد الالتفاف الفائق للحمض النووي على مستويات عديدة من كلٍّ من اللفائف الفائقة البكتونية والملف اللولبي ، مع إثبات أن الالتفاف اللولبي الفائق هو الأكثر فاعلية في ضغط الحمض النووي. يتم تحقيق الالتفاف اللولبي الفائق باستخدام الهستونات لتشكيل ألياف 10 نانومتر. يتم لف هذه الألياف أيضًا في ألياف 30 نانومتر ، ثم يتم لفها على نفسها عدة مرات أكثر.

يتم زيادة تغليف الحمض النووي بشكل كبير أثناء أحداث الانقسام النووي مثل الانقسام أو الانقسام الاختزالي ، حيث يجب ضغط الحمض النووي وفصله إلى الخلايا الوليدة. المكثفات والتماسكات هي صيانة هيكلية لبروتينات الكروموسوم (SMC) التي تساعد في تكثيف الكروماتيدات الشقيقة وربط السنترومير بالكروماتيدات الشقيقة. تحفز بروتينات SMC هذه الملفات الفائقة الإيجابية.

مطلوب أيضًا الالتواء الفائق لتخليق الحمض النووي والحمض النووي الريبي. نظرًا لأنه يجب فك الحمض النووي لعمل بوليميراز الحمض النووي الريبي والحمض النووي الريبي ، فسوف ينتج عن ذلك لفائف فائقة. سيتم التخلص من المنطقة التي تسبق مجمع البوليميراز ، ويتم تعويض هذا الضغط بفائق موجبة قبل المجمع. خلف المجمع ، يتم لف الحمض النووي وستكون هناك لفائف سالبة تعويضية. من المهم أن نلاحظ أن التوبويزوميراز مثل DNA gyrase (النوع الثاني Topoisomerase) تلعب دورًا في تخفيف بعض الإجهاد أثناء تخليق DNA و RNA.


لماذا معظم الكائنات الحية لديها حمض نووي سالب ملفوف؟ - مادة الاحياء

المصطلح & quotsupercoiling & quot يعني حرفيًا لف الملف. سلك الهاتف على سبيل المثال ، عادة ما يكون سلكًا ملفوفًا. غالبًا ما يصف المسار الملتوي الذي يسلكه هذا السلك أثناء انتقاله من قاعدة الهاتف إلى جهاز الاستقبال ملفًا فائقًا (الشكل 23-9). يتم لف الحمض النووي على شكل حلزون مزدوج. دعونا نحدد محورًا حوله كل من خيوط ملف الحمض النووي. يُشار إلى الانحناء أو الالتواء لهذا المحور على نفسه (الشكل 23-10) على أنه الحمض النووي الالتفاف الفائق. كما هو مفصل أدناه ، فإن الالتفاف الفائق للحمض النووي هو بشكل عام مظهر من مظاهر الإجهاد الهيكلي. على العكس من ذلك ، إذا لم يكن هناك انحناء صافٍ لمحور الحمض النووي على نفسه ، فيُقال إن الحمض النووي موجود في a استرخاء حالة.

يتطلب كل من النسخ المتماثل والنسخ فصلًا عابرًا لخيوط الحمض النووي ، وهذه ليست عملية بسيطة في بنية الحمض النووي حيث يتشابك الخيطان حلزونيًا. يوضح الشكل 23-11 هذه النقطة.

يتم تجريف معظم الحمض النووي الخلوي

لفهم الالتفاف الفائق ، يجب علينا الآن التركيز على خصائص الدنا الصغيرة الدائرية مثل البلازميدات والحمض النووي المشتق من العديد من فيروسات الحمض النووي الصغيرة. عندما لا تحتوي هذه الحمض النووي على فواصل في أي من الخيطين ، يتم استدعاؤها الدنا الدائرية المغلقة. إذا كان الحمض النووي الذي يتكون من جزيء دائري مغلق يتوافق بشكل وثيق مع بنية الشكل B (انظر الشكل 12-15) ، مع دوران واحد للحلزون المزدوج لكل 10.5 زوج قاعدي ، فسيتم استرخاء الحمض النووي بدلاً من الالتفاف الفائق (الشكل 12-15). 23-12). ال يعد اللف الفائق عملية عشوائية ولا تحدث إلا إذا كان الحمض النووي خاضعًا لشكل من أشكال الإجهاد الهيكلي. ومع ذلك ، فعند تنقيتها ، نادرًا ما يتم استرخاء الحمض النووي الدائري المغلق بغض النظر عن أصله البيولوجي. علاوة على ذلك ، تميل درجة الالتواء الفائق إلى أن تكون محددة جيدًا ومميزة للحمض النووي المستمد من مصدر خلوي معين. تشير هذه الحقائق إلى أن بنية الحمض النووي متوترة بطريقة ما للحث على الالتفاف الفائق ، وأن درجة الإجهاد التي يتم إدخالها تنظمها الخلية.

الشكل 23-12 صورة مجهرية إلكترونية للحمض النووي البلازميدي المريح والملفوف. يكون الجزيء الموجود على اليسار مرتخيًا ، وتزداد درجة الالتواء الفائق من اليسار إلى اليمين.

يمكن الحفاظ على حالة الجرح فقط إذا كان الحمض النووي عبارة عن دائرة مغلقة أو إذا كان مرتبطًا بالبروتينات ومستقرًا بحيث لا تكون الخيوط حرة في الدوران حول بعضها البعض. إذا كان هناك انقطاع في أحد خيوط الحمض النووي الدائري الخالي من البروتين ، فإن الدوران الحر عند هذه النقطة سيؤدي إلى عودة الحمض النووي تحت الجرح تلقائيًا إلى حالة الاسترخاء. ومع ذلك ، في الحمض النووي الدائري المغلق ، يكون عدد المنعطفات الحلزونية الموجودة ثابتًا ولا يمكن تغييره دون كسر أحد خيوط الحمض النووي بشكل عابر على الأقل. عدد المنعطفات الحلزونية في الحمض النووي قابل للقياس الكمي ويؤدي إلى وصف أكثر دقة للالتفاف الفائق.

يتم تعريف ارتباط الحمض النووي من خلال رقم الارتباط الطوبولوجي

يوفر فرع الرياضيات المسمى الطوبولوجيا عددًا من الأفكار المفيدة في هذه المناقشة. ربما يكون مفهوم رقم الربط. يحدد رقم الارتباط لجزيء الحمض النووي بدقة عدد الدورات الحلزونية في DNA دائري مغلق ، في حالة عدم وجود أي التفاف فائق. رقم الارتباط هو خاصية طوبولوجية لأنها لا تختلف عندما يكون الحمض النووي مزدوج الشريطة ملتويًا أو مشوهًا بأي شكل من الأشكال ، طالما بقيت خيوط الحمض النووي سليمة.

مفهوم ربط الرقم (ك) في الشكل 23-14. نبدأ بفصل خيطي DNA دائري مزدوج الشريطة. إذا تم ربط هذين الخيطين كما هو موضح في الشكل 23-14 أ ، فسيتم ربطهما بشكل فعال بما يمكن وصفه بأنه رابطة طوبولوجية.

الشكل 23-14 رقم الربط ، Lk. الجزيء في (أ) لديه رقم ربط 1. الجزيء في (ب) لديه رقم ربط 6. أحد الخيوط في (ب) غير ملتوي لأغراض التوضيح لتحديد حدود السطح التخيلي (أزرق مظلل). يوفر عدد المرات التي يخترق فيها الشريط الملتوي هذا السطح تعريفًا واحدًا لرقم الربط.

حتى إذا تم إلغاء جميع روابط الهيدروجين وتفاعلات التراص القاعدية بحيث لا تكون الخيوط على اتصال جسدي ، فإن هذه الرابطة الطوبولوجية ستظل تربط بين الخيوط. إذا تم التفكير في أحد الخيوط الدائرية على أنه حد لسطح وهمي (مثل فيلم الصابون الذي قد يمتد إلى المساحة المحاطة بسلك دائري) ، فيمكن تحديد رقم الربط بدقة على أنه عدد المرات التي يخترق فيها الشريط الثاني هذا السطحية. للجزيء في الشكل 23-14 أ لوك = 1 لذلك في الشكل 23-14 ب لوك = 6. رقم الارتباط للحمض النووي الدائري المغلق هو دائمًا عدد صحيح. وفقًا للاتفاقية ، إذا تم ترتيب الروابط بين خيطي DNA بحيث تتشابك الخيوط في لولب أيمن ، يتم تعريف رقم الارتباط على أنه موجب (+). على العكس من ذلك ، بالنسبة للخيوط المتشابكة مثل اللولب الأيسر ، يكون رقم الارتباط سالبًا (-). بالنظر إلى أن Z-DNA الأيسر لا يحدث إلا نادرًا ، لا يتم العثور على أرقام الارتباط السلبية في دراسات الحمض النووي لجميع الأغراض العملية.

يمكننا الآن وصف انحسار الحمض النووي من حيث التغييرات في رقم الارتباط. يتم استخدام رقم الربط في الحمض النووي المريح كمرجع ويسمى لوك0. في الجزيء الموضح في الشكل 23-15 أ ، لوك0 = 20 إذا تمت إزالة دورتين من هذا الجزيء ، لوك سوف يساوي 18. يمكن وصف التغيير بالمعادلة

غالبًا ما يكون من الملائم التعبير عن التغيير في رقم الربط من حيث كمية مستقلة عن الطول تسمى ارتباط محدد فرق (& # 963) ، وهو مقياس للانعطافات التي تمت إزالتها بالنسبة لتلك الموجودة في الحمض النووي المرتخي. يُطلق على المصطلح & # 963 أيضًا اسم الكثافة الفائقة ويتم تشويهه باسم

يمكن تقسيم رقم الربط إلى مكونين هيكليين يسمى writhe (Wص) وتطور (T.دبليو) (الشكل 23-17). يصعب وصف هذه بشكل حدسي أكثر من ربط الرقم ، ولكن مع أول تقريب Wص يمكن اعتباره مقياسًا لف محور اللولب و T.دبليو كتحديد العلاقة المحلية الملتوية أو المكانية لأزواج القواعد المجاورة. عند حدوث تغيير في رقم الربط ، يتم عادةً تعويض بعض السلالة الناتجة عن طريق الالتواء (الالتواء الفائق) والبعض الآخر بالتغييرات في الالتواء ، مما يؤدي إلى ظهور المعادلة

يمكن تلخيص المفاهيم الموضحة أعلاه من خلال النظر في الالتفاف الفائق لدنا DNA البلازميد البكتيري النموذجي. تكون البلازميدات بشكل عام عبارة عن جزيئات DNA دائرية مغلقة. لأن الحمض النووي هو الحلزون الأيمن ، سيكون للبلازميد رقم ارتباط موجب. عندما يتم استرخاء الحمض النووي ، يتم ربط رقم أو لوك0 هو ببساطة عدد الأزواج الأساسية مقسومًا على 10.5. ومع ذلك ، فإن البلازميد النموذجي يكون بشكل عام تحت الجرح في الخلية. وبالتالي، ك اقل من لوك0، & # 963 سالب ، والبلازميد سالب ملفوف بشكل فائق. 'أنا

ply بالنسبة للبلازميد البكتيري ، Q = -0.05 إلى -0.07.

تحفز Topoisomerases التغييرات في عدد ربط الحمض النووي

في كل خلية ، يعد الالتفاف الفائق للحمض النووي عملية منظمة بدقة تؤثر على العديد من جوانب استقلاب الحمض النووي. ليس من المستغرب أن توجد إنزيمات في كل خلية هدفها الوحيد هو تحطيم الحمض النووي وإرخاءه. تسمى الإنزيمات التي تزيد أو تقلل من مدى انحسار الحمض النووي توبويزوميراز، وخاصية الحمض النووي التي تؤثر عليها هي رقم الارتباط. تلعب هذه الإنزيمات دورًا مهمًا بشكل خاص في عمليات مثل النسخ وتعبئة الحمض النووي. هناك فئتان من الإيزوميراز العلوي. يعمل النوع الأول من الإيزوميراز العلوي عن طريق كسر أحد خيوط الحمض النووي بشكل عابر ، وتدوير أحد الأطراف حول الخيط غير المنكسر ، وإعادة الانضمام إلى النهايات المكسورة التي تتغير لوك بزيادات ل. تكسر الإيزوميراز من النوع 2 كلاً من خيوط الحمض النووي وتتغير لوك بزيادات قدرها 2.

يمكن إثبات تأثير هذه الإنزيمات باستخدام الاغاروز الكهربائي للهلام (الشكل 23-19). سوف تهاجر مجموعة من DNA البلازميد المتطابق مع نفس رقم الارتباط كحزمة منفصلة أثناء الرحلان الكهربائي. Topoisomers مع لوك يمكن فصل القيم التي تختلف بمقدار ضئيل عن 1 بهذه الطريقة. وبهذه الطريقة ، يمكن بسهولة ملاحظة التغييرات في عدد الروابط التي تسببها الإيزوميرات العليا.

هناك ما لا يقل عن أربعة أنواع مختلفة من الإيزوميراز في الإشريكية القولونية ، تتميز بالأرقام الرومانية من الأول إلى الرابع. تعمل الإيزوميرات من النوع 1 (أعلى الإيزوميراز الأول والثالث) بشكل عام على إرخاء الحمض النووي عن طريق إزالة اللفائف الفائقة السالبة (فهي تزيد لوك). يمكن أن ينتج إنزيم بكتيري من النوع 2 ، يسمى توبويزوميراز II أو ، بدلاً من ذلك ، DNA gyrase ، لفائف سالبة سالبة (تنقص لوك). إنه يستخدم طاقة ATP وآلية مدهشة لتحقيق ذلك (الشكل 23-20). تتم موازنة الكثافة الفائقة للحمض النووي البكتيري من خلال تنظيم النشاط الصافي لمركب التوبويزوميراز الأول والثاني.

تحتوي الخلايا حقيقية النواة أيضًا على النوع الأول والنوع الثاني من الإيزوميراز في معظم حقيقيات النوى ، وهناك مثال واحد معروف من كل نوع ، يسمى توبويزوميراز الأول والثاني ، على التوالي. لا يمكن للأنزيمات من النوع 2 في الخلايا حقيقية النواة أن تتسبب في إبطاء الحمض النووي (إدخال لفائف فائقة سالبة) ، على الرغم من أن كلا النوعين يمكنهما استرخاء كل من الملفات الفائقة الإيجابية والسلبية. سننظر في أصل واحد محتمل للفائق السالب في الخلايا حقيقية النواة في مناقشتنا للكروماتين.

الشكل 23-19 يمكن فصل جزيئات الحمض النووي الدائرية التي تختلف في رقم الارتباط عن طريق الفصل الكهربائي للهلام. جميع جزيئات الحمض النووي الموضحة هنا لها نفس عدد أزواج القواعد. نظرًا لأن جزيئات الحمض النووي فائقة الالتفاف أكثر ضغطًا ، فإنها تهاجر في هلام بسرعة أكبر من الجزيئات المرتخية المقابلة. المواد الهلامية مثل تلك الموضحة هنا تفصل الأيزومرات العلوية فقط على نطاق محدود من الكثافة الفائقة ، بحيث ينتقل الحمض النووي عالي الالتفاف في نطاق واحد (الممر 1) على الرغم من وجود العديد من الأيزومرات العلوية المختلفة.يوضح الممران 2 و 3 تأثير معالجة الحمض النووي الفائق الالتواء بنوع I topoisomerase (تمت معالجة الحمض النووي في الممر 3 لفترة أطول من ذلك في الممر 2).


المواد والأساليب

إجراء المحاكاة

لإنشاء مجموعة توازن من جزيئات DNA النموذجية ، قمنا بتطبيق إجراء حساب Metropolis Monte Carlo. في إجراءنا ، تطورت السلسلة الشبيهة بالديدان عن طريق دوران العمود المرفقي للسلاسل الفرعية (26) وعن طريق التحركات الانزلاقية. تستند حركات الانزلاق على مبدأ أنه عندما يتم تمثيل كل جزء في سلسلة فرعية كمتجه ، فإن تغيير ترتيب المتجهات لا يغير مجموع المتجهات. يسمح لنا هذا المبدأ بتحديد سلسلة فرعية عشوائية (مجموعة من المتجهات المتتالية) واستبدالها بمجموعة مقلوبة دائريًا حيث يتم نقل جزء واحد فقط (متجه) من الموضع الأول إلى الأخير من السلسلة الفرعية. أثناء دوران العمود المرفقي وحركات الانزلاق ، تتصرف السلسلة كسلسلة شبحية تسمح بممرات بين القطاعات ، ولكن لا يتم النظر في التكوين الجديد إلا عندما تكون أصغر مسافة بين أي قسمين غير متتاليين هي & gt2 نانومتر. لكل تكوين مدروس جديد ، يتم حساب إجمالي الطاقة المرنة (الانحناء بالإضافة إلى الالتواء). إذا كانت طاقة التكوين التجريبي أقل من طاقة التكوين الأولي ، فسيتم قبولها دائمًا وستكون بمثابة تكوين البداية للمحاكمة التالية. إذا كان التكوين التجريبي يحتوي على طاقة إجمالية أعلى من التكوين الأولي ، فيمكن قبوله أيضًا ، ولكن فقط مع احتمال قمع أسيًا ص = exp (−Δ ه/كبتي) حيث Δه = هالجديدهقديم هو فرق الطاقة بين التكوينين. من المهم أن نضيف هنا أن إجراء حساب مونت كارلو يخدم فقط لأخذ عينات من مساحة التكوين وليس المقصود منه عكس الحركية الفعلية لجزيئات الحمض النووي المنمذجة. تعمل المحاكاة النموذجية على التحقيق في احتمالية العقد عند مستوى معين من الالتفاف الفائق للحمض النووي (انظر الشكل 2 أ على سبيل المثال) تضمنت 2100000 حركات مونت كارلو. تم إعطاء أول 100000 للنظام للوصول إلى التوازن ولم يتم أخذها في الإحصائيات. قمنا بحساب متوسط ​​نتائجنا على 10 من هذه الدورات المستقلة.

تم التعرف على نوع عقدة التكوينات التي تم تحليلها من خلال حساب الإسكندر متعدد الحدود (27). أكد انحياز الالتواء المقدم عمليًا أن العقد اللولبية المشكلة كانت كلها من النوع السلبي (23 ، 28).


ربط الحمض النووي وتثبيته

توازن العقدة

من الأسئلة المهمة المتعلقة بالتفاعل بين الالتفاف الفائق للحمض النووي وعقد الحمض النووي هو كيف يتأثر توازن العقد بالتلف الفائق للحمض النووي. لشرح مفهوم توازن العقد ، دعنا أولاً نفكر في موقف خيالي ، حيث تخضع جزيئات الحمض النووي الدائرية المخففة بدرجة عالية من الارتخاء الالتوائي ذات الحجم المحدد لتقلبات حرارية تسمح خلالها موازنات أعلى من النوع الثاني للحمض النووي بممرات بين الأجزاء كلما تصطدم جزءان من الحمض النووي مع بعضهما البعض. . سيصل رد الفعل هذا إلى توازن العقدة عندما يكون من المرجح أن تشكل جولات جديدة من الممرات عقدة DNA جديدة بقدر ما تفسدها ، ومع تقدم التفاعل بعيدًا عن هذه النقطة ، فإن جزء الجزيئات المعقود سيظل ثابتًا إلى حد ما. نظرًا لأن ممرات الحمض النووي - الدنا التي تتوسطها إيزوميرات الحمض النووي هي في الواقع غير عشوائية ، فقد تم تحقيق توازن العقد عادةً في التجارب التي كانت جزيئات الدنا الخطية تخضع لتفاعل حلقي بطيء بسبب تلدين نهاياتها المتماسكة الطويلة. عند هذا التلدين ، تصبح بعض الجزيئات معقودة ويُعتقد أن جزء الجزيئات المتشابكة هو نفسه الذي تم الحصول عليه عند توازن العقد بسبب الممرات الحرة (35 ، 36). أكدت العديد من الدراسات البيوكيميائية والرقمية الفكرة البديهية القائلة بأن جزء العقد عند توازن العقد يزداد مع حجم سلسلة جزيئات الحمض النووي وينخفض ​​مع زيادة التنافر الكهروستاتيكي بين مقاطع الحمض النووي ، والذي يعتمد بدوره على تركيز العدادات (35-37). دعونا الآن نفكر في كيفية تغير توازن العقد عندما يتم الحفاظ على الحمض النووي المدروس بشكل نشط في شكل ملفوف ، كما هو الحال في الخلايا البكتيرية الحية. نحن نعتبر وضعًا افتراضيًا مثاليًا حيث تؤدي البكتيريا Topo IV ممرات بين القطاعات التي قد تؤدي إلى التعقيد أو فك التعقيد كلما تصطدم جزءان من الحمض النووي مع بعضهما البعض (في الواقع ، كما هو موضح أدناه ، تكون الممرات التي يتوسط فيها Topo IV انتقائية وتعتمد على الفراغ المكاني ترتيب شرائح الحمض النووي). بالإضافة إلى ذلك ، فإننا نعتبر أن DNA gyrase و Topo I يعوضان عن النقص أو الزيادة المحتملة في الإجهاد الالتوائي للحمض النووي بسبب تكوين العقدة من خلال إعادة إنشاء المستوى الأولي للضغط الالتوائي النموذجي للالتواء الفائق للحمض النووي الأصلي. هل سيؤدي توازن العقد في الحالة المستقرة في ظل هذه الظروف إلى جزء أعلى أو أقل من جزيئات الحمض النووي المعقود مقارنةً بتوازن العقد الذي يتضمن جزيئات الحمض النووي المرتخية الالتوائية؟

دراسات في الجسم الحي شكلت عقدة في الإشريكية القولونية كشف أن البلازميدات pBR322 نمت في بكتريا قولونية كانت السلالات التي تحتوي على جيراز معيب في الحمض النووي تصل إلى 10 مرات أكثر معقودة من البلازميدات المزروعة في سلالات من النوع البري (38). نظرًا لأن DNA gyrase مسؤول عن الحفاظ على الحمض النووي في شكل ملفوف فائقًا وليس هو topoisomerase غير المعقد في حد ذاته ، نظرًا لأن Topo IV هو (39) ، فإن هذه النتيجة توفر مؤشرًا قويًا على أن الالتفاف الفائق للحمض النووي يساعد Topo IV في الحفاظ على الحمض النووي غير معقد في الخلايا البكتيرية الحية. كما تم التحقيق في تأثير الالتفاف الفائق على عدم التعقيد في المختبر من خلال مقارنة جزيئات الحمض النووي فائقة الالتفاف وغير فائقة الالتفاف غير المعقدة بواسطة Topo IV (39) ، أي الإنزيم الذي يُعتقد أنه مسؤول عن فك الحمض النووي وفكه الحمض النووي في بكتريا قولونية. توصل مؤلفو تلك الدراسة إلى استنتاج مفاده أن الالتفاف الفائق للحمض النووي لا يزيد بشكل ملحوظ من معدل عدم التعقيد بواسطة Topo IV (39). ومع ذلك ، فإن إلقاء نظرة فاحصة على البيانات المقدمة يكشف بوضوح أنه في حين يبدو أن عقدة الحمض النووي المعقدة تتحول بسرعة متساوية إلى عقدة أبسط بواسطة Topo IV بغض النظر عما إذا كانت فائقة الالتفاف أم لا ، كان من الواضح أن العقد الأقل تعقيدًا ، مثل عقد ثلاثية الفصوص ، كانت واضحة. تم تحفيزها بواسطة الالتفاف الفائق للحمض النووي ، بينما تراكمت عقدة ثلاثية الفصوص عندما كان Topo IV يعمل على مزيج من عقدة الحمض النووي المعقدة التي لم تكن ملفوفة بشكل فائق [انظر الشكل 7 في المرجع. (39)]. التفسير المحتمل لهذا السلوك هو أن وجود عقدة بسيطة في جزيئات الحمض النووي غير الملتفة لا ينتج عنها تدرج طاقة كافٍ يمكن أن يؤدي إلى عدم التعقيد ، وبالتالي ، يحتاج هذا التدرج إلى التعزيز عن طريق الالتفاف الفائق للحمض النووي. ومع ذلك ، بالنسبة للعقد المعقدة ، فإن اكتساب الطاقة الناتج عن ممر حبلا يؤدي إلى تبسيط العقد كبير بما يكفي لتوجيه هذه الممرات حتى في حالة عدم وجود الالتفاف الفائق للحمض النووي.

