|
Вступ
Розділ 1. Характеристика генетичного апарату бактерій
1.1 Гени та генетична карта
1.2 Фенотипова і генотипова мінливість прокаріот
1.3 ДНК бактерій
Розділ 2. Генетичні процеси в клітинах мікроорганізмів
2.1 Генетичні рекомбінації у бактерій: трансформація, конюгація, трансдукція
2.2 Регуляція генної активності
2.3 Позахромосомні фактори спадковості
2.4 Використання на практиці досягнень генетики мікроорганізмів
Висновки
Список використаної літератури
Надзвичайно важливим серед досягнень мікробіології останньої чверті XIX ст. є відкриття неклітинних форм життя — вірусів. Тоді багато вчених вважали, що бактерії є найменшими і найпростішими організмами, і що саме вони стоять на межі живої і неживої природи.
Захворювання рослин, тварин і людини, вірусна природа яких у даний час установлена, у протягом багатьох сторіч завдавали шкоди господарству і здоров'ю людини. Хоча багато з цих хвороб були описані, але спроби встановити їхню причину і виявити збудник залишались безуспішними.
У 1915 р. англійський бактеріолог Ф. Туорт, а в 1917 р. канадієць Ф. д'Ерель, незалежно один від одного, відкрили віруси бактерій, названі д'Ерелем бактеріофагами («пожирачі бактерій»). Однак слід зазначити, що ще за 19 років до цього відкриття, в 1898 p., вітчизняний мікробіолог М.Ф.Гамалія описав явище лізису бацил сибірки під впливом невідомого агента, названого вченим бактеріолізином.
Отже, протягом 25 років було відкрито віруси, що уражують усіх представників царства природи: рослини, тварини і мікроорганізми. Проте упродовж багатьох років мікроорганізми не привертали до себе особливої уваги.
Мета роботи: проаналізувати генетичні особливості мікроорганізмів.
Завдання роботи:
1) Дати характеристику генетичного апарату бактерій;
2) Розглянути генетичні процеси в клітинах мікроорганізмів та їх особливості.
У бактеріальних клітинах генетичний аппарат знаходиться у нуклеоїді. Основною генетичною структурою бактерій є бактеріальна хромосома, яка представлена молекулою ДНК замкнутою у кільце. Довжина кільця може досягати 1,0 – 1,4 мм. У нормі в бактерій є одна хромосома, бактерії як і всі прокаріоти є гаплоїдні (їх генетичний матеріал представлений одним набором генів). Проте, описано бактерії, що мають декілька копій бактерільної хромосоми. Хромосома має окремі ділянки – гени (фрагменти молекули ДНК), які розміщені дискретно і несуть генетичну інформацію відносно всіх ознак, притаманних клітині. Ген є основним фактором, який зумовлює спадкові властивості мікроорганізмів. Сукупність генів складає геном мікроорганізму.
Гени прокаріотної клітини складаються із безперервно кодуючої послідовності нуклеотидів, тобто прокаріотам властиве тісне зчеплення генів. Хромосоми бактерій володіють однією групою зчеплень генів. Гени бактерій складаються із промотора, білок-кодуючої ділянки і термінатора транскрипції.
Послідовність розміщення генів на бактеріальній хромосомі може бути відображена на генетичній карті, яка є умовною схемою хромосоми бактерії.На цій карті зазначено послідовність окремих генів, відносну довжину самих генів і відстань між ними, виражену в умовних одиницях рекомбінації. За таку одиницю умовно прийнята частота рекомбінації, яка дорівнює 1%. До 1972 р. було встановлено 460 генів на хромосомній карті кишкової палички.
Генетичні карти складені також і для сінної палички і ін. мікроорганізмів.
Генетичний матеріал у мікробів може знаходитися не тільки в хромосомі, але і в позахромосомних структурах – плазмідах. Плазміди можуть знаходитися в цитоплазмі або бути в інтегрованому стані з хромосомою – тоді їх називають епісомами.
Крім плазмід, у деяких бактерій виявлені помірні фаги і мігруючі елементи (транспозони і ІS-елементи). Транспозони і ІS- елементи входять як правило в склад хромосом, але здатні переходити із хромосоми в плазміду.
За хімічною природою плазміди є лінійними, відкритими і закритими кільцевими молекулами ДНК довжиною від 2 до 6000 (т.п.н). У лінійних плазмід кінці їх ДНК захищені від дії нуклеаз білками,або з”єднуються ковалентно. Коли молекули ДНК скручені, то вони не руйнуються нуклеазами клітини.
Основною властивістю плазмід є їх здатність до автономної реплікації,завдяки наявності всієї системи самовідтворення.
Плазміди не є обов”язковим генетичним матеріалом бактерій, які є необхідними для прояву їх життєдіяльності. В цей же час плазміди можуть визначати дуже важливі властивості бактерій, наприклад здатність до передавання генетичного матеріалу від донорських F+
—клітин до F- — клітин-реціпієнтів при кон”югації (F-плазміда); стійкість до антибіотиків, сульфаніламідних препаратів (R – плазміда), здатність до синтезу токсинів (Ent-плазміда); утворення фімбрій, якими ентеробактерії прикріплюються до кишкового епітелію, здатність до синтезу бактерицидних речовин — бактеріоциногенія.
Всі відомі плазміди поділяють на кон”югативні і некон`югативні. Кон”югативні плазміди переносять власну ДНК від клітини-донора до клітини-реціпієнта при кон”югації.
Некон`юговані плазміди не володіють здатністю до кон”гативного перенесення із однієї клітини в другу. Молекулярна маса кон`югативних плазмід 26-75х106
, а некон”югованих не більше 10х106
а.од.м. Кон”югативні плазміди характерні для грамнегативних бактерій.
В одній бактеріальній клітині може одночасно знаходитись декілька типів плазмід. Якщо плазміди не можуть існувати постійно в одній клітині, то їх називають несумісними.
Несумісними є плазміди, які мають подібну будову.
Для кон`югативних плазмід характерне явище поверхневого виключення, коли плазмідна ДНК затруднено проходить через клітинну стінку, якщо в ній є плазміда з аналогічною детермінантою. Плазміди надають клітинам різні фенотипові ознаки: стійкість до антибіотиків, катіонів (ртуті), аніонів (арсену), мутагенів, бактеріоцинів. Вчені вважають,що плазміди є факторами, які підвищують життєздатність бактерій в організмі господаря і в оточуючому середовищі.
