مواضيع المحاضرة: What is the difference between Prokaryotes and Eukaryotes Physiology
background image

1

 

 

Course: Medical Microbiology 

Lecturer: Dr. Weam Saad 

Subject: Anatomy and Genetic of bacteria 

 

Anatomy of bacteria 

All bacteria, both pathogenic and saprophytic, are unicellular organisms 

that  reproduce  by  binary  fission.  Most  bacteria  are  capable  of  independent 
metabolic  existence  and growth,  but  species  of  Chlamydia  and  Rickettsia  are 
obligate  intracellular  organisms.  Bacterial  cells  are  extremely  small  and  are 
most  conveniently  measured  in  microns  (10-6  m).  They  range  in  size  from 
large  cells  such  as  Bacillus  anthracis  (1.0  to  1.3  µm  X  3  to  10  µm)  to  very 
small cells such as Pasteurella tularensis (0.2 X 0.2 to 0.7 µm), Mycoplasmas 
(atypical  pneumonia  group)  are  even  smaller,  measuring  0.1  to  0.2  µm  in 
diameter.  

Bacteria  have  characteristic  shapes.  The  common  microscopic 

morphologies  are  cocci  (round  cells,  such  as  Staphylococcus  aureus  or 
Streptococcus  sp.;  rods,  such  as  Bacillus  and  Clostridium  species;  long, 
filamentous  branched  cells,  such  as  Actinomyces  species;  and  comma-shaped 
and spiral cells, such as Vibrio cholerae and Treponema pallidum.  

The arrangement of cells is also typical of various species or groups of 

bacteria  (Fig.  below).  Some  rods  or  cocci  characteristically  grow  in  chains; 
some,  such  as  Staphylococcus  aureus,  form  grapelike  clusters  of  spherical 
cells;  some  round  cocci  form  cubic  packets.  Bacterial  cells  of  other  species 
grow  separately.  The  microscopic  appearance  is  therefore  valuable  in 
classification and diagnosis. 

 

  The Nucleoid 

The  prokaryotic  nucleoid  is  equivalent  for  the  eukaryotic  nucleus,  it  is 

structurally simpler than the true eukaryotic nucleus, the electron micrograph 


background image

2

 

 

shows  the  bacterial  nucleoid  with  no  surrounding  nuclear  membrane  and 
contains the DNA fibrils.  

     

 

 

The  DNA  is  a  single,  continuous,  "giant"  circular  molecule  with  a 

molecular  weight  of  approximately  3  X  109.  The  unfolded  nuclear  DNA 
would be about 1 mm long (compared with an average length of 1 to 2 µm for 
bacterial cells). The bacterial nucleoid, then, is a structure containing a single 
chromosome. The number of copies of this chromosome in a cell depends on 
the  stage  of  the  cell  cycle  (chromosome  replication,  cell  enlargement, 
chromosome  segregation,  etc).  Bacterial  chromatin  does  not  contain  basic 
histone  proteins,  but  low-molecular-weight  polyamines  and  magnesium  ions 
may fulfill a function similar to that of eukaryotic histones.  

 


background image

3

 

 

  Surface Appendages 

Two  types  of  surface  appendage  can  be  recognized  on  certain  bacterial 

species: Flagella, which are organs of locomotion, and Pili ( in Latin =hairs), 
which are also known as fimbriae ( in Latin = fringes). Flagella occur on both 
Gram-positive and Gram-negative bacteria, and their presence can be useful in 
identification.  For  example,  they  are  found  on  many  species  of  bacilli  but 
rarely  on  cocci.  In  contrast,  pili  occur  almost  exclusively  on  Gram-negative 
bacteria  and  are  found  on  only  a  few  Gram-positive  organisms  (e.g., 
Corynebacterium renale). 

Some bacteria have both flagella and pili. The electron micrograph in Fig. 

below  shows  the  characteristic  wavy  appearance  of  flagella  and  two  types of 
pili on the surface of Escherichia coli

                            

 

1.  Flagella 

Structurally,  bacterial  flagella  are  long  (3  to  12  µm),  filamentous  surface 

appendages about 12 to 30 nm in diameter. The protein subunits of a flagellum 
form a cylindrical structure with a core. 

 A flagellum consists of three parts:  

(1) the long filament, which lies external to the cell surface. 

 (2) the hook structure at the end of the filament. 

 (3)  the  basal  body,  to  which  the  hook  is  anchored  and  which  imparts 

motion to the flagellum.  


background image

4

 

 

The  basal  body  traverses  the  outer  wall  and  membrane  structures.  It 

consists of a rod and one or two pairs of  discs; the counterclockwise rotation 
of  bacterial  flagellum  is  due  to  the  basal  body,  which  causes  the  helically 
twisted  filament  to  whirl.  The  ability  of  bacteria  to  swim  by  means  of  the 
propeller-like action of the flagella provides them with the mechanical means 
to  perform  chemotaxis  (movement  in  response  to  attractant  and  repellent 
substances in the environment).  

Chemically, flagella are constructed of a class of proteins called flagellins. 