المكونات النشطة للتفاعل بين عقدة الحمض النووي والفائقة الالتفاف

كما نوقش أعلاه، في الجسم الحي و في المختبر تدعم الدراسات فكرة أن الالتفاف الفائق للحمض النووي يمنع عقد الحمض النووي. ومع ذلك ، قد لا يكون هذا التثبيط مرتبطًا بتغيير تدرج الطاقة الحرة الذي تم إدخاله عن طريق الالتفاف الفائق للحمض النووي ، بل قد يكون نتيجة لاستهلاك ATP لعمل Topo IV الذي لا يحتاج إلى اتباع تدرج الطاقة الحرة لجزيئات الحمض النووي. بتعبير أدق ، يمكن أن يساعد الالتفاف الفائق للحمض النووي Topo IV على اختيار الممرات التي تؤدي إلى عدم التعقيد حتى لو لم تكن تتبع تدرج الطاقة الحرة للنظام. لذلك ، فإن الدراسات التي نوقشت أعلاه لا تخبرنا حقًا ما إذا كان الالتفاف الفائق للحمض النووي يغير تدرج الطاقة بطريقة تزعج عقد الحمض النووي. ومع ذلك ، فإن دراسات المحاكاة ، حيث يمكن للمرء أن يتحكم في طاقة وطوبولوجيا جزيئات الحمض النووي المنمذجة ، وحيث يمكن للمرء أيضًا أن يفرض الشرط الذي تحدث فيه الممرات بصرف النظر عن ترتيب مكاني معين لقطع الاصطدام ، يمكن أن تعطينا هذه المعلومات.

ومن المثير للاهتمام ، توصلت دراستان مختلفتان للمحاكاة تبحثان في تأثير الالتفاف الفائق للحمض النووي على عقد الحمض النووي إلى استنتاجات معاكسة. بينما Podtelezhnikov وآخرون. (11) خلص إلى أن الالتفاف الفائق للحمض النووي يحفز عقد الحمض النووي ، Burnier وآخرون. (40) خلصوا إلى عكس ذلك. دعونا نتحرى أسباب هذا التناقض. استخدمت كلتا الدراستين طريقة محاكاة متروبوليس ومونتي كارلو متشابهة جدًا والتي تمثل خصائص مرونة الحمض النووي وقطر الحمض النووي الفعال (4). أثناء إجراء محاكاة Metropolis-Monte Carlo ، تغير الجزيئات المنمذجة شكلها باستمرار وتستكشف مساحة التكوين المتاحة. يمكن اعتبار الأخير مجموعة من جميع التكوينات الممكنة للسلسلة المرنة تحت تأثير التحريض الحراري ، وبالطبع ، في هذه المجموعة ، ستظهر التكوينات المواتية بقوة أكبر في كثير من الأحيان. لذلك ، إذا كانت عقدة الجزيئات فائقة الالتفاف مواتية بقوة ، يجب على المرء أن يلاحظ ميلًا قويًا لجزيئات الحمض النووي فائقة الالتفاف لتصبح معقودة. لا يمكن للحركة الحرارية في حد ذاتها تمرير جزأين من الحمض النووي عبر بعضهما البعض. لذلك ، من أجل حساب تأثير الإيزوميراز العلوي للحمض النووي ، يتعين على المرء أثناء المحاكاة السماح بحركات مقطعية تؤدي إلى ممرات حبلا ، وبالتالي ربما إلى عقد أو فك عقد. ومع ذلك ، إذا تم السماح بالممرات بين القطاعات دون أي قيود فيما يتعلق بالحالة الطوبولوجية للجزيئات ، فإن جزيئات الحمض النووي فائقة الالتفاف المحاكاة تسترخي بسرعة. هذا يبطل عمليات المحاكاة التي تهدف إلى اختبار تأثير الحفاظ على الحمض النووي في شكل ملفوف للغاية على ميل جزيئات الحمض النووي لتصبح معقودة أو غير معقودة.

أظهرت العديد من دراسات المحاكاة السابقة أنه عند تعيين Lk ثابت (الفرق بين Lk الفعلي للجزيئات المنمذجة و Lk0) ، وعند السماح بالممرات بين القطاعات التي لا تؤدي إلى تكوين عقدة ، حافظت جزيئات الحمض النووي فائقة الالتفاف المحاكية على الالتفاف الفائق الأصلي وحتى أخذ العينات بطريقة أكثر فاعلية في مساحة التكوين مقارنةً بالمحاكاة التي لم يُسمح فيها بالممرات بين القطاعات (4) . على سبيل المثال ، باستخدام هذه التقنية ، بدت التكوينات المحاكاة لجزيئات الحمض النووي فائقة الالتفاف مثل تلك التي لوحظت بواسطة المجهر الإلكتروني (41). Podtelezhnikov وآخرون. (42) ، في عمليات المحاكاة التي أجروها للتحقيق في التفاعل بين الالتفاف الفائق للحمض النووي وعقد الحمض النووي ، سمحت أيضًا بهذه التحركات التي نتجت عن ممرات من العقد إلى العقد والعكس صحيح مع الحفاظ على ثبات ΔLk. مع هذا الإعداد ، أصبحت جزيئات الحمض النووي المحاكية فائقة الالتفاف معقودة بشكل تدريجي ، مكونة عقدة حلزونية أعسر مع زيادة التعقيد. على هذا الأساس ، خلص المؤلفون إلى أن جزيئات الحمض النووي التي تحافظ على ΔLk نموذجيًا لجزيئات الحمض النووي فائقة الالتفاف بشكل سلبي سيكون لديها ميل للخضوع لممرات تؤدي إلى تكوين عقدة حلق أعسر.

في الواقع ، كان من الممكن أن يكون هذا هو الحال إذا لم تغير الممرات التي يتوسط فيها Topo II عدد جزيئات الحمض النووي المرتبطة عند كل ممر داخل الجزيء. ومع ذلك ، نحن نعلم أن العبور الوسيط لـ topo II من جزيئات الحمض النووي غير المعقدة إلى عقد ثلاثية الفصوص اليسرى يستلزم تقليل رقم الارتباط بمقدار 2. لذلك على سبيل المثال ، إذا بدأ المرء بجزيء فائق الالتفاف مع ΔLk = −5 وسينفذ ممرًا ضروريًا مما يؤدي إلى تكوين عقدة ثلاثية الفصوص اليسرى ، سيتغير Δ من هذا الجزيء إلى −7 (الشكل 3 أ). وبالتالي ، فإن الممر الحقيقي لن يكون مواتًا بقوة على عكس الممر التخيلي بوساطة توبو II مع خاصية غير واقعية للحفاظ على ثابت ΔLk (الشكل 3 أ). بالإضافة إلى ذلك ، حتى إذا حدث المرور الواقعي ، فعندئذٍ سيعمل جريز الحمض النووي بعد ذلك على إعادة إنشاء المستوى السابق من الإجهاد الالتوائي ، والذي من شأنه أن يدفع الجزيء إلى الحالة مع Lk تتأرجح ∼ − 8.41. (الشكل 3 أ) هذه هي نتيجة الصيغة: Lk = Tw + Wr وحقيقة أن Wr لعقدة ثلاثية الفصوص مرتخية الالتواء في اليد اليسرى تبلغ ∼ − 3.41 (43). لذلك ، فإن Lk0 في عقدة ثلاثية الفصوص اليسرى المريحة الالتوائية تكون أصغر منها في جزيئات الحمض النووي غير المعقدة الملتوية. لحساب تغيير Lk0 بسبب الغرز ، بورنير وآخرون. قدم (40) مفهوم Lk الفعال (ΔLke) ، وهو فرق رقم الربط بين Lk0 من عقدة مرتخية الالتواء من نوع معين بما في ذلك العقدة و Lk الفعلي للحمض النووي النموذجي الذي يشكل نفس نوع العقدة. عندما يُسمح للجزيئات المنمذجة بتغيير نوع العقدة مع الحفاظ على نفس Lke ، يتم الحفاظ على شدها الالتوائي تقريبًا. كشفت عمليات المحاكاة التي تم إجراؤها في ظل هذه الظروف أن الالتفاف الفائق يوجه الممرات بين القطاعات نحو عدم التعقيد نظرًا لأن أدنى حالة طاقة لجزيئات الحمض النووي مع Lke يتم تحقيقها لجزيئات الحمض النووي غير المعقدة ، وهذا مستقل عما إذا كانت العقدة المشكلة أعسر أو يمين ( 40). ومع ذلك ، يجب الإشارة هنا إلى أن عمليات المحاكاة التي يتم إجراؤها في ظل ظروف تحافظ على نفس الوضع قبل وبعد الممرات المؤدية إلى تكوين العقدة تستند إلى الافتراض غير الواقعي بأن التوتر الالتوائي يتم إعادة تأسيسه فورًا بعد المرور ، بينما في الواقع سوف يستغرق الأمر بعض الوقت حتى آليات الاستتباب التي تتحكم في مستوى الإجهاد الالتوائي ستعيد إنشاء المستوى الأصلي للضغط الالتوائي (27). الافتراض الثاني هو أن الممرات التي يتوسط فيها التوبويزوميراز مدفوعة بتدرج الطاقة الحرة ، بينما في الواقع من النوع الثاني من الدنا العلوي ، يربط بين طاقة التحلل المائي ATP للممر المنجز ويمكن أن يعمل ضد تدرج الطاقة الحرة (26). ومع ذلك ، فإن هذه الافتراضات ضرورية لتقييم أهمية الاعتبارات النشطة في دراسة حالة التوازن المتماسك للحالة المستقرة في وجود آليات التماثل الساكن التي تحافظ على مستوى شبه ثابت من الإجهاد الالتوائي للحمض النووي في الحمض النووي فائق الالتواء.

عقدة الحمض النووي ، الالتفاف الفائق والتزاوج الهندسي. (أ) مقارنة الطاقات المرنة لجزيئات الحمض النووي فائقة الالتفاف السلبية المحاكاة مع 3000 نقطة أساس والتي كانت إما غير معقودة أو مكونة من عقدة ثلاثية الفصوص اليسرى [تم استنساخ الرسم البياني للطاقة من المرجع. (40)]. يشير ΔLk إلى الاختلاف بين عدد الربط الفعلي لجزيئات الحمض النووي المعقّدة أو غير المعقّدة وتلك الخاصة بجزيئات الحمض النووي غير المعقدة الملتوية. يشير السهم الأزرق الفاتح إلى فرق الطاقة بين جزيئات الحمض النووي غير المعقدة والمعقدة التي لها نفس Lke. يشير السهم الأزرق الداكن إلى فرق الطاقة بين جزيئات الحمض النووي غير المعقدة والمُعقدة الناتجة عن جولة واحدة من عمل يشبه Topo II. يشير السهم الأسود إلى فرق الطاقة بين جزيئات الحمض النووي غير المعقدة والمعقدة في ظل الافتراض غير الواقعي بأن topoisomerase II يمكن أن يتوسط تفاعل مرور داخل الجزيء دون تغيير رقم الارتباط. لاحظ أن عقدة ثلاثية الفصوص اليسرى تصل إلى الحد الأدنى من الطاقة الخاصة بها لـ ΔLk ≈3.5 وأن هذا يتوافق بشكل وثيق مع متوسط ​​التواء عقدة ثلاثية الفصوص اليسرى المريحة الالتوائية (43) (كما هو موضح في الشكل الداخلي). لتسهيل العرض التقديمي ، يوضح الشكل ثلاث نتائج نشطة مختلفة لتشكيل عقدة ثلاثية الفصوص اليسرى بدءًا من جزيئات الحمض النووي غير المعقدة التي تم الاحتفاظ بها في توازن فائق الالتفاف عند ΔLk ≈ −5. ومع ذلك ، فإن الالتفاف الفائق الطبيعي للحمض النووي الذي يبلغ طوله 3000 نقطة أساس يفضل إبقاء الجزيئات غير المعقدة عند Lk ≈ − 15. لذلك ، على المستوى الفسيولوجي للالتفاف الفائق السلبي ، ستكون الممرات المؤدية إلى تكوين العقدة أقوى بكثير من التدرج الحر للطاقة مقارنة بالحالة التي تم تحليلها هنا. (ب) مفهوم شرالية هندسية. لتحديد التناقض الهندسي للتقاطع ، ينظر المرء إلى أصغر دوران للجزء العلوي الذي يجعله متوازيًا مع الجزء الأساسي. إذا كان هذا الاستدارة في اتجاه عقارب الساعة ، يكون التقاطع أعسرًا ويكون اليد اليمنى بخلاف ذلك. (ج) العقدة 52 لتر مع chirality الهندسية المشار إليها لمعابرها. الممر بين القطاعات عند أي تقاطع أعسر سيفك العقدة ، بينما الممر في أي من تقاطعات اليد اليمنى سيحول الـ 52 لتر عقدة في 31 لتر عقدة.

عقدة الحمض النووي ، الالتفاف الفائق والتزاوج الهندسي. (أ) مقارنة الطاقات المرنة لجزيئات الحمض النووي فائقة الالتفاف السلبية المحاكاة مع 3000 نقطة أساس والتي كانت إما غير معقودة أو مكونة من عقدة ثلاثية الفصوص اليسرى [تم استنساخ الرسم البياني للطاقة من المرجع. (40)]. يشير ΔLk إلى الاختلاف بين عدد الربط الفعلي لجزيئات الحمض النووي المعقّدة أو غير المعقّدة وتلك الخاصة بجزيئات الحمض النووي غير المعقدة الملتوية. يشير السهم الأزرق الفاتح إلى فرق الطاقة بين جزيئات الحمض النووي غير المعقدة والمعقدة التي لها نفس Lke. يشير السهم الأزرق الداكن إلى فرق الطاقة بين جزيئات الحمض النووي غير المعقدة والمُعقدة الناتجة عن جولة واحدة من عمل يشبه Topo II. يشير السهم الأسود إلى فرق الطاقة بين جزيئات الحمض النووي غير المعقدة والمعقدة في ظل الافتراض غير الواقعي بأن topoisomerase II يمكن أن يتوسط تفاعل مرور داخل الجزيء دون تغيير رقم الارتباط. لاحظ أن عقدة ثلاثية الفصوص اليسرى تصل إلى الحد الأدنى من الطاقة الخاصة بها لـ ΔLk ≈3.5 وأن هذا يتوافق بشكل وثيق مع متوسط ​​التواء عقدة ثلاثية الفصوص اليسرى المريحة الالتوائية (43) (كما هو موضح في الشكل الداخلي). لتسهيل العرض التقديمي ، يوضح الشكل ثلاث نتائج نشطة مختلفة لتشكيل عقدة ثلاثية الفصوص اليسرى بدءًا من جزيئات الحمض النووي غير المعقدة التي تم الاحتفاظ بها في توازن فائق الالتفاف عند ΔLk ≈ −5. ومع ذلك ، فإن الالتفاف الفائق الطبيعي للحمض النووي الذي يبلغ طوله 3000 نقطة أساس يفضل إبقاء الجزيئات غير المعقدة عند Lk ≈ − 15. لذلك ، على المستوى الفسيولوجي للالتفاف الفائق السلبي ، ستكون الممرات المؤدية إلى تكوين العقدة أقوى بكثير من التدرج الحر للطاقة مقارنة بالحالة التي تم تحليلها هنا. (ب) مفهوم شرالية هندسية. لتحديد التناقض الهندسي للتقاطع ، ينظر المرء إلى أصغر دوران للجزء العلوي الذي يجعله موازيًا للجزء الأساسي. إذا كان هذا الدوران في اتجاه عقارب الساعة ، فسيكون التقاطع أعسرًا ويكون اليد اليمنى بخلاف ذلك. (ج) العقدة 52 لتر مع chirality الهندسية المشار إليها لمعابرها. الممر بين القطاعات عند أي تقاطع أعسر سيفك العقدة ، بينما الممر في أي من تقاطعات اليد اليمنى سيحول الـ 52 لتر عقدة في 31 لتر عقدة.

المكونات الهندسية للتفاعل بين الالتفاف الفائق للحمض النووي وعقد الحمض النووي

يساعد التدرج في الطاقة الحرة الذي يوفره الالتفاف الفائق للحمض النووي على توجيه إيزوميرات الحمض النووي نحو فك التعقيد الفعال ، ولكن هذا لا يكفي لتفسير تعقيد التفاعل بين الالتفاف الفائق للحمض النووي ، والتشابك ، والتسلسل. إذا كانت إيزوميراز الحمض النووي تعمل ببساطة على تحفيز التفاعلات على طول تدرج الطاقة الحرة ، فإن جزيئات الحمض النووي فائقة الالتواء في الخلايا البكتيرية الحية ستخضع لتفاعلات بوساطة توبويزوميراز تؤدي إلى ارتخاء الالتواء السريع. لذلك على سبيل المثال ، فإن النوع الأول من البكتريا من النوع الأول من الحمض النووي DNA ، والذي يؤدي ممرات من خيط واحد عبر الآخر ، من شأنه أن يخفف من الإجهاد الالتوائي في الحمض النووي فائق الالتواء.ومع ذلك ، نظرًا لأن الإجهاد الالتوائي السلبي مطلوب من أجل الأداء الطبيعي للحمض النووي البكتيري ، ستظهر دائرة قصر استقلابي في هذه الحالة ، مع النوع الأول من الإيزوميراز العلوي الذي يعمل باستمرار على استرخاء جزيئات الحمض النووي فائقة الالتواء بشكل سلبي ومع العديد من جزيئات DNA gyrase باستخدام ATP لإعادة إنشاء ال المستوى الأصلي للفائق السلبي. مثل هذه الدائرة القصيرة الأيضية من شأنها أن تستنفد التجمع الخلوي لـ ATP ، وهي في الواقع يتم تجنبها من خلال الآليات الجزيئية التي تطورت للتأكد من أن النوع الأول البكتيري من الإيزوميراز لا يتم تنشيطه إلا عن طريق الضغط الالتوائي المفرط للحمض النووي أو عن طريق ظهور تراكيب الحمض النووي غير النمطية (27). يمكن استشعار الضغط الالتوائي المفرط مباشرة على مستوى الحمض النووي المحلي من خلال منشأة فصل الخيوط ، على سبيل المثال ، وهذا يوفر الأساس الجزيئي للآلية التي تحمي الحمض النووي فائق الالتواء عادةً من تأثير النوع الأول من الإيزوميراز (27).

ومع ذلك ، يبدو أنه من الصعب تخيل الآليات الجزيئية التي تجعل من الحمض النووي فائق الالتفاف بشكل طبيعي ركيزة جيدة جدًا للممرات التي يتوسطها Topo IV والتي تؤدي إلى فك التشابك وعدم التعقيد ولكن ليس إلى استرخاء اللفائف الفائقة السالبة (39). نظرًا لأن الإيزوميراز العلوي للحمض النووي صغير نسبيًا مقارنة بالأبعاد الكلية للبلازميد أو الحمض النووي الكروموسومي ، فيمكنهم فقط التمييز بين بعض السمات المحلية المميزة للحمض النووي الفائق الالتفاف غير المضطرب وتلك التي تظهر في جزيئات الحمض النووي المعقدة والمتشابكة. إذا كانت هناك مثل هذه الاختلافات الهيكلية ، فمن الممكن أن يكون النوع الثاني من الإيزوميراز العلوي للحمض النووي قد اكتسب أثناء التطور القدرة على التصرف بشكل تفضيلي على تجاور الحمض النووي والحمض النووي الناشئ عن التعقيد أو الانزلاق ، ولكن ليس على تلك التي تنشأ بسبب الالتفاف الفائق السلبي.

كشفت دراسات الجزيء الفردي التي تبحث في عمل توبويزوميراز IV البكتيري على جزيئات الحمض النووي المضفر أنه يعمل بشكل تفضيلي على الضفائر اليسرى التي لها هندسة تجاور مقطعية محلية مماثلة لتلك الخاصة بالحمض النووي فائق الالتفاف إيجابيًا ، بينما تترك الضفائر اليمنى ، مماثلة لللفائف الفائقة السالبة. ، لم يمسها أحد عمليا (انظر الشكل 3 لشرح التزاوج الهندسي للتجاور بين الدنا والحمض النووي) (44-46). كانت هذه الملاحظات منطقية تمامًا لأنها أوضحت لماذا جزيئات الحمض النووي التي يتم لفها بشكل سلبي فائق الحصانة عمليًا ضد استرخاء Topo IV ، في حين أن الالتواء الفائق الإيجابي الذي ينشأ أثناء تكرار الحمض النووي يمكن تخفيفه بكفاءة بواسطة Topo IV ، مما يسمح بمزيد من التقدم في شوكات النسخ المتماثل (47) . بمقارنة تجاور الحمض النووي مع الحمض النووي في الحمض النووي الموجب والسالب فائق الالتفاف ، يلاحظ المرء أن كلا النوعين لهما طابع معقوف (48) ولكن يمكن تمييزهما عن طريق التناظر الهندسي المعاكس للالتفاف من الأجزاء المتجاورة (45 ، 46).

من المهم أن نذكر هنا الفرق بين chirality الطوبولوجية والهندسية. لتحديد التناظر الطوبولوجي ، يحتاج المرء إلى العمل بمفهوم المنحنيات الموجهة وأن يكون على دراية بالاتجاه الذي تشير إليه نواقل الاتجاه التخيلي عندما يتلامس جزءان من الحمض النووي مع بعضهما البعض. من الواضح أن الإنزيمات لا تستطيع التعرف على النواقل الوهمية. ومع ذلك ، يمكن للإنزيمات التعرف على التناقض الهندسي للتقاطعات إذا كانت مواقع ربط الحمض النووي الخاصة بها مرتبة بطريقة أنه عندما يكون جزيء الحمض النووي الأول مرتبطًا ، يمكن ربط الثاني فوقه ولكن فقط بزاوية ميل نسبي معينة فيما يتعلق بـ جزء الحمض النووي المرتبط بالفعل. اعتمادًا على تلك الزاوية ، قد يتفاعل الإنزيم بشكل تفضيلي مع مقاطع الحمض النووي التي تلتف حول بعضها البعض بطريقة اليد اليسرى أو اليمنى (49 ، 50). في الحمض النووي فائق الالتفاف سلبيًا ، تكون العلامة الطوبولوجية للتقاطعات داخل الجزيئية المتصورة سلبية ، ومع ذلك ، تلتف أجزاء الحمض النووي المتعارضة لجزيئات الحمض النووي فائقة الالتفاف حول بعضها البعض بطريقة اليد اليمنى. يعد الاتجاه الأيسر لللف سمة مميزة للتجاور في جزيئات الحمض النووي فائقة الالتفاف الإيجابية (الشكل 4) والتي يتم التعرف عليها بشكل تفضيلي بواسطة Topo IV.