Генетика прокаріот вивчає закономірності спадковості і мінливості організмів.
Спадковість прокаріот забезпечує збереження і точне відтворення ознак даного виду.
Мінливість визначає появу відмінностей в ознаках між особинами одного виду бактерій, що в процесі еволюції приводить до винекнення різноманітних форм життя.
Для прокаріот як і для еукаріот характерні два типи мінливості: генотипова (спадкова) і фенотипова (модифікаційна).
Повний набір генів, яким володіє клітина мікроорганізма є генотипом. Прояв сукупності спадкових морфологічних ознак і фізіологічних процесів називається фенотипом (від гр. Фаіно — проявляти, показувати). Подібні мікроорганізми за генотипом можуть істотно відрізнятися за фенотипом. Фенотипові відмінності між мікроорганізмами, які мають однаковиий генотип, називаються модифікаціями, або фенотиповими адаптаціями. Таким чином, взаємодія генетичних задатків з зовнішнім середовищем може бути причиною винекнення різних фенотипів. Модифікації існують до того часу, поки діє фактор, який їх викликає, вони не передаються по спадковості. Фенотипова мінливість не приводить до змін генетичного аппарату бактерій, вона носить адаптаційний характер. Наприклад, бактерії роду Azotobacter активно фіксують молекулярний азот тоді, коли в грунті йго не вистачає, коли в грунт внести мінеральні азотні добрива, то азотфіксація знижується.
В природі фенотипові відмінності часто повторюються в житті прокаріот. Нерідко вони носять циклічний характер, який пов”язаний з сезонними кліматичними факторами. Наприклад, в грунтах південних районів в сезон посушливого літа більшість бактерій утворює слизистий матрикс, який оберігає клітину від висихання. Фенотипова мінливість сприяє виживанню мікробної популяції.
Генотипова мінливість прокаріот проявляється у вигляді мутацій і рекомбінацій і є наслідком порушень структури генетичного апарату.
За походженням розрізняють спонтанні і індуковані мутації.
Спонтанні мутації виникають в популяціях прокаріот без видимої зовнішньої дії. Вони носять випадковий, ненаправлений характер і виникають самовільно. Спонтанні мутації виникають в результаті помилок ДНК — полімерази під час реплікації ДНК під впливом природнього фону випромінювань, хім. речовин. Спонтанні мутації служать основним джерелом природньої мінливості мікроорганізмів і лежать в основі іх еволюції.
Індукованими називають ті мутації, які виникають під впливом певного мутагенного фактора. Вперше індуковані мутанти дріжджів було одержано Г.А. Надсоном і Г.С. Філіповим у 1925 році. Мутації виникають з частотою 10-4 —10-10 за одну генерацію. Мутагенні фактори можуть бути біологічної, хімічної і фізичної природи.
Біологічні мутагенні фактори — це віруси бактерій. ДНК вірусів включається в геном бактерії і викликає дестабілізацію сусідніх генів. Біологічними мутагенними факторами можуть бути генетичні елементи, які здатні переміщатися (вони називаються бактеріальні транспозони) — це сегменти ДНК, які здатні до внутрішніх і міжхромосомних переміщень.
Серед хімічних мутагенів можна виділити такі групи: інгібітори попередників нуклеїнових кислот, аналоги азотистих основ (5-хлор-, 5-бром-, 2-амінопурин), окислювачі (HNO3
), відновники і вільні радикали, ін.
Фізичні мутагенні фактори—іонізуюче випромінювання, температура, УФ-промені, рентгенівські промені, гама-промені, протони.
Вперше можливість виникнення індукованих мутацій показали в 1925 році Г.А. Надсон і Г.С. Філіпов внаслідок опромінення дріжджів рентгенівськими променями.
За характером змін, які виникають в первинній структурі ДНК виділяють генні і хромосомні мутації.
Генні мутації — зачіпають тільки один ген і найчастіше є точковими. Внаслідок точкових мутацій спостерігається випадання, вставка або заміна однієї пари нуклеотидів.
Хромосомні мутації поширюються на декілька генів. Вони виникають внаслідок перебудов в окремих фрагментах ДНК. Вони проявляються у формі дилеції — випадання певного числа нуклеотидів; інверсії — обернення ділянки ДНК на 1800; дуплікації— повторення якого-небуть фрагмента ДНК. Нерідко хромосомні мутації приводять до дезінтеграції всіх систем бактеріальної клітини, що супроводжується летальним ефектом.
За локалізацієюв генетичних структурах мутації поділяються на хромосомні і плазмідні.
Перші виникають в хромосомах, другі в плазмідах. Розрізняють умовно-летальні мутації, при яких клітина гине, вони стосуються життєво-важливих генів.
За напрямом зміни ознаки мутації бувають прямі і зворотні. Перші є змінами в генах бактерій дикого типу, наприклад поява ауксотрофних мутантів із прототрофів. Зворотними називають мутації від мутантного типу до дикого, наприклад: реверсія (повернення) від ауксотрофності до прототрофності. Зворотні мутації, які приводять до відновлення фенотипу і генотипу, називають прямими. Зворотні мутації, які відновлюють лише фенотип, а генотип лишається мутованим, дістали назву супресорних. При цьому відбувається вторинна пряма мутація в іншому гені, яка пригнічує виявлення першої.
Протягом еволюції у прокаріотів виробились способи захисту генетичного матеріалу, від пошкодження різними мутагенами. У них виявлено ефективні сиситеми репарації мутаційних пошкоджень ДНК.
Особливою формою мінливості прокаріотів, в основі якої також лежать мутації, є дисоціація — розчеплення однорідної популяції бактерій за культуральними властивостями на типи, які відрізняються від вихідного зовнішнім виглядом і структурою колоній, а також стійкими змінами деяких фізіолого-біохімічних властивостей. Найчастіше за дисоціації спостерігаються зміни форми і структури колоній на твердих поживних середовищах. (S-форма — гладкий тип колоній, R-форма — шорсткий тип колоній.)
За винекнення фонотипових змін всі мутації поділяються на морфологічні, фізіологічні і біохімічні. Морфологічним змінам передують біохімічні. Біохімічні мутанти діляться на ауксотрофні і ферментативні. Ауксотрофні бактерії - це клітини, які втратили здатність самостійно синтезувати амінокислоти,пурини,пірамідини, вітаміни та інші фактории росту.