Flagellins  are  immunogenic  and  constitute  a  group  of  protein  antigens  called 
the H antigens, which are characteristic of a given species, strain, or variant of 
an organism. The species specificity of the flagellins reflects differences in the 
primary structures of the proteins. Antigenic changes of the flagella known as 
the phase variation of H1 and H2 occurs in Salmonella typhimurium

The  number  and  distribution  of  flagella  on  the  bacterial  surface  are 

characteristic  for  a  given  species  and  hence  are  useful  in  identifying  and 
classifying  bacteria.  Figure  below  illustrates  typical  arrangements  of  flagella 
on  or  around  the  bacterial  surface.  For  example,  V.  cholerae  has  a  single 
flagellum  at  one  pole  of  the  cell  (i.e.,  it  is  monotrichous),  whereas  Proteus 
vulgaris 
and E. coli have many flagella distributed over the entire cell surface 
(i.e.,  they  are  peritrichous).  The  flagella  of  a  peritrichous  bacterium  must 
aggregate as a posterior bundle to propel the cell in a forward direction. 

Flagella can be sheared from the cell surface without affecting the viability 

of  the  cell.  The  cell  then  becomes  temporarily  nonmotile.  In  time  it 
synthesizes  new  flagella  and  regains  motility.  The  protein  synthesis  inhibitor 
chloramphenicol, however, blocks regeneration of flagella. 

 


background image

5

 

 

 

 

2.  Pili 

The  terms  pili  and  fimbriae  are  usually  used  to  describe  the  thin,  hairlike 

appendages on the surface of many Gram-negative bacteria and proteins of pili 
are  referred  to  as  pilins.  Pili  are  more  rigid  in  appearance  than  flagella.  In 
some organisms, such as  Shigella species and E coli, pili are distributed over 
the cell surface, with as many as 200 per cell.  

As  is  easily  recognized  in  strains  of  E  coli,  pili  can  come  in  two  types: 

short, abundant common pili, and a small number (one to six) of very long pili 
known as sex pili. Sex pili can be distinguished by their ability to bind male-
specific  bacteriophages  (the  sex  pilus  acts  as  a  specific  receptor  for  these 
bacteriophages).  The  sex  pili  attach  male  to  female  bacteria  during 
conjugation. 

Pili  in  many  enteric  bacteria  confer  adhesive  properties  on  the  bacterial 

cells, enabling them to adhere to various epithelial surfaces, to red blood cells 
(causing  hemagglutination),  and  to  surfaces  of  yeast  and  fungal  cells.  These 
adhesive  properties  of  piliated  cells  play  an  important  role  in  bacterial 
colonization of epithelial surfaces and are therefore referred to as colonization 
factors.  


background image

6

 

 

  Surface Layers 

The  principal  surface  layers  are  capsules  and  loose  slime,  cell  wall  and 

plasma (cytoplasmic) membranes. 

1.  Capsules and Loose Slime 

Some bacteria form capsules, they are thick layer of viscous gel. Capsules 

may  be  up  to  10  µm  thick.  Some  organisms  lack  a  well-defined  capsule  but 
have loose, amorphous slime layers external to the cell wall or cell envelope. 
The  hemolytic  Streptococcus  mutans,  the  primary  organism  found  in  dental 
plaque is able to synthesis a large extracellular mucoid glucans from sucrose.  

Not all bacterial species produce capsules; the capsules of encapsulated 

pathogens are often important determinants of virulence. Encapsulated species 
are  found  among  both  Gram-positive  and  Gram-negative  bacteria.  In  both 
groups,  most  capsules  are  composed  of  high  molecular-weight  viscous 
polysaccharides  that  are  retained  as  a  thick  gel  outside  the  cell  wall  or 
envelope.  

The  capsule  of  Bacillus  anthracis  (the  causal  agent  of  anthrax)  is 

unusual in that it is composed of a g-glutamyl polypeptide. Mutational loss of 
enzymes  involved  in  the  biosynthesis  of  the  capsular  polysaccharides  can 
result in the smooth-to-rough variation seen in the pneumococci. 

The capsule is not essential for viability. Viability is not affected when 

capsular polysaccharides are removed enzymatically from the cell surface, the 
exact function is resistance to phagocytosis and provide the bacterial cell with 
protection against host defenses against invasion. 

 

2.  Cell Wall  

The  Gram  stain  differentiates  bacteria  into  Gram-positive  and  Gram-

negative  groups.  Gram-positive  and  Gram-negative  organisms  differ  in  the 
structures outside the plasma membrane, see figure below: 


background image

7

 

 

 

 

Most Gram-positive bacteria have a relatively thick (about 20 to 80 nm), 

continuous cell wall (often called the sacculus), which is composed largely of 
peptidoglycan  (also  known  as  mucopeptide  or  murein).  In  thick  cell  walls, 
other  cell  wall  polymers  (such  as  the  teichoic  acids,  polysaccharides,  and 
peptidoglycolipids)  are  covalently  attached  to  the  peptidoglycan.  In  contrast, 
the  peptidoglycan  layer  in  Gram-negative  bacteria  is  thin  (about  5  to  10  nm 
thick);  in  E  coli,  the  peptidoglycan  is  probably  only  a  monolayer  thick. 
Outside  the  peptidoglycan  layer  in  the  Gram-negative  envelope  is  an  outer 


background image

8

 

 

membrane structure. In most Gram-negative bacteria, this membrane structure 
is  anchored  noncovalently  to  lipoprotein  molecules  (Braun's  lipoprotein), 
which,  in  turn,  are  covalently  linked  to  the  peptidoglycan.  The 
lipopolysaccharides of the Gram-negative cell envelope form part of the outer 
leaflet of the outer membrane structure. 

