5178

Генетика бактерий. Особенности морфологической организации ядерного аппарата бактерий

Реферат

Биология и генетика

Генетика бактерий На модели бактерий и вирусов были открыты все основные закономерности генетики. 1.Особенности морфологической организации ядерного аппарата бактерий: - не имеет ядерной мембраны, ядрышка, носит название нуклеоид - носителем ...

Русский

2014-12-21

67 KB

34 чел.

Генетика бактерий

На модели бактерий и вирусов были открыты все основные закономерности генетики.

1.Особенности морфологической организации ядерного аппарата бактерий: - не имеет ядерной мембраны,  ядрышка, носит название нуклеоид;

- носителем генетической информации является ДНК. Если у эукариот ДНК-линейная, то у большинства бактерий - кольцевая, и одна нить фиксирована на цитоплазматической мембране. Если раскрутить ДНК,то длина будет в сотни раз превышать длину клетки. ДНК бактерий суперспирализована.

- бактериальная клетка содержит одну хромосому, т.е. бактерии являются гаплоидными организми.

     2. Биохимические особенности.

- ДНК бактерий имеет тот же состав, что и ДНК эукариот;

- у бактерий в составе ДНК могут находиться минорные основания, наличие которых защищают ДНК от действия собственных эндонуклеаз, которые бактерии выделяют в большом количестве;

- в геноме патогенных бактерий имеются участки ДНК, которые отличаются от основного генома составом Г-Ц пар нуклеотидных оснований. Эти участки ответственны за синтез факторов патогенности-острова патогенности;

- ДНК бактерий не содержит гистонов, а их роль выполнят полиамины.

Бактериальный геном представлен структурами, которые способны к  автономной репликации. Таких структур две : хромосомы, в которых закодирована вся жизненно необходимая информация (в хромосоме бактерий содержится до 3 тыс. различных генов), и плазмиды.

Плазмиды - это ДНК, которые имеют кольцевую природу. В самых крупных плазмидах содержится не более 200 генов. Плазмиды в  клетке могут находиться в одном из двух альтернативных состояний: в свободном или интегрированном с хромосомой.

В плазмидах закодирована дополнительная генетическая информация, которая не является жизненно необходимой для клетки, но наличие этой информации сообщает ей определенные селективные преимущества. В одной   клетке может находиться много плазмид, они подразделяются на группы несовместимости. В состав плазмид входят:

-структурные гены;

-гены, отвечающие за собственную репликацию плазмиды.

Некоторые плазмиды  имеют гены, обеспечивающие  трансмиссивность плазмиды - tra-гены.

По кодируемому признаку различают:

- R плазмиды- кодируют лекарственную устойчивость бактерий;

- F (sex) плазмиды -  определяют способность клетки быть донором генетической информации;

- Col  плазмида - кодирует синтез бактериоцинов. Это вещества белковой природы, которые губительно действуют на близкородственные виды бактерий, при этом для самой клетки, продуцирующей эти вещества, их синтез является губительным, но обеспечивает выживание популяции в целом;  

- плазмиды, отвечающие за синтез факторов вирулентности (Ent-, Hly-)

и другие плазмиды.

В состав бактериального генома входят подвижные генетические элементы:

IS-элементы (insertion sequences), транспозоны и интегроны. Они обнаружены как в составе бактериальной хромосомы, так и в составе плазмид. Их репликация – составная часть репликации хромосомы и плазмиды. Отличительной особенностью IS-элементов является наличие на концах инвертированных повторов, которые узнает транспозаза.

IS-элементы -  короткие (2000) нуклеотидные последовательности. Они  не несут структурных генов; одинаковы у бактерий разных видов, родов, и даже считается, что они одинаковы у прокариот и у эукариот. IS-элементы могут перемещаться как по хромосоме, так и между хромосомами. Они содержат 2 гена:1-й кодирует синтез транспозазы; этот фермент обеспечивает процесс исключения IS элемента из хромосомы и его интеграцию в новой локус хромосомы . 2-й ген кодирует синтез репрессора, который регулирует весь процесс перемещения.

Транспозоны – это сегменты ДНК, обладающие теми же свойствами, что и IS-элемент, но имеющие структурные гены.

Интегроны – подвижные генетические элементы; они содержат ген, кодирующий устойчивость к антибиотикам. Интегроны являются системой захвата малых элементов ДНК, называемых генными кассетами посредством сайтспецифической рекомбинации и их экспрессии.

               Значение мобильных элементов.

   Перемещаясь по ДНК клетки или между ДНК, они вызывают:

- инактивацию генов тех участков ДНК, куда они переместившись встраиваются;

- повреждения генетического материала;

- встраивание плазмиды в хромосому;

- распространение гена в популяции бактерий.