Ферментативні бактерії втрачають здатність зброджувати вуглеводи. Біохімічні мутанти використовують як експерементальні моделі в генетиці бактерій.
В результаті мутацій можуть виникнути мутанти: 1) які втратили стійкість до фізичних факторів (t, випромінювань); 2) в яких появилася стійкість до антибіотиків, лікарських препаратів, токсичних речовин і фагів; 3) зниження вірулентності; 4) втрата здатності до генетичної рекомбінації.
Мутації передаються у спадок від материнської клітини до дочірньої.
1.3 ДНК бактерій
Генетичний апарат бактерій представлений молекулою ДНК, що у вигляді нуклеотида розташовується в центральній частині цитоплазми. У вірусів геном представлений ДНК або ж РНК. Молекула ДНК складається з великого числа нуклеотидов. Кожен нуклеотид являє собою з'єднання з фосфату, цукру й азотної підстави. У ДНК входить цукор дизоксирибоза, у РНК - рибоза. У молекулу ДНК вірусів і фагов може входити від декількох тисяч до сотень тисяч нуклеотидов, у ДНК бактерій і найпростіших до 10 млн., а в ДНК вищих організмів до 1 млрд.
Англійський учений Ф. Лемент і американський Дж. Уотсон (1953) обґрунтували представлення про ДНК. На їхню думку молекула ДНК складається їхніх двох ниток, спірально закручених одна навколо іншої. Діаметр подвійної спіралі ДНК дорівнює 2 нм, а відстань між витками 3,4 нм. На кожен виток спирали приходиться 10 пара нуклеотидов. Відстань між азотистими підставами складає 0,34 нм. Її порівнюють із крученими сходами. Якщо згорнуту в спіраль ДНК розгорнути, то вона приймає вид сходів. Цукор і фосфат складають основу подовжніх ниток, "поперечини" складаються з азотистих основ. Азотисті підстави - щільні кільцеподібні з'єднання з атомів С и N (аденин, гуанін, Тимин, цитозин). Ті самі у всіх видів організмів. ДНК різних видів розрізняється порядком чергування зазначених азотистих основ. Як відомо, до складу білків входять 20 амінокислот. Кожній амінокислоті відповідає визначений триплет, тобто три азотистих підстави. Сукупність усіх триплетів одержала назву генетичного коду. Код однаковий у бактерій, вірусів, найпростіших, тварин, людини, тому що послідовність чергування триплетів у молекулі ДНК і молекулі визначеного білка виявляються єдиними в усім органічному світі. У цій єдності будівлі ДНК - найбільша єдність органічного світу. Азотисті підстави в ДНК двох видів:
1. Двокільцеві (пуринові) - аденін, гуанін - 12 ангстрем;
2. Однокільцеві (піримідинові) - тимін, цитозин - 8 ангстрем.
Азотисті підстави нуклеотидів укладені усередині між витками спирали ДНК і з'єднані водневими зв'язками, які потребують строгої парності основ. А саме, Аденін зв'язується з Тіаміном, Гуанін з Цитазином. Чаргафф (1960), а потім радянські вчені А.Н. Бєлозерський і А.С. Спирин показали, що в будь-якій тканині рослин і тварин, у бактеріальній клітині і вірусній частці, вміст молекул аденіну дорівнює вмісту молекул Тиміну, а вміст цитозина - вмісту гуаніну. Це правило нуклеотидних відносин (А + Г/Т + Ц = 1), що містить в основі будівлі всіх ДНК одержало назву по імені автора - правило Чаргоффа. Сума пуринових основ у будь-якій молекулі дорівнює сумі піримідинових основ. Ця закономірність обґрунтована на великій кількості видів організмів. Вона є доказом того, що усередині спіралі ДНК проти кожної пуринової основи знаходиться піримідинове і, навпаки. Згідно правила Чаргоффа аденін одного ланцюга ДНК зв'язаний тільки з Тиміном інший, а гуанін тільки з цитозином. Пара Аденін-Тимін зв'язана двома водневими зв'язками, а гуанін-цитозин - трьома. Така закономірність з'єднання азотистих основ називається комплементарністю, а азотисті основи комплементарними, тобто взаємно доповнюють один одного. Азотисті основи орієнтовані до середини спирали. Для хромосом еукаріот характерна лінійна будова молекули ДНК, у прокаріотів молекула ДНК замкнута в кільце.
Комплементарність азотистих основ у молекулі ДНК складає головну сутність молекулярних основ спадковості і дозволяє зрозуміти, як при розподілі клітки синтезуються тотожні молекули ДНК.
Перед кожним подвоєнням хромосом і розподілом клітки відбувається реплікація (подвоєння) ДНК. Реплікацією називають процес самокопіювання молекули ДНК із дотриманням порядку чергування нуклеотидів, властивим материнським комплементарним ниткам.
Спіралеподібна дволанцюгова ДНК спочатку розплітається (розкручується) уздовж осі, водневі зв'язки між азотистими основами рвуться і ланцюги розходяться. Потім, до кожного ланцюга пристроюються комплементарні азотисті основи й утворюються дві нові дочірні молекули ДНК. Такий спосіб подвоєння молекул, при якому кожна дочірня молекула містить один материнську й один знову синтезований ланцюг, називають напівконсервативним.
Процес реплікації здійснюється за допомогою ферментів, що одержали назва ДНК-полімераз. Ділянка молекули ДНК, у якому почали розплітатися комплементні нитки, називається вилкою реплікації. Вона утвориться в прокаріот у визначеній генетично детермінованій точці. У молекулі ДНК у еукаріот таких точок ініціації реплікації ("стартових точок") буває кілька. У еукаріот процес реплікації ДНК йде неоднаково. Пояснюється це тим, що полінуклеотидні ланцюга в молекулі ДНК антирівнобіжні, тобто 5'-кінець одного ланцюга з'єднується з 3'-кінцем інший, і навпаки. Материнський ланцюг, на якій синтез йде від крапки старту 5'->3' у виді суцільної лінії, називається лідируючої, а другий ланцюг, на якій синтез йде від 3'->5' (у протилежному напрямку) окремими фрагментами одержала назву запізнілої. Синтез цього ланцюга складніше синтезу лідируючого ланцюга. Він протікає за участю ферменту лігази окремими фрагментами. Ці фрагменти (ділянки кодової нитки ДНК) містять у еукаріот 100-200, а в прокаріот 1000-2000 нуклеотидів. Вони одержали назву фрагментів Оказаки.