التحولات الطوبولوجية أثناء تكرار الحمض النووي الدائري. (أ) الحمض النووي فائق الالتواء الذي بدأ للتو عملية تكاثر الحمض النووي. لا يزال الجزيء شديد الالتفاف بشكل سلبي ويظهر تشابكًا في اليد اليمنى. يساعد الالتفاف الفائق السلبي على بدء عملية تكرار الحمض النووي (7). (ب) جزيء DNA مكرر جزئيًا مع إجهاد التوائي إيجابي يتسبب في تكوين تشابك أعسر في الجزء غير المتماثل وتشابكًا لليد اليمنى من مادة preatenanes في الجزء المكرر. يمكن تخفيف تشابك اليد اليسرى بسهولة عن طريق جيروس الحمض النووي أو عن طريق توبويزوميراز IV. تشابك اليد اليمنى هو ركيزة ضعيفة لتفاعل الاسترخاء بواسطة Topo IV. (ج) التمثيل القياسي للجزيئات المنسوخة حديثًا التي تشكل كاتينانات DNA متعددة الترابط. جميع التقاطعات في هذا التمثيل لها chirality اليمنى ولكن هذا التمثيل ليس شكل التوازن من catenanes الدنا المترابط المتعدد. (د) عرض تخطيطي لشكل التوازن من كاتينانات الحمض النووي المترابط المتعدد. يؤدي تقليل الطاقة المرنة للكائنانات المترابطة المتعددة إلى تكوين طي أعسر لكامل catenanes (21 ، 78). يؤدي هذا الطي إلى ظهور تجاور الحمض النووي والحمض النووي في اليد اليسرى والتي تعتبر ركائز جيدة جدًا للممرات التي تتوسط فيها Topo IV والتي تؤدي إلى انخفاض تسلسل الحمض النووي. (ه) Catenanes مع عدد متناقص من الروابط. يتم لف الحلقات الفردية بشكل فائق بواسطة DNA gyrase ، وقد تتشكل تقاطعات اليد اليسرى في المنطقة المشوهة بسبب قذف الملفات الفائقة. (F) تتمتع الكاتينانات المترابطة بشكل فردي بحرية كاملة لتشكيل تجاور أعسر. يوفر اللف الفائق "الضغط" الضروري الذي يؤدي إلى فك الارتباط. لا تظهر تمثيلات جزيئات الحمض النووي في مراحل مختلفة من تكرار الحمض النووي بنفس المقياس ولكن تم اختيار حجمها لتوضيح النقاط المهمة. ومع ذلك ، فإن جميع الرسومات تتوافق مع مراحل متسلسلة من تكرار الحمض النووي لجزيء مع 800 نقطة أساس.

التحولات الطوبولوجية أثناء تكرار الحمض النووي الدائري. (أ) الحمض النووي فائق الالتواء الذي بدأ للتو عملية تكاثر الحمض النووي. لا يزال الجزيء شديد الالتفاف بشكل سلبي ويظهر تشابكًا في اليد اليمنى. يساعد الالتفاف الفائق السلبي على بدء عملية تكرار الحمض النووي (7). (ب) جزيء DNA مكرر جزئيًا مع إجهاد التوائي إيجابي يتسبب في تكوين تشابك أعسر في الجزء غير المتماثل وتشابكًا لليد اليمنى من مادة preatenanes في الجزء المكرر. يمكن تخفيف تشابك اليد اليسرى بسهولة عن طريق جيروس الحمض النووي أو عن طريق توبويزوميراز IV. تشابك اليد اليمنى هو ركيزة ضعيفة لتفاعل الاسترخاء بواسطة Topo IV. (ج) التمثيل القياسي للجزيئات المنسوخة حديثًا التي تشكل كاتينانات DNA متعددة الترابط. جميع التقاطعات في هذا التمثيل لها chirality في اليد اليمنى ولكن هذا التمثيل ليس شكل التوازن لتكاثر الحمض النووي المترابط المتعدد. (د) عرض تخطيطي لشكل التوازن من كاتينانات الحمض النووي المترابط المتعدد. يؤدي تقليل الطاقة المرنة للكائنانات المترابطة المتعددة إلى تكوين طي أعسر لكامل catenanes (21 ، 78). يؤدي هذا الطي إلى ظهور تجاور الحمض النووي والحمض النووي في اليد اليسرى والتي تعتبر ركائز جيدة جدًا للممرات التي يتوسطها Topo IV والتي تؤدي إلى انخفاض تسلسل الحمض النووي. (ه) Catenanes مع عدد متناقص من الروابط. يتم لف الحلقات الفردية بشكل فائق بواسطة DNA gyrase ، وقد تتشكل تقاطعات اليد اليسرى في المنطقة المشوهة بسبب قذف الملفات الفائقة. (F) تتمتع الكاتينانات المترابطة بشكل فردي بحرية كاملة لتشكيل تجاور أعسر. يوفر اللف الفائق "الضغط" الضروري الذي يؤدي إلى فك الارتباط. لا تظهر تمثيلات جزيئات الحمض النووي في مراحل مختلفة من تكرار الحمض النووي بنفس المقياس ولكن تم اختيار حجمها لتوضيح النقاط المهمة. ومع ذلك ، فإن جميع الرسومات تتوافق مع المراحل المتسلسلة لتكرار الحمض النووي للجزيء مع 800 نقطة أساس.

لا تفضل هندسة الحمض النووي الملفوف بشكل إيجابي عمليات التقاطع اليسرى للتجاور بين الحمض النووي والحمض النووي فحسب ، بل تفضل أيضًا ربط مقاطع الحمض النووي المتلامسة. ومن المثير للاهتمام ، أن الإجراء التفضيلي للنوع الثاني من إيزوميراز الحمض النووي على المواضع المعقوفة قد تم اقتراحه أيضًا كآلية أوضحت التجربة الأساسية التي أجراها ريبينكوف. وآخرون. (30 ، 51). أظهرت هذه التجربة أن النوع الثاني من الأيزوميراز العلوي للحمض النووي يعمل في الجسم الحي على الحمض النووي المرتخي الالتوائي ، يحافظ على مستوى عقد الحمض النووي والتسلسل أقل بكثير من التوازن الطوبولوجي الذي كان سيحدث إذا كانت الممرات مدفوعة ببساطة بتدرج الطاقة الحرة (30). يقرن النوع الثاني من الإيزوميراز العلوي للحمض النووي DNA تفاعل مرور الحمض النووي DNA مع التحلل المائي لـ ATP ، وبالتالي لا يوجد انتهاك للمبادئ الديناميكية الحرارية المرتبطة بحقيقة أن عمل النوع الثاني من الحمض النووي DNA على مجموعة إحصائية من جزيئات DNA البلازميد يمكن أن يدفع هذه المجموعة من أدنى مستوياتها حالة الطاقة الحرة. ومع ذلك ، فقد كان من المثير للاهتمام كيف يمكن لمركبات الأيزوميرات السطحية للحمض النووي ، التي يمكنها فقط استشعار المعلومات المحلية ، أن تحصل على تلميحات حول ما إذا كان إجراء ممر DNA-DNA في مكان معين سيؤدي بدلاً من ذلك إلى فك الحمض النووي بدلاً من أن يؤدي إلى عقدة الحمض النووي.

تم اقتراح العديد من الآليات المعقدة على مر السنين لشرح كيف يمكن أن تحصل على هذه التلميحات من الدنا توبويزوميراز: نموذج الانزلاق النشط (30) ، والتدقيق الحركي (52) أو التفاعل ثلاثي المواقع (53). في حين أن بعض هذه النماذج كانت غير متوافقة مع الخصائص المعروفة للنوع الثاني من الإيزوميراز العلوي (نموذج انزلاقي نشط) ، بدت النماذج الأخرى معقدة بشكل غير ضروري (التدقيق اللغوي الحركي ، التفاعل مع ثلاثة مواقع). في عام 2002 فولوغودسكي وآخرون. (51) اقترح نموذجًا وفقًا للنوع الثاني من الأيزوميراز العلوي للحمض النووي الذي يعمل على ثني الحمض النووي في ما يسمى بالمنطقة G (G تعني البوابة حيث سيتم قطع منطقة الحمض النووي هذه لاحقًا وستكون بمثابة بوابة لمرور المقطع المنقول المعروف باسم الجزء T). وفقًا لهذا النموذج ، كان إنزيم توبويزوميراز الحمض النووي يضع نفسه في المنعطف بطريقة لا يمكن نقل الجزء T إلا إذا اقترب من المنطقة G من داخل المنعطف. نتيجة لذلك ، كان التوبويزوميراز يوفر اتجاهية لمرور المقطع T من الداخل إلى الخارج من حلقة الحمض النووي شديدة الانحناء مع موقع G في مركزها. كشفت عمليات المحاكاة التي أجريت لاختبار هذا النموذج أن هذه الآلية البسيطة نسبيًا تسمح بتخفيض مستوى العقد بمقدار 10 أضعاف تحت التوازن الطوبولوجي (51). ومع ذلك ، فإن التجارب البيوكيميائية باستخدام Topo IV من بكتريا قولونية أظهر انخفاضًا بمقدار 50 ضعفًا لمستوى العقد تحت التوازن الطوبولوجي وبالتالي الآلية التي اقترحها Vologodskii وآخرون. لم تكن كافية لشرح التأثير الملحوظ.

في عام 2004 ، اقترحت ورقة نظرية بقلم Buck و Zechiedrich أن النوع الثاني من الإيزوميراز العلوي يمكن أن يحافظ على مستوى منخفض جدًا من الحالة المستقرة لعقد الحمض النووي وتسلسل الحمض النووي عن طريق العمل بشكل تفضيلي على التجاور المتشابك وأداء الممرات هناك (48 ، 54). كانت الفكرة وراء هذا النموذج هي أنه في الحمض النووي المتذبذب بحرية والمرتاح الالتوائي ، تتشكل التقاربات المتشابكة بشكل تفضيلي في المنطقة التي يتم فيها عقد الحمض النووي أو توطيده (48 ، 54). لأسباب إنتروبية ، تميل النطاقات المعقّدة في البوليمرات المعقّدة المتقلّبة بحرية إلى أن تكون ضيقة إلى حد ما (55 ، 56) وهذا يؤيد تشكيل التجاويف المعقوفة هناك. في الواقع ، أكدت دراسات المحاكاة باستخدام المضلعات المحصورة في شبكة مكعبة أن الإجراء التفضيلي على التجاور المعقوف يمكن أن يقلل من مستوى العقد بمقدار 50 مرة مقارنة بالممرات العشوائية (57). أيضًا ، كشفت عمليات المحاكاة التي أجريت باستخدام السلاسل متعددة الأضلاع خارج الشبكة أن اختيار التجاويف البينية يمكن أن يؤدي إلى انخفاض مستوى العقد بنفس القوة التي لوحظت تجريبياً (58).

التجاور المعقوف الذي اقترحه باك وزيشيدريش (48) واختُبر في عمليات المحاكاة بواسطة ليو وآخرون. (57 ، 59) لم يكن من المفترض أن ينفخ بطريقة اليد اليمنى أو اليسرى ولكن تم تصميمه على شكل تجاور متشابك ، حيث كانت طائرات التثبيت متعامدة مع بعضها البعض. كانت مثل هذه التجاويف المعقوفة المخطوفة كافية لشرح تجربة Rybenkov وآخرون. (30) حيث لم يكن الحمض النووي المختبر ملفوفًا بشكل فائق. ومع ذلك ، حتى بالنسبة للحمض النووي غير الملفوف ، كانت هناك تجارب أخرى تتطلب معايير chirality لشرح النتائج المرصودة. مان وآخرون. (60) ذكر أن توبويزوميراز الإنسان IIα لديه قدرة مثيرة للاهتمام للغاية لفك عقدة التقاطع الخمس اليسرى (مع التدوين الطوبولوجي 52 لتر) في فقرة واحدة فقط. كانت هذه النتائج محيرة منذ ذلك الحين ، حتى لو تمكنت الإيزوميراز العلوي للحمض النووي من التعرف بشكل خاص على التجاور المعقوف الناتج عن عقد ضيق لـ 52 عقدة ، هناك احتمالات لتشكيل خمس مثل هذه التقاربات وفقط الممرات التي تحدث عند اثنين منها يمكن أن تؤدي إلى تحويل مباشر لـ 52 عقدة في عقدة (61). نشأ السؤال إذن ما هو الاختلاف البنيوي الذي يمكن أن يوجد بين تجاور الحمض النووي والحمض النووي عند هذين النوعين المختلفين من التقاطع في تكوين الحمض النووي المتذبذب بحرية 52 لتر عقدة؟

حارق وآخرون. (58) استخدم المحاكاة العددية لاختبار ما إذا كان من خلال التعرف على الممرات وتنفيذها داخل تجاور معقوف حيث تلتف الأجزاء المتعارضة حول بعضها البعض بطريقة يسرى (الشكل 3) ، يمكن أن تكون الإيزوميراز العلوي غير عقدة 52 لتر عقدة بأداء فقرة واحدة فقط. أظهرت عمليات المحاكاة أن هذه المعايير كانت فعالة جدًا بالفعل في تفضيل عدم معرفة الرقم 52 لتر عقدة بواسطة ممر واحد بوساطة توبو II (58). بالإضافة إلى ذلك ، فإن الإجراء التفضيلي على التجاويف المتداخلة مع الشخصية اليسرى يشرح أيضًا الآلية التي يريح بها الإنسان توبويزوميراز IIα جزيئات الحمض النووي فائقة الالتفاف بشكل إيجابي على الأقل 10 مرات أسرع من الجزيئات فائقة الالتفاف (62).

تم تقديم دعم إضافي لنموذج التثبيت مؤخرًا عن طريق التحليل البلوري لمجمعات Topo IV DNA (63). في هذه المجمعات ، ينحني الحمض النووي الذي يرتبط به توبويزوميراز (مقطع G) بقوة في الاتجاه المتوافق مع النماذج التي تقترح أن Topo IV يحفز انحناءات الحمض النووي (51 ، 64) أو أنه يفضل ربط التجاويف الخطافية (48 ، 54) . الملاحظة المذكورة سابقًا أن البلازميدات المعزولة من السلالات البكتيرية ذات الجيراز المعيب غالبًا ما تكون معقودة (38) تتفق مع التفسير القائل بأن الالتفاف الفائق للحمض النووي قد يساعد Topo IV على التمييز بين تجاور أفضل للحمض النووي الذي يرجع إلى التعقيد من مواضع أخرى للحمض النووي.

كما ذكرنا سابقًا ، تطورت الإيزوميرات البكتيرية بطريقة تحمي جزيئات الحمض النووي فائقة الالتفاف سلبيًا من نشاطها المريح. في حالة Topo IV ، يتم ضمان هذه الحماية من خلال آلية استشعار chirality الموضحة أعلاه (44-46): تجاور اليد اليمنى الموجودة في الحمض النووي فائق الالتواء بشكل سلبي محصن عمليًا ضد عملها ، في حين أن التجاور باليد اليسرى هي السائدة بشكل إيجابي يتم التعرف على الحمض النووي فائق الالتفاف بكفاءة عالية بواسطة Topo IV وهي ركيزة لتفاعلات مرور المعالجة (44-46 ، 65). من المفترض ، عندما تكون العقدة موجودة في جزيئات DNA فائقة الالتفاف سلبيًا ، فإنها تعزز تكوين تجاور الحمض النووي والحمض النووي مع أشكال هندسية مختلفة إلى حد ما عن الهندسة النموذجية لتجاور الحمض النووي والحمض النووي في الحمض النووي فائق الالتفاف سلبيًا. هذه بالتأكيد هي حالة جزيئات الحمض النووي التي تشكل عقدة ثلاثية الفصوص اليسرى التي يكون لتقاطعاتها ميل طبيعي لتشكيل تجاور dsDNA-dsDNA أعسر. ومع ذلك ، فإن جزيئات الحمض النووي التي تشكل عقدة ثلاثية الفصوص اليمنى ، على الرغم من تفضيلها لتشكيل تقاطعات dsDNA-dsDNA اليمنى ، قد تعزز في الواقع تكوين تجاور أكثر تعلقًا أو لها زاوية ميل مختلفة إلى حد ما عن تلك الموجودة عادة في الحمض النووي الفائق السالب. . في مثل هذه الحالة أيضًا ، قد تكون هذه العُقد غير متشابكة بكفاءة من خلال إجراء Topo IV في حين أن التجاور المنتظم للحمض النووي والحمض النووي بسبب الالتواء الفائق السلبي لن يكون بمثابة ركائز لـ Topo IV.


10.1: هيكل ووظيفة الجينوم الخلوي

  • بمساهمة من OpenStax
  • علم الأحياء العام في OpenStax CNX
  • تحديد الجين والنمط الجيني والتفريق بين النمط الجيني والنمط الظاهري
  • وصف بنية الكروموسوم والتعبئة والتغليف
  • قارن بين الكروموسومات بدائية النواة وحقيقية النواة
  • اشرح سبب أهمية الحمض النووي خارج الصبغيات في الخلية

حتى الآن ، ناقشنا بنية ووظيفة القطع الفردية من DNA و RNA. في هذا القسم ، سوف نناقش كيفية تنظيم كل من الكائنات الحية والمواد الوراثية rsquos و mdashc بشكل جماعي على أنها جينومها و [مدشيس] منظمة داخل الخلية. نظرًا لأن جينات الكائن الحي و rsquos تملي إلى حد كبير خصائصه ، فلا ينبغي أن يكون مفاجئًا أن الكائنات الحية تختلف في ترتيب DNA و RNA.

النمط الجيني مقابل النمط الظاهري

يتم ترميز جميع الأنشطة الخلوية داخل الخلية و rsquos DNA. يمثل تسلسل القواعد داخل جزيء DNA المعلومات الجينية للخلية. تسمى أجزاء جزيئات الحمض النووي بالجينات ، وتحتوي الجينات الفردية على الكود الإرشادي اللازم لتجميع البروتينات أو الإنزيمات أو جزيئات الحمض النووي الريبي المستقرة.

تسمى المجموعة الكاملة من الجينات التي تحتويها الخلية داخل جينومها بالنمط الجيني الخاص بها. ومع ذلك ، فإن الخلية لا تعبر عن جميع جيناتها في وقت واحد. بدلاً من ذلك ، يتم تشغيل (التعبير) أو إيقاف تشغيل جينات معينة عند الضرورة. تحدد مجموعة الجينات التي يتم التعبير عنها في أي نقطة زمنية معينة أنشطة الخلية و rsquos وخصائصها التي يمكن ملاحظتها ، والتي يشار إليها باسم النمط الظاهري لها. تُعرف الجينات التي يتم التعبير عنها دائمًا باسم الجينات التأسيسية ، وتُعرف بعض الجينات التأسيسية باسم جينات التدبير المنزلي لأنها ضرورية للوظائف الأساسية للخلية.

بينما يظل النمط الجيني للخلية ثابتًا ، قد يتغير النمط الظاهري استجابةً للإشارات البيئية (مثل التغيرات في درجة الحرارة أو توافر المغذيات) التي تؤثر على الجينات غير التكوينية التي يتم التعبير عنها. على سبيل المثال ، بكتيريا الفم العقدية الطافرة تنتج طبقة سلايم لزجة تسمح لها بالالتصاق بالأسنان ، وتشكيل طبقة البلاك ، ومع ذلك ، فإن الجينات التي تتحكم في إنتاج طبقة الوحل لا يتم التعبير عنها إلا في وجود السكروز (سكر المائدة). وهكذا ، في حين أن النمط الجيني S. mutans ثابت ، يتغير نمطه الظاهري اعتمادًا على وجود وغياب السكر في بيئته. يمكن أن تنظم درجة الحرارة أيضًا التعبير الجيني. على سبيل المثال ، البكتيريا سالبة الجرام السراتية الذابلة، أحد مسببات الأمراض المرتبطة بشكل متكرر بالعدوى المكتسبة من المستشفى ، ينتج صبغة حمراء عند 28 درجة مئوية ولكن ليس عند 37 درجة مئوية ، وهي درجة الحرارة الداخلية الطبيعية لجسم الإنسان (الشكل ( فهرس الصفحة <1> )).

الشكل ( PageIndex <1> ): كلا الطبقين يحتويان على سلالات من Serratia marcescens التي تحتوي على جين الصبغة الحمراء. ومع ذلك ، يتم التعبير عن هذا الجين عند 28 درجة مئوية (يسار) ولكن ليس عند 37 درجة مئوية (يمين). (الائتمان: تعديل العمل بواسطة آن أومان)

تنظيم المواد الجينية

الغالبية العظمى من جينوم الكائن الحي و rsquos منظم في الخلية وكروموسومات rsquos ، وهي هياكل DNA منفصلة داخل الخلايا تتحكم في النشاط الخلوي. تذكر أنه بينما توجد الكروموسومات حقيقية النواة في النواة المرتبطة بالغشاء ، فإن معظم بدائيات النوى تحتوي على كروموسوم دائري واحد موجود في منطقة من السيتوبلازم تسمى النواة النووية (انظر الخصائص الفريدة للخلايا بدائية النواة). قد يحتوي الكروموسوم على عدة آلاف من الجينات.

تنظيم الكروموسومات بدائية النواة

عادة ما تكون الكروموسومات في البكتيريا والعتيقة دائرية ، وعادة ما تحتوي الخلية بدائية النواة على كروموسوم واحد فقط داخل النواة. نظرًا لأن الكروموسوم يحتوي على نسخة واحدة فقط من كل جين ، فإن بدائيات النوى هي أحادية العدد. كما هو الحال في الخلايا حقيقية النواة ، فإن الالتفاف الفائق للحمض النووي ضروري لكي يتلاءم الجينوم مع الخلية بدائية النواة. يتم ترتيب الحمض النووي في الكروموسوم البكتيري في عدة مجالات فائقة الالتفاف. كما هو الحال مع حقيقيات النوى ، تشارك الإيزوميرات العليا في الحمض النووي الفائق الالتفاف. DNA gyrase هو نوع من التوبويزوميراز ، الموجود في البكتيريا وبعض العتائق ، والذي يساعد على منع إفراط الحمض النووي. (بعض المضادات الحيوية تقتل البكتيريا عن طريق استهداف DNA gyrase.) بالإضافة إلى ذلك ، فإن البروتينات الشبيهة بالهيستون تربط الحمض النووي وتساعد في تغليف الحمض النووي. ترتبط البروتينات الأخرى بأصل التكاثر ، وهو الموقع في الكروموسوم حيث يبدأ تكرار الحمض النووي. نظرًا لأن مناطق مختلفة من الحمض النووي يتم حزمها بشكل مختلف ، فإن بعض مناطق الحمض النووي الصبغي تكون أكثر سهولة في الوصول إلى الإنزيمات وبالتالي يمكن استخدامها بسهولة كقوالب للتعبير الجيني. ومن المثير للاهتمام أن العديد من البكتيريا منها هيليكوباكتر بيلوري و شيغيلا فلكسنري، لقد ثبت أنه يحث على إحداث تغييرات جينية في مضيفهم عند الإصابة ، مما يؤدي إلى إعادة تشكيل الكروماتين الذي قد يتسبب في تأثيرات طويلة الأمد على مناعة المضيف. 2

  1. ما هو الفرق بين التركيب الجيني للخلية و rsquos والنمط الظاهري لها؟
  2. كيف يتناسب الحمض النووي داخل الخلايا؟

على الرغم من أن معظم الحمض النووي موجود في الخلية وكروموسومات rsquos ، إلا أن العديد من الخلايا تحتوي على جزيئات إضافية من الحمض النووي خارج الكروموسومات ، تسمى الحمض النووي خارج الصبغيات ، والتي تعد أيضًا جزءًا من جينومها. ستشمل جينومات الخلايا حقيقية النواة أيضًا الكروموسومات من أي عضيات مثل الميتوكوندريا و / أو البلاستيدات الخضراء التي تحتفظ بها هذه الخلايا (الشكل ( فهرس الصفحة <3> )). يعد الحفاظ على الكروموسومات الدائرية في هذه العضيات من بقايا أصولها بدائية النواة ويدعم نظرية التعايش الداخلي (انظر أسس نظرية الخلية الحديثة). في بعض الحالات ، يمكن أيضًا الحفاظ على جينومات بعض فيروسات الحمض النووي بشكل مستقل في الخلايا المضيفة أثناء العدوى الفيروسية الكامنة. في هذه الحالات ، تكون هذه الفيروسات شكلًا آخر من أشكال الحمض النووي خارج الصبغيات. على سبيل المثال ، يمكن الحفاظ على فيروس الورم الحليمي البشري (HPV) في الخلايا المصابة بهذه الطريقة.

