Biologia molekularna bakterii

Tytuł Biologia molekularna bakterii Język polski Wydawnictwo Wydawnictwo Naukowe PWN ISBN 978-83-01-18183-3 Rok wydania 2016 Warszawa Wydanie 2 liczba stron 544 Format pdf Spis treści NAJWAŻNIEJSZE użytkowanE SKRÓTY XI 1. POZYCJA FILOGENETYCZNA BAKTERII I ZASADY ICH TAKSONOMII 1 Wprowadzenie 1 1.1. Prokarioty i eukarioty 1 1.1.1. Miejsce bakterii we wczesnych systemach klasyfikacji organizmów 2 1.1.2. Trzy domeny świata żywego i „uniwersalne drzewo życia", pozycja filogenetyczna bakterii według koncepcji Woesego 2 1.2. Ogólna charakterystyka domen 3 1.2.1. Bacteria i Archaea – podobieństwa i różnice 4 1.3. Klasyfikacja i nazewnictwo bakterii 6 1.3.1. Koncepcja gatunku u prokariotów 6 1.3.2. Zasady nazewnictwa 8 1.3.3. Najważniejsze typy i klasy taksonomiczne bakterii 8 1.4. Metody identyfikacji i klasyfikacji bakterii i archeonów 10 1.4.1. Analizy fenotypowe 10 1.4.2. Analizy DNA 11 1.4.3. Analiza porównawcza białek 15 1.5. Bakterie i archeony w dobie metagenomiki 15 1.6. Bergey’s manual of systematic bacteriology i The prokaryotes 16 Literatura uzupełniająca 16 2. BUDOWA I FUNKCJE KOMÓRKI BAKTERYJNEJ 18 Wprowadzenie 18 2.1. Morfologia i cykle życiowe bakterii 18 2.1.1. Zarys bakterii i układy komórek 19 2.1.2. Cykle życiowe bakterii 20 2.2. Barwienie Grama – bakterie gramdodatnie i gramujemne 20 2.3. Cytozol i jego części składowe 23 2.3.1. Rybosomy 23 2.3.2. Białka cytoszkieletu 23 2.3.3. Materiały zapasowe 27 2.3.4. Magnetosomy 29 2.3.5. Karboksysomy i enterosomy 30 2.3.6. Przedziały komórkowe u przedstawicieli Planctomycetes 31 2.3.7. Pęcherzyki gazowe 33 2.3.8. Systemy błon wewnątrzcytoplazmatycznych u bakterii 33 2.4. Budowa i funkcje osłon bakteryjnych 33 2.4.1. Błona cytoplazmatyczna 33 2.4.2. Udział białek błony cytoplazmatycznej w procesach energetycznych 35 2.4.3. Procesy transportu przez błonę cytoplazmatyczną 37 2.4.4. Antybiotyki działające na błonę cytoplazmatyczną 41 2.4.5. Przestrzeń peryplazmatyczna 42 2.4.6. Mureina ściany komórkowej 46 2.4.7. Polimery związane z mureiną 51 2.4.8. Bakterie pozbawione sakulusa 57 2.4.9. Błona zewnętrzna bakterii gramujemnych 59 2.4.10. Warstwa S 66 2.4.11. Białka amyloidalne 68 2.4.12. Otoczki bakteryjne 68 2.4.13. Biosynteza związków formujących osłony komórkowe bakterii 72 2.5. Struktury zewnątrzkomórkowe 81 2.5.1. Rzęski i chemotaksja 81 2.5.2. Inne sposoby poruszania się bakterii 86 2.5.3. Fimbrie 88 2.5.4. Celulosomy 90 2.5.5. Pęcherzyki błonowe 90 2.5.6. Fibryle 92 2.5.7. Spinae 92 2.6. Formy przetrwalnikowe bakterii 93 2.6.1. Endospory 93 2.6.2. Inne formy przetrwalnikowe 95 2.7. Wielokomórkowe społeczności bakteryjne 96 2.7.1. Biofilmy 97 2.7.2. Maty mikroorganizmów 100 Literatura uzupełniająca 101 3. METABOLIZM 103 Wprowadzenie 103 3.1. Ogólna charakterystyka metabolizmu 104 3.1.1. Typy pokarmowe 104 3.1.2. Pierwiastki biogenne 105 3.1.3. Azot 106 3.1.4. Siarka 114 3.1.5. Fosfor 116 3.1.6. Czynniki wzrostowe 117 3.2. Metabolizm chemoorganoheterotrofów 117 3.2.1. Rozkład polimerów 117 3.2.2. Wykorzystanie węglowodorów alifatycznych i związków aromatycznych 123 3.2.3. Glikoliza 125 3.2.4. Szlak heksozomonofosforanowy 128 3.2.5. Szlak Entnera–Doudoroffa 128 3.2.6. Cykl kwasu cytrynowego 130 3.2.7. Proces glioksalowy 