The basic differences in surface structures of Gram-positive and Gram-

negative bacteria explain the results of Gram staining. Both Gram-positive and 
Gram-negative  bacteria  take  up  the  same  amounts  of  crystal  violet  (CV)  and 
iodine (I). The CV-I complex, is trapped inside the Gram-positive cell by the 
dehydration  and  reduced  porosity  of  the  thick  cell  wall  as  a  result  of  the 
differential washing step with 95% ethanol or other solvent mixture. Then the 
thin  peptidoglycan  layer  at  the  membrane  adhesion  sites;  do  not  stop  the 
solvent extraction of the CV-I complex from the Gram-negative cell.  

The mechanism of the Gram staining based on the structural differences 

between the two groups of bacteria. The sequence of steps in the Gram stain 
differentiation is illustrated diagrammatically in Figure below: 

 

    

 


background image

9

 

 

1.  Peptidoglycan 

Unique features of almost all prokaryotic cells (except for mycoplasmas) 

are  cell  wall  peptidoglycan,  this  layer  serves  in  mechanical  protection  and 
there  are  specific  enzymes  involved  in  its  biosynthesis.  These  enzymes  are 
target  sites  for  inhibition  of  peptidoglycan  synthesis  by  specific  antibiotics. 
The primary chemical structures of peptidoglycans of both Gram-positive and 
Gram-negative  bacteria  consist  of  a  polymer  glycan  backbone  of  repeating 
groups  of  disaccharides  of  N-acetylmuramyl-N-acetylglucosamine  and  are 
linked through the carboxyl group by amide linkage of muramic acid residues 
of the glycan chains. 

There  are  two  groups  of  bacteria  that  lack  the  protective  cell  wall 

peptidoglycan  structure,  the  Mycoplasma  species,  one  of  which  causes 
atypical  pneumonia  and  some  genitourinary  tract  infections  and  the  L-forms, 
which  originate  from  Gram-positive  or  Gram-negative  bacteria  and  are  so 
designated  because  of  their  discovery  and  description  at  the  Lister  Institute, 
London. The mycoplasmas and L-forms are all Gram-negative and insensitive 
to penicillin and are bounded by a surface membrane structure.  

2.  Teichoic Acids 

Wall  teichoic  acids  are  found  only  in  certain  Gram-positive  bacteria 

(such  as  Staphylococci,  Streptococci,  Lactobacilli,  and  Bacillus  spp);  they 
have  not  been  found  in  gram-  negative  organisms.  Teichoic  acids  are  polyol 
phosphate  polymers,  with  either  ribitol  or  glycerol  linked  by  phosphodiester 
bonds.  Substituent  groups  on  the  polyol  chains  can  include  D-alanine  (ester 
linked),  N-acetylglucosamine,  N-acetylgalactosamine,  and  glucose;  the 
substituent  is  characteristic  for  the  teichoic  acid  from  a  particular  bacterial 
species  and  can  act  as  a  specific  antigenic  determinant.  Teichoic  acids  are 
covalently  linked  to  the  peptidoglycan.  These  highly  negatively  charged 
polymers of the bacterial wall can serve as a cation-sequestering mechanism. 

3.  Lipopolysaccharides 

A characteristic feature of Gram-negative bacteria is possession of various 

types  of  complex macromolecular  lipopolysaccharide  (LPS), only  one  Gram-


background image

11

 

 

positive  organism,  Listeria  monocytogenes,  has  been  found  to  contain  LPS. 
The LPS are also called endotoxins, they are cell-bound, heat-stable toxins and 
differ  from  heat-labile,  protein  exotoxins  secreted  into  culture  media. 
Endotoxins  possess  an  array  of  powerful  biologic  activities  and  play  an 
important role in the pathogenesis of many Gram-negative bacterial infections.  

In  addition  to  causing  endotoxic  shock,  LPS  is  pyrogenic,  can  activate 

macrophages  and  complement,  is  mitogenic  for  B  lymphocytes,  induces 
interferon  production,  causes  tissue  necrosis  and  tumor  regression,  and  has 
adjuvant properties. The endotoxic properties of LPS reside largely in the lipid 
A  components.  Usually,  the  LPS  molecules  have  three  regions:  The  lipid  A 
attached to the core composed of polysaccharide chains which are linked to the 
O-antigens responsible for serologic specificity of the Gram-negative bacteria. 

 

 

 

 

  Intracellular Components 

1.  Plasma (Cytoplasmic) Membranes 

Bacterial  plasma  membranes,  the  functional  equivalents  of  eukaryotic 

plasma membranes, are referred to variously as cytoplasmic, protoplast, or (in 
Gram-negative  organisms)  inner  membranes,  they  are  composed primarily  of 


background image

11

 

 

proteins  and  lipids (phospholipids). Protein-to-lipid ratios of  bacterial  plasma 
membranes  are  approximately  3:  1,  close  to  those  for  mitochondrial 
membranes,cytoplasmic  membranes  from  Gram-positive  bacteria  possess  a 
class of macromolecules not present in the Gram-negative membranes. Many 
Gram-positive  bacterial  membranes  contain  membrane-bound  lipoteichoic 
acid.  