الشكل ( PageIndex <3> ): يتكون جينوم الخلية حقيقية النواة من الكروموسوم الموجود في النواة ، والحمض النووي خارج الصبغيات الموجود في الميتوكوندريا (جميع الخلايا) والبلاستيدات الخضراء (النباتات والطحالب).

إلى جانب الكروموسومات ، تحتوي بعض بدائيات النوى أيضًا على حلقات أصغر من الحمض النووي تسمى البلازميدات والتي قد تحتوي على جين واحد أو عدد قليل من الجينات غير الضرورية للنمو الطبيعي ([رابط]). يمكن للبكتيريا تبادل هذه البلازميدات مع بكتيريا أخرى في عملية تعرف باسم نقل الجينات الأفقي (HGT). في بعض الأحيان ، يوفر تبادل المواد الجينية على البلازميدات للميكروبات جينات جديدة مفيدة للنمو والبقاء في ظل ظروف خاصة. في بعض الحالات ، قد يكون للجينات التي يتم الحصول عليها من البلازميدات آثار إكلينيكية ، حيث تقوم بترميز عوامل الضراوة التي تمنح الميكروب القدرة على التسبب في المرض أو جعل الميكروب مقاومًا لمضادات حيوية معينة. كما تستخدم البلازميدات بكثافة في الهندسة الوراثية والتكنولوجيا الحيوية كوسيلة لنقل الجينات من خلية إلى أخرى. سيتم مناقشة دور البلازميدات في نقل الجينات الأفقي والتكنولوجيا الحيوية بمزيد من التفصيل في آليات علم الوراثة الميكروبية والتطبيقات الحديثة لعلم الوراثة الميكروبية.

كيف تشارك البلازميدات في مقاومة المضادات الحيوية؟

ماريا ، طالبة الأنثروبولوجيا البالغة من العمر 20 عامًا من تكساس ، أصيبت مؤخرًا بالمرض في دولة بوتسوانا الأفريقية ، حيث كانت تجري أبحاثًا كجزء من برنامج الدراسة بالخارج. ركز بحث Maria & rsquos على الأساليب الأفريقية التقليدية لدباغة الجلود لإنتاج الجلود. على مدار ثلاثة أسابيع ، كانت تزور مدبغة يوميًا لعدة ساعات لمراقبة عملية الدباغة والمشاركة فيها. ذات يوم ، بعد عودتها من المدبغة ، أصيبت ماريا بحمى وقشعريرة وصداع ، إلى جانب آلام في الصدر وآلام في العضلات وغثيان وأعراض أخرى تشبه أعراض الأنفلونزا. في البداية ، لم تكن قلقة ، ولكن عندما ارتفعت الحمى وبدأت تسعل الدم ، انزعجت عائلتها الأفريقية المضيفة وهرعت إلى المستشفى ، حيث استمرت حالتها في التدهور.

بعد أن علمت عن عملها الأخير في المدبغة ، اشتبه الطبيب في أن ماريا تعرضت للجمرة الخبيثة. أمر بإجراء أشعة سينية على الصدر ، وعينة من الدم ، وبزل شوكي ، وأخذها على الفور بجرعة من البنسلين في الوريد. لسوء الحظ ، أكدت الفحوصات المخبرية التشخيص الافتراضي للطبيب و rsquos. أظهرت أشعة ماريا ورسكووس على الصدر بالأشعة السينية انصبابًا جنبيًا ، وتراكمًا للسوائل في الفراغ بين الأغشية الجنبية ، وبقع جرام من دمها ، كشفت عن وجود بكتيريا موجبة الجرام ، على شكل قضيب في سلاسل قصيرة ، بما يتوافق مع عصيات الجمرة الخبيثة. كما تبين وجود الدم والبكتيريا في السائل الدماغي الشوكي لديها ، مما يشير إلى أن العدوى قد تطورت إلى التهاب السحايا. على الرغم من العلاج الداعم والعلاج القوي بالمضادات الحيوية ، انزلقت ماريا في حالة عدم استجابة وتوفيت بعد ثلاثة أيام.

الجمرة الخبيثة مرض ناجم عن إدخال الأبواغ من البكتيريا موجبة الجرام الجمرة الخبيثة في الجسم. بمجرد الإصابة ، يصاب المرضى عادةً بالتهاب السحايا ، وغالبًا ما يكون ذلك مميتًا. في حالة Maria & rsquos ، استنشقت الأبواغ الداخلية أثناء تعاملها مع جلود الحيوانات المصابة.

جينوم الجمرة الخبيثة يوضح كيف يمكن أن تؤدي الاختلافات الهيكلية الصغيرة إلى اختلافات كبيرة في الفوعة. في عام 2003 ، جينومات الجمرة الخبيثة و بكتيريا سيريوس العصويه، وهي بكتيريا مماثلة ولكنها أقل مسببات الأمراض من نفس الجنس ، تم تسلسلها ومقارنتها. 4 اكتشف الباحثون أن تسلسل الجين 16S rRNA لهذه البكتيريا متطابق بنسبة تزيد عن 99٪ ، مما يعني أنهم في الواقع أعضاء في نفس النوع على الرغم من تصنيفهم التقليدي كأنواع منفصلة. على الرغم من أن متواليات الكروموسومات الخاصة بهم كشفت أيضًا عن قدر كبير من التشابه ، إلا أن العديد من عوامل الضراوة الجمرة الخبيثة تم العثور عليها لتكون مشفرة على اثنين من البلازميدات الكبيرة غير الموجودة في B. cereus. يشفر البلازميد pX01 سمًا من ثلاثة أجزاء يثبط الجهاز المناعي للمضيف ، بينما يشفر البلازميد pX02 عديد السكاريد المحفظي الذي يحمي البكتيريا من الجهاز المناعي للمضيف (الشكل ( فهرس الصفحة <4> )). حيث B. cereus يفتقر إلى هذه البلازميدات ، ولا ينتج عوامل الفوعة هذه ، وعلى الرغم من أنه لا يزال مُمْرضًا ، إلا أنه يرتبط عادةً بحالات خفيفة من الإسهال يمكن للجسم أن يتعافى منها بسرعة. لسوء حظ ماريا ، فإن وجود هذه البلازميدات المشفرة للسموم في الجمرة الخبيثة يعطيها فوعة قاتلة.

الشكل ( PageIndex <4> ): يكشف تسلسل الجينوم لعصيات الجمرة الخبيثة وقريبتها القريبة B. cereus أن إمراضية الجمرة الخبيثة ترجع إلى الحفاظ على اثنين من البلازميدات ، pX01 و pX02 ، والتي تشفر عوامل الفوعة.

ما رأيك سيحدث لإمراضية الجمرة الخبيثة إذا فقدت أحد بلازميداتها أو كليهما؟

الجينوم الفيروسي

تظهر الجينومات الفيروسية تنوعًا كبيرًا في البنية. تحتوي بعض الفيروسات على جينومات تتكون من الحمض النووي كمادة وراثية. قد يكون هذا الحمض النووي منفردًا ، كما يتضح من الفيروسات الصغيرة البشرية ، أو تقطعت بهم السبل مزدوجة ، كما يظهر في فيروسات الهربس وفيروسات الجدري. بالإضافة إلى ذلك ، على الرغم من أن الحياة الخلوية تستخدم الحمض النووي كموادها الوراثية ، إلا أن بعض الجينومات الفيروسية مصنوعة إما من جزيئات RNA أحادية الشريطة أو مزدوجة الشريطة ، كما ناقشنا. عادةً ما تكون الجينومات الفيروسية أصغر من معظم الجينومات البكتيرية ، حيث تقوم بترميز عدد قليل فقط من الجينات ، لأنها تعتمد على مضيفيها للقيام بالعديد من الوظائف المطلوبة لتكاثرها. تمت مناقشة تنوع هياكل الجينوم الفيروسي وآثارها على دورات حياة التكاثر الفيروسي بمزيد من التفصيل في The Viral Life Cycle.

لماذا تختلف الجينومات الفيروسية اختلافًا كبيرًا بين الفيروسات؟

هناك اختلاف كبير في حجم الجينوم بين الكائنات الحية المختلفة. تحتوي معظم حقيقيات النوى على كروموسومات متعددة لدى البشر ، على سبيل المثال 23 زوجًا ، مما يمنحهم 46 كروموسومًا. على الرغم من أن الجينوم البشري كبير عند 3 مليارات زوج قاعدي ، إلا أنه بعيد كل البعد عن الجينوم الأكبر. غالبًا ما تحتفظ النباتات بجينومات كبيرة جدًا ، تصل إلى 150 مليار زوج قاعدي ، وعادة ما تكون متعددة الصبغيات ، ولها نسخ متعددة من كل كروموسوم.

يختلف حجم الجينومات البكتيرية أيضًا بشكل كبير ، على الرغم من أنها تميل إلى أن تكون أصغر من جينومات حقيقية النواة (الشكل ( فهرس الصفحة <5> )). قد تكون بعض الجينومات البكتيرية صغيرة مثل 112000 زوج قاعدي فقط. غالبًا ما يرتبط حجم جينوم البكتيريا و rsquos ارتباطًا مباشرًا بمدى اعتماد البكتيريا على مضيفها من أجل البقاء. عندما تعتمد البكتيريا على الخلية المضيفة للقيام بوظائف معينة ، فإنها تفقد الجينات التي تشفر القدرات للقيام بهذه الوظائف بنفسها. تذكرنا هذه الأنواع من التعايش الداخلي البكتيري بأصول بدائية النواة للميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء.

من منظور سريري ، تميل مسببات الأمراض داخل الخلايا أيضًا إلى امتلاك جينومات صغيرة (حوالي مليون زوج قاعدي). نظرًا لأن الخلايا المضيفة تزودها بمعظم مغذياتها ، فإنها تميل إلى تقليل عدد الجينات التي تشفر وظائف التمثيل الغذائي. نظرًا لصغر حجمها ، فإن جينومات الكائنات الحية مثل المفطورة التناسلية (580.000 زوج أساسي) ، المتدثرة الحثرية (1.0 مليون) ، الريكتسيا prowazekii (1.1 مليون) ، و اللولبية الشاحبة (1.1 مليون) كانت بعضًا من الجينوم البكتيري السابق الذي تم تسلسله. على التوالي ، تسبب هذه العوامل الممرضة التهاب الإحليل والتهاب الحوض والكلاميديا ​​والتيفوس والزهري.

في حين أن مسببات الأمراض داخل الخلايا لها جينومات صغيرة بشكل غير عادي ، فإن البكتيريا الأخرى ذات التنوع الكبير في القدرات الأيضية والإنزيمية لها جينومات بكتيرية كبيرة بشكل غير عادي. الزائفة الزنجارية، على سبيل المثال ، هي بكتيريا توجد بشكل شائع في البيئة وقادرة على النمو على مجموعة واسعة من الركائز. يحتوي جينومه على 6.3 مليون زوج قاعدي ، مما يمنحه قدرة استقلابية عالية والقدرة على إنتاج عوامل الفوعة التي تسبب عدة أنواع من العدوى الانتهازية..

ومن المثير للاهتمام ، أنه كان هناك تباين كبير في حجم الجينوم في الفيروسات أيضًا ، يتراوح من 3500 زوج أساسي إلى 2.5 مليون زوج قاعدي ، وهو ما يتجاوز بشكل كبير حجم العديد من الجينومات البكتيرية. يساهم الاختلاف الكبير الذي لوحظ في أحجام الجينوم الفيروسي في زيادة التنوع الكبير لخصائص الجينوم الفيروسي التي تمت مناقشتها بالفعل.

الشكل ( PageIndex <5> ): هناك تنوع كبير وكذلك تداخل بين أحجام الجينوم لمجموعات مختلفة من الكائنات الحية والفيروسات.

قم بزيارة قاعدة بيانات الجينوم للمركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية (NCBI) لرؤية الجينومات التي تم تسلسلها وأحجامها.


الالتفاف الفائق للحمض النووي هو مبدأ تنظيمي أساسي في التحكم في التعبير الجيني البكتيري

على الرغم من أنه أصبح أمرًا روتينيًا اعتبار الحمض النووي من حيث دوره كحامل للمعلومات الجينية ، إلا أنه يعد أيضًا مساهمًا مهمًا في التحكم في التعبير الجيني. ينشأ هذا المبدأ التنظيمي من خصائصه الهيكلية. يتم الحفاظ على الحمض النووي في حالة تحت الجرح في معظم الخلايا البكتيرية وهذا له آثار مهمة على تخزين الحمض النووي في النواة والتعبير عن المعلومات الجينية. يحتمل أن يؤدي تقويض الحمض النووي من خلال تقليل رقم الارتباط الخاص به إلى نقل الطاقة إلى الازدواج المتاح لدفع معاملات الحمض النووي ، مثل النسخ والتكرار وإعادة التركيب. تؤثر الحالة الطوبولوجية للحمض النووي أيضًا على تقاربها مع بعض بروتينات ربط الحمض النووي ، خاصة في تسلسلات الحمض النووي التي تحتوي على نسبة عالية من قاعدة A + T. إن تقويض الحمض النووي بواسطة جريز DNA topoisomerase المعتمد على ATP يخلق سلسلة متصلة بين التدفق الأيضي وطوبولوجيا الحمض النووي والتعبير الجيني الذي يدعم الاستجابة العالمية للجينوم للتغيرات في البيئات داخل الخلايا والخارجية. تصف هذه الروابط آلية أساسية ومعممة تؤثر على التعبير الجيني العالمي الذي يقوم عليه التحكم المحدد في النسخ الذي يعمل من خلال عوامل النسخ التقليدية. توفر هذه الآلية أيضًا مستوى أساسيًا من التحكم في الجينات المكتسبة عن طريق النقل الأفقي للحمض النووي ، مما يساعد على تطور الميكروبات ، بما في ذلك تطور البكتيريا المسببة للأمراض.

هذه معاينة لمحتوى الاشتراك ، والوصول عبر مؤسستك.


DNA Topoisomerases: الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية

أ في المختبر

DNA gyrase هو نوع II topoisomerase الذي يقدم أو يزيل الفائق السالبة السلبية ، ويشكل أو يحل catenanes ، والعقد أو unknots DNA (Gellert وآخرون.، 1976 Kreuzer and Cozzarelli، 1980 Liu وآخرون.، 1980). يمتلك DNA gyrase القدرة على إحداث كسر مزدوج في الحمض النووي ، ويُعتقد أن له دورًا مهمًا في هذه التعديلات الطوبولوجية للحمض النووي (Brown and Cozzarelli ، 1979 Gellert وآخرون.، 1978 سوجينو وآخرون., 1977 ).

إيكيدا وآخرون. (1980) طور في المختبر نظام لتحليل إعادة التركيب غير المشروع. يتكون من مقتطف من المستحث λ. ليسوجين ه. القولونية التي لديها نشاط في المختبر تغليف العاثية λ DNA. يحتوي خليط العبوات هذا على كمية كبيرة من DNA الداخلي الذي يعد ركيزة جيدة للتغليف. عندما يحمل DNA البلازميد مادة مقاومة للأمبيسيلين (ا ف ص ) تم تحضين الجين مع هذا الخليط ، اكتشفوا البلازميد المعاد تجميعه مع λ DNA ، مما أسفر عن فجوة محول مقاومة للأمبيسيلين. تم تشكيل هذه العاثية الهجينة عن طريق إدخال البلازميد في λ DNA أو عن طريق استبدال قطعة DNA بواسطة DNA البلازميد. كانت مواقع العبور عشوائية على ما يبدو ، مما يشير إلى أن عمليات الانتقال تمت عن طريق إعادة التركيب غير المشروع.

يحدث التفاعل بشكل مستقل عن البكتيريا recA وظيفة فضلا عن الملتهمة int و أحمر المهام. الأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن حمض الأكسولينك ، وهو مثبط للـ DNA gyrase ، يحفز إعادة التركيب (Ikeda وآخرون.، 1980). لم يكن له أي تأثير على إعادة التركيب بواسطة محلول من سلالة تحمل طفرة مقاومة حمض الأكسولينك في جيرا الجين. يُعرف حمض الأكسولينك بقدرته على تثبيت مركب إنزيم DNA ، حيث يظل الحمض النووي مشقوقًا (Gellert وآخرون.، 1978 سوجينو وآخرون.، 1977). كوميرمايسين Coumermycin ، وهو نوع مختلف من مثبطات gyrase الذي يمنع وصول ATP إلى الإنزيم (Mizuuchi). وآخرون.، 1978 سوجينو وآخرون.، 1978) ، يمنع إعادة التركيب الناجم عن حمض الأكسولين. إذا كان تحريض إعادة التركيب يتطلب ببساطة تثبيط DNA gyrase ، فيجب أن يزيد كلا الدواءين من إعادة التركيب. ولكن هذا ليس هو الحال. لذلك استنتج أن إعادة التركيب الناجم عن حمض الأكسولينيك يتم التوسط فيه مباشرة بواسطة DNA gyrase ويقترح أن كسر الحمض النووي مزدوج الشريطة قد يكون مهمًا في إعادة التركيب غير المشروع.

يأتي الدليل المباشر على تورط DNA gyrase في إعادة التركيب غير المشروع من تعديل في المختبر النظام ، حيث يتم فصل خطوة إعادة التركيب عن خطوة التعبئة (Ikeda and Shiozaki ، 1984). تمت زيادة وتيرة إعادة التركيب بمقدار 50 ضعفًا عندما تمت إضافة بروتينات DNA gyrase A و B المنقى إلى مستخلص إعادة التركيب. تمت زيادته بمقدار 40 ضعفًا عند إضافة حمض الأكسولينك بالإضافة إلى DNA gyrase. وبالتالي ، فإن DNA gyrase يعزز إعادة التركيب غير الشرعي حتى في حالة عدم وجود حمض الأكسولينيك.

تم تحليل الحمض النووي المؤتلف الذي تم تكوينه عن طريق إعادة التركيب الناجم عن حمض الأكسولين بين λ و pBR322 عن طريق رسم الخرائط والتسلسل غير المتجانسة (Ikeda وآخرون.، 1982 نايتو وآخرون.، 1984). تم تكوين اثنين من تسعة مواد مؤتلفة عن طريق إدخال بسيط للبلازميد في جينوم. في حالات أخرى ، كان إدخال pBR322 مصحوبًا بحذف في جينوم أو البلازميد. يبدو أن مواقع إعادة التركيب في هذه العزلات موزعة بشكل عشوائي على جينومات λ و pBR322. على أساس المقارنة بين متواليات النيوكليوتيدات لتقاطعات إعادة التركيب لمؤتلات λ ‒ pBR322 مع تلك الخاصة بالحمض النووي الأبوي λ و pBR322 ، حدد هؤلاء المؤلفون مواقع إعادة التركيب للأحداث غير المشروعة ووجدوا أن مواقع إعادة التركيب لـ λ و pBR322 الحمض النووي الأبوي لا تفعل ذلك. لها تسلسل متماثل أطول من 4 نقاط أساس. لم يكن هناك تجانس على الإطلاق في حالة واحدة. تؤدي هذه النتائج إلى استنتاج مفاده أن التماثل غير مطلوب لإعادة تركيب الحمض النووي بوساطة جيروس في المختبر.


أ. هيدرولية النشا

النشا هو عديد السكاريد الذي يظهر على شكل بوليمر متفرع من جلوكوز السكر البسيط. هذا يعني أن النشا عبارة عن سلسلة من جزيئات الجلوكوز مرتبطة ببعضها البعض لتشكيل سلسلة طويلة. ثم تتفرع جزيئات الجلوكوز الإضافية من هذه السلسلة كما هو موضح أدناه.

GLU
|
(--- GLU-GLU-GLU-GLU-GLU-GLU-GLU ---) ن

بعض البكتيريا قادرة على استخدام النشا كمصدر للكربوهيدرات ولكن من أجل القيام بذلك ، يجب عليهم أولاً يتحلل أو يتحلل النشا حتى يدخل الخلية. تفرز البكتيريا أنزيم خارجي يحلل النشا عن طريق كسر الروابط بين جزيئات الجلوكوز. يسمى هذا الإنزيم أ دياستاس.

(--- GLU / GLU / GLU / GLU / GLU / GLU / GLU ---) ن
عمل دياستاز

يمكن أن يدخل الجلوكوز البكتيريا بعد ذلك ويستخدم في عملية التمثيل الغذائي.

Trypticase فول الصويا مرق الثقافات من العصوية الرقيقة و الإشريكية القولونية.

إجراء (يتم القيام به في أزواج)

1. باستخدام علامة الشمع ، ارسم خطًا على قاع من صفيحة أجار النشا لتقسيم الصفيحة إلى نصفين. تسمية نصف واحد B. الرقيقة والنصف الآخر بكتريا قولونية.

2. قم بعمل خط خط واحد مع الكائن المناسب على النصف المقابل من اللوحة كما هو موضح في الشكل 6.

3. احتضان مقلوبة ومكدسة في حامل لوحة بتري على رف 37& درجةC حاضنة المطابقة لقسم المعمل الخاص بك حتى فترة المعمل التالية.

4. الفترة القادمة ، اليود ستتم إضافته لمعرفة ما إذا كان النشا يبقى في الأجار أو تم تحلله بالماء بواسطة دياستاز الإنزيم الخارجي. يتفاعل اليود مع النشا لإنتاج لون بني غامق أو أزرق / أسود. إذا تم تحلل النشا بالماء فستكون هناك منطقة واضحة حول نمو البكتيريا (انظر الشكل 3 أ) لأن النشا لم يعد في الأجار ليتفاعل مع اليود. إذا لم يتم تحلل النشا ، سيبقى لون الأجار بني داكن أو أزرق / أسود اللون (انظر الشكل 3 ب).

B. بروتين هيدروليسس

تتكون البروتينات من أحماض أمينية مختلفة مرتبطة ببعضها البعض في سلاسل طويلة عن طريق روابط الببتيد. يمكن للعديد من البكتيريا تحلل مجموعة متنوعة من البروتينات في الببتيدات (سلاسل قصيرة من الأحماض الأمينية) وفي النهاية إلى أحماض أمينية فردية. يمكنهم بعد ذلك استخدام هذه الأحماض الأمينية لتجميع البروتينات الخاصة بهم والجزيئات الخلوية الأخرى أو للحصول على الطاقة.يسمى التحلل المائي للبروتين تحلل البروتين ويسمى الإنزيم المتضمن أ الأنزيم البروتيني. في هذا التمرين سنختبر التحلل البكتيري للبروتين الكازين، البروتين الذي يعطي الحليب مظهر أبيض غير شفاف.

Trypticase فول الصويا مرق الثقافات من العصوية الرقيقة و الإشريكية القولونية.

إجراء (يتم القيام به في أزواج)

1. قسّم طبق أجار الحليب الخالي من الدسم إلى نصفين وقم بتلقيح نصف به العصوية الرقيقة والنصف الآخر مع الإشريكية القولونية كما هو الحال أعلاه مع لوحة أجار النشا أعلاه (انظر الشكل 7).