Фрагмент ДНК від однієї точки початку реплікації до іншої точки утворить одиницю реплікації - реплікон. Реплікація починається з визначеної точки (локус orі) і продовжується доти, поки весь реплікон не буде дуплікований. Молекули ДНК прокаріотичних клітин містять велике число репліконів, тому подвоєння ДНК починається в декількох точках. У різних репліконах подвоєння може йти в різний час або одночасно.
Реплікація молекул ДНК у прокаріот протікає трохи інакше, ніж у еукаріот. У прокаріот одна з ниток ДНК розривається й один кінець її прикріплюється до клітинної мембрани, а на протилежному кінці відбувається синтез дочірніх ниток. Такий синтез дочірніх ниток ДНК одержав назву "обруча, що котиться,". Реплікація ДНК протікає швидко. Так, у бактерії швидкість реплікації складає 30 мкм у хвилину. За хвилину до нитки-матриці приєднується близько 500 нуклеотидів, у вірусів за цей час - близько 900 нуклеотидів. У еукаріот процес реплікації протікає повільно. У них дочірня нитка подовжується на 1,5-2,5 мкм у хвилину.
ДНК усіх живих істот улаштований однаково. ДНК різних видів розрізняються коефіцієнтом видоспецифічності, що являє собою відношення молекулярної суми А + Т к молекулярній торбі Г + Ц. Видоспецифічність ДНК виражається відсотком або часток у ній ГЦ-пара. Коефіцієнт видової специфічності різний у різних видів, але в загальному спостерігається зміна ГЦ-пар від прокаріот до еукаріотам, а в межах останніх - від нижчих до більш високоорганізованих форм.
Вуглеводно-фосфатний кістяк по всій довжині у всіх молекулах ДНК має однотипну структуру і не несе генетичної інформації. Спадкоємна інформація зашифрована різною послідовністю основ. А якщо послідовність основ визначає характер білків собаки, корови, бактерії, вірусу і т.д., те відповідна спадковість може передаватися з покоління в покоління.
Таким чином, у структурній організації молекули ДНК можна виділити первинну структуру - полінуклеотидний ланцюг, вторинну структуру - дві комплементарні один одному полінуклеотидні ланцюги, з'єднані водневими зв'язками, і третинну структуру - тривимірну спіраль з визначеними просторовими характеристиками.
Біологами доведено, що синтез білка відбувається не в ядрі, де локалізована ДНК, а в цитоплазмі. Установлено, що особистої участі в синтезі білка ДНК не приймає. Роль посередника, функцією якого є переклад спадкоємної інформації, що зберігається в ДНК, у робочу форму, виконують рибонуклеїнові кислоти (РНК). Рибонуклеїнова кислота являє собою полінуклеотидний ланцюг, що складається з 4 різновидів нуклеотидів, що містять цукор рибозу, фосфат і одне з 4 азотистих основ - аденін, гуанін, урацил, цитозин. Тому нуклеотиди молекули РНК називаються аденіловою, гуаніловою, урациловою або цитидиловою кислотами. Молекули РНК синтезуються на кодогенного ланцюга ДНК за допомогою Рнк-полімераз з дотриманням принципу комплементарності й антипаралельності. Особливістю є те, що аденіну ДНК у РНК комплементарний урацил. Відомо 3 основних види РНК, що діють у клітині: інформаційна (і-РНК) або матрична, транспортна (т-РНК) і рибосомна (р-РНК).
Інформація про синтез білка з визначеними властивостями укладена в нуклеотидній послідовності матричних або інформаційних РНК (і-РНК, м-РНК), що, у свою чергу, синтезуються на визначених ділянках ДНК. Процес синтезу м-РНК називають транскрипцією. Синтез м-РНК починається з виявлення РНК-полімерази, ділянки в молекулі ДНК, називаного промотором. На цій ділянці Рнк-полімераза розкручує спіраль ДНК і на одній з них фермент синтезує м-РНК. Ланцюг, на якій відбувається зборка молекул м-РНК, називають кодогенною. Зборка рибонуклеотидов у ланцюг відбувається з дотриманням принципів комплементарности й антипаралельності, РНК-полімераза просувається по кодогенному ланцюгу ДНК і здійснює синтез м-РНК доти, поки не зустрічає на своєму шляху термінатор транскрипції (переписування) - специфічну нуклеотидну послідовність. На ділянці розташування термінатора транскрипції Рнк-полімераза відокремлюється від ланцюга ДНК і від синтезованої молекули м-РНК. Промотор (ділянка молекули ДНК), транскретуєма послідовність і термінатора утворять одиницю транскрипції за назвою транскриптон. Після проходження Рнк-полімерази уздовж молекули ДНК, пройдені ділянки поєднуються знову в подвійну спіраль. Утворена матрична РНК містить точну інформацію про білок, записану у визначеній ділянці ДНК. Три поруч розташованих нуклеотидів м-РНК шифрує послідовність амінокислот у пептидному ланцюзі білків. Кожному триплетові (три нуклеотиди - кодони) відповідають визначені амінокислоти. Існує велика розмаїтість і-РНК.
Носієм генетичної інформації бактеріальних кліток є ДНК. Вона являє собою подвійну спіраль, що складається з двох полінуклеотидних ланцюжків. ДНК порівнюють із крученими сходами і з подвійним електричним кабелем. Кістяк ДНК складається з фосфатних груп і дезоксирибози. Поліпептидні ланцюги з'єднані між собою водневими зв'язками, що утримують один з одним комплементарні азотисті підстави. Будівля ДНК бактерій аналогічно такому клітин еукаріотичного типу (рослин, тварин, грибів). На відміну від бактерій у вірусів геном представлений однієї нуклеїновою кислотою - ДНК або РНК. Бактеріальні клітки, крім ДНК, можуть мати генетично повноцінні утворення функціонуючі автономно. Необхідно підкреслити, що носіями спадковості бактерій крім ДНК є плазміди і епісоми. У цьому зв'язку, будь-яка структура бактеріальної клітки, здатна до самореплікації, називається реплікон, тобто репліконами бактерій є нуклеотид, плазміди, епісоми. Плазмиды не зв'язані з нуклеотидом, вони перебувають у цитоплазмі клітки автономно, епісоми можуть знаходитися у вільному стані, але найчастіше вони реплікуються разом із ДНК.