Plasma  membranes  are  the  site  of  active  transport,  respiratory  chain 

components, energy-transducing systems, the ATPase of the proton pump, and 
membrane  stages  in  the  biosynthesis  of  phospholipids,  peptidoglycan,  LPS, 
and capsular polysaccharides. In essence, the bacterial cytoplasmic membrane 
is a multifunction structure similar to mitochondrial transport and biosynthetic 
functions of eukaryotic cells. The plasma membrane is also the anchoring site 
for DNA. 

2.  Mesosomes 

Thin sections of Gram-positive bacteria reveal the presence of vesicular or 

tubular-vesicular  membrane  structures  called  mesosomes,  which  are 
apparently  formed  by  an  invagination  of  the  plasma  membrane.  These 
structures equivalent to bacterial mitochondria; and may be related to events in 
the cell division cycle. 

3.  Other Intracellular Components 

In  addition  to  the  nucleoid  and  cytoplasm  (cytosol),  the  intracellular 
compartment of the bacterial cell is densely packed with ribosomes of the 70S 
type.  These  ribonucleoprotein  particles  are  not  arranged  on  a  membranous 
rough endoplasmic reticulum as they are in eukaryotic cells 

Endospores  are  highly  heat-resistant,  dehydrated  resting  cells  formed 

intracellularly  in  members  of  the  genera  Bacillus  and  Clostridium. 
Sporulation,  the  process  of  forming  endospores,  is  an  unusual  property  of 
certain  bacteria.  The  series  of  biochemical  and  morphologic  changes  that 
occur  during  sporulation  represent  true  differentiation  within  the  cycle  of  the 
bacterial cell. The process, which usually begins in the stationary phase of the 
vegetative  cell  cycle,  is  initiated  by  depletion  of  nutrients  (usually  readily 


background image

12

 

 

utilizable  sources  of  carbon  or  nitrogen,  or  both).  The  cell  then  undergoes  a 
highly  complex,  well-defined  sequence  of  morphologic  and  biochemical 
events that ultimately lead to the formation of mature endospores. stages have 
been  recognized  by  morphologic  and  biochemical  studies  of  sporulating 
Bacillus species: stage 0, vegetative cells with two chromosomes at the end of 
exponential  growth;  stage  I,  formation  of  axial  chromatin  filament  and 
excretion  of  exo-enzymes,  including  proteases;  stage  II,  forespore  septum 
formation  and  segregation  of  nuclear  material  into  two  compartments;  stage 
III,  spore  protoplast  formation  and  elevation  of  tricarboxylic  acid  and 
glyoxylate cycle enzyme levels; stage IV, cortex formation of spore; stage V, 
spore  coat  protein  formation;  stage  VI,  spore  maturation,  modification  of 
cortical peptidoglycan, uptake of dipicolinic acid (a unique endospore product) 
and calcium, and development of resistance to heat and organic solvents; and 
stage VII, final maturation and liberation of endospores from mother cells (in 
some species). 

Some  strains  produce  autolysins  that  digest  the  walls  and  liberate  free 

endospores.  The  spore  protoplast,  or  core,  contains  a  complete  nucleus, 
ribosomes,  and  energy  generating  components  that  are  enclosed  within  a 
modified cytoplasmic membrane. The peptidoglycan spore wall surrounds the 
spore  membrane;  on  germination,  this  wall  becomes  the  vegetative  cell  wall. 
Surrounding  the  spore  wall  is  a  thick  cortex  that  contains  an  unusual  type  of 
peptidoglycan,  which  is  rapidly  released  on  germination.  A  spore  coat  of 
keratinlike  protein  encases  the  spore  contained  within  a  membrane  (the 
exosporium). During maturation, the spore protoplast dehydrates and the spore 
becomes  refractile  and  resistant  to  heat,  radiation,  pressure,  desiccation,  and 
chemicals;  these  properties  correlate  with  the  cortical  peptidoglycan  and  the 
presence of large amounts of calcium dipicolinate.  

 

  Genetic Information In Bacteria 

The  genetic  material  of  bacteria  and  plasmids  is  DNA.  Bacterial  viruses 

(bacteriophages  or  phages)  have  DNA  or  RNA  as  genetic  material.  The  two 
essential functions of genetic material are replication and expression. Genetic 
material  must  replicate  accurately  so  that  progeny  inherit  all  of  the  specific 


background image

13

 

 

genetic  determinants  (the  genotype)  of  the  parental  organism.  Expression  of 
specific genetic material under a particular set of growth conditions determines 
the observable characteristics (phenotype) of the organism. Bacteria have few 
structural or developmental features that can be observed easily, but they have 
a  vast  array  of  biochemical  capabilities  and  patterns  of  susceptibility  to 
antimicrobial  agents  or  bacteriophages.  These  latter  characteristics  are  often 
selected as the inherited traits to be analyzed in studies of bacterial genetics. 

Nucleic Acid Structure 

Nucleic acids are large polymers consisting of repeating nucleotide units (Fig. 
below).  Each  nucleotide  contains  one  phosphate  group,  one  pentose  or 
deoxypentose sugar, and one purine or pyrimidine base. In DNA the sugar is 
D-2-deoxyribose; in RNA the sugar is D-ribose. In DNA the purine bases are 
adenine  (A)  and  guanine  (G),  and  the  pyrimidine  bases  are  thymine  (T)  and 
cytosine  (C).  In  RNA,  uracil  (U)  replaces  thymine.  Chemically  modified 
purine and pyrimidine bases are found in some bacteria and bacteriophages.  