2. احتضان مقلوبة ومكدسة في حامل لوحة بتري على رف 37& درجةC حاضنة المطابقة لقسم المعمل الخاص بك حتى فترة المعمل التالية. إذا تم تحلل الكازين ، فستكون هناك منطقة واضحة حول نمو البكتيريا (انظر الشكل 1 أ). إذا لم يتحلل الكازين في الماء ، سيظل الأجار أبيض اللون معتمًا (انظر الشكل 1 ب).

جيم تخمير الكربوهيدرات

الكربوهيدرات عبارة عن ركائز كيميائية معقدة تعمل كمصادر للطاقة عند تكسيرها بواسطة البكتيريا والخلايا الأخرى. وهي تتكون من الكربون والهيدروجين والأكسجين (مع وجود الهيدروجين والأكسجين في نفس نسبة الماء [CH 2 O]) وعادة ما تصنف إما على أنها سكريات أو نشويات.

البكتيريا اللاهوائية واللاهوائية الاختيارية قادرة على التخمير, عملية لا هوائية يتم خلالها تكسير الكربوهيدرات لإنتاج الطاقة. يمكن تخمير مجموعة متنوعة من الكربوهيدرات بواسطة بكتيريا مختلفة من أجل الحصول على الطاقة وأنواع الكربوهيدرات التي يتم تخميرها بواسطة كائن حي معين يمكن أن تكون بمثابة أداة تشخيصية لتحديد هذا الكائن الحي.

يمكننا اكتشاف ما إذا كان يتم تخمير كربوهيدرات معينة البحث عن منتجات نهائية مشتركة للتخمير. عندما تتخمر الكربوهيدرات نتيجة للإنزيمات البكتيرية ، قد يتم إنتاج منتجات التخمير النهائية التالية:

1. المنتجات الحمضية النهائية ، أو
2. المنتجات النهائية الحمضية والغازية .

من أجل اختبار منتجات التخمير هذه ، تقوم بتلقيح واحتضان أنابيب من الوسائط التي تحتوي على أ كربوهيدرات واحد (مثل اللاكتوز أو المالتوز) ، أ مؤشر الأس الهيدروجيني (مثل أحمر الفينول) وأ أنبوب دورهام (أنبوب مقلوب صغير لاكتشاف إنتاج الغاز).

  • إذا كانت البكتيريا تخمر تلك الكربوهيدرات المعينة التي تنتج منتجات نهائية حمضية بمفردها ، فإن الحمض سيخفض الرقم الهيدروجيني ، مما يتسبب في تغيير مؤشر الرقم الهيدروجيني الفينول الأحمر من لونه الأحمر الأصلي عند درجة حموضة محايدة إلى اللون الأصفر أو الشفافانظر الشكل 2 أ).
  • إذا كانت البكتيريا تخمر تلك الكربوهيدرات المعينة التي تنتج كلًا من الحمض والغاز ، فإن مؤشر الرقم الهيدروجيني الفينول الأحمر يتغير من لونه الأحمر الأصلي عند درجة حموضة محايدة إلى اللون الأصفر أو الصافي وسيتجمع الغاز في أنبوب دورهام على شكل فقاعة غاز كبيرة تظهر في الجزء العلوي من أنبوب دورهام(انظر الشكل 2 ب).
  • إذا لم يتم تخمير الكربوهيدرات بواسطة البكتيريا, لن يتم إنتاج أي حمض أو غاز وسيظل أحمر الفينول أحمر(انظر الشكل 2 ج).

3 أنابيب من مرق اللاكتوز الفينول الأحمر و 3 أنابيب من مرق الفينول الأحمر المالتوز (انظر الشكل 4 د)

Trypticase فول الصويا أجار الثقافات من العصوية الرقيقة, الإشريكية القولونية، و المكورات العنقودية الذهبية.

إجراء (يتم القيام به في أزواج)

1. قم بتسمية كل أنبوب باسم السكر الموجود في الأنبوب واسم البكتيريا التي تقوم بزراعتها.

2. تلقيح أنبوب مرق الفينول الأحمر اللاكتوز وأنبوب مرق الفينول الأحمر المالتوز باستخدام العصوية الرقيقة.

3. تلقيح أنبوب مرق آخر من الفينول الأحمر اللاكتوز وأنبوب مرق آخر من الفينول الأحمر المالتوز باستخدام الإشريكية القولونية.

4. تلقيح أنبوب مرق آخر من الفينول الأحمر اللاكتوز وثالث أنبوب مرق الفينول الأحمر المالتوز باستخدام المكورات العنقودية الذهبية.

5 . احتضان الأنابيب في رف أنبوب الاختبار الخاص بك على الرف الخاص بك التابع 37& درجةج حاضنة المطابقة لقسم المختبر الخاص بك حتى فترة المعمل التالية

D. إنتاج إندول وهيدروجين كبريتيد

في بعض الأحيان ، نبحث عن إنتاج منتجات ينتجها عدد قليل من البكتيريا. على سبيل المثال ، تستخدم بعض البكتيريا إنزيم tryptophanase ل تحويل الحمض الأميني التربتوفان إلى جزيئات إندول وحمض البيروفيك والأمونيا. نظرًا لأن عددًا قليلاً فقط من البكتيريا يحتوي على التربتوفاناز ، فإن تكوين الإندول من ركيزة التربتوفان يمكن أن يكون أداة تشخيصية أخرى مفيدة لتحديد الكائن الحي. إنتاج الإندول هو اختبار رئيسي لتحديد الإشريكية القولونية.

بإضافة كاشف كوفاتش إلى الوسط بعد الحضانة يمكننا تحديد ما إذا كان الإندول قد تم إنتاجه. سوف يتفاعل كاشف Kovac مع الإندول ويدور أحمر (انظر الشكل 5 أ).

وبالمثل ، فإن بعض البكتيريا قادرة على تكسير الكبريت المحتوي على الأحماض الأمينية (السيستين ، الميثيونين) أو تقليل المركبات غير العضوية المحتوية على الكبريت (مثل الكبريتات أو الكبريتات أو الثيوسلفات) لإنتاج كبريتيد الهيدروجين2 س). يمكن بعد ذلك دمج هذا الكبريت المختزل في الأحماض الأمينية الخلوية الأخرى ، أو ربما في الإنزيمات المساعدة. يمكن أن تكون قدرة الكائن الحي على تقليل المركبات المحتوية على الكبريت إلى كبريتيد الهيدروجين اختبارًا آخر لتحديد الكائنات الحية غير المعروفة مثل بعض بروتيوس و السالمونيلا. لاختبار إنتاج كبريتيد الهيدروجين ، يتم تلقيح وحضانة وسيط يحتوي على مركب يحتوي على الكبريت وأملاح الحديد. إذا تم تقليل الكبريت وتم إنتاج كبريتيد الهيدروجين ، فسوف يتحد مع ملح الحديد لتكوين صورة مرئية أسود كبريتيد الحديديك (FeS) في الأنبوب (انظر الشكل 5 ب).

إذا لم يتم إنتاج كبريتيد الهيدروجين أو الإندول في وسط SIM ، فلن يتحول لون الأجار إلى اللون الأسود ويظل كاشف Kovac أصفر. (الشكل 5 ج).

ثلاثة أنابيب متوسطة SIM (كبريتيد ، إندول ، حركية) (انظر الشكل 5 ج). يحتوي هذا الوسط على مصدر كبريت ، وملح حديد ، وحمض أميني تريبتوفان ، وهو شبه صلب في محتوى أجار (0.3٪). يمكن استخدامه للكشف عن إنتاج كبريتيد الهيدروجين وإنتاج الإندول والحركة.

Trypticase فول الصويا أجار الثقافات من المتقلبة الرائعة ، الإشريكية القولونية، و الأمعائية المذرقية.

إجراء (يتم القيام به في أزواج)

1. طعن أنبوب متوسط ​​SIM واحد مع المتقلبة الرائعة.

2. قم بطعن أنبوب متوسط ​​SIM آخر باستخدام الإشريكية القولونية.

3. طعن أنبوب متوسط ​​SIM ثالث به الأمعائية المذرقية.

4 . احتضان الأنابيب في رف أنبوب الاختبار الخاص بك على الرف الخاص بك التابع 37& درجةج حاضنة المطابقة لقسم المختبر الخاص بك حتى فترة المعمل التالية

5. فترة المعمل التالية أضف كاشف Kovac إلى كل أنبوب للكشف عن إنتاج الإندول.

هـ. نشاط CATALASE (عرض توضيحي)

كاتالاز هو اسم الإنزيم الموجود في معظم البكتيريا والذي يبدأ في تفكك بيروكسيد الهيدروجين2 ا 2 ) في الماء (H 2 O) والأكسجين الحر (O 2 ).

أثناء العملية الطبيعية للتنفس الهوائي ، يتم إطلاق أيونات الهيدروجين (H +) ويجب إزالتها بواسطة الخلية. تأخذ سلسلة نقل الإلكترون أيونات الهيدروجين هذه وتجمعها مع نصف جزيء من الأكسجين (ذرة أكسجين) لتكوين الماء (H 2 س). أثناء العملية ، يتم إطلاق الطاقة وتخزينها في ATP. الماء ثم هو منتج نهائي غير ضار. ومع ذلك ، فإن بعض السيتوكرومات في نظام نقل الإلكترون تشكل بيروكسيد الهيدروجين السام (H 2 ا 2 ) بدلا من الماء ويجب إزالته. يتم ذلك عن طريق إنزيم الكاتلاز الذي يكسر بيروكسيد الهيدروجين في الماء والأكسجين كما هو موضح أعلاه. معظم البكتيريا إيجابية الكاتلاز ومع ذلك ، هناك أجناس معينة لا تقوم بالتنفس الهوائي ، مثل الأجناس العقدية ، المكورات المعوية ، الملبنة، و المطثية، سلبية الكاتلاز.

ثقافات أجار Trypticase فول الصويا من المكورات العنقودية الذهبية و العقدية اللاكتية، 3٪ بيروكسيد الهيدروجين.

إجراء (برهنة)

أضف بضع قطرات من 3٪ بيروكسيد الهيدروجين إلى كل مزرعة وابحث عن إطلاق الأكسجين نتيجة لانهيار بيروكسيد الهيدروجين. هذا يظهر على شكل رغوة. (انظر الشكل 5 أ)

A. النشا التحلل المائي

عندما يضاف اليود إلى النشا ، يعطي مركب اليود-النشا الذي يتشكل خاصية مميزة رد فعل اللون البني الداكن أو الأرجواني العميق. إذا تم تحلل النشا إلى جزيئات جلوكوز بواسطة إنزيم دياستاز الخارجي ، فإنه لم يعد يعطي هذا التفاعل.

اغمر سطح صفيحة أجار النشا باليود الغرام.

  • إذا أنتجت البكتيريا أنزيمًا خارجيًا يعمل على تحلل النشا في الأجار, أمنطقة واضحة سوف يحيط بالنمو البكتيري لأن النشا لم يعد هناك للتفاعل مع اليود(انظر الشكل 3 أ).
  • إذا كان تفتقر البكتيريا إلى الإنزيم الخارجي لتفكيك النشا، يجب أن يتحول أجار حول النمو بني غامق أو أزرق / أسود اللون (انظر الشكل 3 ب)بسبب مركب اليود النشا.

سجل نتائجك وأشر إلى الكائن الحي الذي كان قادرًا على التحلل المائي للنشا (+ = التحلل المائي - = عدم التحلل المائي).

الإشريكية القولونية العصوية الرقيقة
النشا التحلل المائي = النشا التحلل المائي =

B. التحلل المائي للبروتين

بروتين الكازين موجود كمعلق غرواني في الحليب و يعطي الحليب خصائصه مظهر أبيض غير شفاف. إذا تم تحلل الكازين في الحليب في الببتيدات والأحماض الأمينية ، سوف تفقد غموضها.

  • إذا أنتجت البكتيريا أنزيمًا خارجيًا قادرًا على تحلل الكازين بالماء ، فسيكون هناكمنطقة واضحة حول نمو البكتيريا(انظر الشكل 1 أ).
  • إذا كانت البكتيريا تفتقر إلى الإنزيم الخارجي لتحطيم الكازين, سيبقى آجار الحليب الخالي من الدسمأبيض وغير شفاف(انظر الشكل 1 ب).

سجل نتائجك وأشر إلى الكائن الحي الذي كان قادرًا على تحلل الكازين بالماء (+ = التحلل المائي - = لا يوجد تحلل مائي).

الإشريكية القولونية العصوية الرقيقة
التحلل المائي الكازين = التحلل المائي الكازين =

ج- تخمر الكربوهيدرات

كما هو مذكور أعلاه ، يمكننا اكتشاف ما إذا كان يتم تخمير كربوهيدرات معينة أم لا البحث عن منتجات نهائية مشتركة للتخمير. عندما تتخمر الكربوهيدرات نتيجة للإنزيمات البكتيرية ، قد يتم إنتاج منتجات التخمير النهائية التالية:

1. المنتجات الحمضية النهائية ، أو
2. المنتجات النهائية الحمضية والغازية .

قد تكون نتائج التخمير عبارة عن حامض وحده أو حمض مضاف إليه غاز ، ولكن ليس غازًا بمفرده أبدًا.

يظهر مؤشر الفينول الأحمر الرقم الهيدروجيني أحمر أو برتقالي عند درجة حموضة محايدة ويظهر أصفر أو صافٍ عند درجة الحموضة الحمضية.

  • تغير في لون الأنبوب من الأحمر أو البرتقالي إلى الأصفر أو الواضح يشير إلى أن الكائن الحي قد تخمر تلك الكربوهيدرات المعينة ، مما ينتج عنه منتجات حمضية نهائية.
  • تشير فقاعة غاز كبيرة في الجزء العلوي من أنبوب دورهام ، أنبوب الاختبار المقلوب داخل المرق ، إلى إنتاج الغاز أيضًا من تخمير الكربوهيدرات.
  • إذا كان يبقى أحمر الفينول أحمر ، ولم ينتج أي حمض و لم يتم تخمير الكربوهيدرات.

النتائج المحتملة هي كما يلي:

  • تخمير الكربوهيدرات المنتجة حامض لكن بدون غاز: حمضي (أصفر أو صافٍ) لا توجد فقاعة غاز كبيرة في أنبوب دورهام (انظر الشكل 2 أ).
  • تخمير الكربوهيدرات المنتجة حمض وغاز: فقاعة غاز كبيرة حمضية (صفراء أو شفافة) في أنبوب دورهام (انظر الشكل 2 ب).
  • لا تخمر الكربوهيدرات. لا حمض أو غاز (درجة الحموضة المحايدة (أحمر أو برتقالي) لا توجد فقاعة غاز كبيرة في أنبوب دورهام (انظر الشكل 2 ج).

د- إنتاج الإندول وكبريتيد الهيدروجين

بحرص أضف حوالي 1/4 بوصة من كاشف كوفاتش لكل من أنابيب أجار 3 SIM وراقبها.

1. إنتاج كبريتيد الهيدروجين 2 س)

  • إذا كانت البكتيريا ينتج الإنزيم لتقليل الكبريت إلى كبريتيد الهيدروجين2 S) ، سوف يستدير الأجار أسود مشيرا إلى أن الكائن الحي قد أنتج كبريتيد الهيدروجين(انظر الشكل 5 ب).
  • إذا كانت البكتيريا يفتقر إلى الإنزيم، ال أجار لا يتحول إلى اللون الأسود ، مما يشير إلى أن كبريتيد الهيدروجين لم يتم إنتاجه.

2. إنتاج الإندول

  • إذا كان تنتج البكتيريا الإنزيم لتحطيم التربتوفان إلى جزيئات من الإندولوحمض البيروفيك والأمونيا كاشف Kovac سيتحول إلى اللون الأحمر، مما يدل على الكائن الحي اندول موجب(انظر الشكل 5 أ).
  • إذا كان كاشف Kovac لا يزال أصفر, لم يتم إنتاج الإندول والكائن اندول سلبي(انظر الشكل 5 ج).

E. نشاط كاتالاز

كاتالاز هو اسم الإنزيم الموجود في معظم البكتيريا والذي يبدأ في تفكك بيروكسيد الهيدروجين2ا2) في الماء والأكسجين الحر.

  • إذا كان تنتج البكتيريا إنزيم الكاتلاز ، ثم بيروكسيد الهيدروجين يضاف إلى الثقافة سيكون يتحلل إلى ماء وأكسجين مجاني. ال سوف يتدفق الأكسجين عبر الماء تسبب أ رغوة السطح لتشكيل. هذا ال الكاتلاز موجب البكتيريا (انظر الشكل 6 أ).
  • أ الكاتلاز سلبيلن تنتج البكتيريا الكاتلاز لتفكيك بيروكسيد الهيدروجين، و لا رغوة سيحدث (انظر الشكل 6 ب).

أهداف الأداء للمختبر 8

بعد الانتهاء من هذا المعمل ، سيتمكن الطالب من إكمال الأهداف التالية:

المقدمة

1. اذكر الطبيعة الكيميائية ووظيفة الإنزيمات.

2. تحديد الإنزيم الداخلي والإنزيم الخارجي.

أ. هيدرولية النشا

1. وصف طريقة اختبار التحلل المائي للنشا واذكر كيفية تفسير النتائج.

1. فسر نتائج التحلل المائي للنشا على صفيحة أجار النشا التي تم تلقيحها واحتضانها وغمرها باليود.

B. بروتين هيدروليسس

1. وصف طريقة اختبار التحلل المائي للكازين واذكر كيفية تفسير النتائج.

1. فسر نتائج التحلل المائي للكازين على صفيحة أجار الحليب منزوع الدسم بعد تلقيحها واحتضانها.

جيم تخمير الكربوهيدرات

1. قم بتسمية المنتجات النهائية العامة التي قد تتشكل نتيجة للتخمير البكتيري للسكريات ووصف كيف تغير هذه المنتجات النهائية مظهر أنبوب المرق الذي يحتوي على السكر ، ومؤشر الفينول الأحمر وأنبوب دورهام.

1. تفسير نتائج تخمير الكربوهيدرات في أنابيب مرق الفينول الأحمر الكربوهيدرات التي تحتوي على أنبوب دورهام بعد تلقيحها واحتضانها.

D. إنتاج إندول وهيدروجين كبريتيد

1. حدد مسار انهيار التربتوفان للإندول. 2. حدد مسار الكشف عن اختزال الكبريت في وسط بطاقة SIM.

3. حدد ثلاثة ردود أفعال يمكن اختبارها في وسط بطاقة SIM ووصف كيفية تفسير النتائج.

1. تفسير نتائج كبريتيد الهيدروجين والإندول في أنبوب متوسط ​​SIM بعد التلقيح والحضانة وإضافة كاشف Kovac.

هاء تحفيز النشاط

1. اذكر وظيفة إنزيم الكاتلاز ووصف طريقة اختبار نشاط الكاتلاز.

1. فسر نتائج اختبار الكاتلاز بعد إضافة بيروكسيد الهيدروجين إلى مزرعة صفيحة للبكتيريا.


أهم 9 ميزات للخلية البكتيرية | علم الاحياء المجهري

توضح النقاط التالية أهم تسع سمات للخلية البكتيرية. الميزات هي: 1. Pili أو Fimbria 2. Flagella و Locomotion 3. Endo-Flagella 4. Glycocalyx 5. Pros-theca 6. جدار الخلية 7. غشاء السيتوبلازم 8. السيتوبلازم 9. الجراثيم والأكياس.

الميزة رقم 1. بيلي أو فيمبريا:

سطح العديد من البكتيريا ، وخاصة تلك التي سالبة الجرام ، مغطى بزوائد مجوفة ، مستقيمة إلى حد ما ، رفيعة للغاية تشبه الشعر البروتيني ، تسمى pili أو fimbriae (المفرد: Pilus و fimbria). يتراوح قطرها من 3 إلى 25 نانومتر (نانومتر: جزء من ألف جزء من ميكرومتر) وقد يصل طولها إلى 20 ميكرومتر. وتتمثل وظيفة هذا الهيكل في ربط الخلايا البكتيرية بالطبقة التحتية أو الخلايا الأخرى.

على الرغم من استخدام المصطلحين pili و fimbriae بشكل عام بالتبادل ، يفضل بعض علماء الأحياء الدقيقة حجز المصطلح pili فقط لتلك الزوائد التي تنضم إلى الخلايا البكتيرية من نوع التزاوج المعاكس لنقل الحمض النووي. تسمى هذه الشعيرات بالجنس pili أو F-pili - حيث يرمز F إلى عامل الخصوبة.

يتحكم العامل F. تفتقر الخلايا المتلقية إلى الجنس الشعري. الجنس الشعري الموجود في خلايا الذكر (المتبرع) للإشريكية القولونية أطول من الخمل وعددها واحد أو اثنين فقط لكل خلية ، في حين أن الخميرة الموجودة في هذه الخلايا عديدة. يبلغ طول F-pili حوالي 0.5 إلى 10 ميكرومتر. تلتصق بعض العاثيات (الفيروسات البكتيرية) على وجه التحديد بهذه الشعيرات.

يتم توزيع Fimbriae العديدة بالتساوي على سطح الخلية ، أو أنها تقتصر في بعض الأحيان على قطبي الخلايا الأسطوانية. تستخدم العديد من البكتيريا المسببة للأمراض fimbriae للتعلق بسطح الأنسجة لبدء العدوى. تحتوي خمل الإشريكية القولونية على بروتين خاص يسمى بالالتصاق عند الطرف البعيد والذي يساعد البكتيريا على الالتصاق بجدار الأمعاء. تعتبر الإشريكية القولونية من المكونات الطبيعية للنباتات البكتيرية المعوية.

يتكون كل من pili و fimbriae من فئة واحدة من البروتين تعرف باسم بيلين. يتم ترتيب العديد من الوحدات الفرعية من بيلين حلزونيًا حول قلب مجوف مركزي لتشكيل بيلوس أو فيمبريا. ينشأ كل من pili و fimbriae من غشاء الخلية ويمران عبر جدار الخلية ، والغشاء الخارجي للبكتيريا سالبة الجرام ومن خلال الغطاء أو الكبسولة اللزجة ، إذا كانت موجودة. لا تلعب بيلي أو فيمبريا أي دور في حركة البكتيريا. دورهم الرئيسي هو التعلق ، وفي حالة الجنس الشعري ، الجمع بين خليتين من الجنس المعاكس.

ميزة # 2. فلاجيلا والتحرك:

فلاجيلا (المفرد ، السوط) هي أعضاء حركية للبكتيريا. الأسواط البكتيرية أبسط في التركيب وأرق بكثير من الأسواط حقيقية النواة. أنها تساعد البكتيريا على السباحة في وسط سائل. تمتلك العديد من أنواع البكتيريا - موجبة الجرام وسالبة الجرام ، بما في ذلك العصي ، والضمات ، والسبريلي ، وعدد قليل من المكورات - سوطًا.

يبلغ قطر فلاجيلا عمومًا من 0.01 إلى 0.02 ميكرومتر ويبلغ طوله من 10 إلى 20 ميكرومتر. إن نحافة الأسواط البكتيرية تجعلها غير مرئية حتى تحت أعلى نسبة تكبير للميكروسكوب الضوئي. يجب فحصها تحت المجهر الإلكتروني. ومع ذلك ، فقد تم تطوير عملية التلوين والأظافر الخاصة التي تجعل السوط أكثر سمكًا لجعلها مرئية تحت المجهر الضوئي.

