CURS 5

Dr. Anda Baicus

GENETICA BACTERIANA

EREDITATEA –ADNcapacitatea de a transmite descendenţilor caracterele tipice speciei

• informatia genetica -procese metabolice: asigura cresterea si multiplicarea bacteriană

• cromozomul bacterian • materialul extracromozomial (plasmide, transpozoni)

• funcţii esenţiale : replicarea şi exprimarea totală sau parţială a caracterelor genetice

ADN

Materialul genetic

Genotipul bacterian

Fenotipul bacterian

totalitatea caracterelor bacteriene exprimate şi rezultate din interacţiunea cu mediul înconjurator

totalitatea informaţiei genetice bacteriene, totalitatea caracterelor genetice potenţial

CROMOZOMUL BACTERIAN

Celule procariote • haploide - un singur cromozom •singura moleculă de ADN dublu helicoidală•circular inchisă, (lungime 1 mm, diametrul 2,5 nm)

Dimensiunile cromozomului

• Mycoplasma genitalium 0,58x106 pb (perechi de baze) cu 475 de gene potenţiale • E. coli 4,639 x106 pb cu 4288 de gene potenţiale

Unitatea structurală a ADN-ului

• o bază purinică (adenina A, guanina G) sau pirimidinică (timina T, citozina C), o pentoză (dezoxiriboza) şi acid fosforic

• legăturile fosfodiesterice unesc carbonul 5 al unei molecule de dezoxiriboză cu carbonul 3 al unei molecule adiacente

• ADN (acid dezoxiribonucleic) • macromoleculă •două catene polinucleotidice antiparalele şi complementare răsucite în dublu helix unite prin punţile de hidrogen formate între bazele azotate (A-T, G-C).

 

CROMOZOMUL BACTERIAN

Replicarea semiconservativa

fiecare molecula nou formată conține un lanț polinucleotidic din molecula parentală și un lanț polinucleotidic nou

•separarea celor doua catene complementare la nivelul unei secvențe specifice denumita originea replicării (ORI-origin of replication)

• helicaza disrupe punțile de hidrogen dintre nucleotidele complementare care mențin cele două catene unite•apare o separare sau o bulă de replicare in cromozom•helicazele la nivelul bulei continuă procesul de disrupere a punților de hidrogen, expunând bazele nucleotidice la nivelul unei structuri care poarta denumirea de furcă de replicare•la nivelul furcii de replicare ADN-ul este monocatenar și disponibil pentru sinteza complementara a unui noi catene• enzima care sintetizează noua catenă de ADN este ADN polimeraza III, care se fixează la fiecare catenă și care replică ADN-ul într-o singura direcție 5’-3’• Deoarece cele doua catene parentale sunt antiparalele cele două catene noi se sintetizează pe doua căi diferite dar procesul se desfasoară simultan.•O catenă - conducere este sintetizată continuu ca un simplu lanț de nucleotide • cealaltă catenă rămasă în urmă este sintetizată în segmente scurte care ulterior fuzionează

•Primaza:•ARN polimerază care sintetizează o moleculă scurta de ARN complementară matriței ADN•lanțuri scurte - primeri ; furnizează punctele start (gruparea 3’hidroxil) pentru ADN polimeraza III care începe replicarea ADN-ului•Trifosfat deoxiribonucleotidele formeze punți de hidrogen cu cele complementare din catena parentală, adenina cu timina și guanina cu citozina. •ADN polimeraza III adăugă nucleotidele in catena nou formată cu o viteză de 500-1000 nucleotide/secundă.

•rol și de corecție îndepartand nucleotidele care nu se leagă complementar la catena parentală.•ADN polimeraza I înlocuiește primerul ARN cu ADN•Sinteza catenei rămasă în urmă are loc discontinuu, primaza sintetizează primerii ARN, nucleotidele se leagă complementar la catena parentală•Segmentele discontinuii sintetizate se numesc fragmente Okazaki•ADN polimeraza I înlocuiește primerii ARN cu ADN și are funcție corectoare pentru catena nouă. Ligaza leagă fragmentele Okazaki•Replicarea bacteriană este bidirecțională și este completă când cele două furci de replicare s-au rotit cu 180 grade față de origine• Topoizomeraza (giraza) este esențială în procesul de superîncolăcire a moleculei de ADN

Componenentele cromozomului• Gena: secventa de nucleotide dispuse liniar - informatia

genetica -sinteza de proteine specifice, structurale sau functionale

• Cistronul: subunitate functionala a genei -determina independent sinteza unui lant polipeptidic