The repeating structure of polynucleotides involves alternating sugar and 

phosphate  residues,  with  phosphodiester  bonds  linking  the  3'-hydroxyl  group 
of  one  nucleotide  sugar  to  the  5'-hydroxyl  group  of  the  adjacent  nucleotide 
sugar.  These  asymmetric  phosphodiester  linkages  define  the  polarity  of  the 
polynucleotide chain.  

Double-stranded  DNA  is  helical,  and  the  two  strands  in  the  helix  are 

antiparallel. The double helix is stabilized by hydrogen bonds between purine 
and  pyrimidine  bases  on  the  opposite  strands.  At  each  position,  A  on  one 
strand pairs by two hydrogen bonds with T on the opposite strand, or G pairs 
by three hydrogen bonds with C. The two strands of double-helical DNA are, 
therefore, complementary. Because of complementarity, double-stranded DNA 
contains equimolar amounts of purines (A + G) and pyrimidines (T + C), with 
A equal to T and G equal to C, but the mole fraction of G + C in DNA varies 
widely  among  different  bacteria.  Information  in  nucleic  acids  is  encoded  by 
the  ordered  sequence  of  nucleotides  along  the  polynucleotide  chain,  and  in 
double-stranded  DNA  the  sequence  of  each  strand  determines  what  the 
sequence  of  the  complementary  strand  must  be.  The  extent  of  sequence 


background image

14

 

 

homology  between  DNAs  from  different  microorganisms  is  important  for 
determining how closely they are related. 

                           

 

 

DNA Replication 

During replication of the bacterial genome, each strand in double-helical 

DNA serves as a template for synthesis of a new complementary strand. Each 
daughter double-stranded DNA molecule thus contains one old polynucleotide 
strand  and  one  newly  synthesized  strand.  This  type  of  DNA  replication  is 
called semiconservative. Replication of chromosomal DNA in bacteria starts at 
a  specific  chromosomal  site  called  the  origin  and  proceeds  bi-directionally 
until  the  process  is  completed.  When  bacteria  divide  by  binary  fission  after 
completing DNA replication, the replicated chromosomes are partitioned  into 
each  of  the  daughter  cells  carrying  all  the  genetic  material  to  be inherited by 
each daughter cell at the time of cell division. 

 

Gene Expression 

Genetic  information  encoded  in  DNA  is  expressed  by  synthesis  of 

specific  RNAs  and  proteins,  and  information  flows  from  DNA  to  RNA  to 
protein. The DNA-directed synthesis of RNA is called transcription. Because 
the  strands  of  double-helical  DNA  are  antiparallel  and  complementary,  only 


background image

15

 

 

one of the two DNA strands can serve as template for synthesis of a specific 
mRNA  molecule.  Messenger  RNAs  (mRNAs)  transmit  information  from 
DNA,  and  each  mRNA  in  bacteria  functions  as  the  template  for  synthesis  of 
one or more specific proteins.  

The  process  by  which  the  nucleotide  sequence  of  an  mRNA  molecule 

determines the primary amino acid sequence of a protein is called translation. 
Ribosomes,  complexes  of  ribosomal  RNAs  (rRNAs)  and  several  ribosomal 
proteins,  translate  each  mRNA  into  the  corresponding  polypeptide  sequence 
with  the  aid  of  transfer  RNAs  (tRNAs),  amino-acyl  tRNA  synthesases, 
initiation  factors  and  elongation  factors.  All  of  these  components  of  the 
apparatus  for  protein  synthesis  function  in  the  production  of  many  different 
proteins.  

A  gene  is  a  DNA  sequence  that  encodes  a  protein,  rRNA,  or  tRNA 

molecule  (gene  product).  The  genetic  code  determines  the  nucleotides  in 
mRNA  which  is  specific  to  amino  acids  in  a  polypeptide  by  the  help  of 
trinucleotides (codons), while any of the three codons (UAG, UAA or UGA) 
results  in  termination  of  translation.  They  are  also  called  nonsense  codons 
because they do not specify any amino acids.  

Genome Organization 

DNA  molecules  that  replicate  as  genetic  units  in  bacteria  are  called 

replicons.  In  some  Escherichia  coli  strains,  the  chromosome  is  the  only 
replicon  present  in  the  cell.  Other  bacterial  strains  have  additional  replicons, 
such as plasmids and bacteriophages. 

Chromosomal DNA 

Bacterial  genomes  differ  in  size  from  about  0.4  x  109  to  8.6  x  109 

daltons (Da), some of the smallest being obligate parasites (Mycoplasma) and 
the  largest  belonging  to  bacteria  capable  of  complex  differentiation  such  as 
Myxococcus.  The  amount  of  DNA  in  the  genome  determines  the  maximum 
amount  of  information  that  it  can  encode.  Most  bacteria  have  a  haploid 
genome, a single chromosome consisting of a circular, double stranded DNA 
molecule.  However  linear  chromosomes  have  been  found  in  Gram-positive 


background image

16

 

 

Borrelia  and Streptomyces spp., and one linear and one circular chromosome 
is present in the Gram-negative bacterium Agrobacterium tumefaciens

 The E coli genome is only about 0.1% as large as the human genome, 

accounting for about 2 to 3 % of the dry weight of the cell, but it is sufficient 
to  code  for  several  thousand  polypeptides  of  average  size  (40  kDa  or  360 
amino  acids),  the  DNA  is  supercoiled  and  tightly  packaged  in  the  bacterial 
nucleoid. The time required for replication of the entire chromosome is about 
40  minutes,  which  is  approximately  twice  the  shortest  division  time  for  this 
bacterium.  DNA  replication  must  be  initiated  as  cells  divide,  so  in  rapidly 
growing  bacteria  a  new  round  of  chromosomal  replication  begins  before  an 
earlier round is completed. Thus, the chromosome in rapidly growing bacteria 
is replicating at more than one point. The replication of chromosomal DNA in 
bacteria is complex and involves many different proteins. 