تتكون الأسواط البكتيرية من خيوط رفيعة وطويلة من البروتين تسمى فلاجيلين. تعطي هذه البروتينات السوط بنية صلبة وهي حلزونية وشبيهة ببرغي الفلين. يمكن أن يدور هذا الهيكل حول محوره ، سواء في اتجاه عقارب الساعة أو في اتجاه عكس اتجاه عقارب الساعة لدفع الخلية البكتيرية إلى الأمام أو الخلف وخجل. وبالتالي ، فإن الأسواط البكتيرية ليست هياكل تشبه السوط ، كما هي في حالة الخلايا حقيقية النواة.

يتكون السوط البكتيري من ثلاثة أجزاء مهمة. يُطلق على الجزء الملفوف حلزونيًا الطويل الذي يشبه الخيط من قطر موحد يمتد إلى الخارج من سطح الخلية اسم الشعيرة. يتكون الخيط من عدة سلاسل من الجزيئات الكروية من فلاجيلين والتي تتشابك لتشكل بنية حلزونية مجوفة. يوجد في قاعدة الفتيل هيكل قصير يشبه الغمد يسمى الخطاف. يتكون الخطاف من بروتين مختلف ، وليس من فلاجيلين.

الخطاف أعرض قليلاً من الفتيل. الجزء الثالث من السوط هو الجسم القاعدي المثبت في جدار الخلية وغشاء الخلية. الجسم القاعدي معقد في التركيب والذي يختلف في البكتيريا سالبة الجرام وإيجابية الجرام.

في البكتيريا سالبة الجرام ، يحتوي الجسم القاعدي على أربع حلقات متصلة بمحور مركزي يسمى قضيب. في البكتيريا موجبة الجرام ، هناك حلقتان. ترتبط الحلقتان الأعمق من كلا النوعين بالغشاء السيتوبلازمي. الحلقتان الأخريان من البكتيريا سالبة الجرام متصلتان بجدار الخلية والغشاء الخارجي.

يظهر في الشكل 2.6 تراكيب الأجسام القاعدية للبكتيريا سالبة الجرام والبكتيريا موجبة الجرام:

يمكن أن تنفصل الأسواط البكتيرية أحيانًا ويمكن تجديدها.يحدث التجدد عند طرف السوط المكسور عن طريق إضافة جزيئات سوطية مركبة حديثًا بواسطة الخلية ونقلها عبر اللب المجوف إلى طرف السوط المكسور مما يؤدي إلى نموه في الطول.

يُعرف توزيع السوط على الخلية بالجلد وهو نوع محدد. هناك أربعة أنواع رئيسية من الجلد: أحادي الشعر ، و lophotrichous ، و amphitrichous ، و peritrichous. تحتوي البكتيريا الأحادية على سوط واحد متصل بأحد قطبها.

تحتوي البكتيريا Lophotrichous على خصلة من الأسواط في قطب واحد ، في حين أن تلك الجرثومية لها خصلات من الأسواط في طرفي الخلية. تحتوي الأنواع Peritrichous على سوط منتشر في جميع أنحاء الخلية. يتم تمثيل الأنواع الأربعة مع مثال لكل منها في الشكل 2.7. في بعض البكتيريا غير النمطية ، مثل Selenomonas (a vibrio) ، توجد الأسواط في جانب واحد من الخلية المنحنية.

البكتيريا سالبة الجرام ، Bdellovibrio التي تتطفل على البكتيريا الأخرى تمتلك fla و shygella المحاطة بغلاف متصل بالغشاء الخارجي. نوع آخر خاص جدًا من الأسواط يحدث في اللولبيات. تحتوي هذه البكتيريا على خصلة من السوط تحت المذكرة الخارجية والشيبرين وتلتف حول جسم الخلية بطريقة حلزونية. تُعرف هذه باسم endo-flagella.

يرجع تحرك البكتيريا إلى دوران السوط الذي يسببه الجسم القاعدي الذي يعمل كمحرك. الحلقات تشارك في توليد القوة الدورانية. يتم تشغيل المحرك بواسطة القوة الدافعة للبروتون أو PMF. تُشتق القوة من الجهد الكهربائي الناتج عن تدرج البروتون (H +) عبر غشاء الخلية.

ومع ذلك ، فإن الآلية الدقيقة التي يتم من خلالها تحويل PMF إلى طاقة ميكانيكية وحيوية تدفع دوران الجسم القاعدي مما يؤدي إلى حركة خيوط السوط غير مفهومة جيدًا. من المعروف أن الحركة هي عملية مستهلكة للطاقة ، على الرغم من أنه يبدو أن ATP غير متورط بشكل مباشر.

الأسواط البكتيرية عبارة عن هياكل صلبة ملفوفة بشكل دائم يتم تدويرها بواسطة الجسم القاعدي إما في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة لإنتاج الحركة ، إلى حد ما مثل حركة السفينة الناتجة عن دوران المروحة.

تختلف سرعة الحركة من نوع إلى نوع على سبيل المثال يبلغ متوسط ​​سرعة Bacillus subtilis التي تكون سوطية شديدة 27 ميكرومتر / ثانية ، بينما تتحرك ضمة الكوليرا التي هي عبارة عن سوط قطبي 200 ميكرون / ثانية.

تعتمد السرعة أيضًا على اللزوجة النسبية للوسط. بشكل عام ، تدفع الحركة المنسقة لحزمة السوط من البكتيريا أحادية الشعر والبكتيريا lophotrichous في اتجاه واحد البكتيريا إلى الأمام.

عندما يتم عكس اتجاه الحركة ، تتحرك البكتيريا في الاتجاه المعاكس. يسمى هذا & # 8216run & # 8217. في فترة التغيير ، بين الجري ، البكتيريا & # 8216tumble & # 8217. في البكتيريا الخبيثة ، تدور جميع الأسواط بشكل متزامن وببراعة لتشكيل حزمة تؤدي إلى & # 8216 run & # 8217.

تظهر الحركة ودوران السوط في الشكل 2.8:

لماذا تمتلك البكتيريا حركة؟ إحدى الإجابات الواضحة هي أن الحركة تمكنهم من الحفاظ على أنفسهم في ظل الظروف الفيزيائية والكيميائية المثلى. غالبًا ما تُظهر البكتيريا تحركًا موجهًا وخجلًا إما تجاه أو بعيدًا عن التحفيز الفيزيائي أو الكيميائي. بمعنى آخر ، قد تكون الاستجابة للحافز إيجابية أو سلبية. يُعرف هذا النوع من الحركة في علم الأحياء باسم سيارات الأجرة.

اعتمادًا على طبيعة الحافز ، تُعرف عدة أنواع من الحركات التكتيكية ، مثل سيارات الأجرة الكيماوية ، وسيارات الأجرة الضوئية ، وسيارات الأجرة الهوائية ، وما إلى ذلك. اعتمادًا على طبيعة الكائن الحي ، قد ينتج عن نفس الحافز re & shysponses المعاكس. وقد أظهر ذلك عالم الأحياء الدقيقة الرائد Beijerinck في تجربة وخجل بسيط ولكنه أنيق.

تم وضع قطرة من تعليق من ثلاثة أنواع مختلفة من البكتيريا المتحركة على ثلاث شرائح ومغطاة بغطاء. تم السماح للبكتيريا بالانتقال إلى تركيز الأكسجين الأمثل. وجد أن البكتيريا الهوائية بقوة جمعت بأعداد كبيرة على هامش الغطاء. انتقلت البكتيريا اللاهوائية إلى المركز حيث كان تركيز الأكسجين أقل ، بينما تم جمع البكتيريا غير الهوائية (microaerophilic) على مسافة من الهامش (الشكل 2.9).

من التجربة البسيطة المذكورة أعلاه ، من الواضح أن البكتيريا قادرة على تنظيم حركتها السوطية استجابة لمحفز (في هذه الحالة الأكسجين) - سواء إيجابًا أو سلبًا. هذا يثير السؤال: كيف يشعرون أو يدركون الحافز؟ وقد تم فهم ذلك جزئيًا في حالة سيارات الأجرة الكيماوية.

لقد لوحظ أن البكتيريا تظهر حركة موجهة (جري) نحو جاذب كيميائي فقط عندما يكون الجاذب موجودًا في تدرج تركيز والبكتيريا تسبح من مستوى منخفض وانحراف نحو أعلى بدون الكثير & # 8216 تمبلات & # 8217. إذا تم وضع البكتيريا في وسط متجانس (أي بدون تدرج تركيز) ، فإنها تظهر حركة غير موجهة لمسافات قصيرة وتقلبات & # 8217s.

لعرض سيارات الأجرة الكيميائية ، تمتلك البكتيريا نظامًا حسيًا يتكون من مستقبلات كيميائية وهي نوع خاص من البروتينات الموجودة في محيط البلازم (المسافة بين الغشاء الخارجي وجدار الخلية للبكتيريا سالبة الجرام) ونوع آخر من البروتينات ، يُطلق عليه اسم المحولات الموجودة في الغشاء الخلوي و shyplasmic. تستقبل المستقبلات الكيميائية التحفيز الكيميائي وتنقل إشارة إلى المتحولين والمغتربين.

تنقل المحولات الإشارة إلى المحرك السوطي من خلال بعض pro & shyteins السيتوبلازمية الصغيرة. يمكن لبروتينات محول الطاقة أن تخضع للميثلة وإزالة المثيلة ويبدو أن هذه العملية تتحكم في اتجاه دوران المحرك السوطي. مثيلة محولات الطاقة تنشط السيتوبلاس والبروتينات الشيمية عن طريق الفسفرة. يبدو أن اثنين على الأقل من البروتينات السيتوبلازمية متورطة.

يتم تمثيل الجهاز الحسي بشكل تخطيطي في الشكل 2.10:

الشكل 2.10: نظام حسي للتحفيز الكيميائي

نوع خاص جدًا من الحركات التكتيكية التي تظهرها بعض البكتيريا هو استجابتها للمجال المغناطيسي. تسمى هذه الاستجابة سيارات الأجرة المغناطيسية. البكتيريا التي تظهر سيارات الأجرة المغناطيسية هي Aquaspirillum magnetotacticum. تحتوي الخلايا على سلسلة من أكسيد الحديد الأسود (Fe3ا4 ) جزيئات في جسم تسمى مغناطيسي بعض. يعمل المغناطيس -بعضه مثل المغناطيس ويمنح هذه البكتيريا القدرة على توجيه نفسها كأجسام مغناطيسية في المجال المغناطيسي للأرض.

تم رسم صورة مكبرة لـ A. magnetotacticum في الشكل 2.11:

ميزة # 3. Endo-Flagella:

تُظهر Spirochaetes نوعًا مميزًا من الحركة بمساعدة الهياكل الشبيهة بالأسواط المنقولة داخليًا ، والتي تسمى endo-flagella أو الشعيرات المحورية. يتم تثبيت حزمة من هذه الهياكل في أحد طرفي جسم الخلية الرقيق الطويل.

تلتف الشعيرات حول الخلية بطريقة حلزونية وتبقى طوال الطول المغطى بالغشاء الخارجي لغلاف الخلية ، أي أن الشعيرات السوطية مقيدة داخل الفضاء المحيط بالبلازما. لذلك ، تُعرف أيضًا السوط الداخلي باسم السوط المحيطي (الشكل 2.12).

لا تختلف الأسواط الداخلية بشكل كبير عن سوط بدائية النواة الطبيعي في بنيتها التحتية الدقيقة. تحتوي على جسم قاعدي به حلقات من النوع النموذجي سالب الجرام. لكن حركة الإكليل المميزة للسبيروتشيتيس تختلف تمامًا عن حركة البكتيريا الأخرى.

يبدو أن الحركة الحلزونية ناتجة أيضًا عن دوران الخيوط المحورية الناتجة عن الجسم القاعدي. يتسبب الدوران في دوران الغشاء الخارجي للولبيات الحلزونية بطريقة تشبه اللولب الفلين الذي يحرك الخلية في وسط سائل. ومع ذلك ، فإن الميزة الغريبة هي أن اللولبيات تظهر قدرة أفضل على الحركة في الوسائط السائلة اللزجة والمضغوطة.

بعض البكتيريا غير السوطية ، مثل السيتوفاجا والبكتيريا المخاطية ، تظهر حركة انزلاق بطيئة فقط على الأسطح الصلبة. آلية هذه الحركة غير معروفة. اقترح البعض أن الإفراز البطيء للوحل خلال المسام الدقيقة هو القوة التي تدفع البكتيريا إلى الأمام بطريقة متعرجة.

ميزة # 4. جلايكوكاليكس:

تمتلك العديد من البكتيريا طبقة عالية الماء خارج الخلية تتكون في الغالب من polysaccha & shyrides وأحيانًا من polypeptides ، أو كليهما. المصطلح العام المستخدم لهذا الغطاء هو glycocalyx. طبقة الغلاف الجيلاتينية تلتصق بقوة بالخلية ولها بنية جيدة التنظيم تسمى كبسولة. يسمى الغطاء الفضفاض الذي ينتشر في الوسط المحيط بطبقة الوحل. يتم تصنيع المكونات الكيميائية للوكال السكري بواسطة الخلية ويتم نقلها عبر ذاكرة الخلية وجدار الخلية وترسبها في الخارج لتشكيل الغطاء خارج الخلية.

يحتوي عديد السكاريد الجليكوكاليكس على العديد من السكريات وأحماض السكر المختلفة ، مثل الجلوكوز والجالاكتوز ورامنوز والفوكوز والمانوز وحمض الجلوكورونيك وما إلى ذلك. تحتوي العقدية الرئوية على كبسولة تتكون من الجلوكوز وحمض الجلوكورونيك بالتناوب مع بعضها البعض. تنتج Leuconostoc mesenteroides ، وهي بكتيريا حمض اللاكتيك ، كمية هائلة من الوحل تتكون من ديكستران عندما تنمو البكتيريا في وسط يحتوي على السكروز.

ديكستران هو عديد السكاريد من α-D- الجلوكوز الذي يحتوي على روابط 1،6-glycosidic. Streptococcus (Lactococcus) اللعابية تنتج بوليمر من الفركتوز يسمى laevan. ينتج Zoogloea ramigera طبقات من الوحل تتحد لتشكل كتلة متجانسة تتجمع فيها البكتيريا الفردية معًا لتشكيل مستعمرة طبيعية.

تمتلك العديد من أنواع العصيات ، مثل B.megaatarium و B. subtilis و B. anthracis وما إلى ذلك كبسولات محددة جيدًا تتكون من عديد الببتيدات. تتكون البولي ببتيدات من أحماض أمينية D و L. بعض البكتيريا مثل Acetobacter xylinum و Sarcina ventriculi تنتج السليلوز خارج الخلية ، وهو عديد السكاريد غير المألوف للبكتيريا. يتم تجميع الحزم النموذجية لخلايا سارسينا البطينية معًا بواسطة السليلوز. ومع ذلك ، لا يعتبر السليلوز مكونًا كبسولة بالمعنى الدقيق للكلمة.

تنتج العديد من البكتيريا الأخرى عديدات السكاريد غير المتجانسة خارج الخلية لتشكيل غلاف محدد جيدًا يحيط بسلسلة من الخلايا الفردية مما يؤدي إلى بنية خيطية. ومن الأمثلة على هذه البكتيريا المغلفة Spherotilus natans الموجودة في خزانات الصرف الصحي و Leptothrix ochracea. تنتج Gallionella و Nevskia أيضًا عديد السكاريد الغزير في شكل سيقان والتي تربط الخلايا معًا.

يمكن إثبات وجود كبسولة محددة جيدًا من خلال تركيب قطرة من المعلق البكتيري والخداع بالحبر الهندي. نظرًا لأن جزيئات الكربون الموجودة في الحبر لا تخترق الكبسولة ، يُنظر إلى البكتيريا على أنها مغروسة في خلفية مظلمة.

وهذا ما يسمى تلطيخ سلبي (الشكل 2.13):

الكبسولة أو طبقة الوحل ليست ضرورية لحياة البكتيريا ، لأن الطفرات التي تفتقر إلى الكبسولة يمكن أن تنمو بشكل طبيعي. لكن هذه الهياكل تلعب دورًا مهمًا عندما تنمو البكتيريا في ظل ظروف طبيعية. يبدو أن إحدى الوظائف الرئيسية للكبسولة هي الحماية من الابتلاع بالبلعمة. تتغذى مفترسات البكتيريا ، مثل البروتوزوا والأميبا على البكتيريا عن طريق البلعمة.

التشابه ، البلعمات في أجسام الحيوانات ، مثل الكريات البيض والضامة ، تقتل البكتيريا المسببة للأمراض عن طريق البلعمة والبلعمة. المثال المعروف هو المكورات الرئوية. يمكن أن تفلت المكورات الرئوية المحببة من البلعمة وهي مسببة للأمراض ، في حين أن المتغيرات غير المحبوسة غير مسببة للأمراض ، لأن الخلايا البلعمية في جسم الإنسان تتفكك وتختفي بسهولة.

كما أن وجود الكبسولة يحمي الخلايا البكتيرية من الجفاف في ظل الظروف الطبيعية. لكن الدور الأكثر أهمية للكلان السكري هو ارتباط الخلايا البكتيرية بطبقة أساسية صلبة في ظل ظروف يمكن فيها غسلها بواسطة تيار متدفق.

Streptococcus mutans ، وهو كائن حي مرتبط بالتسوس السني يلتصق بسطح الأسنان بمساعدة glycocalyx يتكون من بوليمر غير قابل للذوبان في الماء ، جلوكان. تشكل البكتيريا أحيانًا مستعمرات متعددة الطبقات ، تسمى الأغشية الحيوية ، بمساعدة glycocalyx.

تلتصق الطبقة الأولى من الخلايا بسطح صلب بمساعدة fimbriae أو pili. تلتصق الطبقات التالية بالطبقة الأولى مع السكريات السطحية لتدعيم الطبقات معًا لتشكيل غشاء حيوي. تنتج الأغشية الحيوية الموجودة في خطوط الأنابيب أحماض ذات تأثير ضار. الأغشية الحيوية الميكروبية لها أهمية اقتصادية كبيرة.

ميزة # 5. الايجابيات - تيكا:

يتم تعريف إيجابيات ثيكا على أنها ملحق شبه صلب يمتد من خلية بكتيرية. يبلغ قطر الزائدة أقل من قطر الخلية وهي مغطاة بجدار خلوي. A pros-theca هو امتداد للخلية الرئيسية ومحتواها السيتوبلازمي مستمر مع محتوى الخلية.

يُطلق على إيجابيات ثيكا أحيانًا اسم ساق ، ولكن يفضل أن يقتصر مصطلح ساق على الزوائد المكونة من بوليساكا وشيريد المفرز كما هو موجود في جاليونيلا ونيفسكيا وما إلى ذلك. نكون.

تستخدم Prosthecae أساسًا لغرضين ، - التعلق أو التكاثر عن طريق التبرعم. في أجناس مثل Caulobacter و Ancalomicrobium و Asticcacaulis وما إلى ذلك ، تعمل إيجابيات ثيكا على ربط البكتيريا ببعض الركيزة الصلبة أو بخلايا أخرى. يحتوي Caulobacter على إيجابيات ثيكا ذات هيكل يشبه المقبض في الطرف البعيد مما يساعد في التعلق. خلايا Ancalomicrobium لها العديد من الأطراف الاصطناعية (الشكل 2.14).

بعض الأجناس الأخرى - Hyphomicrobium، Rhodomicrobium، Pedomicrvbium وما إلى ذلك - تستخدم الأطراف الاصطناعية لإنتاج برعم في النهاية البعيدة. يتطور البرعم إلى خلية قد تنفصل لتنتج بكتيريا جديدة ، أو أحيانًا يتطور البرعم إلى خلية جديدة تنتج أيضًا بروز ثيكا وبرعمًا ، مما يؤدي إلى مستعمرة من الخلايا متصلة ببعضها البعض بواسطة الأطراف الصناعية. في Rhodomicrobium vannielii ، لا تنفصل الخلايا الوليدة الناتجة عن التبرعم وقد تشكل مستعمرة متفرعة.

ميزة # 6. جدار الخلية:

مع استثناءات قليلة جدًا ، يتم تزويد جميع الخلايا البكتيرية بجدار صلب. طور هانز كريستيان جرام (1853-1938) في عام 1884 إجراء تلطيخ يمكن بواسطته تمييز البكتيريا إلى مجموعتين.

يُعرف الإجراء المسمى باسمه باسم تلوين غرام. كان يتألف من معالجة مسحة بكتيرية بصبغة أساسية ، مثل البنفسج الكريستالي ، متبوعًا بمحلول اليود المخفف كمحلول لاذع. امتصت البكتيريا البقعة وتم تلوينها بنفسجي غامق.

بعد ذلك ، عولجت اللطاخة البكتيرية بالكحول الإيثيلي أو الأسيتون. أنتج هذا العلاج نوعين مختلفين من الاستجابات اعتمادًا على طبيعة البكتيريا الملطخة. في إحدى الاستجابات ، تم إزالة لون البكتيريا بواسطة الكحول أو الأسيتون. تم تصنيف هذه البكتيريا على أنها سالبة الجرام. كانت الاستجابة الأخرى معاكسة ، أي أن البكتيريا أعادت تلطيخ لون الكريستال البنفسجي بعد غسلها بالكحول.

تم تصنيفها على أنها إيجابية الجرام. تم اكتشاف هذا السلوك التفاضلي لاحقًا بسبب الاختلافات الأساسية في بنية جدار الخلية. ليس ذلك فحسب ، فقد وجد أن الاستجابة لتلطيخ الجرام مرتبطة بالعديد من الخصائص الأخرى. ومن ثم ، فإن تلوين غرام له أهمية أساسية في دراسة البكتيريا.

جدار الخلية عبارة عن غطاء صلب إلى حد ما للبروتوبلازم الداخلي. يوفر الجدار الحماية للبروتوبلاست ويعطي الخلية شكلاً محددًا. نظرًا لأن البكتيريا تنمو بشكل عام في حالة نقص التوتر (وهذا يعني أن الضغط التناضحي للخلية أعلى من البيئة المحيطة) ، فإن البروتوبلاست كان سينفجر لو لم يكن هناك جدار للحد من تمدده.

يمكن إثبات ذلك من خلال تعليق البروتوبلاست الناتجة عن الإزالة الإنزيمي والشيمائي لجدار الخلية في وسط ناقص التوتر. في الوقت نفسه ، تكون البروتوبلاست المتولدة من الخلايا الأسطوانية كروية. هذا يعني أن الشكل المميز للبكتيريا يرجع إلى الجدار. ويدعم ذلك أيضًا عدم وجود شكل محدد في الميكوبلازما وهي بكتيريا خالية من جدار الخلية. وبالمثل ، فإن L-Forms (L تعني معهد Lister حيث تمت ملاحظتها لأول مرة) للبكتيريا الناتجة عن العلاج بمثبطات تخليق جدار الخلية هي أيضًا خالية من أي شكل مميز.

لا يعمل الجدار الخلوي للبكتيريا كحاجز لدخول الأملاح الذائبة والسكريات ومعظم المركبات ذات الوزن الجزيئي المنخفض. حاجز النفاذية للخلية هو غشاء الخلية. اعتمادًا على الأنواع ، قد يمثل جدار الخلية 10 إلى 40٪ من الوزن الجاف للبكتيريا.

في المتوسط ​​، حوالي 20٪ من الوزن الجاف للخلايا البكتيرية هو جدار الخلية. أحد المكونات الأساسية للجدار البكتيري ، باستثناء البكتيريا القديمة المميزة تصنيفًا ، هو بوليمر فريد يسمى ببتيدوغليكان أو مورين. يشكل مورين غطاءًا يشبه الكيس الجزيئي للمحتويات الداخلية للخلية البكتيرية. مورين مسؤول بشكل رئيسي عن صلابة الجدار.