Бактеріальна хромосома представлена однієї двоковою молекулою ДНК кільцеподібної форми і називається нуклеотидом. Довжина нуклеотида в розтягнутому виді складає приблизно 1 мм. Нуклеотид - еквівалент ядра. Розташовано він у центрі бактерії. На відміну від еукаріот ядро бактерій не має ядерної оболонки, ядерця й основних білків (гістонів). Нуклеотид можна виявити у світловому мікроскопі. Для цього треба офарбити клітку спеціальними методами: по Фельгену або по Романовскому-Гимзе. Електронно-мікроскопічне дослідження показало, що один кінець ДНК прикріплений до клітинної мембрани. Видимо, це необхідно для процесу реплікації ДНК.
На відміну від клітин еукаріот у прокаріот відсутні мітохондрії, апарат Гольджи і ендоплазматична сітка.
Кожна нитка ДНК складається з ланок - нуклеотидів. До складу нуклеотида входить одна з азотистих основ (аденін, гуанін, тимін або цитозин) дезоксирибоза і фосфорна кислота. Приблизно 1500 нуклеотидів складають ген середньої величини. Таким чином, ген являє собою визначену ділянку ДНК, відповідальний за прояв і розвиток конкретної ознаки. Гени в ДНК розташовані лінійно, вони дискретні, здатні до самореплікації. Послідовність амінокислот у синтезованому білку, визначається послідовністю нуклеотидів у гені.
З погляду функціональної гени підрозділяють на структурні, регулятори, промотори і гени-оператори.
Структурні гени, являють собою гени, що обумовлюють синтез ферментів, що беруть участь у біологічних реакціях і у формуванні клітинних структур.
Гени-регулятори відповідальні за синтез білків, що регулюють обмін речовин. Ці гени можуть впливати на діяльність структурних генів.
Гени-промотори детермінують початок транскрипції. Вони являють собою ділянку ДНК, що розпізнає Днк-залежний Рнк-полімеразою.
Гени-оператори є посередниками між структурними генами, промоторною областю і генами-регуляторами.
Сукупність генів-регуляторів, промоторів, операторів і структурних генів називають опероном. Отже оперон є функціональною генетичною одиницею, що несе відповідальність за прояв визначеної ознаки мікроорганізмів.
Розрізняють індуцибельні і репресибельні оперони. Наприклад, індуцибельним опероном є Lac-оперон, гени якого контролюють синтез ферментів, що утилізують лактозу в мікробній клітці. Якщо клітка не має потреби в лактозі, оперон підтримується в неактивному стані і, навпаки.
Прикладом репресибельного оперона може служити триптофановий оперон, що забезпечує продукцію триптофану. Цей оперон звичайно постійно функціонує, а його білок-репресор знаходиться в пасивному стані. У випадку підвищення змісту триптофану в клітці амінокислота вступає в зв'язок з репресором і активізує його. Репресор інгібує працюючий оперон і перериває синтез триптофану.
Найважливіша властивість ДНК - здатність до реплікації. Реплікація може протікати по тета-типі і сігма-типові. Реплікація ДНК по тета-типі починається у визначеній крапці у виді "здуття" і поширюється уздовж молекули в двох напрямках, проходячи через проміжну структуру, що нагадує грецьку букву тета. При цьому типі реплікації зберігається один з ланцюгів вихідної молекули ДНК, а друга синтезується з нуклеотидів.
Реплікація ДНК по сігма-типі здійснюється через проміжну структуру, що нагадує грецьку букву сигма, відкіля і назва цього типу. Цей тип реплікації спостерігається в процесі кон’югації бактерій і деяких фагів. При цьому типі реплікації відбувається добудовування обох ниток ДНК до дволанцюгової ДНК.
Геном бактерій виконує наступні функції: забезпечує передачу біологічних властивостей; програмує синтез бактеріального білка з визначеними властивостями; бере участь у процесах мінливості бактерій; забезпечує збереження індивідуальності виду; детермінує множинну стійкість до ряду лікарських речовин.
У процесі еволюції природний добір діє не тільки на рівні мутацій в окремих генах, але і на рівні рекомбінації генів, в результаті якої із ДНК двох різних клітин утворюється рекомбінантна хромосома. Цей процес називається генетичною рекомбінацією, а клітини, які утворюються в результаті цього процесу –– рекомбінантами. При рекомбінації не проходитьповне злиття клітин (не утворюються диплоїди), а частина генетичного матеріалу донорної клітини переноситься в реціпієнтну клітину, яка стає частковим диплоїдом або мерозиготою. В рекомбінантній хромосомі основу складає хромосома клітини – реціпієнта, яка включає частину клітини – донора, рекомбінанти формуються в реціпієнтних клітинах.
До рекомбінативної мінливості генетичного матеріалу, приводить трансформація, трансдукція і кон`югація. Рекомбінативна мінливість належить до другого типу спадкової мінливості (після мутаційної).
Тансформація (лат. transformatio – перетворення) передача генетичного від донора до реціпієнта за допомогою ізольованої ДНК. При трансформації не потрібен безпосередній контакт між клітиною–донором і клітиною–реціпієнтом. Джерелом трансформуючої ДНК може служити вбита культура бактерій (свіжа), або чисті препарати ДНК, які з неї екстраговані.
Явище тренсформації у бактерій вперше спостерігав Ф. Гриффітс в 1928 р., але він його не пояснив. Пізніше в 1944 р. О.Евері, К.Мак-Леод і М. Мак-Карті вдалося виділити трансформуючий агент і встановити його хімічну природу. Трансформуючим агентом виявилася ДНК. Процес трансформації проходить у декілька етапів: 1) адсорбція трансформуючої ДНК на поверхні клітини реціпієнта; 2) проникнення ДНК в клітину; 3) з`єднання трансформуючої ДНК з відповідним фрагментом хромосоми реціпієнта.
Не всі клітини бактерій здатні сприймати ДНК. Клітини, які сприймають трансформуючу ДНК, називаються компетентними.