 

Plasmids 

Plasmids  are  replicons,  extrachromosomal  genetic  elements  in  bacteria. 

They  are  usually  much  smaller  than  the  bacterial  chromosome.  Plasmids 
usually  encode  properties  that  are  not  essential  for  bacterial  viability,  and 
replicate independently of the chromosome.  

Most  plasmids  are  supercoiled,  circular,  double-stranded  DNA 

molecules,  but  linear  plasmids  have  also  been  demonstrated  in  Borrelia  and 
Streptomyces. Conjugative plasmids, large plasmids, that also promote transfer 
of  the  bacterial  chromosome  from  the  donor  bacterium  to  other  recipient 
bacteria  are  called  fertility  plasmids,  and  are  discussed  below.    While  small 
plasmids are usually non-conjugative. 

Many  plasmids  control  medically  important  properties  of  pathogenic 

bacteria,  including  resistance  to  one  or  several  antibiotics,  production  of 
toxins,  and  synthesis  of  cell  surface  structures  required  for  adherence  or 
colonization. Plasmids that determine resistance to antibiotics are often called 
R plasmids (or R factors). Representative toxins encoded by plasmids include 
heat-labile  and  heat-stable  enterotoxins  of  E  coli,  exfoliative  toxin  of 
Staphylococcus  aureus,  and  tetanus  toxin  of  Clostridium  tetani.  Some 


background image

17

 

 

plasmids are cryptic and have no recognizable effects on the bacterial cells that 
harbor them.  

 

Bacteriophages 

Bacteriophages  (bacterial  viruses,  phages)  are  infectious  agents  that 

replicate  as  obligate  intracellular  parasites  in  bacteria.  Extracellular  phage 
particles are metabolically inert and consist principally of proteins plus nucleic 
acid  (DNA  or  RNA,  but  not both).  The  proteins  of  the  phage  particle  form  a 
protective  shell  (capsid)  surrounding  the  tightly  packaged  nucleic  acid 
genome.  

Phage  genomes  are  different  in  size,  consist  of  double-stranded  DNA, 

single-stranded  DNA,  or  RNA.  Phage  genomes,  like  plasmids,  encode 
functions  required  for  replication  in  bacteria,  but  unlike  plasmids  they  also 
encode capsid proteins and nonstructural proteins required for phage.  

A  single  cycle  of  phage  growth  is  initiated  by  adsorption  of  phage  to 

specific  receptors  on  the  surface  of  susceptible  host  bacteria.  The  capsids 
remain at the cell surface, and the DNA or RNA genomes enter the target cells 
(penetration). The infecting phage RNA or DNA is replicated to produce many 
new copies of the phage genome, and phage-specific proteins are produced.  

Phages are classified into two major groups: virulent and temperate. For 

example  of  bacteriophages,  the  prophage  of  bacteriophage  l  in  E  coli  is 
integrated  into  the  bacterial  chromosome  at  a  specific  site  and  replicates  as 
part  of  the  bacterial  chromosome,  whereas  the  prophage  of  bacteriophage  P1 
in E coli replicates as an extrachromosomal plasmid.  

The  production  of  diphtheria  toxin  by  Corynebacterium  diphtheriae

erythrogenic  toxin  by  Streptococcus  pyogenes  (group  A  beta-hemolytic 
streptococci),  botulinum  toxin  by  Clostridium  botulinum,  and  Shiga-like 
toxins  by  E  coli;  in  each  of  these  examples  the  gene  which  encodes  the 
bacterial toxin is present in a temperate phage genome.  


background image

18

 

 

Phage typing is the testing of strains of a particular bacterial species for 

susceptibility  to  specific  bacteriophages.  The  patterns  of  susceptibility  to  the 
set  of  typing  phages  provide  information  about  the  possible  relatedness  of 
individual  clinical  isolates.  Such  information  is  particularly  useful  for 
epidemiological investigations. 

 

Mutation and Selection 

Mutations  are  heritable  changes  in  the  genome.  Spontaneous  mutations 

in  individual  bacteria  are  rare.  Some  mutations  cause  changes  in  phenotypic 
characteristics.  In  microbial  genetics  specific  references  organisms  are 
designated  as  wild-type  strains  and  that  have  mutations  in  their  genomes  are 
called  mutants.  Thus,  mutants  are  characterized  by  the  inherited  differences 
between them and their ancestral wild-type strains. Variant forms of a specific 
genetic determinant are called alleles.  

Detection of Mutant Phenotypes 

Selective  and  differential  media  are  helpful  for  isolating  bacterial 

mutants.  Some  selective  media  permit  particular  mutants to  grow,  but  do  not 
allow  the  wild-type  strains  to  grow.  Rare  mutants  can  be  isolated  by  using 
such selective media. Differential media permit wild-type and mutant bacteria 
to grow and form colonies that differ in appearance 

 

Spontaneous and Induced Mutations 

The  mutation  rate  in  bacteria  is  determined  by  the  accuracy  of  DNA 

replication,  the  occurrence  of  damage  to  DNA,  and  the  effectiveness  of 
mechanisms for repair of damaged DNA.  

