Prokaryota obecně

Prokaryotní organismy jsou tvořeny tzv. prokaryotní buňkou, která má mnohem jednodušší stavbu než buňka eukaryotní. Její jedinou membránou je plazmatická membrána, tvořící povrch buňky. Neobsahuje tudíž membránové organely (vakuoly, mitochondrie, plastidy), jejichž funkce je různě nahrazována (např. metabolické děje volně v cytoplazmě, jádro bez obalu, tylakoidní útvary u fotosyntetizujících prokaryot se tvoří z vychlípenin plazmatické membrány apod.).

Se samotným zařazením těchto organizmů bývá někdy potíž, proto se můžete v různé literatuře setkat s určitými rozdíly. Mně osobně se nejvíce líbí toto zařazení: Prokaryota tvoří samostatnou nadříši živých organizmů s prokaryotickou buňkou. Mezi ně patří archebakterie, bakterie a sinice.

Právě na bakterie bychom se zde nyní zaměřili.

Obrázek 1 - Schéma prokaryotní buňky

Bakterie

Co je vlastně na bakteriích tak zajímavého, že se o nich tolik mluví v genetických souvislostech? Bakterie jsou totiž neuvěřitelně vhodné pro genetický výzkum. Rozmnožují se sice nepohlavně, ale velmi rychle se množí a ve velmi krátké době lze vytvořit mnohamiliónové populace, a to přesně za těch podmínek, které jsme chtěli navodit. Je to mnohem jednodušší než u vyšších organismů, u kterých by se navíc neúměrně zvýšily finanční náklady na tyto pokusy. Mnohamilionové populace nám také zvyšují šanci na vznik velmi vzácných mutací, které by se u menších populací téměř jistě neprojevily. Některé bakteriální enzymy - tzv. restrikční endonukleázy umožnily vznik technologiím rekombinantní DNA. Bakteriální populace se používají i pro klonování DNA, nebo pro uchovávání DNA knihoven.

Obrázek 2 - Tvarové rozmanitosti koků

Bakteriální chromozom a jeho replikace

Chromozom bakterií je tvořen jedinou, kruhovitě sevřenou dvouvláknovou šroubovicí deoxyribonukleové kyseliny (DNA). Tím, že obsahuje pouze jeden chromozom, je bakteriální buňka trvale haploidní. Tato struktura je označována jako nukleoid (neplést s nucleus - eukaryota) a funkcí tak odpovídá buněčnému jádru. Při replikaci nedochází k meioze ani k mitoze. Chromozom bakterií neobsahuje introny a z funkčního hlediska jej tedy můžeme považovat za jediný exon (introny, exony viz. transkripce). Bakteriální chromosom obsahuje nepostradatelnou genetickou informaci. Jeho replikace probíhá souměrně, symetricky a z jednoho místa (narozdíl od eukaryot, kde se při replikaci tvoří replikačních počátků více). Hlavním enzymem replikace je opět DNA polymeráza (u bakterií rozlišujeme polymerázu I, II a III), rozpletení šroubovice i případné nadšroubovice mají na starosti topoizomerázy a helikázy, vznik RNA primeru nutného pro iniciaci replikace katalyzuje DNA primáza a spojení Okazakiho fragmentů na opožděném řetězci provede DNA ligáza.

Mimo nukleoid je genetická informace obsažena i jinde. Jde především o plazmidy a genomy bakteriálních virů (bakteriofágů).

Plazmidy

Plazmidy jsou nezávisle se replikující molekuly cirkulární DNA, které mohou existovat mimo chromozom bakterie a mohou nést různé informace. Tyto informace nejsou pro bakterii životně nezbytné, ale mohou ji určitým způsobem zvýhodňovat, například pokud plazmid kóduje rezistenci na některá antibiotika.