Явище трансформації виявлино у стафілококів, бацил, бульбочкових бактерій, агробактерій, бруцел та ін. Число таких видів перевищило 50, але найкраще вона вивчена у сінної палички і стрептококу пневмонії. Вчені вважають, що можлива і міжвидова трансформація, але це спостерігається тоді, коли ДНК донора і реціпієнта подібні за нуклеотидним складом–гетеротрансформація. Гомотрансформація – перенесення генетичної інформації від одного штаму бактерій до другого (в межах одного виду). Відкриття явища трансформації дало змогу встановити роль нуклеїнових кислот як носіїв спадкової інформації.
За характером розміщення перенесених ознак розрізняють зчеплену трансформацію – перенесення двох і більше генів, які розміщені поруч, одним фрагментом ДНК.
Незчеплена тренсформація – перенесення генів різними фрагментами ДНК, або одним, Але гени не розміщені поруч.
В результаті трансформації утворюються трансформанти, які мають ознаки донора і реціпієнта. Рекомбінантна ДНК далі реплікується як єдина структура. Трансформація може здійснюватися як в лабораторних умовах так і в природі. Трансформацію в бактерій використовують для проведення гібридологічного аналізу різних мутацій, для встановлення філогенетичної подібності донора і реціпієнта.
Кон’югація (лат. conjugatio спряження бактерій) – передача генетичного матеріалу від однієї клітини до другої шляхом безпосереднього контакту між ними.Вперше була вивчена в 1946 р. Дж. Ледербергом і Е. Татумом при культивуванні кишкової палочки.
Пізніше було показано, що між кон’югуючими клітинами утворюється цитоплазматичний мостик і втановлено наявність статевої деференціації. При кон’югації одна бактерія є донором — чоловіча клітина F+
(анг. fertility — плодючість), друга — реціпієнтом — жіноча клітина F—
.
Статева диференціація зумовлена статевим фактором (F фактор), який є лише в чоловічих клітинах. Статевий фактор — це дволанцюгова ДНК, яка має форму кільця. Вона зумовлює ряд властивостей чоловічих клітин — наявність статевих ворсинок F-пілі, спецефічну чутливість клітин-донорів до “чоловічих” дрібних РНК і ДНК-вмісних фагів. За допомогою статевих ворсинок чоловіча клітина прикріпляється до жіночої і через їх канальці відбувається перенесення генетичного матеріалу. Якщо схрещувати між собою жіночі клітини, то рекомбінанти не утворюються.
Статевий фактор може існувати в клітині автономно (поза хромосомою). Його відносять до групи бактеріальних плазмід. Але поряд з цим, існують клітини, в яких статевий фактор інтегрований з хромосомою. Такі плазміди дістали назву епісом — і клітини називаються Hfr – клітинами (висока частота рекомбінації — 10 —3).
Під час кон’югації при передачі ДНК від донора до реціпієнта зберігається цілісність генома донорної клітини. В клітину реціпієнта переноситься одноланцюгова ДНК донора під впливом якої в клітині синтезується комплементарний ланцюг і відновлюється дволанцюгова ДНК. Завершується кон’югація утворенням рекомбінантної бактеріальної хромосоми.
Кон’югація може відбуватися між штамами одного виду, між представниками різних видів. Це приводить до утворення так званих міжвидових рекомбінантів.
Трансдукція — процес перенесення генетичного матеріалу від однієї бактеріальної клітини до другої за допомогою бактеріофага. Відкрив в 1952 р. Н. Ціндер і Дж.Ледерберг на прикладі двох штамів сальмонел.
Трансдукцію здійснюють помірні фаги та їх вірулентні мутанти.Суть трансдукції полягає в тому, що деякі помірні фаги в процесі репродукції включають у свій геном невеликі фрагменти ДНК бактерії-донора і переносять їх до бактерій-реціпієнтів.
Фаги діляться на вірулентні і помірні. Вірулентні фаги, проникають в клітину, зумовлюють формування нових фагів і лізис бактерій. Зараження клітин помірними фагами не завжди супроводжується лізисом бактерій, частина їх виживає і стає лізогенними. В лізогенних бактеріях ДНК фага включається в ДНК клітини і помірний фаг перетворюється в профаг, який втрачає здатність руйнувати бактеріальну клітину. Профаг поводить себе так, як частина бактеріальної хромосоми і відтворюється в її складі протягом декількох поколінь.
У бактерій розрізняють 3 типи трансдукції: загальну, специфічну і абартивну.
При загальній трансдукції проходить передача різних фрагментів ДНК від бактерій-донорів до бактерій-реціпієнтів за допомогою помірних трансдукуючих фагів.
Специфічна трансдукція характеризується здатністю фага переносити від бактерій донорів до бактерій реціпієнтів тільки певні гени. Це зумовлено тим, що утворення трансдукуючого фага проходить в результаті з’єднання його ДНК із строго визначеними бактеріальними генами, розміщеними на хромосомі клітини донора.
При абортивній трансдукції перенесений фагом фрагмент хромосоми клітини-донора не включається в хромосому клітини-реціпієнта, а розміщується в її цитоплазмі автономно. В процесі поділу клітини-реціпієнта трансдукований фрагмент ДНК-донора може передаватися тільки одній із двох дочірних клітин, тобто успадковується однолінійно, в зв’язку з чим втрачається в потомстві.
2.2 Регуляція генної активності
Функціональна нерівнозначність кліток і зв'язана з нею репресія й активація генів давно привертали увагу генетиків.
Перша спроба пояснити регуляторну активність генів були зв'язані з вивченням гістонних білків. Ще чоловік і жінка Стедман на початку 40-х років нашого століття одержали перші чіткі результати про розходження в хімічній природі гістонних білків. Подальші дослідження показали, що регуляція генної активності набагато більш складний процес, ніж простої взаємодія ділянок генів з молекулами пістонних білків.
Жакоб і Моно розділили гени регуляторної системи на два типи - гени-регулятори і гени-оператори. Автори ввели в генетику нове поняття, визначивши блок структурних генів і керуючий ними оператор як єдину функціональну одиницю - оперон.
В останні роки були отримані дані про наявність ще одного керуючого осередку генної активності-промоторі. Виявилося, що по сусідству з операторною ділянкою, до якого приєднується продукт - білкова речовина репресор, синтезований на гені-регуляторі, мається інша ділянка, що відноситься до членів регуляторній системі генної активності. До цієї ділянки приєднується молекула ферменту РНК- полімерази. У цій промоторній ділянці повинне відбутися взаємне дізнавання унікальної послідовності нуклеотидов у ДНК і специфічній конфігурації білка РНК- полімерази. Від ефективності дізнавання буде залежати здійснення процесу зчитування генетичної інформації з даної послідовності генів оперона, що примикає до промотору.