For  a  particular  bacterial  strain  under  defined  growth  conditions,  the 

mutation  rate  for  any  specific  gene  is  constant  and  is  expressed  as  the 
probability  of  mutation  per  cell  division.  In  a  population  of  bacteria  grown 
from  a  small  inoculum,  the  proportion  of  mutants  usually  increases 
progressively as the size of the bacterial population increases. 


background image

19

 

 

Mutations  in  bacteria  can  occur  spontaneously  and  independently  of  the 
experimental methods used to detect them. 

  

Exchange of Genetic Information 

Genetic  interactions  between  microbes  enable  their  genomes  to  evolve 

much  more  rapidly  than  by  mutation  alone.  Representative  phenomena  of 
medical importance that involve exchanges of genetic information or genomic 
rearrangements  include  the  rapid  emergence  and  dissemination  of  antibiotic 
resistance  plasmids,  flagellar  phase  variation  in  Salmonella,  and  antigenic 
variation of surface antigens in Neisseria and Borrelia. 

Sexual processes in bacteria involve transfer of genetic information from 

a  donor  to  a  recipient  and  result  either  in  substitution  of  donor  alleles  for 
recipient alleles or addition of donor genetic elements to the recipient genome. 
Transformation,  transduction,  and  conjugation  are  sexual  processes  that  use 
different mechanisms to introduce donor DNA into recipient Recombination is 
most likely to occur when the donor and recipient bacteria are from the same 
or closely related species. 

For a recombinant to be detected, its phenotype must be different from 

both parental phenotypes. Growth or cell division may be required before the 
recombinant  phenotype  is  expressed.  Genetic  and  physical  mapping  are  also 
used  to  analyze  extrachromosomal  replicons  such  as  bacteriophages  and 
plasmids. 

 


background image

21

 

 

 

 

1.  Transformation 

In transformation, pieces of DNA released from donor bacteria are taken up 

directly  from  the  extracellular  environment  by  recipient  bacteria. 
Recombination occurs between single molecules of transforming DNA and the 
chromosomes  of  recipient  bacteria.  To  be  active  in  transformation,  DNA 
molecules must be at least 500 nucleotides in length, and transforming activity 
is destroyed rapidly by treating DNA with deoxyribonuclease. Transformation 
was  discovered  in  Streptococcus  pneumoniae  and  occurs  in  other  bacterial 
genera including Haemophilus, Neisseria, Bacillus, and Staphylococcus

2.  Transduction 

In transduction, bacteriophages function as vectors to introduce DNA from 

donor bacteria into recipient bacteria by infection. Each individual transducing 


background image

21

 

 

phage  carries  a  different  set  of  closely  linked  genes,  representing  a  small 
segment  of  the  bacterial  genome.  Transduction  mediated  by  populations  of 
such  phages  is  called  generalized  transduction,  because  each  part  of  the 
bacterial genome has approximately the same probability of being transferred 
from donor to recipient bacteria.  

When a generalized transducing phage infects a recipient cell, expression of 

the transferred donor genes occurs,  complete transduction is characterized by 
production  of  stable  recombinants  that  inherit  donor  genes  and  retain  the 
ability to express them. In abortive transduction the donor DNA fragment does 
not  replicate,  and  among  the  progeny  of  the  original  transductant  only  one 
bacterium contains the donor DNA fragment. 

  

3.  Conjugation 

In  conjugation,  direct  contact  between  the  donor  and  recipient  bacteria 

leads  to  establishment  of  a  cytoplasmic  bridge  between  them  and  transfer  of 
part or all of the donor genome to the recipient. Donor ability is determined by 
specific conjugative plasmids called fertility plasmids or sex plasmids.  

The  F  plasmid  (also  called  F  factor) of  E  coli  is  the  prototype  for fertility 

plasmids  in  Gram-negative  bacteria.  Strains  of  E  coli  with  an 
extrachromosomal  F  plasmid  are  called  F+  and  function  as  donors,  whereas 
strains that lack the F plasmid are F- and behave as recipients.  

The conjugative functions of the F plasmid are specified by a cluster of at 

least  25  transfer  (tra)  genes  which  determine  expression  of  F  pili,  synthesis 
and transfer of DNA during mating, interference with the ability of F+ bacteria 
to serve as recipients, and other functions. Each F+ bacterium has 1 to 3 F pili 
that bind to a specific outer membrane protein on recipient bacteria to initiate 
mating.  

An  intercellular  cytoplasmic  bridge  is  formed,  and  one  strand  of  the  F 

plasmid  DNA  is  transferred  from  donor  to  recipient,  beginning  at  a  unique 
origin  and  progressing  in  the  5'  to  3'  direction.  The  transferred  strand  is 
converted  to  circular  double-stranded  F  plasmid  DNA  in  the  recipient 


background image

22

 

 

bacterium,  and  a  new  strand  is  synthesized  in  the  donor  to  replace  the 
transferred strand. Both of the ex-conjugant bacteria are F+, and the F plasmid 
can therefore spread by infection among genetically compatible populations of 
bacteria. In addition to the role of the F pili in conjugation, they also function 
as receptors for donor-specific (male-specific) phages.  

