Генетика микроорганизмов

Бактерии – это микроскопические организмы, характеризующиеся примитивным строением. Размеры клеток колеблются от 0,2 до 10 мкм. Нуклеотид большинства бактерий содержит одну замкнутую в кольцо молекулу ДНК, которая является носителем наследственных свойств клетки.

Капсулы и слизистые слои

Капсулы и слизистые слои – это слизистые или клейкие выделения некоторых бактерий; такие выделения хорошо видны после негативного контрастирования (когда окрашивают не препарат, а фон) Капсула представляет собой относительно толстое и компактное образование, а слизистый слой немного рыхлее. В некоторых случаях слизь служит для формирования колоний из отдельных клеток. И капсула и слизистые слои служат дополнительной защитой клеток. Так, например инкапсулированные штаммы пневмококков свободно размножаются в организме человека и вызывают воспаление лёгких, а некапсулированные штаммы легко атакуются и уничтожаются фагоцитами и поэтому совершенно безвредны

Клеточная стенка

Клеточная стенка придаёт клетке определённую форму и жёсткость. Как и у растений, клеточная стенка препятствует осмотическому набуханию и разрыву клеток, когда они, как это часто случается, попадают в гипотоническую среду. Вода, другие малые молекулы, и разные ионы легко проникают через маленькие поры в клеточной стенке, но через них не проходят крупные молекулы белков и нуклеиновых кислот. Кроме того, клеточная стенка обладает антигенными свойствами, которые ей придают содержащие в ней белки и полисахариды.

По строению клеточной стенки бактерий можно разделить на 3 группы. Одни окрашиваются по Грамму, поэтому их называют грамположительными, а другие обесцвечиваются при отмывке красителя, и поэтому их называют грамотрицательными. В клеточной стенке и тех и других есть особая жёсткая решётка, состоящая из муреина. Молекула муреина представляет собой правильную сеть из параллельно расположенных полисахаридных цепей, сшитых друг с другом короткими цепями пептидов. Таким образом, каждая клетка окружена сетевидным мешком, составленным всего из одной молекулы

У грамположительных бактерий, например у Lactobacillus, в муреиновую сетку встроены другие вещества, главным образом полисахариды и белки. Так вокруг клетки создаётся сравнительно толстая и жёсткая упаковка. У грамотрицательных бактерий скажем у Escherichia coli или у Azotobacter, клеточная стенка гораздо тоньше, но устроена она гораздо сложнее. Муреиновый слой этих бактерий покрыт мягким и гладким слоем липидов. Это защищает их от лизоцима. Лизоцим обнаружен в слюне, в слезах и других биологических жидкостях, а также в белке куриного яйца. Он катализирует гидролиз определённых связей между остатками углеводов и таким образом расщепляет полисахаридную основу муреина. Клеточная стенка разрывается, и, если клетка находиться в гипотоническом растворе, происходит её лизис (клетка осмотически набухает и лопается). Липидный слой придаёт клетке устойчивость к пенициллину. Этот антибиотик препятствует образованию сшивок в клеточной стенке грамположительных бактерий, что делает растущие клетки более чувствительными к осмотическому шоку.

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.

Вирусы – это мельчайшие живые организмы, размеры которых варьируют в пределах примерно от 20 до 300 нм. Вирусы не способны воспроизводить себя вне клетки хозяина. Они находятся на самой границе между живыми и неживыми.

Вирусы могут воспроизводить себя только внутри живой клетки, поэтому они являются облигатными паразитами. Попав внутрь клетки-хозяина, они инактивируют хозяйскую ДНК и, используя свою собственную ДНК или РНК, дают клетке команду синтезировать новые копии вируса. Вирусы передаются из клетки в клетку в виде инертных частиц.

Жизненные циклы большинства бактерий схожи. А вот в клетку они проникают по-разному, поскольку в отличие от вирусов животных бактериальным и растительным вирусам приходиться проникать ещё через клеточную стенку. Проникновение в клетку не всегда происходит путём инъекции, и не всегда белковая оболочка вируса остаётся на внешней поверхности клетки.

Попав внутрь клетки-хозяина, некоторые фаги не реплицируются. Вместо этого их ДНК включается в ДНК хозяина. Здесь эта нуклеиновая кислота может оставаться в течение нескольких поколений, реплицируясь вместе с собственной ДНК хозяина. Такие фаги известны под названием умеренных фагов, а бактерии, в которых они затаились, называются лизогенными. Это означает, что потенциально бактерия может лизироваться, но лизиса клеток не наблюдается до тех пор, пока фаг не возобновит свою деятельность. Такой неактивный фаг называется профагом или провирусом.

Формирование вирусных частиц

В настоящее время прояснился лишь начальный этап реализации наследственной информации, заключённой в гене,--синтез белка и его регуляция. Выяснено образование некоторых морфологических структур.

Информация о первичной структуре белков записана в генах, представляющих собой определённую последовательность нуклеотидов. Структуры высшего порядка определяются первичной структурой. В основе образования этих структур лежит принцип минимума энергии. Полипептидная цепочка приобретает энергетически наиболее выгодную конфигурацию.