Бактериям как и всем живым существам свойственна изменчивость. Изменчивость у эукариот происходит по вертикали, у бактерий – и по вертикали, и по горизонтали.

Различают два вида изменчивости:

- фенотипическая и

-генотипическая.

Фенотипическая изменчивость проявляется в виде модификаций - это изменение свойств клетки под влиянием внешних воздействий.

Модификации могут быть длительными и кратковременными. Модификационные изменения касаются подавляющего большинства клеток популяции.

Генотипическая - это мутации или рекомбинации.

Мутации могут быть спонтанными и индуцированными.

Рекомбинация у бактерий рассматриваются как аналоги полового размножения.

Рекомбинации - это взаимодействие между двумя геномами, обладающими различными генотипами, которое приводит к образованию генома, сочетающего гены донора и реципиента. В процессе рекомбинации бактерий условно делят на клетки-доноры, которые передают генетический материал, и клетки-реципиенты, которые его принимают.

Особенности рекомбинаций у бактерий:

- отсутствует мейоз. Образуется не зигота, а меразигота.

- всегда направлена от донора к реципиенту.

- количество генетического материала у реципиента всегда больше одного.

Рекомбинант содержит всю генетическую информацию реципиента и часть генетической информации донора.

У эукариот механизм рекомбинации один – мейоз; у бактерий различают три вида рекомбинаций:

  1.  трансформация- это обмен генетической информации с помощью чистой ДНК.

При трансформации передаются незначительное количество информации. В популяции бактерий всегда одни бактерии разрушаются и поэтому присутствует чистая ДНК. Но:

- реципиент должен находиться в состоянии компетентности, т.е. он готов пропустить этот фрагмент;

- попавший в клетку фрагмент ДНК, чтобы встроиться в ДНК реципиента должен обладать комплементарностью.

  1.  трансдукция – этот способ переноса генетической информации с помощью фагов.
  2.  конъюгация – это способ передачи генетической информации, когда между двумя бактериями образуются цитоплазмические мостики. При конъюгации в клетку-реципиент может перейти почти весь геном.

Метод конъюгации используется при составлении генетической карты бактерий.

Через определенный промежуток времени процесс конъюгации прерывается, и определяют, какой признак передался в клетку-реципиент. Генетическая карта бактерий представляется в виде циферблата на котором расположены гены, которые кодируют тот или иной признак.

Генетические методы применяются в практических целях как для обнаружения микроба в исследуемом материале без выделения чистой культуры, так и для определения таксономического положения микроба и проведения внутривидовой идентификации.

Секвенирование генома – определение последовательности пар нуклеотидов ДНК. Применяется для определения вида и штамма бактерий. Является единственным методом типирования вирусов и определения их устойчивости к химиотерапевтическим препаратам.

Рестрикционный анализ – этот метод основан на применении ферментов рестриктаз – это эндонуклеазы, которые расщепляют молекулу ДНК только в определённых местах. У бактерий к настоящему времени выделяют более 175 различных рестриктаз,  для которых известны сайты (участки) узнавания (рестрикции). Если выделенную из конкретного материала ДНК обработать определенной рестриктазой, то это приведет к образованию строго определенного количества фрагментов ДНК фиксированных размеров. Эти фрагменты определяются при электрофорезе в агарозном геле.

Риботипирование – позволяет определить вид бактерий. Последовательность нуклеотидных оснований в оперонах, кодирующих рРНК, характеризуется наличием как консервативных участков, которые имеют сходное строение у различных бактерий, так и вариабельных последовательностей, которые родо- и видоспецифичны и являются маркерами при генетической идентификации. Фрагменты ДНК, которые после обработки ее рестриктазами, содержат последовательности генов рРНК. Эти гены могут быть обнаружены методом молекулярной гибридизации с меченой рРНК соответствующего вида бактерий.

Молекулярная гибридизация – применяется в геносистематике. Этот метод позволяет выявить степень сходства различных ДНК. При t= 90℅ ДНК расплетается на две нити. Каждую нить фиксируем на специальном фильтре, после чего вносим в раствор, содержащий ДНК-зонд – это одноцепочечная молекула ДНК, меченная. Если они комплементарны, то образуется двойная спираль.

ПЦР – целью является обнаружение генов или соответствующих нуклеотидных последовательностей, кодирующих либо видовую принадлежность, либо иной признак.

Метод ПЦР основан на принципе комплементарности и позволяет увеличивать (амплифицировать) количество исследуемого образца ДНК. Этот метод обладает чрезвычайно высокой чувствительностью и теоретически позволяет обнаружить в исследуемом материале даже единичные молекулы ДНК.