132 3.2.8. Fermentacje – fosforylacja substratowa i endogenne akceptory elektronów 133 3.3. Metabolizm chemolitotrofów 139 3.3.1. Nitryfikacja i anamoks 140 3.3.2. Utlenianie związków siarki 145 3.3.3. Metabolizm wodoru 150 3.3.4. Utlenianie tlenku węgla 152 3.3.5. Bakterie utleniające żelazo 153 3.3.6. Wykorzystanie innych związków nieorganicznych w metabolizmie chemolitotroficznym 154 3.4. Metabolizm fototrofów 155 3.4.1. Barwniki uczestniczące w fotosyntezie 156 3.4.2. Bakterie fototroficzne 159 3.4.3. Fotosynteza anoksygenna 159 3.4.4. Fotosynteza oksygenna 165 3.4.5. Inny sposób zastosowania światła poprzez bakterie 167 3.5. Metabolizm tlenowy i beztlenowy 168 3.5.1. Metabolizm tlenowy 168 3.5.2. Oddychanie 171 3.5.3. Oddychanie beztlenowe 173 3.5.4. Inne sposoby generowania siły protonomotorycznej 182 3.6. Asymilacja dwutlenku węgla i metabolizm związków C1 183 3.6.1. Cykl Calvina 183 3.6.2. Redukcyjny proces kwasów trikarboksylowych 186 3.6.3. Redukcyjny szlak acetylo-CoA (szlak Ljungdahla–Wooda) 187 3.6.4. Szlak 3-hydroksypropionowy 189 3.6.5. Metylotrofia – wykorzystanie związków C1 190 3.6.6. Asymilacja węgla u metylotrofów 193 Literatura uzupełniająca 197 4. CHROMOSOM BAKTERYJNY 198 Wprowadzenie 198 4.1. Struktura genomów bakteryjnych 198 4.2. Struktura chromosomu bakteryjnego 201 4.2.1. Podwójna helisa 201 4.2.2. Forma kolista, kowalencyjnie zamknięta i forma liniowa 202 4.2.3. Superhelisa 203 4.2.4. Pofałdowany chromosom 203 4.2.5. Białka histonopodobne, budowa i funkcja 204 4.3. Replikacja chromosomu 206 4.3.1. Podstawowe reguły replikacji 206 4.3.2. Inicjacja replikacji 208 4.3.3. Elongacja replikacji 211 4.3.4. Terminacja replikacji i segregacja chromosomów 214 4.3.5. Antybiotyki hamujące syntezę DNA 216 4.4. Rekombinacja homologiczna 217 4.4.1. Typy rekombinacji u bakterii i podstawowe warunki wymagane do zajścia rekombinacji homologicznej 217 4.4.2. Modele rekombinacji homologicznej 218 4.4.3. Molekularny mechanizm rekombinacji homologicznej 219 4.4.4. Rola rekombinacji homologicznej w naprawie DNA 222 4.4.5. Związek pomiędzy rekombinacją homologiczną i replikacją 222 4.5. Zmienność mutacyjna 224 4.5.1. Typy mutacji, kryteria klasyfikacji 224 4.5.2. Mutacje spontaniczne 225 4.5.3. Mutacje indukowane 226 4.5.4. Supresja mutacji 228 4.6. Naprawa uszkodzeń DNA 230 4.6.1. Prosta rewersja błędu 230 4.6.2. Naprawa poprzez wycinanie 231 4.6.3. Naprawa rekombinacyjna 234 4.6.4. Regulon SOS 235 Literatura uzupełniająca 236 5. EKSPRESJA GENÓW 237 Wprowadzenie 237 5.1. Transkrypcja 237 5.1.1. Transkrypcyjna organizacja bakteryjnego DNA – operony 238 5.1.2. Typy RNA, ich funkcje w komórce 238 5.1.3. Polimeraza RNA 240 5.1.4. Inicjacja transkrypcji i jej regulacja 243 5.1.5. Elongacja transkrypcji i jej regulacja 249 5.1.6. Terminacja transkrypcji i jej regulacja 250 5.1.7. Potranskrypcyjna modyfikacja RNA i jego stabilność 256 5.1.8. Antybiotyki hamujące transkrypcję 257 5.2. Translacja 257 5.2.1. Budowa rybosomów i ich rola w syntezie białek 258 5.2.2. Inicjacja translacji i jej regulacja 259 5.2.3. Elongacja translacji i jej regulacja 260 5.2.4. Terminacja translacji 261 5.2.5. Aminoacylacja tRNA 262 5.2.6. Kod genetyczny 262 5.2.7. Fałdowanie się białek i udział białek opiekuńczych w