Но каким образом происходит сборка белковых и других молекул в более сложные надмолекулярные структуры, например, таких как вирусные частицы? Нужна ли для этого дополнительная информация, кроме информации, заключенной в первичной структуре белка, являющегося структурным материалом для этих образований?

Лучше всего изучено формирование неклеточных структур – вирусов, а среди них особенно вируса табачной мозаики (ВТМ)

Морфогенез 1-го порядка

Вирус табачной мозаики имеет форму палочки и состоит из РНК, окружённой одинаковыми по своему строению белковыми глобулами, которых насчитывается около 2000.

ВТМ—единственный вирус, который удалось разделить на составные части – РНК и белок – и вновь собрать в пробирке. Если белковую часть ВТМ осадить в центрифуге, а затем поместить в раствор с определёнными физико-химическими свойствами, то белковые молекулы укладываются в палочки, длина которых в отсутствие РНК произвольна.

Упаковку молекул белка в виде палочек можно рассматривать как процесс образования четвертичной структуры. Значит, молекулы белка ВТМ могут самопроизвольно образовывать четвертичную структуру. Разделив частицы ВТМ на нуклеиновую кислоту и белок, можно их снова восстановить. В присутствии РНК образуются полноценные вирусы, длина палочек которых задана стержнем вируса – молекулой РНК.

Значит, форму вируса определяет тот ген, в котором закодирована последовательность аминокислот в молекуле ДНК оболочки вируса. Этой информации оказывается достаточно для самосборки белковой оболочки вируса. Если вся информация, определяющая форму какого-либо признака, содержится в одном белке (в одной полипептидной цепочке), а, следовательно, в одном гене, то объединение или самосборку белковых молекул называют морфогенезом или морфопоэзом 1-го порядка

Морфопоэз высших порядков

А как происходит морфогенез у более сложных вирусов? Рассмотрим формирование фага Т4, поражающего бактерию кишечной палочки. Фаг Т4 состоит из головки, в виде многогранника, содержащего компактно уложенную ДНК. Кроме головки фаг имеет хвост, образованный сократимым чехлом и стержнем. Снизу к хвосту прикреплена пластинка, от которой отходят 6 коротких зубцов и 6 длинных нитей

При помощи хвостовых нитей и зубцов фаг Т4 прикрепляется к оболочке бактерии, хвостовой чехол сокращается, стержень, наподобие иглы шприца, прокалывает оболочку бактерии. Молекула ДНК фага через стержень проникает внутрь бактериальной клетки. После проникновения фаговой ДНК в клетку прекращается синтез бактериальных белков, и под контролем ДНК фага начинают создаваться фаговые белки. Сначала образуются ферменты, необходимые для редупликации фаговой ДНК, затем структурные белки, после чего наступает процесс сборки фага.

После разделения фага Т4 на части не удаётся снова их воссоединить, получить полноценные фаги. Это свидетельствует о том, что морфогенез фага Т4 значительно сильнее, чем вируса табачной мозаики.

Генетика фага Т4 хорошо изучена: составлена генетическая карта, в которой отображена локализация более 70 различных генов, отвечающих за признак фага. На генетичесческой карте гены фага Т4 отображены порядковыми номерами: 1 2 3 … n. Для построения полноценной фаговой головки необходимо примерно 7 генов, действие 5-ти генов известно. Ген 23 отвечает за синтез строительного белка головки. Ген 66 управляет образованием нормальной длины головки. В случае мутации данного гена возникает укороченная головка. Ген 20 участвуют в замыкании головки. Его мутантный аллель вместо нормальной головки производит трубчатую структуру, в которой нет ДНК (полиголовка). Ген 21 в мутантной форме даёт короткую аномальную головку, по- видимому совсем не содержащую ДНК. Мутантный аллель гена 31 приводит к слиянию в растворе в комочки строительного белка головки, в результате чего последняя не образуется.

Таким образом, из одного и того же строительного белка, в одинаковых физико-химических условиях среды могут быть образованы головки 3-х видов – нормальная, короткая и полиголовка; строительный белок не определяет полностью форму головки фага. Необходима дополнительная информация, записанная в других генах. Но каковы продукты этих генов, и каким образом они участвуют в морфогенезе головки, пока неизвестно. Полагают, что они образуют ядро, играющего роль «каркаса» при построении головки, которое после стабилизации может исчезать.

Для того чтобы приблизиться к пониманию этого вопроса, рассмотрим условия образования полиголовки фага Т4. Были получены двойные мутанты; одна мутация всегда затрагивает ген 20, а вторая поочерёдно остальные гены головки. Результаты эксперимента показали, что полиголовка не образуется, если испорчены гены 23, 31 и 66. Ген 31 определяет образование продукта, препятствующего слиянию структурного белка головки в бесструктурные комочки, поэтому можно считать, что он создаёт лишь условия для морфогенеза. Но 2 других гена – ген23 и ген 66, несомненно, морфогенетические. Ген 23, как уже говорилось, отвечает за синтез структурного белка головки. Природа продукта гена 66 и его функция пока неизвестны.