Бинарно делене: определение, механизъм и значение при бактерии

Бинарно делене — определение, механизъм и биологично значение при бактерии: как репликацията и разделянето създават две генетично идентични дъщерни клетки.

Бинарното делене ("разделяне наполовина") е вид безполово размножаване и представлява основният начин за размножаване при много едноклетъчни микроорганизми. То е най-разпространената форма на размножаване при прокариоти като бактериите, но се среща и при някои едноклетъчни еукариоти като амеба и парамоеций. При бинарното делене процесите на репликацията и сегрегацията на генетичния материал често протичат едновременно, което отличава този начин на размножаване от по-сложните механизми при многоклетъчните организми.

Механизъм — стъпки на бинарното делене

При бинарното делене напълно развитата майчина клетка се разделя на две дъщерни клетки. Процесът може да се опише последователно:

• Инициация на репликацията: репликацията започва от специфично начало на репликация (oriC при много бактерии) и напредва с две репликационни вилици.
• Репликация на ДНК: молекулата на ДНК се копира, образувайки две идентични молекули; при прокариотите този процес често е бърз и може да се случва едновременно с други клетъчни процеси.
• Сегрегация на хромозомите: новообразуваните ДНК молекули се отделят и се преместват към противоположните полюси на клетката; това може да става пасивно чрез растеж и движение на клетъчната мембрана или чрез белтъци, които подпомагат разпределението.
• Формиране на преградата (септум): молекулният комплекс FtsZ образува първо „Z-пръстен“ на мястото на бъдещото разделяне; последва синтез на нова клетъчна стена (пептидогликан) и мембрана, които отделят двете дъщерни клетки.
• Цитокинеза: окончателното разделяне на клетката чрез изграждане на септума и отделяне на клетъчните стени и мембрани.

В резултат се получават две dъщерни клетки с приблизително еднакъв обем и съдържание. Дъщерните клетки са генетично идентични с майчината клетка, освен ако по време на репликацията не възникне мутация по случайни причини.

Ключови белтъци и механизми на регулация

• FtsZ — централна роля в образуването на септума и започване на деленето.
• Min-система (MinCDE) — предотвратява образуването на Z-пръстен в неправилни участъци, като осигурява правилното центриране на делението.
• MreB — участва в поддържането на формата на клетката и подреждането на синтеза на клетъчната стена при някои бактерии.

Регулацията на делението зависи от вътрешни и външни сигнали: хранителни ресурси, температура, стресови фактори и наличието на антимикробни вещества (напр. антибиотици, които инхибират синтеза на клетъчната стена и така блокират бинарното делене).

Скорост и условия на делене

Темпът на бинарно делене варира широко: при благоприятни условия някои бактерии като Escherichia coli могат да имат време на поколение (generation time) от порядъка на ~20 минути, докато други микроорганизми делят по-бавно (часове или дни). Основни фактори, които влияят върху скоростта, са:

• температура и pH;
• наличие на хранителни вещества и енергийни източници;
• кисейни условия и кислород (аеробни/анаеробни условия);

Генетично разнообразие и еволюционно значение

Въпреки че бинарното делене води до получаване на два генетично сходни индивида, генетично разнообразие при бактериите се появява чрез:

• случайни мутации по време на репликацията;
• хоризонтален пренос на гени — конюгация, трансдукция и трансформация (начини на обмен на гени между клетки, различни от деленето);
• плъзгане или рекомбинация на плазмиди и мобилни генетични елементи, които също се репликират и могат да се разделят към дъщерните клетки.

Тези механизми позволяват бърза адаптация — например разпространение на генетични детерминанти за устойчивост към антибиотици — дори при предимно клониално възпроизвеждащи се популации.

Разлики спрямо митозата

Двойното делене при многоклетъчни организми е по-сложен процес: вижте митоза. Основните разлики са:

• при прокариотите няма ядро и деленето не включва специализиран вретенов апарат; при еукариотите митозата е многостепенен процес (профаза, метафаза, анафаза, телофаза) с прецизно разделяне на хромозомите;
• репликацията при бактериите често е директно свързана със сегрегацията и със синтеза на клетъчната стена, докато при еукариотите тези процеси са строго разделени по фази на клетъчния цикъл;
• при еукариотите има множество линейни хромозоми и сложни механизми за контрол на броя на хромозомите и митотичното разделяне.

Практическо и екологично значение

Бинарното делене е основата на бързото размножаване на бактериите и е ключово за прилагането на микробиологията в индустрията, медицината и екологията. То обяснява как при благоприятни условия популации могат да нарастват експоненциално, но също така и как резистентни щамове могат бързо да се разпространят. Разбирането на механизма подпомага разработката на антибиотици и стратегии за контрол на инфекции, тъй като много антимикробни лекарства действат чрез нарушаване на процесите, необходими за правилното делене (напр. синтез на клетъчна стена).

По принцип клетката копира своята ДНК и след това се разделя по средата, създавайки две дъщерни клетки — това компактно и ефективно решение е една от причините за огромния успех на прокариотите в разнообразни среди.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява двоичното делене?

В: Кои организми използват бинарно делене за размножаване?

В: Как работи двоичното делене?

Въпрос: Подобна ли е митозата на бинарното делене?

В: Възможни ли са мутации по време на репликацията при бинарното делене?

В: Всеки организъм ли използва двоично делене за размножаване?

Търсене по буква