tym procesie 264 5.2.8. Potranslacyjna obróbka i degradacja białek 266 5.2.9. Antybiotyki hamujące syntezę białek 268 5.3. Globalne systemy regulacji ekspresji genów 269 5.3.1. Regulon cAMP–CRP 270 5.3.2. Regulon azotowy 272 5.3.3. Regulon szoku cieplnego 275 5.3.4. Odpowiedź ścisła 277 5.4. Ryboregulacja 279 5.4.1. Znaczenie ryboregulacji w kontroli ekspresji genów 279 5.4.2. Antysensowny sRNA kodowany w pozycji cis 279 5.4.3. Regulatorowy sRNA kodowany w pozycji trans 281 5.4.4. SRNA wiążący białka i sRNA dwufunkcyjny 281 5.4.5. Rola białka Hfq w ryboregulacji 282 5.4.6. Ryboprzełączniki 282 Literatura uzupełniająca 284 6. RUCHOME części GENETYCZNE BAKTERII I HORYZONTALNY TRANSFER GENÓW 285 Wprowadzenie 285 6.1. Plazmidy bakteryjne 285 6.1.1. Definicja plazmidu 285 6.1.2. Struktura cząsteczki plazmidu 287 6.1.3. Charakterystyczna charakterystyka, klasyfikacja i nazewnictwo plazmidów 289 6.1.4. Replikacja plazmidów 290 6.1.5. Regulacja procesu replikacji 298 6.1.6. Mechanizmy zapobiegające utracie plazmidów poprzez komórki bakteryjne 301 6.1.7. Molekularne podstawy niezgodności plazmidów i zakresu gospodarzy 304 6.1.8. Funkcje fenotypowe bakterii determinowane poprzez plazmidy 306 6.2. Części transpozycyjne 312 6.2.1. Transpozony I grupy 315 6.2.2. Transpozony II grupy 317 6.2.3. Nieautonomiczne TE i kasety transpozycyjne 319 6.2.4. Bakteriofag Mu 320 6.2.5. Regulacja częstości transpozycji 320 6.2.6. Warianty zmian w DNA wywołanych transpozycją 322 6.3. Elementy integrujące z DNA 323 6.3.1. Klasyfikacja i nazewnictwo komponentów integrujących z DNA 323 6.3.2. Struktura genetyczna i atrybuty Tn916 324 6.3.3. Integrony i kasety genowe 326 6.4. Przenośne introny i inteiny 328 6.4.1. Introny I grupy 328 6.4.2. Introny II grupy 328 6.4.3. Inteiny 330 6.5. Ruchome części genetyczne o hybrydowej strukturze 330 6.6. Wyspy genomowe 331 6.7. Rola ruchomych elementów genetycznych w horyzontalnym transferze genów 332 6.8. Mechanizmy horyzontalnego transferu genów 333 6.8.1. Koniugacja 334 6.8.2. Transformacja bakteryjna 346 6.8.3. Transdukcja 349 6.8.4. Inne mechanizmy HGT 352 6.9. Bariery horyzontalnego transferu genów 354 6.9.1. Systemy restrykcji i modyfikacji 354 6.9.2. Systemy CRISPR 355 6.10. Wpływ HGT na zmienność i ewolucję bakterii 357 Literatura uzupełniająca 358 7. BAKTERIOFAGI 359 Wprowadzenie 359 7.1. Taksonomia i nazewnictwo bakteriofagów 359 7.2. Budowa cząstek fagowych 363 7.2.1. Cząstki o strukturze helikalnej 363 7.2.2. Cząstki o strukturze izometrycznej 363 7.2.3. Cząstki o złożonej strukturze wirionu 363 7.3. Organizacja i struktura genomowych kwasów nukleinowych 364 7.3.1. Bakteriofagi typu (+)RNA 365 7.3.2. Bakteriofagi mające jako genom dwuniciowy RNA 365 7.3.3. Struktura i organizacja genetyczna genomu bakteriofagów rodzaju DNA 366 7.4. Namnażanie się bakteriofagów 370 7.4.1. Etapy cyklu namnażania 370 7.4.2. Adsorpcja i penetracja 370 7.4.3. Losy DNA fagowego w komórce 372 7.5. Ekspresja materiału genetycznego bakteriofagów 374 7.5.1. Ekspresja materiału genetycznego prokariotycznych wirusów rodzaju (+)RNA 374 7.5.2. Ekspresja materiału genetycznego faga dsRNA 375 7.5.3. Regulacja ekspresji genomu bakteriofagów rodzaju DNA 376 7.5.4. Ekspresja genów bakteriofagów zawierających genom w