يتكون العمود الفقري للمورين من سلاسل طويلة من جزيئين متناوبين ، سكر أميني ، يسمى N-acetyl glucosamine (NAG) وإيثر اللاكتيل ، ويسمى N-acetyl muramic acid (NAM). NAG و NAM مرتبطان برابطة 1،4-glycosidic.

في مورين ، ترتبط مجموعة اللاكتيل من بقايا NAM في الغالب بسلاسل قصيرة من الأحماض الأمينية (رباعي الببتيدات). عادة ما ترتبط سلاسل الببتيدوغليكان الموازية من خلال الببتيدات الأخرى. الوحدات المتكررة للإشريكية القولونية مورين مع سلسلة رباعي الببتيد موضحة في الشكل 2.15.

يظهر الترابط المتبادل بين سلسلتين متوازيتين من الببتيدوغليكان في الشكل 2.16:

يختلف جدار الخلية للبكتيريا موجبة الجرام وسالبة الجرام في التركيب الكيميائي. محتوى المورين لجدار الخلية الموجب للجرام أعلى ، حيث يتراوح بين 30 إلى 70٪ من الوزن الجاف لجدار الخلية. في الجدار سالب الجرام ، murein في المتوسط ​​حوالي 10٪. يتكون كيس المورين من البكتيريا موجبة الجرام من عدة طبقات (حتى 40). تتكون كل طبقة من سلاسل متوازية من الببتيدوغليكان المتشابكة.

يتم وضع العديد من هذه الطبقات واحدة فوق الأخرى لتشكيل صفيحة سميكة تتقاطع فيها سلاسل الببتيدوغليكان. في البكتيريا سالبة الجرام ، يكون عدد طبقات الببتيدوغليكان واحدًا إلى عدد قليل. إلى جانب ذلك ، فإن غلاف الخلية للبكتيريا سالبة الجرام أكثر تعقيدًا من جدار البكتيريا موجبة الجرام.

يوضح الشكل 2.17 تمثيلًا مبسطًا للاختلافات بين بنية الجدار الموجبة للجرام وسالب الجرام:

(ط) جدار الخلية الموجب للجرام:

تشكل طبقة الببتيدوغليكان متعددة الطبقات غطاء سميك وصلب للخلية البكتيرية إيجابية الجرام. بشكل عام ، يتم تغطية هذا الغلاف من الخارج بطبقة بروتين معبأة بإحكام ، تسمى الطبقة S (الطبقة السطحية). بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي العديد من البكتيريا موجبة الجرام على بوليمرات أخرى في جدارها الخلوي. أحد هذه البوليمرات هو حمض التيكويك الذي يتكون من فوسفات الريبيتول أو فوسفات الجلسرين (الشكل 2.18). تم العثور عليها في Staphylococcus aureus ، Bacillus spp. ، Streptococcus faecalis إلخ.

يوجد بوليمر آخر ، حمض تيكورونيك ، في جدار الخلية لبعض البكتيريا موجبة الجرام ، مثل Bacillus licheniformis. يتكون حمض التييكورونيك من سلاسل طويلة من حمض الجلوكورونيك بالتناوب و N-acetylgalactosamine مرتبطة ببعضها البعض بواسطة رابطة جليكوسيدية 1— & gt3 (الشكل 2.19).

بعض جزيئات حمض التيكويك مثبتة في الغشاء السيتوبلازمي. وتسمى هذه الأحماض الدهنية. ترتبط أحماض تيكويك الأخرى ببقايا حمض N-acetyl muramic لسلاسل الببتيدوغليكان بواسطة روابط phosphodiester. كلا النوعين يشكلان سلاسل طويلة تظهر خارج جدار الخلية. بسبب وجود مجموعات الفوسفات ، فإن جزيئات حمض التيكويك مشحونة سلبًا.

من المحتمل أنها تنظم حركة القط والخجول (أيونات موجبة الشحنة) وتلعب دورًا مهمًا في تثبيت Mg ++ في جدران البكتيريا موجبة الجرام. اعتمادًا على درجة الحموضة وتركيز الملح ، يمكن أن تتغير جزيئات حمض التيكويك في الترطيب والتلوين. إلى جانب أحماض تيكويك وتيكورونيك ، قد توجد بوليمرات أخرى ، مثل السكريات المرتبطة تساهميًا ، بالاقتران مع طبقات الببتيدوغليكان ، على سبيل المثال. في العقدية المقيحة.

في البكتيريا موجبة الجرام ، تحتوي سلاسل الببتيدوغليكان على رباعي الببتيدات التي تتكون من بقايا L-lysine-D alanine-L-lysine و D-alanine. في بعض الأعضاء ، على سبيل المثال Staphylococcus aureus ، سلاسل رباعي الببتيد ليست مرتبطة بشكل مباشر كما هو الحال في البكتيريا سالبة الجرام ، ولكنها متصلة من خلال سلاسل البنتاغليسين من خلال بقايا L-lysine لسلسلة رباعية الببتيد وبقايا D- ألانين من سلسلة أخرى (الشكل 2.20) ).

تُظهر بعض البكتيريا موجبة الجرام ، والمتفطرة السلية والخطية ، والمتفطرة الجذامية - الكائنات الحية المسببة لمرض السل والجذام ، والجذام والجذام - خاصية ثبات الحمض. عندما تلطخ هذه البكتيريا بكاربول-فوشسين ثم يتم غسلها بحمض مخفف ، تحتفظ البكتيريا بالبقعة. يتم إزالة البقع من الكائنات الحية السريعة غير الحمضية بمعاملة مماثلة. تم العثور على خاصية ثبات الحمض بسبب وجود مادة دهنية تسمى حمض الميكوليك في جدران الخلايا.

(2) جدار الخلية سالب الجرام:

السمة الأكثر تميزًا لجدار الخلية سالبة الجرام هي وجود غشاء خارجي. يُعرف الفراغ بين الغشاء السيتوبلازمي والغشاء الخارجي باسم الفضاء المحيط بالبلازما. الميزات الأخرى هي أن طبقة الببتيدوغليكان أرق بكثير وتتكون من طبقة واحدة إلى بضع طبقات ، وأن سلاسل حمض التيكويك أو تيكورونيك غائبة.

سلاسل الببتيدوغليكان ليست مضغوطة كما هي في البكتيريا موجبة الجرام. إنها متصلة بالغشاء الخارجي. يحتوي الفضاء المحيط بالببتيدوجليكان ، الذي يتضمن سلاسل الببتيدوغليكان ، على تناسق شبيه بالهلام المائي ويحتوي على مجموعة متنوعة من البروتينات التي لها وظائف نقل أو إنزيمات تحلل ، مثل β-lactamase التي تدمر مضادات و shybiotics من مجموعة β-lactam ، مثل البنسلين والسيفالوسبورين و # 8217s إلخ.

مثل الأغشية الأخرى ، الغشاء الخارجي عبارة عن هيكل ثنائي الطبقات. المكونات الرئيسية للغشاء الخارجي هي عديدات السكاريد الدهنية والبروتينات الدهنية والفوسفورية. إن وجود هذه الدهون يجعل جدران الخلايا سالبة الجرام غنية بالدهون التي تمثل 11 إلى 22٪ من الوزن الجاف للجدار.

تشكل عديدات السكاريد الدهنية (LPS) الطبقة الخارجية للغشاء الخارجي ثنائي الطبقات. يحتوي LPS على ثلاثة مكونات ، - الدهن A مضمن في الغشاء الخارجي ، عديد السكاريد الأساسي ملقى على سطح mem & shybrane ، وسلاسل جانبية عديد السكاريد (O-antigen) بارزة خارج الغشاء ، مثل whis & shykers. هذه المستضدات O مخصصة لسلالات مختلفة وهي مفيدة في تحديد التصنيف.

تعمل LPS من البكتيريا سالبة الجرام كسموم داخلية. طبقة LPS من الغشاء الخارجي متداخلة ومقطعة هنا وهناك بسبب وجود المسام الدقيقة التي تتكون من بروتين خاص يسمى بورين. تسمح هذه المسام بدخول العديد من جزيئات المغذيات إلى الفضاء المحيط بالبلازما و 0 متر هناك في السيتوبلازم. تسمح بورينات مختلفة فقط لأنواع معينة من الجزيئات بالمرور. لا يمكن للجزيئات الكبيرة ، مثل تلك الموجودة في البروتينات ، المرور عبر هذه المسام.

يحتوي الغشاء الخارجي أيضًا على عدة أنواع أخرى من البروتينات. تمتد بعض جزيئات البروتين عبر الغشاء الخارجي بأكمله. تُعرف هذه ببروتينات المستقبلات. والبعض الآخر عبارة عن بروتينات شحمية وشيتينية أصغر ، تسمى بروتينات براون & # 8217s الدهنية ، تقتصر على الطبقة الداخلية. وتشارك هذه بشكل أساسي في تثبيت طبقات الببتيدوغليكان في الغشاء الخارجي.

يشبه الببتيدوغليكان للبكتيريا سالبة الجرام إلى حد ما تلك الموجودة في البكتريا موجبة الجرام والشيريا ، باستثناء أن سلسلة تترا-ببتيد تحتوي على حمض ميزو ديامينوبيمليك (m-DAP) بدلاً من L-lysine وأن البنتاببتيد (pentaglycine) سلاسل غائبة. يتم ربط ذيول tetra-peptide المرتبطة بـ NAM مباشرة بين m-DAP و D-alanine من سلاسل الببتيدوغليكان المجاورة كما هو موضح في الشكل 2.16.

وبالتالي ، يعمل الغشاء الخارجي كحاجز نفاذية للبكتيريا سالبة الجرام. يسمح بدخول الجزيئات الأصغر ، مثل تلك الموجودة في السكريات والأحماض الأمينية أو حتى النيوكليوسيدات عبر قنوات بورين وبروتينات المستقبل. في الوقت نفسه ، يمنع هروب الإنزيمات والجزيئات الكبيرة الأخرى من الفضاء المحيط بالبلازما. عند تحلل البكتيريا سالبة الجرام ، يعمل LPS كسموم داخلية قوية تسبب الأعراض المرضية الخجولة في الكائن الحي المضيف.

كما أن وجود غشاء خارجي يحمي الباك والشيتيريا من عمل الليزوزيم ، وهو إنزيم مؤيد ومغلف بواسطة العديد من الكائنات الحية الدقيقة وكذلك البشر. يمكن لهذا الإنزيم الموجود في اللعاب والدموع وسوائل الجسم الأخرى أن يهاجم على وجه التحديد الرابطة الجليكوسيدية بين NAG و NAM وبالتالي يتسبب في تدمير سلاسل الببتيدوغليكان. في حين أن الليزوزيم يمكنه مهاجمة البكتيريا موجبة الجرام بسهولة ، فإن البكتيريا سالبة الجرام تصبح حساسة فقط عندما يتضرر الغشاء الخارجي بما يكفي للسماح لليزوزيم بالدخول والتفاعل مع طبقة الببتيدوغليكان.

يظهر موقع عمل الليزوزيم على الببتيدوجلي والشيكان في الشكل 2.22:

يظهر تمثيل تخطيطي لمنظر مقطعي لجدار الخلية سالب الجرام في الشكل. 2.23:

(3) الاستجابة التفاضلية لوصمة غرام:

الاختلاف في بنية جدار الخلية للبكتيريا موجبة الجرام والبكتيريا سالبة الجرام مسؤول عن استجابتها لتلطيخ الجرام. يترسب مركب اليود البنفسجي البلوري على الغشاء السيتوبلازمي. يزيل الغسل بالكحول البقعة الموجودة في البكتيريا سالبة الجرام ، لأن طبقة البيبتي والشيدوغليكان الرقيقة لا يمكن أن تمنع غسل البقعة.

لا تسمح الطبقة الأكثر سمكًا من الببتيدوغليكان لجدار الخلية الموجب للجرام بالهروب من مجمع البقع. لقد وجد أنه عندما يتم معالجة البكتيريا موجبة الجرام المصبوغة بالجرام مع الليزوزيم ، تتم إزالة الجدار ولكن مركب اليود البنفسجي البلوري لا يزال ممتصًا في غشاء الخلية. عندما يتم غسلها بعد ذلك بالكحول ، يتم غسل مجمع الصبغة بسهولة. هذا يثبت أن وجود المورين يمنع صبغة المركب من أن يتم غسلها بالكحول.

(4) جدار الخلية للبكتيريا الأثرية:

تشكل البكتيريا العتيقة مجموعة متميزة تصنيفيا من البكتيريا التي تختلف في العديد من الخصائص المهمة والرائعة عن بقية الكائنات بدائية النواة. من السمات المميزة للبكتيريا الأثرية عدم وجود مورين في جدارها الخلوي.

يمكن أن تكون البكتيريا البدائية موجبة الجرام أو سالبة الجرام. بعض الأعضاء ليس لديهم جدار خلوي ويمكن مقارنتهم بالميكوبلازما للبكتيريا الحقيقية (البكتيريا eubacteria). تحتوي البكتيريا القديمة إيجابية الجرام على جدار خلوي سميك نسبيًا يتكون من بوليمرات معقدة ، معظمها من السكريات. بعض من الميثانوجين موجب الجرام (تشكل الميثان) البكتيريا البدائية ، مثل Meihanobacterium ، لها جدار خلوي يتكون من بوليمر يشبه الببتيدوغليكان ، يسمى pseudomurein.

وهو يتألف من وحدات متكررة من N- أسيتيل الجلوكوزامين وحمض N-acetyl talosamino uronic المرتبطين ببعضهما البعض بواسطة روابط β-1،3 glycosidic (الشكل 2.24). يتم ربط سلاسل هذا البوليمر بواسطة الببتيدات التي تحتوي على الأحماض الأمينية L فقط. الأحماض الأمينية D الموجودة بشكل مميز في مورين eubacterial غائبة في جدار الخلية البدائية. البكتيريا سالبة الجرام لها جدران خلوية ذات تكوين متغير. يتكون الجدار في الغالب من طبقة أو طبقتين من البروتينات أو البروتينات السكرية.

ميزة # 7. الغشاء السيتوبلازمي:

الغشاء المحدد للبروتوبلاست هو غشاء الخلية أو غشاء البلازما الموجود في جميع الخلايا البيولوجية بما في ذلك البكتيريا. يوجد جدار الخلية من الخارج - إن وجد - وفي الداخل يوجد السيتوبلازم بما في ذلك مكوناته وشوائبه المختلفة.

يبلغ سمك غشاء الخلية حوالي 7.5 نانومتر ويتكون من شحميات فسفورية تمثل 20 إلى 30٪ والبروتينات تمثل 60 إلى 70٪ بالوزن الجاف. تشكل جزيئات الفسفوليبيد طبقتين تكون فيهما النهايات المحبة للماء (القطبية) للدهون على كلا الجانبين ونهايات الأحماض الدهنية طويلة السلسلة الكارهة للماء (غير القطبية) تتجه إلى الداخل لتشكيل منطقة كارهة للماء.

بروتينات الغشاء من نوعين. يرتبط بعضها ارتباطًا وثيقًا بالدهون والبعض الآخر يرتبط ارتباطًا وثيقًا بمحيط طبقة ثنائية الدهون. يتم تصنيفها كبروتينات غشاء متكاملة وبروتينات محيطية ، على التوالي.

تمتد البروتينات المتكاملة في الغشاء بشكل عام عبر طبقات ثنائية الدهون وترتبط بسلاسل الأحماض الدهنية من خلال بقايا الأحماض الأمينية الكارهة للماء. ترتبط البروتينات المحيطية عمومًا بطبقة الغشاء المحبة للماء عن طريق تفاعل الشحنة. يمكن فصلها بسهولة نسبيًا عن دهون الغشاء ، مثل الغسيل بمحلول الملح.

يظهر تمثيل تخطيطي للغشاء السيتوبلازمي في الشكل. 2.25:

تم تصور الغشاء السيتوبلازمي على أنه بنية شبه سائلة تتكون من فسيفساء من الدهون والبروتينات (نموذج فسيفساء سائل). يُعتقد أن جزيئات البروتين الكروية تطفو في مصفوفة الدهون في الغشاء.

يُعتقد أن سيولة الغشاء ضرورية لوظائفه. يُعتقد أن وجود الأحماض الدهنية المشبعة وغير المشبعة في الدهون الفسفورية هو العامل المحدد لدرجة سيولة الغشاء.

لا تحتوي أغشية الخلايا بدائية النواة على ستيرولات ، باستثناء تلك الموجودة في بعض الميكوبلازما. في حالة عدم وجود جميع الخلايا ، من المفترض أن تعطي الستيرولات بعض الصلابة لغشاء الخلية في الميكوبلازما مما يمكنها من مقاومة التحلل ضد الضغط الأسموزي العالي.

كما هو مبين في الشكل 2.25 ، الجزء الداخلي من طبقة الغشاء الثنائية هو منطقة شديدة الكراهية للماء تمنع دخول جزيئات الماء والمركبات القابلة للذوبان في الماء. إن وجود بروتينات معينة في الغشاء يجعل دخول هذا الجزيء القطبي ممكنًا في السيتوبلازم. وهكذا ، في حين أن الغشاء يعمل كحاجز فعال لدخول وهروب جزيئات المغذيات ، فإن بروتينات الغشاء تعمل كبوابات للنقل المنظم في كلا الاتجاهين.

غشاء الخلية شبه منفذ ويعمل كحاجز تناضحي. تعمل بروتينات الغشاء كعوامل نقل ، حيث يمكن لكل بروتين نقل جزيء واحد أو بضع جزيئات مختارة. من الوظائف المهمة جدًا لغشاء الخلية البكتيرية أنه في حالة عدم وجود الميتوكوندريا في الخلية بدائية النواة ، فإنه يؤدي دوره كموقع لتوليد الطاقة من خلال نظام نقل الإلكترون (ETS).

تقوم ETS المترجمة في غشاء الخلية بطرد البروتونات خارج الغشاء ، مما يخلق قوة دافعة للبروتون (PMF) تُستخدم لدفع توليد ATP من ADP والفوسفات غير العضوي. وظيفة أخرى للغشاء البكتيري هي أنه يحتوي على بعض البروتينات والعوامل التي تشارك في انتقال سلائف الببتيدوغليكان. عامل مهم هو مادة حاملة تسمى بكتوبرينول ، كحول طويل السلسلة (سي 55). ينقل وحدات الببتيدوغليكان عبر الغشاء إلى موقع تخليق الببتيدوغليكان.

يعمل غشاء الخلية لـ bac & shyteria سالب الجرام أيضًا في نقل بروتينات الغشاء الخارجي. وبالمثل ، فإن البروتينات خارج الخلية ، بما في ذلك السموم الخارجية الخجولة ، يتم تحريرها من خلايا العديد من البكتيريا موجبة الجرام. يتم تصنيع هذه البروتينات القابلة للتصدير داخل الخلية ويتم نقلها للخارج عبر الغشاء. لذلك ، لوحظ أن غشاء الخلية البكتيرية ، إلى جانب كونه حاجزًا تناضحيًا ، يؤدي العديد من الوظائف المفيدة الأخرى.

(ط) غشاء الخلية البدائية:

يختلف هيكل غشاء الخلية للبكتيريا البدائية في العديد من الميزات المهمة عن غشاء البكتيريا الحقيقية. في eubacteria ، تتكون دهون الغشاء من سلسلة مستقيمة من الأحماض الدهنية المشبعة وغير المشبعة المرتبطة بفوسفات الجلسرين بواسطة روابط استر ، أي ترتبط مجموعة الأحماض الدهنية الكربوكسيل COOH بمجموعات الهيدروكسيل- OH من الجلسرين بواسطة رابطة استر. تحتوي أغشية البكتيريا البدائية على كحولات متفرعة السلسلة مرتبطة بفوسفات الجلسرين عن طريق ارتباط الأثير. غالبًا ما يكون الكحول طويل السلسلة عبارة عن فيتانول ، وهو كحول سي 20.

في بعض الأحيان ، يتم ربط جزيئين من فيتانول من طرف إلى طرف لتشكيل هيكل أكثر ثباتًا (الشكل 2.26):

يحتوي الغشاء البكتيري أيضًا على دهون أخرى غير مشبعة. الدهن السائد من هذا النوع هو سكوالين ، مركب C 30 isoprenoid.

ميزة # 8. السيتوبلازم:

يُعرف جسم الخلية الرئيسي ، المغطى خارجيًا بغشاء الخلية ، باسم البروتوبلاست. أنه يحتوي على كل من الجسيمات ومكونات قابلة للذوبان مختلفة الخبيثة لحياة الخلية. عندما تتفكك الخلايا البكتيرية بشكل مصطنع ويتم طردها بسرعة عالية (

100000 × جم) لمدة سبع ساعات وخجولة ، يتم الحصول على رواسب تحتوي على مكونات جسيمية غير قابلة للذوبان وطاف يحتوي على المكونات القابلة للذوبان.

يمثل الجزء القابل للذوبان العصارة الخلوية ويحتوي على إنزيمات مختلفة و RNAs قابلة للذوبان ومجموعة من المواد العضوية وغير العضوية. يحتوي الجزء الجسيمي على بقايا جدار الخلية ، وغشاء الخلية ، والريبوزومات ، والمواد النووية ، ومحتويات مختلفة غير حية.

يكشف قسم شديد الرقة من الخلية البكتيرية (مثبت برباعي أكسيد الأوزميوم وملطخ بخلات اليورانيل) ، مصنوع بواسطة مشراح فائق ويتم ملاحظته تحت المجهر الإلكتروني النافذ ، عن منطقة مركزية شفافة للكهرباء والشيترون حيث توجد المادة النووية. لا يتم فصل هذه المنطقة المركزية عن بقية السيتوبلازم بأي غشاء. يظهر السيتوبلازم على هيئة إلكترون كثيفة وحبيبية. يحتوي هذا الجزء من الخلية على معظم شوائب الريبوسوم ومختلف.

لا تحتوي الخلية البكتيرية على هيكل خلوي يتكون من الأنابيب الدقيقة والعضيات المرتبطة بالغشاء ، مثل الميتوكوندريا والبلاستيدات والليزوزومات وما إلى ذلك الموجودة بشكل مميز في الخلايا حقيقية النواة. كيف وخجول ، بعض البكتيريا ، وخاصة تلك الضوئية ، تحتوي على أنظمة غشاء داخل الهيولى التي يتم إنتاجها عن طريق انقلاب أو طي الغشاء السيتوبلازمي.

في بكتيريا التمثيل الضوئي ، تحتوي هذه الأجزاء الممتدة من غشاء الخلية على أصباغ التمثيل الضوئي ، بالإضافة إلى أنظمة إنتاج الطاقة الضوئية والتخليقية (phoienhosphorylation). تسمى أنظمة الغشاء داخل الهيولى هذه بالكروماتوفور وقد تكون ذات شكل وحجم مختلفين. في بعض البكتيريا غير الضوئية أيضًا ، على سبيل المثال Nitrosococcus (chemoautotroph و Azotobacter (diazotroph) ، لوحظ وجود نظام غشاء داخل الهيولى elabo & shyrate.

توجد بنية أخرى مثيرة للجدل ، تسمى meso-some - من المفترض أن يتم إنتاجها عن طريق انزلاق الغشاء السيتوبلازمي - في العديد من الباكالوريا والشيتيريا ، وخاصة تلك إيجابية الجرام. وقد تورط هذا الهيكل في لعب دور في تكرار الحمض النووي وفي تصدير الإنزيمات خارج الخلية.

تتم مناقشة المكونات الرئيسية للسيتوبلازم بمزيد من التفاصيل أدناه:

الريبوسومات هي أجسام جسيمية تحتوي على بروتين نووي الريبي والتي تعمل كمواقع لتخليق البروتين. تحتوي الخلية البكتيرية النامية بنشاط على آلاف الريبوسومات التي تضفي المظهر الحبيبي للسيتوبلازم. أثناء تخليق البروتين ، تشكل الريبوسومات سلسلة متصلة بواسطة m-RNA والتي يتم ترجمتها. تُعرف سلاسل الريبوسومات هذه باسم polysomes.