Практическая чувствительность этого метода =1*102.

Компоненты ПЦР:

  •  исходная ДНК
  •  праймеры – это синтетические олигонуклеотиды состоящие из 15-30 нуклеотидов, комплементарных сайтам на идентифицируемой матрице ДНК.
  •  Tag-полимераза – это термостабильная ДНК – полимераза. Оптимум её действия отмечается при температуре равной 72 градусам. Она способна удлинять праймеры и присоединять их к 3 концу дезоксинуклеотидтрифосфаты при условии, что праймер комплементарен сайту цепи матричной ДНК. Наращивание длины прймера будет до тех пор, пока не будет достроен участок до 5 конца. Tag-полимераза высоко стабильна и сохраняет свою активность до конца цикла амплификации , поэтому вводится в реакционную смесь один раз.
  •  смесь дезоксинуклеотидтрифосфатов – они являются строительным материалом, используемым Tag – полимеразой для строительства второй цепи ДНК.

ПЦР – протекает автоматически в программируемом термостате, который носит название – термоциклер или амплификатор.

Разработана различная аппаратура для учета результатов ПЦР.

Каждый цикл ПЦР состоит из трех стадий, которые протекают при различной температуре. Продолжительность одного цикла 3 минуты. За 3-6 часов можно получить до 50 млрд. копий исходной ДНК.

- денатурация м – ДНК , t=950С;

- отжиг праймеров, t=600С;

- удлинение стартового участка ДНК.

Во время первой стадии происходит плавление м – ДНК при температуре 950С. При этом нити ДНК разделяются и становятся доступными для праймеров.

Во второй стадии в пробирку вносим праймеры, а смесь охлаждается до 600С. Праймеры при внесении в исследуемую пробу работают подобно паре генетических «детективов», которые «прочесывают» этот раствор в поисках участка, к которому они присоединяются. Потом создаются короткие двунитевые участки. Без этих участков дальнейшее удлинение невозможно.

Затем вступает в действие Tag – полимераза , она осуществляет удлинение участка  посредством присоединения к реакционной смеси коротких нуклеотидов по принципу комплементарности. Удлинение начинается с праймеров. В результате копируется только определенный фрагмент молекулы ДНК. Точно в такой же последовательности проходят второй и последующие циклы. При этом каждый цикл удваивает число копий. Один цикл длится не более 3 минут. За 3-6 часов можно получить до 50 млрд. копий.

ПЦР может быть отнесена к экспрессивным методам диагностики.

Разновидности ПЦР:

- ПЦР в режиме реального времени; даёт возможность определить количество фрагментов ДНК находящегося в материале, т.е. проводить количественный анализ;

- мультиплексная ПЦР – преимущество заключается в том, что в реакционную смесь можно вводить 2 – 4 и более пары праймеров. Они характерны для различных возбудителей. С её помощью проводят быструю диагностику, например, атипичных пневмоний.

- обратнотранскрипционная ПЦР – позволяет осуществить копирование  РНК возбудителей, для чего в реакционную смесь вводится фермент ревертаза или обратная транскриптаза.

С помощью ПЦР определяются только нуклеотидные последовательности, кодирующие определенный признак, но нельзя  сказать, присутствуют ли микроорганизмы в материале в живом состоянии, поэтому ПЦР не является альтернативой бактериологическому исследованию.

Область применения ПЦР:

- для диагностики особо опасных инфекций;

- при хронических инфекциях, возбудители которых персистируют в организме;

- для обнаружения некультивируемых форм бактерий;

- для обнаружения антибиотикорезистентности у медленно растущих бактерий

- для идентификации бактерий в ходе бактериологического исследования;

- для обнаружения микроорганизмов, которые медленно или совсем не растут на питательных средах;

- в медицинской практике ПЦР широко применяется для диагностики наследственных и онкологических заболеваний, для типирования тканей.      

ДНК – чипы являются новейшими технологиями гибридизационных методов молекулярно-генетического анализа. Они представляют собой носители известных олигонуклеотидов (менее 20 оснований каждый), комлементарных участкам исследуемого генома (или геномов)  и занимающих определенный сайт (ячейку). Плотность посадки таких нуклеотидных минифрагментов может быть очень высокой (до нескольких десятков тысяч на квадратный сантиметр). При наличии в исследуемой пробе фрагментов искомой ДНК они гибридизуются (соединяются по принципу комплементарности) с нуклеотидными последовательностями, сидящими на чипе. В качестве носителя может выступать стекло, нейлон и др.  Чип – стеклянная пластинка, на которую нанесены тысячи площадок в виде ямок из геля, в которые вносят капельки пробы. В каждой ямке содержатся молекулы-зонды, способные вылавливать из раствора соответствующие молекулы. Зонды – это или фрагменты ДНК, или определенные белки.

Классификация бактерий.

Основной таксономической единицей у бактерий является вид. Для обозначения вида у бактерий используется двойная (бинарная) номенклатура

Вид у бактерий- это совокупность родственных бактерий, которые обладают сходными биологическими свойствами и имеют общее происхождение. В настоящее время существует 3 подхода к классификации бактерий:

  1.  Рутинная классификация.

Она лежит в основе определителя бактерий под редакцией Берджи. Принцип: Все бактерии делятся на большие группы; в основу деления положены:

- форма;

- наличие споры;

- отношение бактерий к окраске по Граму;

- тип получения энергии.

Кажд.гр.→семейство→род→вид. Это деление осуществляется по биохимическим свойствам бактерий. Внутри вида возможна дальнейшая дифференциация на ферментовары, фаговары, колициновары, серовары и серогруппы, резистовары, биовары.

  1.  Геносистематика.

- определение молярного  процентного содержания Г-Ц пар в молекуле ДНК;

- определение нуклеотидных последовательностей в молекуле ДНК;

- молекулярная гибридизация.

  1.  Нумерическая таксономия.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23238. Аристотель, Стагірит 216 KB
  Зі сказаного очевидно що з того де йде мова про предмет необхідно говорити про предмет і ім'я й поняття; так наприклад людина говорить про предмет про окрему людину і про неї звичайно говорить ім'я [людини]: адже окремою людиною називають живу істоту й визначення людини буде визначати окрему людину адже окрема людина є й людина і жива істота. Так біле перебуваючи в тілі як у підметі говорить про предмет адже тіло називається білим але поняття білого ніколи не може означати тіло. Її предмет мислення як цілісне утворення...
23239. Ільєнков, Евальд Васильович 146.5 KB
  І ось учорашній оптиміст стає похмурим нитиком песимістом якого вже ніщо не радує і ніщо не веселить не дивлячись на його паспортну молодість здоровий шлунок і міцні зуби. Якщо ми недвозначно беремо висвітлену таким чином наукову присутність у своє володіння то маємо сказати: Те на що спрямоване наше світовідношення є саме суще і більше ніщо. Те чим керується вся наша установка є саме суще і крім нього ніщо. Те з чим працює дослідження що втручається у світ є саме суще і ніщо понад того.
23240. Сковорода, Григорій Савич 152.5 KB
  Навпаки саме при падінні аристократичних оцінок людської совісті поступово нав'язується весь цей контраст егоїстичного і неегоїстичного цей по моїй термінології стадний інстинкт котрий дістав тоді розповсюдження. Поняття добро він вважає по суті рівним поняттю корисний доцільний так що в думках добро і зло людство ніби то підсумовує і санкціонує саме незабуті і незабутні пізнання про корисне доцільне і шкідливе недоцільне. Добро згідно цієї теорії те що споконвіку виявилося корисним тому воно...
23241. Кримський, Сергій Борисович. ФІЛОСОФІЯ - АВАНТЮРА ДУХУ ЧИ ЛІТУРГІЯ СМИСЛУ 192.5 KB
  Кримський розробляє принципи трансформації знання прийоми інтерпретації принципи узагальненої раціональності та розуміння принципи духовності розвиває неоплатонічну концепцію вилучення архетипових структур буття розуму та культури; виділяє архетипи української культури. ФІЛОСОФІЯ АВАНТЮРА ДУХУ ЧИ ЛІТУРГІЯ СМИСЛУ Видатний мислитель пізньоантичної епохи Плотін стверджуючи прилученність мудрості до центральних зон смислотворчості буття та людини проголошував що філософія є найголовнішим у житті. Вона є єдиним засобом поставити людину...
23242. Фоєрбах, Людвіг. РАГМЕНТИ ДО ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЄЇ ФІЛОСОФСЬКОЇ БІОГРАФІЇ 85.5 KB
  Головним завданням своєї філософії Фоєрбах вважав відповідь на питання якою є справжня природа людини як визначити її шлях до щастя Для розкриття природи людини застосовує поняття любові. Подальший прогрес людства Фоєрбах вбачав в утвердженні нової філософії релігії що культивуватиме любов людини до людини як до Бога. Але чи не слід би саму релігію зрозуміти у більш загальному смислі А порозуміння з філософією чи не повинно полягати лише у визнанні та виправданні певних вчень Чи немає якогось іншого виду порозуміння ________ Яке ж...