postaci ssDNA 376 7.5.5. Ekspresja genów bakteriofagów zawierających genom w postaci dsDNA 378 7.6. Replikacja genomów bakteriofagów 387 7.6.1. Replikacja genomowego RNA o dodatniej polarności 387 7.6.2. Replikacja DNA bakteriofagów 388 7.6.3. Replikacja DNA fagów posiadających jako genom ssDNA 390 7.6.4. Replikacja DNA fagów posiadających jako genom dsDNA 392 7.7. Składanie i dojrzewanie cząstek bakteriofagów 397 7.7.1. Składanie bakteriofagów o strukturze helikalnej i izometrycznej 397 7.7.2. Składanie bakteriofagów o złożonej strukturze 398 7.8. Uwalnianie cząstek fagowych z komórki 400 7.9. Wykorzystanie i rola bakteriofagów 401 7.9.1. Zastosowanie bakteriofagów w technice phage display 401 7.9.2. Użycie bakteriofagów w leczeniu zakażeń bakteryjnych (terapia fagowa) 401 7.9.3. Rola bakteriofagów w patogenności bakterii 402 Literatura uzupełniająca 403 8. MOLEKULARNE PODSTAWY BAKTERYJNEJ PATOGENEZY 404 Wprowadzenie 404 8.1. Choroby infekcyjne 405 8.1.1. Definicje, tradycyjne i molekularne postulaty Kocha 405 8.1.2. Zachorowalność, śmiertelność 406 8.2. Zmienność genomów bakterii patogennych 408 8.2.1. Horyzontalny transfer genów 408 8.2.2. Globalne mutatory 409 8.2.3. Rearanżacje genomów 410 8.2.4. Analizy porównawcze genomów; pangenomy bakterii patogennych 410 8.2.5. Analizy porównawcze transkryptomów 415 8.3. Projekt HMP – Human Microbiome Project 416 8.4. Przezwyciężanie mechanizmów obronnych organizmu gospodarza 417 8.4.1. Mechanizmy obronne we wrotach zakażenia (skóra i błony śluzowe) 418 8.4.2. Mechanizmy nieswoiste działające na poziomie krwi i tkanek 419 8.4.3. Peptydy antybakteryjne 426 8.4.4. Mechanizmy swoiste 427 8.5. Sekrecja czynników wirulencji 428 8.5.1. Białka powierzchniowe bakterii gramdodatnich 429 8.5.2. Sekrecja czynników wirulencji bakterii gramujemnych 430 8.5.3. Systemy sekrecji typu VII standardowe dla bakterii rodzajów Mycobacterium i Corynebacterium 440 8.5.4. Pęcherzyki błonowe – MV i OMV 440 8.5.5. Niesklasyfikowane systemy sekrecji (ang. non classically secreted) 441 8.6. Adhezja 441 8.6.1. Mediatory adhezji – fimbrie 442 8.6.2. Adhezyny niefimbrylarne 443 8.6.3. Procesy adhezji w jamie ustnej 444 8.6.4. Skutki procesów adhezji 446 8.7. Patogeny w środkukomórkowe 447 8.7.1. Zastosowanie białek G (GTPaz) 448 8.7.2. Wpływ w środkukomórkowych patogenów na procesy ubikwitynacji białek gospodarza – rola w patogenezie 449 8.7.3. Inwazyjność bakterii rodzaju Salmonella 449 8.7.4. Inwazyjność bakterii rodzaju Shigella 453 8.7.5. Oddziaływanie enteropatogennych Escherichia coli z komórkami nabłonkowymi 456 8.8. Modulacja procesów przeżywalności komórek eukariotycznych przez bakterie patogenne 460 8.8.1. Salmonella 461 8.8.2. Helicobacter pylori 463 8.9. Regulacja wytwarzania czynników wirulencji 464 8.9.1. Zmienność antygenowa, zmienność fazowa 464 8.9.2. Regulacja ekspresji genów kodujących czynnik wirulencji poprzez czynniki środowiska na poziomie transkrypcji 468 8.9.3. Regulacja syntezy czynników wirulencji na poziomie RNA (nieduże RNA, ryboprzełączniki, antysensowne RNA) 473 8.9.4. Przykłady kaskadowej regulacji ekspresji genów kodujących czynniki wirulencji 474 8.10. Toksyny bakteryjne 477 8.10.1. Egzotoksyny 478 Literatura uzupełniająca 482 SŁOWNICZEK 484 SKOROWIDZ 496