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细菌细胞增殖和调控原理

2022-10-14 10:28:19
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  细菌细胞的增殖

  细胞增殖是生物体的重要生命特征,主要以分裂的方式进行增殖。单细胞生物,以细胞分裂的方式产生新的个体。多细胞生物,以细胞分裂的方式产生新的细胞,用来补充体内衰老或死亡的细胞。细胞的增殖是生物体生长、发育、繁殖以及遗传的基础。真核生物的分裂依据过程不同有三种方式,有有丝分裂、无丝分裂、减数分裂。其中有丝分裂是人、动物、植物、真菌等一切真核生物中的一种最为普遍的分裂方式,是真核细胞增殖的主要方式。减数分裂是生殖细胞形成时的一种特殊的有丝分裂。

  细菌的分裂方式比真核细胞简单,细胞分裂前首先是DNA的复制,DNA复制完成后,可能会依附于质膜上将要发生分裂的位置旁边。继续完成DNA其余部分的复制。随着细胞的伸长,在一些蛋白质的协助下,复制完成的两个DNA分子分开,形成两个核区,细胞质膜在两个核区之间凹陷、延伸,将两个细胞分隔开,最后形成新的细胞壁。为了抑制蛋白质的合成,两个DNA分子会停留在母细胞中央,无法完全分开。

  细菌的增值非常的快速,在适宜的培养条件下,大肠杆菌每20min就增殖一代,而其中DNA复制则需要40min,是细胞周期长度的两倍。为什么细胞周期比DNA复制的周期所需的时间要短呢?不应该更加长的时间吗?原因是在迅速增殖的细菌中,上一次的DNA复制尚未完成时,下一次的DNA复制就已经开始了。

图例

  细菌细胞增殖的调控

  一般情况下,细菌必须长到一定的大小后,DNA才开始复制;也必须伸长到一定的长度,复制的DNA才能分开,进而进行细胞的分裂。这说明细菌的细胞分裂受到了严格的调控,那么这调控又是怎么进行的呢?

  DnaA蛋白是复制起点(OroC)的结合蛋白,大约需要10个DnaA蛋白携带ATP才能和OroC结合,接着ATP的水解促使此处富含AT碱基对的区域解链,开启DNA的复制。DNA复制开始后,复制起点随即就会发生甲基化,使得下一轮的复制不会立即启动。这是为什么细菌要长大的原因,长大了DnaA蛋白就会增多,从而开始DNA的复制。

  复制完成后,细胞的分裂主要依赖于DNA复制完成的信号、DNA是否受到损伤、两个DNA是否分离。而决定的因素是FtsZ,FtsZ是起始DNA分离的关键蛋白,它与真核细胞的管蛋白是同源物。在细菌DNA复制完成后,FtsZ蛋白会聚集到细胞将来要分开的位置,沿着质膜装配成为环状,也被称为z环;随后z环收缩,并招募与细胞壁形成有关的蛋白聚集于此,最终细胞分裂。FtsZ的功能类似于动物胞质分裂中的微丝,只是现在仍然不清楚它的马达蛋白是什么。这也是为什么细菌必须伸长到一定的长度,复制的DAN才能分开,进而进行细胞的分裂。只有到了一定的长度,FtsZ蛋白才能成长为Z环才能招募聚集细胞壁的蛋白。


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