До позахромосомних факторів спадковості відносять плазміди і епісоми, що розташовуються в цитоплазмі клітини. Плазміди не здатні вбудовуватися в нуклеотид бактерії, вони мають власну ДНК, що може самостійно реплікуватися. На противагу плазмідам, епісоми вбудовуються в нуклеотид бактерії і функціонують разом з ним.
Плазміди, не залежно від нуклеотиду, забезпечують здатність до коньюгации, стійкість до антибіотиків і інших речовин. Установлено, що наявність плазмид у клітці не обов'язково, але в теж час їх може бути кілька. Плазміди підрозділяють на кон`югативні (трансмісивні) і некон`югативні (на трансмісивні). Перші - додають клітині властивості генетичного донора, детермінують перенос генетичного матеріалу від клітки донора до клітини реципієнтові, другі - не додають клітині властивостей генетичного донора, не можуть передаватися до клітини реципієнта без наявності факторів переносу.
Розрізняють наступні види плазмід: Соl-фактор - коліциногенний фактор, F-фактор - фактор фертильності, R-фактор - фактор стійкості до лікарських речовин, плазміди біодеградації, плазміди, що кодують фактори вірулентності в мікроорганізмів (Ent, Hly, Sal, K і т.д.)
Col-фактори - це плазміди, що контролюють синтез бактеріоцинів, що володіють здатністю пригнічувати розвиток філіпченкових родинних бактерій. Назва бактеріоциногенів привласнюють з урахуванням виду мікроорганізмів їхній продуцирующих. В даний час відомо, що практично майже всі патогенні бактерії продукують бактеріоцини.
Бактеріоцини кишкової палички називають коліцини, стафілокока - стафілоцини, пневмокока - пневмоцини, вібріона - вібріоцини і т.д.. Краще інших бактеріоцинів вивчені коліцини. Культури кишкової палички, продукуючі коліцини, називають коліциногенами, а чуттєві до них - коліциночутливими. Коліцини - речовини білкової природи. Вони мають здатність ингибировать синтез ДНК, РНК, білка, викликати загибель клітки не порушуючи її цілісності. Коліцини мають летальну ознаку, тобто після їхньої продукції бактеріальна клітка може загинути. Коліцини функціонують аналогічно антибіотикам з вузьким спектром дії, мають властивості ендодезоксирибонуклеаз.
Бактеріальні клітини, що виділяють бактерицини, стійкі до дії гомологічних бактерицинів навколишнього середовища.
F-фактор може функціонувати автономно і може бути в інтегрованому, як епісома, стані. Цей фактор являє собою кільцеву ДНК довжиною 30-32 нм, молекула якої детермінує перенос генетичного матеріалу з клітки донора в клітку реципієнта, синтез полових ворсинок, синтез ферментів, здатність до автономної реплікації і т.д.
R-фактор генетична структура, що забезпечує стійкість до лікарських препаратів. Ця структура несе гени лікарської стійкості (год-гени). Стійкість до одному або декільком лікарським препаратам (антибіотикам) здійснюється за рахунок оперонів і може бути передана шляхом кон’югації і трансдукції.
Плазміди біодеградації відповідальні за використання органічних сполук бактеріями як джерела вуглецю й енергії, за утилізацію ряду цукрів, утворення протеолітичних ферментів.
Ent-плазміди кодують утворення ентеротоксинів у ентеробактерій, Hly-плазміда - синтез гемолізинів у ентеропатогенних мікроорганізмів і стрептококів. Sal-плазміда контролює в псевдомонад використання бактеріями саліцилатів завдяки виробленню призначеного для цієї мети ферменту.
Досягнення генетики мають важливе значення в сільському господарстві, промисловому виробництві і в медицині. Внаслідок утворення індукованих мутантів можна отримати в десятки і сотні разів більше цінних продуктів (антибіотиків, ферментів, вітамінів, амінокислот) в порівнянні з дикими формами мікроорганізмів.
Широкі перспективи відкриває перебудова спадкової природи організмів шляхом генної інженерії.
Очевидно, методом генної інженерії можна буде створити такі бактерії, які втратять хвороботворність, допоможуть виробити імунітет проти багатьох інфекційних захворювань людини і тварин. В промисловості появляться високопродуктивні мікроорганізми, які створюватимуть білки, ферменти, вітаміни, антибіотіки, ростові речовини і інші продукти.
Методом генної інженерії будуть створені рослини, які володіють здатністю до зв’язування молекулярного азоту (шляхом трансплантації гена, який відповідає за фіксацію мол. N2
у клітини вищих рослин).
Вивчення генетики бактерій та інших мікроорганізмів має дуже важливе як теоретичне, так і практичне значення для спрямованої селекції високопродуктивних штамів, які останнім часом почали широко застосовуватися у різних галузях народного господарства. Використання в селекції мікроорганізмів методів природного добору, індукованого мутагенезу, популяційної мінливості, клонування, гібридизації соматичних клітин тощо дало можливість одержати високопродуктивні штами мікрорганізмів. Останні знайшли широке застосування в мікробіологічній промисловості для виробництва кормового білка, амінокислот, ферментів, вітамінів, антибіотиків, бактеріальних добрив, засобів захисту рослин, анатоксинів, лікувально-профілактичних препаратів – вакцин, інтерферонів, гормонів, інтерлейкінів та ін. Наприклад, з індукованих мутантів з наступною селекцією їх було одержано штами – продуценти амінокислот, продуктивність яких у сто разів вища від такої у вихідних штамів. Продуцент лізину дає в 300-400 разів більший вихід цієї незамінної амінокислоти, ніж природний штам.
Багатонадійні перспективи для сільського господарста, біології та медицини й інших галузей народного господарста відкриваються у зв’язку з розробкою і вдосконаленням методів генної і клітинної інженерії, за допомогою яких експериментально доведено можливість передачі не тільки природних генів, а й штучно синтезованих, які кодують синтез різноманітних біологічно-активних сполук. Наприклад, ще в перших дослідах з генної інженерії, проведених у 1973 році, було введено за допомогою фага в геном E. coli ген LIG, який контролює синтез лігази. Внаслідок цього вміст лігази в клітинах-реципієнтах збільшився в 500 разів. Тепер у клітини кишкової палички клоновані і функціонують гени інтерферонів, гормону росту, інсуліну та ін. За допомогою клонованих штамів E. coli одержують препарати інтерферону, інсуліну і соматотропіну.