الريبوسوم بدائية النواة أصغر إلى حد ما من الريبوسوم حقيقي النواة. يبلغ قياسه حوالي 16 × 18 نانومتر ويحتوي على حوالي 60 ٪ من الحمض النووي الريبي و 40 ٪ بروتين. يوجد حوالي 80-85 ٪ من إجمالي الحمض النووي الريبي للخلية البكتيرية في الريبوسوم. يُعرف هذا الحمض النووي الريبي باسم RNA الريبوسوم (r-RNA).

يمكن تعجيل الريبوسومات السليمة بواسطة الطرد المركزي الفائق بمعدل ترسيب 70 وحدة Svedberg ، وبالتالي ، تُعرف باسم 70S ribosomes. الريبوسومات حقيقية النواة الأكبر حجمًا هي 80S ريبوسومات.

يتم تحديد معدل الترسيب والتخلخل في الأجسام الجسيمية من خلال حجم وكثافة وشكل الأجسام. إلى جانب البكتيريا ، توجد ريبوسومات 70S أيضًا في عضيات الخلايا للخلايا حقيقية النواة ، مثل الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء. يشير هذا إلى أن هذه العضيات ربما نشأت من خلايا بدائية النواة (فرضية التكافل الداخلي).

مثل الريبوسومات حقيقية النواة ، تتكون نظائرها بدائية النواة أيضًا من وحدتين فرعيتين. في الريبوسومات بدائية النواة ، يكون للوحدتين الفرعيتين ثوابت ترسيب 50S و 30S. في حقيقيات النوى ، تكون 60S و 40S. عندما تتعرض الريبوسومات 70S لتركيز منخفض Mg ++ ، فإنها تنفصل إلى وحدات فرعية 50S و 30S والتي تعرف عمومًا بالوحدات الفرعية الكبيرة والصغيرة ، على التوالي.

تتكون الوحدة الفرعية 30S من 21 بروتينًا مختلفًا ونوعًا واحدًا من RNA ، - 16S RNA. تحتوي الوحدة الفرعية 50S على 34 بروتينًا ونوعين من RNA & # 8217s و - 5S و 23S.

يوضح الشكل 2.27 الهياكل الإجمالية للريبوسومات 30S و 50S و 70S:

تحتوي الوحدة الفرعية الريبوسومية حقيقية النواة 40S على 33 بروتينًا مختلفًا وواحد 18S RNA. تحتوي الوحدة الفرعية 60S على 49 بروتينًا وثلاثة أنواع من RNA ، -5S ، و 5.8S ، و 28S. تم استغلال هذه الاختلافات بين الريبوسومات بدائية النواة وحقيقية النواة بشكل مربح للتثبيط الانتقائي لتخليق البروتين البكتيري والتحليل بواسطة العوامل المضادة للبكتيريا.

على سبيل المثال ، يمنع الستربتومايسين تخليق البروتين البكتيري عن طريق الارتباط بالوحدة الفرعية 30S والكلورامفينيكول بالوحدة الفرعية 50S. لا ترتبط الوحدات الفرعية الريبوسومية حقيقية النواة بهذه العوامل ، وبالتالي لا تؤثر هذه المضادات الحيوية على تخليق البروتين للمضيفين ، مثل البشر.

(2) النواة البكتيرية (نوكليويد):

المنطقة الأكثر أو أقل شفافية من الإلكترون التي تحتل الجزء المركزي من السيتوبلازم هي المنطقة النووية. تمتلئ بمادة ليفية ويمكن تلطيخها بواسطة كاشف Feulgen المخصص للحمض النووي. تتكون المادة النووية من بدائيات النوى من جزيء DNA مفرد طويل ، ملفوف ، دائري ، مزدوج الشريطة مرتبط بـ RNA وبعض البروتينات.

يسمى هذا الجزيء الفائق الضخم بالبكتيريا والكروموسوم الشيري أو النيوكليويد. يبلغ طول E. coli chromo & shysome 1.2 مم عند تمديدها بالكامل ، أي أكثر من 1500 مرة أطول من الخلية نفسها. يحتوي على 4.7 & # 21510 6 أزواج قاعدية. يتم لف هذا الجزيء الطويل بشكل كبير ليتم تعبئته في مساحة داخل الخلايا تشغل حوالي 20 ٪ فقط من حجم الخلية لخلية الإشريكية القولونية المتوسطة.

يتم تحفيز اللف الفائق بواسطة إنزيم يسمى توبويزوميراز. ومع ذلك ، فإن اللف الفائق لا يكفي لتعبئة الحمض النووي في حجم صغير من المنطقة النووية. تلعب البروتينات المرتبطة بالحمض النووي دورًا مهمًا في الاحتفاظ بالجزيء الكبير في 40 إلى 50 حلقة ملفوفة فائقة بشكل مستقل لتشكيل النواة والخجول (الشكل 2.28).

(3) الادراج السيتوبلازمية:

اعتمادًا على ظروف النمو ، قد تمتلك البكتيريا شوائب مختلفة غير حية ، معظمها منتجات أيضية غير قابلة للذوبان. تم العثور على حبيبات Volutin في العديد من البكتيريا على سبيل المثال Spirillum volutans. حبيبات Volutin عبارة عن بولي فوسفات غير قابل للذوبان ويمكن أن تعمل كمصدر احتياطي للفوسفات. مادة احتياطية شائعة جدًا هي بوليمر حمض-hydroxybutyric (PHB) ، وهو مادة شبيهة بالدهون. يعمل كمصدر احتياطي للكربون والطاقة.

في بعض البكتيريا ، قد تملأ حبيبات PHB الجزء الأكبر من السيتوبلازم وقد تمثل ما يصل إلى 80٪ من الوزن الجاف للبكتيريا. تم العثور على الكربوهيدرات الاحتياطية على شكل جليكوجين غير قابل للذوبان في العديد من البكتيريا ، مثل E. coli ، Bacillus polymyxa. Micrococ & shycus luteus وما إلى ذلك أيضًا ، يوجد مركب يشبه النشا في بعض البكتيريا. يطلق عليه حبيبات.

توجد حبيبات الكبريت في العديد من بكتيريا التمثيل الضوئي ، مثل Chromatium spp. ، وكذلك في بعض البكتريا غير الضوئية ، مثل Beggiatoa spp. و Thiothrix sp. الخ. بعض أنواع العصيات مثل باسيلس تورينجينسيس تحتوي على بروتين بلوري ، يسمى الجسم الشبيه بالجسم ، والذي يمتلك خاصية مبيدات الحشرات.

تراكيب بعض المواد الاحتياطية والبروتين الشبيه بالجسم موضحة في الشكل 2.29:

تمتلك بعض البكتيريا المائية ، وخاصة البكتيريا الخضراء والبنية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي ، مثل Amoebobacter و Pelodictyon وما إلى ذلك فجوات غازية أو جزيئات هوائية. تتكون هذه الأجسام من أسطوانات مجوفة مرتبة بشكل متوازي مملوءة بالغاز وذات نهايات مخروطية ومحدودة بغشاء بروتيني. تساعد فجوات الغاز الخلايا على الحفاظ على الطفو والطفو على عمق مثالي في البيئة المائية.

(رابعا) الكربوكسيسومات:

الكربوكسيسومات عبارة عن أجسام جسيمية هيولي توجد في بعض البكتيريا ذاتية التغذية مثل Nitrosomonas و Nitrosococcus و Thiobacillus وما إلى ذلك وأيضًا في البكتيريا الزرقاء بما في ذلك Prochloron. تحتوي هذه الأجسام على أول أكسيد الكربون2- تثبيت إنزيم كربوكسيلاز الريبولوز ثنائي الفوسفات (روبيكو).

فيما يتعلق بالحركة التكتيكية للبكتيريا ، يمكن لبكتيريا معينة أن تظهر حركة موجهة استجابةً لمجال مغناطيسي ، على سبيل المثال Aquaspirillum magnetotacticum بحكم وجود جزيئات أكسيد الحديد الأسود (Fe3ا4). هذه الجسيمات موجودة في الأجسام السيتوبلازمية تسمى المغناطيسية. المغناطيسية قادرة على تقسيم بيروكسيد الهيدروجين.

إنها تساعد البكتيريا على التحرك إلى أسفل ، حتى تتمكن البكتيريا من الوصول إلى البيئة المثلى. في مثل هذه البيئة اللاهوائية ، قد يتم إنتاج الماء وبيروكسيد الشيجين - وهو مادة سامة -. قد يكون للمغناطيسات دور وقائي عن طريق تقسيم البيروكسيد السام.

ميزة # 9. الجراثيم والخراجات:

على الرغم من أن تكوين الأبواغ ليس سائدًا في البكتيريا الشائعة ، إلا أن المجموعات المتخصصة تتميز بطابعها وخجولها بسبب قدرتها على تكوين جراثيم من عدة أنواع. لا يزال تكوين الكيس نادرًا في البكتيريا. قد تشكل الأجناس المكونة للأبواغ جراثيم داخل الخلية ، وعادة ما تكون منفردة.

تسمى هذه الجراثيم الأبواغ. تتشكل عادة من قبل جميع أعضاء الأجناس Bacillus و Clostridium. من المعروف أيضًا أن عددًا قليلاً من البكتيريا الأخرى التي تنتمي إلى Sporolactobacillus و Desulfotomaculum و Thermoactinomyces و Sporosarcina تشكل endospores.

تتشكل الأبواغ أيضًا خارج الخلايا بواسطة بعض البكتيريا ، وخاصة الفطريات الشعاعية المكونة للفطر. هذه البكتيريا ، مثل العديد من الفطريات ، تنتج الأبواغ خارجيا إما منفردة أو في سلاسل. تُعرف هذه الجراثيم باسم كونيديا. في بعض أجناس الفطريات الشعاعية ، تتشكل الكونيديا داخل sporangia. تُعرف هذه الجراثيم عمومًا باسم الأبواغ الأبواغ.

مجموعة من البكتيريا ، تعرف باسم البكتيريا المخاطية ، تتميز بتكوين أجسام الفاكهة الدقيقة والأبواغ الفطرية. قد تشكل البكتيريا المخاطية أيضًا الأبواغ الفطرية بدون أجسام الفاكهة. تُعرف Myxospores أيضًا باسم الأكياس الدقيقة. الخراجات نادرة في البكتيريا. الكيس عبارة عن خلية نائمة ناتجة عن تمايز بكتيريا كاملة. توجد الأكياس عادة في بعض الأنواع من جنس Azotobacter المثبت للنيتروجين.

أكثر أنواع الجراثيم البكتيرية تميزًا هو الأبواغ الداخلية. يقتصر دعم تكوين البوغ الداخلي على بعض الأجناس البكتيرية الهوائية واللاهوائية. ترجع الأهمية الكبيرة للعملية والخدمية لهذه الأجناس إلى قدرة الأبواغ الداخلية على تحمل الضغوط البيئية الشديدة والضغوط الخجولة ، وخاصة درجة الحرارة.

كما أن الإندوسبورات شديدة المقاومة للإشعاع فوق البنفسجي والجفاف والفراغ العالي. من الأمثلة المتطرفة على بقائهم على قيد الحياة هو التقرير الذي يفيد بأن الأبواغ المحبوسة في الكهرمان والتي يعتقد أن عمرها 25 مليون عام تحتفظ بقابليتها للحياة.

تنتمي العديد من البكتيريا المسببة للأمراض الخطيرة إلى الأجناس المكونة للبوغ ، مثل عصيات الجمرة الخبيثة المسببة للجمرة الخبيثة ، والمطثية الكزازية - التي تسبب الكزاز ، والبكتيريا المطثية الحادة - التي تسبب الغرغرينا ، والبكتيريا البوتولينوم - العامل الذي يسبب التسمم الغذائي.

لقد تم اقتراح أن الاحتفاظ بصلاحية الأبواغ الداخلية لأكثر من ملايين السنين يجعلها ممكنة & # 8220 بذور & # 8221 والتي ربما تكون قد انتقلت عبر السحب الجزيئية بين النجوم من كوكب إلى آخر. لكن الأهمية الأكثر واقعية لمسببات الأمراض التي تشكل البويضات هي أنه من الصعب جدًا قتلها.

يمكن للإندوسبورات البقاء على قيد الحياة عند الغليان لعدة ساعات. لذلك ، من أجل القضاء على هذه البكتيريا الخطيرة ، مثل C. tetani و C. botulinum ، يجب رفع درجة الحرارة إلى مستوى أعلى والاحتفاظ بها في درجة الحرارة هذه لفترة طويلة بما فيه الكفاية.

نظرًا لأن كل خلية بكتيرية تشكل بوغًا داخليًا واحدًا ، فمن الواضح أن الأبواغ لا تعمل كوسيلة للتكاثر. تشير مقاومتها الشديدة للضغوط إلى أن الأبواغ هي أشكال مستريحة مخصصة للتغلب على الظروف البيئية المعاكسة. تنبت الإندوسبورات عند عودة الظروف والأكواخ المتجانسة ، حيث ينتج كل بوغ داخلي خلية نباتية واحدة.

تحت المجهر الضوئي ، يكشف تعليق البكتيريا المكونة للأبواغ أن الأبواغ هي أجسام شديدة الانكماش ، بسبب انخفاض محتواها من الرطوبة ومحتوى عالي من المواد البروتينية. يمكن تلطيخ الأبواغ بشكل تفاضلي باللون الأخضر الملكيت وكاربول فوشسين.

تسمى الخلية الأم التي تشكلت فيها البوغة عمومًا باسم sporangium. قد يكون لل sporangium أشكال مختلفة اعتمادًا على الأنواع. قد تحتفظ بشكل الخلية الخضرية أو قد تتورم في الجزء الذي تتشكل فيه البوغ. يمكن تشكيل البوغ مركزيًا أو نهائيًا أو جزئيًا. قد يكون للجراثيم نفسها شكل وحجم مختلف.

تظهر أشكال مختلفة من sporangia في الشكل. 2.30:

يكشف الفحص المجهري الإلكتروني للإرسال في قسم رفيع جدًا من الأبواغ الداخلية عن ميزات هيكلية معقدة. يتم تغطية جسم البوغ الرئيسي خارجيًا بهيكل فضفاض يسمى exosporium والذي يتكون من بقايا الخلية الأم البروتوبلاست.

يوجد داخل إكزوسبوريوم عدة طبقات من معاطف الأبواغ. بجانب طبقات الغلاف توجد منطقة سميكة تسمى القشرة. يوجد أسفل القشرة جدار الخلية البدائي الذي يحيط بالغشاء الداخلي. يحيط الغشاء الداخلي بنواة البوغ أو البروتوبلاست.

تظهر السمات الهيكلية لبور داخلي في الشكل. 2.31:

تشكيل Endospore:

يبدأ تكوين Endospore في خلية نباتية عندما يكون النمو الطبيعي محدودًا بواسطة مستقلب أساسي ، خاصة الكربون ومصدر الطاقة. تفترض المادة النووية هيكلًا خيطيًا محوريًا ويتم تقسيم الخلية الخضرية بشكل غير متماثل بواسطة ذاكرة مزدوجة وحاجز شيبرين يتكون بالقرب من قطب واحد.

تنقسم المادة النووية إلى مكملين ، أحدهما متبقي في الخلية الأم والآخر في الجزء الأصغر. يفصل بين الجزأين فقط الغشاء المزدوج. لا تشارك طبقة الببتيدوغليكان للخلية الأصلية.

في المرحلة التالية ، يتم غمر المقصورة الأصغر داخل الحجرة الأكبر عن طريق التكاثر التدريجي لغشاء الحاجز وتقدم الغشاء نحو القطب. بعد اكتمال الابتلاع ، فإن الحيز الأصغر - الذي يصبح الآن بوغًا أماميًا - يقع داخل سيتوبلازم الخلية الأم. يتم تغطية البوغ الأمامي بغشاءين ، الغشاء الداخلي للأبواغ الأمامية (IFM) والغشاء الخارجي للأبواغ الأمامية (ofm).

بعد ذلك ، يتم بناء القشرة عن طريق ترسب الببتيدوغليكان الخاص بالجراثيم بين IFM و ofm. تصبح القشرة سميكة ومتشنجة ، ويشكل النضج الجزء الأكبر من البوغ. القشرة هي بنية مميزة للبكتيريا endospore. يختلف الببتيدوجليكان الخاص به عن الببتيدوجليكان الجداري في كونه أقل ارتباطًا ، وبالتالي ، هيكل أكثر تراخيًا أو فضفاضًا من ببتيدوجليكان الجدار الأكثر إحكاما.

علاوة على ذلك ، فإن البوليمرات الملحقة مثل أحماض التيشويك غائبة في الببتيدوغليكان القشري. أيضًا ، في حين أن معظم بقايا حمض N-acetyl Muramic تحتوي على ذيول رباعي الببتيد في جدار الببتيدوغليكان ، في القشرة فقط حوالي ثلث هذه البقايا لها ذيل رباعي الببتيد. تؤدي الطبقات الداخلية للببتيدوغليكان القشري إلى ظهور جدار الخلية البدائي الذي يشكل جدار الخلية في البوغ الناضج.

الغشاءان ، ifm و ofm ، من البوغ الأمامي فريدان في وجود قطبية معاكسة ، أي أن الأسطح الخارجية للغشاءين تواجه بعضها البعض ، بينما الأسطح الداخلية على الجانبين الخارجيين. ينتج هذا التوجيه لـ ifm و ofm تلقائيًا عن عملية غمر البوغ الأمامي بواسطة الخلية الأم (الشكل 2.32). الاتجاه المعاكس له تأثير مهم على نقل المستقلبات إلى مقدمة البوغ.

يظهر تطور الأبواغ في الشكل 2.33 أدناه:

من السمات المهمة لتكوين البوغ الداخلي تراكم Ca ++ في الخلية الأم. في الخلايا الخضرية ، يكون مستوى الكالسيوم منخفضًا ، ولكن أثناء التبويض ، يتم نقل Ca ++ بنشاط من الوسط للوصول إلى تركيز من 3 إلى 9 ملي مولار.

من سيتوبلازم الخلية الأم ، يتم نقل Ca ++ عن طريق الانتشار السهل في البوغ الأمامي. يحتوي البوغ الأمامي على مركب فريد هو حمض ديبيكولينك الذي لا يوجد في الخلية الأم. هذا المركب (الشكل 2.34) له خاصية مخلب Ca ++ لتشكيل الكالسيوم ديبيكولينات. قد يكون تركيز الكالسيوم ديبيكولينات مرتفعًا جدًا بحيث يشكل 10-15 ٪ من الوزن الجاف للبوابة الداخلية. هذا المركب له علاقة بالمقاومة الحرارية للأبواغ البكتيرية.

إذا حدث تكوين البوغ في وسط يحتوي على تركيز منخفض من الكالسيوم ، فإن الجراثيم تكون أقل مقاومة للحرارة. لكن العامل الأكثر أهمية الذي يمنح مقاومة الحرارة هو حالة الجفاف العالية للسيتوبلازم في الأبواغ الناضجة. هذا العامل مسؤول أيضًا عن ارتفاع معامل الانكسار للجراثيم مما يجعلها حبيبات شديدة الانكماش تحت المجهر الضوئي.

يتم تحرير الإندوسبورات عن طريق تفكك البوغ. تظل بعض أجزاء سيتوبلازم الخلية الأم ملتصقة بطبقة الأبواغ التي تشكل طبقة خارجية فضفاضة. يبدأ إنبات الإندوسبورات بإنتاج أنبوب جرثومي إما من خلال قطب واحد ، أو في بعض الأزمنة الجانبية. ينقسم الأنبوب الجرثومي لإنتاج خلية نباتية. أثناء الإنبات ، يشرب الماء بسرعة مع فقد متزامن لمقاومة الحرارة. تفقد الأبواغ الإنباتية وزنها الجاف بسرعة تصل إلى 25 إلى 30٪. يعود فقدان الوزن الجاف إلى إفراز الأحماض الأمينية والببتيدات وحمض الديبيكولينك.

يظهر إنبات البوغ في الشكل 2.35:

(2) Exospores البكتيرية:

تم العثور على تكوين إكسبورات مفردة بواسطة بكتيريا وحيدة الخلية في حالات قليلة جدًا. تم الإبلاغ عن بكتيريا ميثيل وشيان المؤكسدة ، ميثيلوسينوس ، لتشكيل أبواغ مفردة خارج الخلية عن طريق البراعم والتظليل. هذه الأبواغ الخارجية مقاومة للحرارة والجفاف ، لكنها لا تحتوي على حمض ديبيكولينك.

من المعروف أيضًا أن بكتيريا التمثيل الضوئي ، Rhodomicrobium vannielii ، تشكل الأبواغ الخارجية المثلثة في ظل ظروف غذائية مستنفدة. هذه الأبواغ الخارجية هي أيضًا مقاومة للحرارة والجفاف والأشعة فوق البنفسجية. تنبت المبيدات ثلاثية الأبواغ و shylar عن طريق إنتاج أنابيب جرثومية من كل زاوية عند عودة الظروف الغذائية المواتية (الشكل 2.36).

تتشكل الكونيديا خارجيًا وتوجد في معظم أنواع الفطريات الشعاعية. الفطريات الشعاعية ، كما لاحظنا ، هي بكتيريا تشكل الفطريات ، أحيانًا مع ركيزة متقنة وخيوط جوية. في أعضاء Streptomyces ، Micromonospora ، Streptosporangium ، Actinoplanes وما إلى ذلك conidia تتشكل في الواصلة الهوائية. في كثير من الحالات ، توجد سلاسل طويلة مستقيمة أو مرنة أو حلزونية أو ملفوفة من الكونيديا تتكون من طرف حوامل كونيدية. في بعض الأجناس ، تتشكل الكونيديا محاطة ببوغة (الشكل 2.37).

تم العثور على الرائحة المميزة المنبعثة من التربة بعد الاستحمام بسبب كونيدات مشتتة من الفطريات الشعاعية في التربة. Conidia بشكل عام مقاومة للجفاف ، ولكنها ليست مقاومة للحرارة.

الأكياس عبارة عن مراحل استراحة سميكة الجدران ومقاومة للجفاف ، وهي شائعة بين الأوليات والأميبات ، ولكنها توجد أيضًا في عدد قليل من البكتيريا. تتميز بعض أنواع Azotobacter - البكتيريا المثبتة للنيتروجين - الموجودة في التربة والبيئة المائية بتكوين هياكل راحة محددة جيدًا ، تسمى الخراجات.

الكيس البكتيري عبارة عن هيكل سميك الجدران مزود بإكسوسبوريوم وإكسين يحتوي داخل جزء سيتوبلازمي مع مادة نووية ، ريبوسومات وما إلى ذلك. يتم تحويل الخلية النباتية إلى كيس عن طريق استثمار البروتوبلاست بطبقتين من الجدار وإكسوسبوريوم سميك.


شاهد الفيديو: Retrovirus Replication 3D Animation (قد 2022).


تعليقات:

  1. Groramar

    في بعض الأحيان هناك بعض الأشياء وهي أسوأ

  2. Grahem

    المشكلة هي إجابة سريعة :)

  3. Tlazohtlaloni

    بشكل رائع ، هذه الرسالة القيمة للغاية

  4. JoJogis

    انت مخطئ. أنا متأكد. أقترح مناقشته.

  5. Philoctetes

    أنت ترتكب خطأ. أرسل لي بريدًا إلكترونيًا في PM ، وسنناقش.



اكتب رسالة