Za zmínku stojí především plazmidy F, které geneticky umožňují konjugaci - tedy způsob přenosu genetické informace mezi bakteriemi. Bakterie s F plazmidy tvoří tzv. pohlavní pilus, který zprostředkuje kontakt s další bakterií. Mezi oběma bakteriemi vznikne cytoplazmatický můstek, kterým prochází jedno vlákno z dvoušroubovice plazmidu. V buňce donorové i recipientní je pak vlákno dosyntetizováno zpět na dvoušroubovici. Přenos plazmidové DNA je tak stejně jako replikace DNA semikonzervativní proces. Bakterie, která takto získala F plazmid, může nadále konjugaci sama iniciovat. Plazmidy se mohou přenášet i mezi bakteriemi různých druhů, přesto zde však platí různá omezení (grampozitivní bakterie většinou neumí předat plazmidy gramnegativním bakteriím a naopak).

Obrázek 3 - Schéma konjugace

Transdukce a transformace

Transformace - Transformací nazýváme přenos volné DNA do bakteriální buňky. Je to aktivní proces, který je limitovaný schopností bakterie tuto DNA přijímat (membránové receptory, enzymatická výbava), ale i velikostí transformované DNA. Pokud bakterie fragment DNA přijme - může být tento integrován do bakteriálního chromosomu.

Transdukce - Transdukce je přenos genetické informace zprostředkovaný bakteriofágy. Bakteriofágy mají schopnost integrovat svou genetickou informaci do bakteriálního chromosomu. Tato informace může být z chromosomu opětovně vyštěpena a virus opouští buňku. Pokud nedojde k přesnému vyštěpení této DNA - potom s sebou virus přenáší i část původně bakteriální DNA. Jakmile tento virus infikuje další bakterii - přenese se i tato část genetické informace.

Konjugace, tranformace a transdukce jsou děje, při kterých dochází k šíření genetické informace i mimo klasickou cestu - tj. dělení bakteriálních buněk. Tyto děje označujeme jako parasexuální děje. Tranformace a transdukce mají velké uplatnění při různých biotechnologických metodách.

Transkripce u prokaryot

Mezi nejdůležitější rozdíly oproti transkripci u eukaryot patří absence transkripčního komplexu. Trankripci zde uskutečňuje DNA dependentní RNA polymeráza a její podjednotka - σ faktor (sigma faktor). σ faktor je zodpovědný za rozpoznání promotoru (tedy zastává roli eukaryotních transkripčních faktorů). Za ukončení transkripce je opět odpovědná signální sekvence - terminátor.

Translace u prokaryot

Stejně jako u eukaryot, probíhá i u bakterií translace na ribozomech. Ty mají však mírně odlišnou stavbu - velká podjednotka (50S) je tvořena přibližně 30 proteiny a 2 molekulami rRNA (5S rRNA a 23S rRNA), zatímco malá podjednotka (30S) je tvořena přibližně 20 proteiny a molekulou 16S rRNA.

Transkripty mRNA neprocházejí u prokaryot žádnými dalšími úpravami, ani nemusí překonávat jadernou membránu (která u prokaryot neexistuje). U prokaryot se tak často setkáváme se spřažením dějů transkripce a translace, kdy může být na jednom konci mRNA stále elongována během transkripce, zatímco na druhý - již volný - konec mRNA začínají nasedat ribozomy a je zde zahájena translace. To vede ke značnému urychlení proteosyntézy.

Za iniciaci translace je odpovědná malá podjednotka ribozomu a tRNA nesoucí (formyl)methionin (nasedající na AUG kodon). Prokaryotní mRNA nemá čepičku (CAP), místo toho je však v mRNA před AUG kodonem speciální signální sekvence pro navázání ribozomální podjednotky. Translace tedy může začínat i zprostřed mRNA, z jedné molekuly mRNA tak může vzniknout i několik polypeptidových vláken (umožňuje translaci operonů - viz níže).

Další zvláštností prokaryot jsou tzv. operony. Operony jsou geny, které jsou přepisovány do jedné molekuly mRNA. Tyto geny jsou společně regulovány - buď jsou přepisovány všechny - nebo žádný. Nejznámějším příkladem je lac operon u bakterií. Jedná se o tři geny, jejichž exprese umožní bakterii použít laktosu jako zdroj energie v situaci, kdy je jiných energetických zdrojů nedostatek. Naopak - pokud o primární zdroje není nouze - k expresi lac operonu nedochází.

Obrázek 4 - Funkce lac operonu