Генетика микроорганизмов

Жгутики

Многие  бактерии подвижны и эта подвижность  обусловлена наличием у них одного или нескольких жгутиков. Жгутики  у бактерий устроены гораздо проще, чем у эукариот, и по своей структуре напоминают одну из микротрубочек эукариотического жгутика. Жгутики состоят из одинаковых сферических субъединиц белка флагеллина  (похожего на мышечный актин), которые расположены по спирали и образуют полный цилиндр диаметром около 10-20 нм. Несмотря на волнистую форму жгутиков, они довольно жёстки.

Жгутики приводятся в движение посредством  уникального механизма. Основание  жгутика, по-видимому, вращается так, что жгутик как бы ввинчивается в  окружающую среду, не совершая беспорядочных  биений, и таким образом продвигает клетку вперёд. Это, очевидно, единственная в природе структура, где используется принцип колеса. Другая интересная особенность жгутиков —   это  способность отдельных субъединиц флагеллина спонтанно собираться  в растворе в специальные нити. Спонтанная самосборка — очень важное свойство многих биологических структур. В данном случае самосборка целиком обусловлена аминокислотной последовательностью (первичной структурой флагеллина).

Подвижные бактерии могут продвигаться в ответ  на определённые раздражители, т.е. они  способны к таксису. Так, например, аэробные бактерии обладают положительным аэротаксисом( т.е. плывут туда, где среда богаче кислородом),а подвижные фотосинтезирующие бактерии— положительным фототаксисом (т.е. плывут к свету.

Пили или фимбрии

На клеточной  стенке некоторых грамотрицательных  бактерий видны тонкие выросты (палочковидные  белковые выросты), которые называются, пили или фимбрии. они короче и тоньше жгутиков и служат для прикрепления клеток друг к другу или к какой-нибудь поверхности, придавая специфическую «липкость» тем штаммам, которые ими обладают. Пили, бывают разного типа.

 Наиболее  интересные так называемые F-пили, которые кодируются специальной плазмидой и связаны с половым размножением бактерий

Как и  у всех клеток, протоплазма бактерий окружена полупроницаемой мембраной. По структуре и функциям плазматические мембраны бактерий не отличаются от мембран  эукариотических клеток. У некоторых бактерий плазматическая мембрана впячивается внутрь клетки и образует мезосомы и (или)  фотосинтетические мембраны.

Мезосомы --- это складчатые мембранные структуры, на поверхности которых находятся ферменты, участвующие в процессе дыхания. Следовательно, мезосомы можно назвать примитивными органеллами. Во время клеточного деления мезосомы связываются с ДНК, что, по видимому, облегчает разделение 2-х дочерних молекул ДНК после репликации, способствует образованию перегородки между дочерними клетками.

У фотосинтезирующих  бактерий в мешковидных, трубчатых или пластинчатых впячиваниях плазматической мембраны находятся фотосинтетические сегменты (в том числе и бактериохлорофилл). Сходные мембранные образования участвуют и в фиксации азота.

Генетический материал

ДНК бактерий представлена одиночными кольцевыми молекулами длиной около 1 мм. Каждая такая молекула состоит примерно из 5 000 000 пар нуклеотидов. Суммарное содержание ДНК (геном) в бактериальной клетке намного меньше, чем в эукариотической, а, следовательно, меньше и объём закодированной информации. В среднем такая ДНК содержит несколько тысяч генов, что примерно в 500 раз меньше, чем в клетках человека

 

 

 

Споры

Некоторые бактерии образуют эндоспоры, т.е. споры  находящиеся внутри клетки. Эндоспоры  – толстостенные долгоживущие образования, крайне устойчивые к нагреванию и  коротковолновому излучению. Они по-разному  располагаются внутри клетки, что  служит очень важным признаком для  идентификации и систематики  таких бактерий. Если покоящаяся, устойчивая структура образуется из целой клетки, то она называется цистой. Цисты  образуют некоторые виды Azotobacter

 

Плазмиды и эписомы

Плазмиды и эписомы – это небольшие фрагменты ДНК, отличающиеся от основной массы ДНК. Они часто реплицируются вместе с ДНК хозяина, но не нужны для выживания его клетки.

Сначала было принято различать эписомы и плазмиды: эписомы внедряются в ДНК хозяина, а плазмиды – нет. К эписомам относятся F-факторы и так называемые умеренные фаги. Сейчас обе группы называют одним общим термином «плазмиды». Плазмиды очень широко распространены в природе, и в последние годы их считают внутриклеточными паразитами или симбионтами, устроенными ещё проще, чем вирусы. Что касается плазмид, то здесь дело обстоит несколько сложнее – ведь они представляют собой только молекулы ДНК.