• Codonul: 3 nucleotide consecutive din structura moleculei de A D N - informatia genetica pentru plasarea intr-o anumita secventa a unui aminoacid in lantul polipeptidic

Materialul genetic extracromozomial

PLASMIDELE• ADN extracromozomial circulare -replicare independenta fata de

cromozomul bacterian• bacterii Gram pozitive cat si la cele Gram negative.• diferite tipuri de plasmide pot exista intr-o singura bacterie.• conţin informaţia genetică neesenţială pentru viabilitatea bacteriană• se află numai în stare autonomă în celula bacteriană• genele continute de plasmide pot fi responsabile de aparitia rezistentei la

antibiotice (mediata de enzime), secretie de exotoxine, producere de bacteriocine (toxine sau enzime produse de anumite bacterii si sunt letale pentru alte bacterii

• Clasificarea plasmidelor:• factorul R codifică rezistenţa la antibiotice• factorul “col “responsabil de sinteza unor substanţe cu acţiune antimicrobiană

(colicine)• factorul F ca factor independent în citoplasmă

EPISOMII

• molecule de ADN extracromozomial dublu catenar, circular ce pot exista fie integrate în cromozomul bacterian sau în stare autonomă.

Clasificarea bacteriilor în funcţie de prezenţa sau absenţa factorului F (factor de fertilitate) mediază crearea pilului sexual (canal de conjugare) necesar transferului prin conjugare a plasmidului F către celula receptoare  :

F- lipsite de factorul F, acceptoare de material genetic (bacterii “ femele“)

F+ au factorul F autonom în citoplasmă, donatoare de material genetic (bacterii mascule)

Hfr (frecvenţă de recombinare crescută) au factorul F integrat în cromozomul bacterian

F’ ( factor de fertilitate recombinant) iniţial a fost integrat în structura cromozomului şi ulterior devine autonom în citoplasmă, dar poartă cu el şi gene cromozomale)

•SECVENŢE DE INSERŢIE

fragmente foarte scurte de ADN care prin inserare în cromozom plasmide sau episomi modifică secvenţele nucleotidice exprimate prin modificări ale expresiei

fenotipice.  TRANSPOZONI

• fragmente de ADN liniar care migreaza usor de la un loc la altul, in interiorul sau intre ADN bacterian, plasmidian sau cel bacteriofagic

• nu sunt capabili de replicare independenta, se replica ca parte integranta a recipientului ADN

• mai mult de un transpozon poate fi localizat in structura ADN –ului recipient

• deţin informaţia genetică necesară sintezei uneia sau mai multor proteine

• responsabili de aparitia rezistentei la antibiotice, secretia de enzime, toxine si pot produce mutatii esentiale in structura genei

in care se insereaza sau pot altera expresia genelor vecine 

 

capul •formă icosaedrică conţine ADN-ul înconjurat de înveliş proteic (capsida•formată din subunităţi numite capsomere),•lungime 100nm,=60nm.coada •formată din proteine;rol de protecţie, ataşare , penetrarea genomului viral •cilindrul axial lungime 100nm, =8nm•teaca cozii lungime 80 nm=16nm, 144 unităţi proteice dispuse în inele aranjate helicoidal cu proprietăţi contractile•gulerul cozii localizat în partea proximală a tecii cozii•placa bazală localizată în partea distală a cozii•croşetele (subunităţi proteice de fixare a virusului pe suprafaţa bacteriei)fibrele cozii sunt ataşate de gulerul cozii

BACTERIOFAGUL

Cap

Guler

Teaca cozii

Placa bazala

Crosete

MECANISMELE VARIABILITĂŢII GENETICE LA BACTERII

• se transmite la descendenţi • reprezintă modificări genetice definitive

atât cromozomiale cât şi extracromozomiale

• Mecanismele prin care apar aceste modificări sunt :

• mutaţiile• transferul • recombinarea genetică.

•MUTAŢIILEalterarea secvenţei de ADN apărută spontan sau indusă se concretizează în schimbări fenotipiceinduse de factori chimici (5 bromouracil poate fi inserat în locul timinei), factori fizici (radiaţii X, UV), virusuri (bacteriofag)

• apar în timpul diviziunii rapide bacteriene (faza logaritmică)

• modificarea secvenţei bazelor azotate din genomul bacterian

• frecvenţa de apariţie este de aproximativ o dată pentru fiecare genă la fiecare 1 million de celule