Є також дані про те, що успішно функціонують клоновані у бактерії гени вірусів грипу, гепатиту В, герпесу, ген білка оболонки вірусу ящуру, що в найближчий час дозволить розробити технологію виробництва молекулярних вакцин без баластних білків.
Останнім часом інтенсивно вивчаються методи трансплантації генів за допомогою плазмід, які ще часто називають “генною інженерією у природі”. Вони відіграють велику роль у передачі генетичного матеріалу між бактеріями, які належать навіть до віддалених філогенетичних груп.
Плазміди є фактично каналом генетичної комунікації в бактеріальному світі. Наприклад, методами генної інженерії було зроблено пересадку гена nif з азотфіксуючої бактерії в неазотфіксуючу, і остання набула властивості фіксувати молекулярний азот. Тепер ведуться роботи з перенесення генів від бактерій до клітин вищих рослин.
У лабораторних умовах одержано рекомбінантні плазміди, які містять гени двох різних бактерій, бактерій і вірусів, бактерій і рослин, бактерій і тварин, бактерій і людини. Дуже важливим є те, що такі рекомбінантні плазміди, інродуковані в бактеріальні клітини, дали експресію.
Особливої ваги набувають нині методи одержання енергії та переробки відходів промисловості і сільського господарства з метою одержання цінних біопродуктів і захисту біосфери від забруднення за допомогою мікроорганізмів. Мікробіологічна наука і мікробіологічна індустрія можуть зробити помітний внесок у розв’язання енергетичних проблем, які пов’язані зі значним зменшенням запасів нафти і вугілля на нашій планеті.
Найважливішими ознаками живих організмів є мінливість та спадковість. Основу спадкового апарату бактерій, як і всіх інших організмів, складає ДНК. Поряд з цим спадковий апарат бактерій і можливості його вивчення мають ряд особливостей: бактерії - гаплоїдні організми, тобто вони мають 1 хромосому. У зв'язку з цим при спадкуванні ознак відсутнє явище домінантності; бактерії мають високу швидкість розмноження, у зв'язку з чим за короткий проміжок часу (доба) змінюється кілька десятків поколінь бактерій. Це дає можливість вивчати величезні за чисельністю популяції і досить легко виявляти навіть рідкі за частотою мутації. Спадковий апарат бактерій представлений хромосомою. У бактерій вона одна. Якщо і зустрічаються клітини з 2, 4 хромосомами, то вони однакові.
Хромосома бактерій - це молекула ДНК. Довжина цієї молекули досягає 1,0 мм і, щоб "уміститися" у бактеріальній клітині, вона не лінійна, як у еукаріот, а суперспіралізована в петлі і згорнута в кільце.
Генотип (геном) бактерій представлений не тільки хромосомними генами. Функціональними одиницями генома бактерій, крім хромосомних генів, є: ІS-последовності; транспозони; плазміди.
У бактерій розрізняють 2 види мінливості - фенотипову і генотипову.
Фенотипова мінливість - модифікація - не торкається генотипу, але торкає більшість особей популяцій. Модифікації не передаються в спадщину і з часом загасають, тобто повертаються до вихідного фенотипу через більш (тривалі модифікації) або менш (короткочасні модифікації) число поколінь.
Генотипова мінливість стосується генотипу. В ее основі лежать мутації і рекомбінації.
Мутації бактерій принципово не відрізняються від мутацій эукариотических клітин. Особливістю мутацій у бактерій є відносна легкість їх виявлення, тому що існує можливість працювати з великими за чисельністю популяціями бактерій. За походженням мутації можуть бути: спонтанними; індукованими. По довжині: точковими; генними; хромосомними. По спрямованості: прямими; зворотними.
Рекомбінації (обмін генетичним матеріалом) у бактерій відрізняються від рекомбінацій у еукаріот: у бактерій є кілька механізмів рекомбінацій; при рекомбінаціях у бактерій утвориться не зигота, як у еукаріот, а мерозигота (несе цілком генетичну інформацію реципієнта і частина генетичної інформації донора у виді доповнення); у бактеріальної клітини-рекомбіната змінюється не тільки якість, але і кількість генетичної інформації.
1. Атабеков И.Г. Практикум по общей вирусологии. — М.: Из-во Московского университета, 1981. — 191 с.
2. Бойко А Л. Экология вирусов растений. — К.: Вища шк., 1990. — 165 с.
3. Борьба с вирусными болезнями растений. / Под ред. Х.Кеглер. М.: Агропромиздат. — 1986. — 326 с.
4. Вавилов Н.И. Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям. - М: Наука, 1986. — 520 с.
5. Векірчик К.М. Практикум з мікробіології: Навч. посібник. – К.: Либідь, 2001. – 144 с.
6. Вершигора А.Ю., Бранцевич Л.Г., Василевская И.А. и др. Общая микробиология. — К.: Вища шк. Головное изд-во, 1988. — 342 с.
7. Віруси і вірусні хвороби бобових культур на Україні. / Московець СМ., Краев В.Г., Порембська Н.Б. та ін. — К.: Наукова думка 1971.— 136 с.
8. Вірусні хвороби сільськогосподарських культур/ Московець С.Н., Бобирь А.Д., Глушак Л.Е. / Під ред. Бобиря А.Д. — К.: Урожай, 1975. — С.72-80.
9. Власов Ю.И. Вирусные и микоплазменые болезни растений. — М.: Колос, 1992. — 207 с.
10. Власов Ю.И., Ларина Э.И. Сельскохозяйственная вирусология. — М.: Колос, 1982. — С. 150-156.
11. Генкель Л. А. Микробиология с основами вирусологии. — М.: Просвещение, 1974. — 270 с.
12. Гиббс А., Харрисон Б. Основы вирусологии растений: Пер. с англ. — М.: Мир, 1978. — 430 с.
13. Гнутова Р.В. Серология и иммунохимия вирусов растений. — М.: Наука, 1993. — 300 с.
14. Гусев М. В., Минова Л. А. Микробиология. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1992. - 448 с.
15. Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология. – М.: Агропромиздат, 1987. – 368 с.
|