Плазмиды придают своим клеткам-хозяевам  целый ряд особых свойств. Некоторые плазмиды являются «факторами резистентности», т.е. факторами, придающими устойчивость к антибиотикам.

Примером  может служить пеницилиназная плазмида стафилококков, которая трансдуцируется различными бактериофагами. В этой плазмиде содержится ген, кодирующий фермент пенициллиназу, которая разрушает пенициллин и, таким образом, придаёт устойчивость к пенициллину. Другие плазмидные гены определяют устойчивость к дезинфицирующим средствам; способствуют таким заболеваниям, как стафилококковая импетиго; помогают молочнокислым бактериям превращать молоко в сыр; придают способность усваивать такие сложные вещества, как углеводороды, что можно использовать для борьбы с загрязнением океана или для получения кормового белка из нефти. 

Вирусы

Вирусы  были обнаружены в 1892 г. профессором  Д.И. Ивановским. Особенность вирусов  заключается в их незначительных размерах, отсутствии клеточного строения, обмена веществ и энергии. Но самым  характерным критерием является наличие одной нуклеиновой кислоты—РНК  или ДНК (у остальных организмов имеется и ДНК и РНК). Вирусы самостоятельно не способны синтезировать  белки. Способ размножения вирусов  значительно отличается от способа  размножения других организмов. Вирусы не растут.

Различают два вида вирусов: ДНК-содержащие и  РНК-содержащие. Объём генетической информации у вируса очень мал, например у самых малых вирусов он состоит из 3500 нуклеотидов. Такой объём нуклеиновой кислоты способен лишь обеспечивать синтез  нескольких белков, обычно белков каспида вируса. Геном вирусов бывает представлен многообразными линейными и кольцевидными формами нуклеиновых кислот; наряду с 2-хцепочными и одноцепочными РНК встречаются одноцепочные ДНК и 2-хцепочные РНК, служащие матрицами у некоторых вирусов животных и растений

Индивидуальный рост и  бесполое размножение клеток

Отношение поверхность/объём у бактериальных  клеток очень велико. Это способствует быстрому поглощению питательных веществ  из окружающей среды за счёт диффузии и активного транспорта. В благоприятных  условиях бактерии растут очень быстро. Рост зависит прежде всего от температуры и р.-Н.  среды, доступности питательных веществ и концентрации ионов. Облигатным аэробам обязательно нужен ещё и кислород, а облигальным анаэробам нужно чтобы его совсем не было.

Достигнув определённых размеров, бактерии переходят  к бесполому размножению (бинарному  делению), т.е. начинают делиться с образованием 2-х дочерних клеток. Переход к  делению диктуется отношением объёма ядра к  объёму цитоплазмы. Перед  клеточным делением происходит репликация ДНК, во время которой мезосомы удерживают геном в определённом положении. Мезосомы могут прикрепляться и к новым перегородкам между дочерними клетками а каким-то образом участвовать в синтезе веществ клеточной стенки. У самых быстрорастущих бактерий деление происходит каждые 20 мин.; интервал между делениями называется временем генерации.

Половое размножение, или генетическая рекомбинация

у бактерий наблюдается половое размножение, но в самой примитивной форме. Половое размножение бактерий отличается от полового размножения эукариот тем, что у бактерий не образуются гамет  и не происходит слияния клеток. Однако главнейшее событие полового размножения, а именно обмен генетическим материалом, происходит и в этом случае.

Этот  процесс называется генетической рекомбинацией. Часть ДНК (очень редко вся ДНК) клетки донора переноситься в клетку реципиент, ДНК которой генетически отличается от ДНК донора. При этом перенесённая ДНК замещает часть ДНК реципиента. В процессе замещения ДНК участвуют ферменты, расщепляющие и вновь соединяющие цепи ДНК. При этом образуется ДНК, которая содержит гены обоих родительских клеток. Такую ДНК называют рекомбинантной. У потомства, или у рекомбинантов, наблюдается заметное разнообразие признаков, вызванное смешением генов. Такое разнообразие признаков очень важно для эволюции и является главным преимуществом полового размножения.