Because  the  F  plasmid  and  the  bacterial  chromosome  are  both  circular 

DNA  molecules,  reciprocal  recombination  between  them  produces  a  larger 
DNA circle consisting of F plasmid DNA inserted linearly into the  

Conjugation  also  occurs  in  Gram-positive  bacteria.  Gram-positive  donor 

bacteria produce adhesins that cause them to aggregate with recipient cells, but 
sex  pili  are  not  involved.  In  some  Streptococcus  species,  recipient  bacteria 
produce  extracellular  sex  pheromones  that  cause  the  donor  phenotype  to  be 
expressed by bacteria that harbor an appropriate conjugative plasmid, and the 
conjugative  plasmid  prevents  the  donor  cells  from  producing  the 
corresponding pheromone. 

 

Recombination 

Recombination  involves  breakage  and  joining  of  parental  DNA 

molecules  to  form  hybrid,  recombinant  molecules.  Several  distinct  kinds  of 
recombination  have  been  identified  that  depend  on  different  features  of  the 
participating  genomes  and  require  the  activities  of  different  gene  products. 
Specific enzymes that act on DNA (for example, exonucleases, endonucleases, 
polymerases, ligases) participate in recombination.  

 

Transposons 

Transposons  are  segments  of  DNA  that  can  move  from  one  site  in  a 

DNA molecule to other target sites in the same or a different DNA molecule. 
The  process  is  called  transposition  and  occurs  by  a  mechanism  that  is 
independent of generalized recombination. Transposons are important genetic 
elements  because  they  cause  mutations,  mediate  genomic  rearrangements, 
function as portable regions of genetic homology, and acquire new genes and 


background image

23

 

 

contribute to their dissemination within bacterial populations. Each transposon 
encodes  the  functions  necessary  for  its  transposition,  including  a  transposase 
enzyme that interacts with specific sequences at the ends of the transposon.  

Recombination DNA and Gene Cloning 

Many  methods  are  available  to  make  hybrid  DNA  molecules  in  vitro 

(recombinant DNA) and to characterize them. Such methods include isolating 
specific genes in hybrid replicons, determining their nucleotide sequences, and 
creating  mutations  at  designated  locations  (site-directed  mutagenesis).  Gene 
cloning  is  the  process  of  incorporating  foreign  genes  into  hybrid  DNA 
replicons.  Cloned  genes  can  be  expressed  in  appropriate  host  cells,  and  the 
phenotypes that they determine can be analyzed. 

The first step in gene cloning is to make fragments of the donor DNA by 

mechanical  or  enzymatic  methods.  Certain  restriction  endonucleases, 
designated  as  class II,  are  particularly  useful  for preparing  defined  fragments 
of  DNA  molecules.  By  choosing  appropriate  restriction  enzymes,  specific 
DNA  molecules,  including  bacterial  chromosomes,  plasmids,  and  phage 
genomes,  can  be  digested  into  sets  of  restriction  fragments  that  have 
appropriate sizes for specific applications.  

The second step in gene cloning is to create hybrid replicons consisting 

of  donor  DNA  fragments  and  a  cloning  vector.  Cloning  vectors  are  small 
plasmid or phage replicons that have one or more restriction sites into which 
foreign  DNA  can  be  inserted.  Hybrid  replicons  are  produced  by  using  DNA 
ligase to join the restricted vector DNA with donor DNA fragments that have 
compatible  ends,  or,  alternatively,  synthetic  oligonucleotides  are  used  as 
linkers to create compatibility between donor and vector DNA molecules with 
different  ends.  Plasmid  and  phage  vectors  are  used  mainly  to  clone  small 
inserts. 

The  final  steps  in  gene  cloning  are  to  introduce  hybrid  replicons  into 

appropriate  recipient  cells  and  test  them  for  expression  of  donor  genes  of 
interest.  Prokaryotic  cells  (including  bacteria)  or  eukaryotic  cells  (including 
yeast, animal or plant cells) can be used as recipients, but they differ  in post-
translational modifications of protein structure that they can accomplish. 


background image

24

 

 

Many  methods  are  available  to  identify  bacteria  that  contain 

recombinant  DNA  molecules.  Most  cloning  vectors  have genes  for  traits  that 
can be positively selected, such as resistance to antibiotics.  

Applications  of  DNA  cloning  are  expanding  rapidly  in  all  fields  of 

biology  and  medicine.  In  medical  genetics  such  applications  range  from  the 
prenatal  diagnosis  of  inherited  human  diseases  to  the  characterization  of 
oncogenes  and  their  roles  in  carcinogenesis.  Pharmaceutical  applications 
include large-scale production from cloned human genes of biologic products 
with  therapeutic  value,  such  as  polypeptide  hormones,  interleukins,  and 
enzymes.  Applications  in  public  health  and  laboratory  medicine  include 
development of vaccines to prevent specific infections and probes to diagnose 
specific infections by nucleic acid hybridization or polymerase chain reaction 
(PCR). The latter process uses oligonucleotide primers and DNA polymerase 
to amplify specific target DNA sequences during multiple cycles of synthesis 
in  vitro,  making  it  possible  to  detect  rare  target  DNA  sequences  in  clinical 
specimens with great sensitivity. 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Dr Weam Al-Hmadany
المشاهدات: لقد قام 5 أعضاء و 217 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل