Организация генетического аппарата микроорганизмов

 

5.2. Организация  генетического аппарата микроорганизмов

 

5.2. Организация  генетического аппарата микроорганизмов

 

Генетический материал бактериальных клеток представлен  двойной спиралью ДНК, состоящей  из 2-х комплементарных полинуклеотидных цепочек, в каждой из которых пуриновые и пиримидиновые основания распределены вдоль остова, построенного из меняющихся фосфатных групп и дезоксирибозы; 2 цепочки удерживаются друг с другом посредством водородных связей между соответствующими основаниями.

У вирусов генетический материал представлен лишь одним типом нуклеиновой кислоты – либо ДНК, либо РНК. Клетки бактерий могут содержать несколько генетических элементов, способных к репликации. По предложению Ф.Жакоба, С.Бреннера и Ф.Кузина структура бактериальной клетки, способная к самовоспроизведению, получила название «репликон».

Репликоны бактерий представлены бактериальной хромосомой (нуклеоидом), плазмидами и эписомами. Плазмиды представляют собой репликон, находящийся в автономном состоянии в цитоплазме бактериальной клетки, эписомы могут находиться как в свободном состоянии, так и быть интегрированными в нуклеоид, составляя с ним общий репликон.

Нуклеоид представляет собой замкнутую кольцевидную хромосому бактерий, свободно располагающуюся в цитоплазме, и содержит несколько тысяч отдельных генов. В зависимости от стадии жизненного цикла в бактериальной клетке обычно присутствуют от одного до четырех копий нуклеоида. Длина бактериальной хромосомы в развернутом состоянии составляет приблизительно 1 мм.

Существуют два основных способа репликации ДНК нуклеоида. По первому типу репликация кольцевидной молекулы ДНК начинается от начальной точки ori (origin – начало) в определенном месте ее кольца. Сначала идет раскручивание (деспирализация) двойной цепи ДНК, в результате чего образуется репликативная вилка. Одна из цепей, достраиваясь, связывает нуклеотиды от 5`- к 3`-концу, другая достраивается посегментно.

Данный способ репликации ДНК проходит через промежуточную структуру, напоминающую греческую букву тэта. Тэта-тип репликации приводит к образованию двух дочерних кольцевых хромосом. В них сохраняется одна из цепей исходной молекулы ДНК, а вторая цепь синтезируется из нуклеотидов ДНК-полимеразами.

Превращение кольцевой  бактериальной хромосомы в линейную происходит при другом типе репликации нуклеоида – по так называемому «сигма-типу» или иначе – по механизму «катящегося кольца». Этот механизм осуществляется через промежуточную структуру, напоминающую греческую букву «сигма». Он реализуется во время конъюгации бактерий, а также у некоторых фагов. В этом случае первоначально образуется разрыв в одной из цепей ДНК кольцевой молекулы, и разорвавшаяся цепь ДНК начинает сдвигаться с комплементарной кольцевой цепи. При этом происходит одновременное достраивание до двухцепочечной ДНК как сдвигающейся линейной цепи, так и остающейся кольцевой.

Третий известный тип  репликации ДНК характерен для линейных молекул ДНК. Он присущ всем эукариотическим организмам, а также некоторым вирусам. В этом случае в ДНК появляется вздутие – точка инициации. Далее вздутие распространяется в обоих направлениях с одновременным удвоением родительской ДНК.

Единицей наследственности у всех живых организмов являются гены. Они в ДНК лежат дискретно и линейно (колинеарно). Гены способны создавать собственную копию, т.е. способны к саморепликации. Последовательность аминокислот в синтезируемом белке определяется последовательностью нуклеотидов в гене.

Генотип микроорганизма – это полная совокупность генов данной особи. Однако реализуется генотип только через его взаимодействие с окружающей средой. Условия среды способствуют проявлению (экспрессии) генов или подавляют их функциональную активность. Тем самым создается фенотип микроорганизма – набор его свойств и признаков (морфологических, культуральных, биохимических, антигенных и т.д.)

Гены, ответственные за синтез определенного соединения у  бактерий, обозначают строчными буквами латинского алфавита со знаком «+». Например, gal⁺ – ген, ответственный за потребление сахара галактозы, bio⁺ – за синтез витамина Н (биотина) и т.д. Гены, контролирующие устойчивость к лекарственным средствам, химическим соединениям, обозначают буквой r (resistent – устойчивый). Например, резистентность к стрептомицину обозначается как str^r, а чувствительность str^s. Фенотип бактерий обозначают так же, как и генотип, но с прописной буквы.

Согласно схеме, предложенной Жакобом и Моно, гены можно подразделить следующим образом:

1. Структурные гены – они обусловливают синтез определенных белков-ферментов, участвующих в биохимических реакциях.
2. Гены-регуляторы – определяют синтез белковых веществ (часто это репрессоры), имеющих высокое сродство к ДНК в области гена-оператора и изменяющих деятельность структурных генов.

3. Гены-промоторы (или промоторная область) – участок ДНК распознаваемый ДНК-зависимой РНК-полимеразой, необходимый для начала транскрипции

4. Гены-операторы – посредники, располагающиеся между структурными генами, промотором и генами-регуляторами. Если в среде появляется вещество-индуктор, которое связывает репрессор, то снимается блок со структурных генов и они начинают функционировать.

Совместно ген-регулятор, промотор, onepaтop и структурные гены образуют оперон.

Оперон является функциональной генетической единицей, ответственной за экспрессию одного или группы генов.

Существуют индуцибельные и репрессибельные опероны. Типичным примером индуцибельного оперона является Lac-оперон, его гены контролируют синтез ферментов, обеспечивающих утилизацию лактозы в микробной клетке. Если клетка не нуждается в лактозе, то активный белок-репрессор, кодируемый геном-регулятором, связан с областью оператора и блокирует транскрипцию, поддерживая оперон в неактивном состоянии. Индуктор (углевод) поступает в клетку, далее происходит его связывание с белком-репрессором и вытеснение репрессора с ДНК. Снятие репрессии приводит к активации структурных генов оперона и началу процесса транскрипции с последующей трансляцией. Образующиеся ферменты (в частности – галактозидаза) утилизируют поступающую лактозу. При снижении ее концентрации в клетке ферменты начинают расщеплять индуктор. Тем самым происходит освобождение репрессора, что приводит к торможению активности структурных генов.

Примером репрессибельного оперона  является триптофановый оперон, обеспечивающий синтез аминокислоты триптофана. Обычно этот оперон функционирует постоянно, а его белок-репрессор находится в неактивном состоянии. При возникновении избытка триптофана в среде аминокислота связывается с репрессором и активирует его. Активный репрессор «выключает» работающий оперон.

 

 

 

 

 

   Антагонизм.

   аНТАГОНИЗМ МИКРОБОВ (от греч. antagonisma - спор, борьба) - биологическая несовместимость микроорганизмов различных видов, подавление одних видов микроорганизмов другими. Распространён в природе. В одних случаях под влиянием антагонистов микробы перестают расти и размножаться, в других -- клетки их лизируются, растворяются, в третьих -- тормозятся или останавливаются биохимические процессы внутри клеток, например дыхание, синтез аминокислот. Наиболее резко антагонизм проявляется у актиномицетов, бактерий и грибов, наблюдается также среди водорослей и простейших. Механизм антагонизма различен и во многих случаях не ясен. Лучше изучен антагонизм, связанный с образованием антибиотиков или др. продуктов обмена веществ. Чаще всего антагонисты действуют на конкурентов продуктами обмена веществ, в том числе антибиотиками, либо вытесняют их вследствие более интенсивного размножения или преимущественно потребления пищи. Под влиянием антагонистов у микроорганизмов могут нарушаться отдельные звенья обмена веществ, например, дыхание, синтез аминокислот, процессы клеточного деления, нередко происходит лизис клеток и гибель микроорганизмов.

   Антагонизм бывает  активным и пассивным. 

Активный антагонизм приводит к образованию антимикробных  веществ.

При пассивном антагонизме происходит подавление одних микроорганизмов другими путём изменения условий окружающей среды в сторону создания неблагоприятных условий для одной из групп микроорганизмов.

    А также  антагонизм бывает односторонним и двусторонним.

При одностороннем антагонизме наблюдается подавление одного микроорганизма другим (при этом подавляющий микроб не реагирует на воздействие микроба-соперника).

 При двустороннем  антагонизме имеет место взаимное  угнетение микроорганизмов.

    Антагонисты оказывает большое влияние на плодородие почв. Обильно развиваясь в почве, полезные микробы-антагонисты задерживают развитие многих фитопатогенных бактерий и грибов и этим делают почву здоровой. Этого можно добиться введением в севооборот соответствующих растений, стимулирующих развитие и размножение в почве микробов-антагонистов. Для лечения растений также можно использовать микробов-антагонистов.

     На  каждый возбудитель болезни той или иной болезни у растений  имеется свой микроб-антагонист. На грибах-паразитах нередко паразитируют другие грибы. Так, на мучнисторосяных грибах паразитирует пикнидиальный гриб Cicinnobolus cesati; на возбудителе бурой ржавчины пшеницы (Puccinia triricina) - также пикнидиальный гриб Darluca filum.

      Хороший эффект дают культуры микробов-антагонистов при обработке семян, заражённых фитапотогенном, или при внесении на поверхность вегетирующих растений, а также в заражённую почву. Микроб-антагонист, уничтожая вредителя, не причиняя вреда растению-хозяину. Вырабатываемые ими антибиотики проникают в ткани растений, повышая их устойчивость к возбудителям болезней.

Некоторые примеры  антагонизма

1) отношения молочнокислых и  гнилостных бактерий; молочнокислые  бактерии подавляют рост грамотрицательных  энтеробактерий различных видов,  в т. ч. условнопатогенных, населяющих кишечник человека и животных

2)активное подавление синегнойной  палочкой чумной палочки

3)угнетение роста дрожжей актиномицетами, продуцирующих нистатин

4) угнетение бацилл сибирской  язвы, коринебактерий дифтерии и  других гемолитическими стрептококками

5)споры головни зерновых культур,  попадая в почву, подвергаются  воздействию почвенных антагонистов  и быстро теряют жизнеспособность

6) бактериофаги, относящиеся к вирусам,  обладают способностью растворять  бактерии

         

 

 

                 

 

 

 

 

 

ПАРАЗИТИЗМ - форма взаимоотношений  между организмами различных  видов, из которых один (паразит) использует другого (хозяина) в качестве среды  обитания и источника питания, нанося ему вред. Паразитизм известен на всех уровнях организации живого, начиная с вирусов и бактерий и кончая высшими растениями и многоклеточными животными.

Паразитизм  характеризуется тем, что один вид  микроорганизма (паразит) поселяется в  клетке другого (хозяина) и питается за счет хозяина. Абсолютные (облигатные) Паразиты не могут развиваться в отсутствие хозяина. Известны паразитические формы бактерий и плесневых грибов, развивающиеся в клетках или в гифах хозяев. Примером паразитизма в известной мере может также служить явление бактерио- и актинофагип. Антагонизм - подавление развития одних форм микробов другими с помощью вырабатываемых ими антимикробных веществ. Этими веществами могут быть: химические соединения неспецифического действия (кислоты, спирты, перекиси и др.), которые подавляют рост микробов при высоких концентрациях; антибиотики, обладающие специфичностью действия и проявляющие антимикробные свойства при низких концентрациях.

 

Организмы могут использовать другие виды не только как место  обитания, но и как постоянный источник питания. Такая форма сожительства получила название паразитизма. Паразитизм распространен широко и встречается уже у прокариот. Известно несколько десятков тысяч видов паразитических форм, из них около 500 — паразиты человека, поэтому изучение паразитов необходимо для предупреждения и лечения заболеваний. Паразиты причиняют большой ущерб и сельскому хозяйству. Изучением их жизнедеятельности, путей распространения и разработкой мер борьбы с паразитарными заболеваниями занимается наука паразитология.

 

Переход к паразитизму  резко увеличивает возможность вида выжить в борьбе за существование. Организм-хозяин служит для паразита источником питания, очень часто — местом обитания, защитой от врагов. Тело хозяина создает для живущих в нем организмов благоприятный и относительно ровный микроклимат, не подверженный тем значительным колебаниям, которые всегда имеют место в природе.

 

Различают несколько форм паразитизма. Паразиты могут быть временными, когда  организм-хозяин подвергается нападению  на короткий срок, лишь на время питания. Таковы клопы, в частности постельный клоп, всюду следующий за человеком. Очень опасен поцелуйный клоп, обитающий в тропиках, — крупное, 1,5— 3,5 см в длину, насекомое. Эти клопы ведут ночной образ жизни. Они заселяют глинобитные дома или камышовые хижины, постройки для скота. Нападая на человека, клопы прокалывают кожу около губы на месте перехода кожи в слизистую оболочку (отсюда название паразитов). Напившись крови, клоп выпускает на месте укуса каплю экскрементов, содержащую трипаносом — возбудителей тяжелой болезни. Трипаносомы внедряются в ранку или в места расчесов.