Существуют 3 способа получения рекомбинантов:

трансформация:

При трансформации  клетки донора и реципиента не контактируют друг с другом. При трансформации  из клетки донора выходит небольшой  фрагмент ДНК, который активно поглощается  клеткой реципиентом и включается в состав её ДНК, замещая в ней  похожий, хотя не обязательно идентичный фрагмент. Трансформация наблюдается  лишь у немногих бактерий, в том  числе и у некоторых так  называемых «компетентных» штаммов  пневмококков, у которых ДНК может  проникать в клетку реципиент.

конъюгация:

Это перенос  ДНК между клетками, непосредственно  контактирующими друг с другом. В  отличие от трансформации и трансдукции  при этом может обмениваться значительная часть донорной ДНК. Донорная способность  клеток определяется генами, находящимися в небольшой кольцевой молекуле ДНК, которую называют половым фактором или F-фактором (F – английская буква «fertility» -- плодовитость).

Это своеобразная плазмида, которая кодирует белок специфических фимбрий, называемых F-пилями или половыми пилями. F-пили облегчают контакт клеток друг с другом. Молекула ДНК состоит из 2-х цепей. При конъюгации одна из цепей 2-хцепочечной ДНК F-фактора проникает через половую фимбрию клетки-донора (F+) в клетку реципиент (F-). В клетке-доноре сохраняется F-фактор, который реплицируется в ней, пока в клетке-реципиенте синтезируется её собственная копия. Так постепенно вся популяция клеток становится F+-клетками. Клетки доноры могут спонтанно утрачивать F-фактор и становиться, таким образом,F- --клетками.

F-фактор интересен ещё и потому, что иногда (примерно в 1 случае из 100.000) он встраивается в молекулу ДНК основной клетки-хозяина. Тогда при конъюгации переноситься не только F-фактор, но также и остальная ДНК. Этот процесс занимает примерно 90 минут, но клетки могут расходиться и раньше, до полного обмена ДНК. Такие штаммы постоянно передают всю или большую часть своей ДНК другим клеткам. Эти штаммы называют Hfr-штаммами, потому что донорная ДНК таких штаммов рекомбинирует с ДНК реципиента.

трансдукция:

При трансдукции  небольшой 2-хцепочечный фрагмент ДНК  попадает из клетки-донора в клетку- реципиент вместе с бактериофагом.

Некоторые вирусы способны встраивать свою ДНК  в ДНК бактерий; такая встроенная ДНК реплицируется одновременно с ДНК хозяина и передаётся от одного поколения бактерий к другому. Время от времени такая ДНК  активизируется и начинает кодировать образование новых вирусов.

ДНК бактерии разрывается, а высвобожденные фрагменты  иногда захватываются внутрь вирусных частиц, порой даже вытесняя ДНК  самого вируса. Такие новые «вирусы», или трансдуцирующие частицы, затем переносят ДНК в клетки других бактерий.

 

 

5.Генотипическая изменчивость

 

Генотипическая  изменчивость связана с изменением генотипа бактерий. В основе генотипической изменчивости лежат мутации и  рекомбинации.

Мутации (от латинского mutatio – изменение) – это изменения структуры ДНК (качественные или количественные), которые возникают под влиянием эндогенных или экзогенных факторов и проявляются наследственно закрепленным изменением одного или многих признаков.

В природе  мутации возникают без участия  экспериментатора и называются спонтанными, а мутации, контролируемые экспериментатором, называются индуцированными. Бактерии с измененными признаками называют мутантами. Спонтанные мутации возникают  под влиянием неизвестных причин и лежат в основе эволюции микроорганизмов. Факторы, вызывающие мутации, называются мутагенами. Различают физические, химические и биологические мутагены.

К физическим мутагенам относятся такие факторы, как температура, радиация, ультрафиолетовые лучи, ионизирующие излучения и др.

К химическим мутагенам принадлежат многочисленные химические соединения и вещества, которые могут изменять структуру  генов, взаимодействуя с ДНК бактериальной  клетки.

Биологическими  мутагенами являются бактериофаги и  продукты жизнедеятельности клеток, которые накапливаются в питательной  среде в результате размножения  и роста бактерий.

По широте изменений генома бактерий мутации  делят на генные – изменения регистрируют в пределах одного гена, хромосомные  – в группе генов, точковые – в одном триплете.

В зависимости  от взаимодействия мутагенов на нуклеотид  бактериальной клетки или ее плазмиды, мутации делят на нуклеоидные и плазмидные.

По направлению  выделяют прямые и обратные мутации. Прямые – это изменения генов  бактерий, выделенных из естественной среды обитания. Обратные мутации  – это возврат от измененного  типа бактерий к естественному типу.