MUTATIILE

funcţie de numărul nucleotidelor afectate :• punctiforme (alterarea unui nucleotid) • extinse (alterarea mai multor nucleotide/codoni/gene).funcţie de mecanismul de apariţie:• substituţii (înlocuirea unei baze purinice sau pirimidinice),

de obicei nu afectează expresia unei gene• inserţia , schimbarea genelor şi produşilor de expresie prin

integrarea unui nou ADN prin transpozoni sau secvenţe de inserţie

• deleţia , excizia extinsă a unui fragment de ADN cu alterarea secvenţei ce codifică proteinele

• inversarea ordinii nucleotidelor

Efectul mutaţiilor

• Substituţie a unui aminoacid cu un altul• fără afectare fenotipică(mutaţii silenţioase) • mutaţii nonsens urmate de apariţia proteinelor

inactive • Reversia =recâştigarea funcţiei pierdute prin

mutaţii se poate realiza prin• reversie (adevărată) genotipică (apărută exact la

locul alterării ADN-ului)• reversie fenotipică (supresie) restaurarea unei

activităţi pierdute prin mutaţie, printr-o mutaţie apărută la un loc secund ( mutaţie supresoare)

•  

TRANSFERUL ŞI RECOMBINAREA GENETICĂ

Mecanismele necesită existenţa unei celule donoare de material genetic şi a unei celule care accepta acest material

• Transferul se face în cadrul aceleiaşi specii sau între specii bacteriene înrudite şi implică transferul fragmentelor de ADN sau a întregului cromozom

• Recombinarea implică combinarea în celula receptoare a ADN –ului genomic cu materialul genetic transferat cu apariţia unei celule cu caractere genetice noi.

Mecanismele de transfer genetic sunt:

• transformarea• transducţia• conjugarea

TRANSFORMAREA

• fragmente de ADN trec de la o celula donor la o celulă receptor (aflată în stare de competenţă, în faza exponenţială de creştere) prin recombinare genetică

• mediată de factori de competenţă de suprafaţă (receptori ADN, enzime)

• In 1928 Grffith a realizat experienţa cu tulpini de pneumococi vii avirulenţi tip serologic II, tulpini virulente omorâte tip III cu capsulă, inoculate la şoricei albi. Aceştia au murit prin septicemie, tulpina izolată din lichidul peritoneal a fost tulpină virulentă tip III

 

TRANSFORMAREA

TRANSDUCŢIA

• transferul materialului genetic (cromozomial, extracromozomial) cu ajutorul bacteriofagului

• integrarea bacteriofagului în cromozomul bacterian (profag - bacteriofag temperat) poate redeveni şi virulent

• prin desprinderea din cromozom profagul antrenează gene ale acestuia şi le poate integra în cromozomul altei bacterii.

TRANSDUCTIA GENERALIZATA

•nerestrictivă - este posibilă încorporarea oricăror gene bacteriene în particula virală matură pentru a forma un fag transductor

•restrictivă (specializată) – numărul de gene bacteriene transferate de fagii transductori este mic şi sunt foarte apropiate situsului de legare a profagului în cromozomul bacterian

TRANSDUCTIA SPECIALIZATA

CONJUGAREA Procesul prin care se realizează transferul materialului genetic (cromozomial sau extracromozomial) de la o celulă donor (F +)

la una acceptor (F -) prin canalul de conjugare

CICLUL LITIC PRODUCTIV•adsorbţia pe suprafaţa bacteriei (fibrele –reversibilă, croşetele-ireversibilă).Secreţia de muramidază este eliberată de la nivelul croşetelor, lizează mureina•penetrarea , teaca cozii se contractă, cilindrul axial patrunde prin peretele bacterian, ADN este injectat în citoplasma bacteriană•multiplicarea bacteriofagului , ADN bacterian este blocat , ADN fagic preia funcţiile de multiplicare şi se sintetizează componentele proprii •maturarea fagilor , asamblarea componentelor virale (proteine , ADN viral) cu apariţia fagilor virulenţi•liza bacteriană , secreţia de endolizină bacteriană permit liza peretelui bacterian cu eliberarea fagului virulent

CICLUL LIZOGEN REDUCTIVBacteriofagul patruns în celula nu preia funcţiile ADN bacterian ci se integrează ca o genă nouă în cromozom. Celula se reproduce normal , transmiţând descendenţilor gena reprezentată de profag. Sub acţiunea unor factori inductori sau spontan profagul poate deveni virulent producând liza celulei gazdă.Proprietăţile bacteriei lizogene :•rezistenţa la acţiunea bacteriofagilor omologi•produce fagi maturi virulenţi sub acţiunea agenţilor inductori•poate genera fagi recombinaţi genetic•poate purta fagul defectiv (nu se reactivează niciodată)