6562

Генетика мікроорганізмів як вчення про спадковість і мінливість

Доклад

Биология и генетика

Генетика мікроорганізмів. Генетика мікроорганізмів як вчення про спадковість і мінливості має характерні риси, що відповідають їхній будові й біології. Найбільш вивчена генетика бактерій, характерними рисами яких є малі розміри й більша швидкість ро...

Украинкский

2013-01-06

28.36 KB

74 чел.

Генетика мікроорганізмів.

Генетика мікроорганізмів як вчення про спадковість і мінливості має характерні риси, що відповідають їхній будові й біології. Найбільш вивчена генетика бактерій, характерними рисами яких є малі розміри й більша швидкість розмноження бактеріальної клітини, що дозволяє простежити генетичні зміни протягом невеликого проміжку часу на великій кількості популяцій. Бактеріальна клітина має одинарний набір генів (немає алелей). Хромосома бактерій є полінуклеотидом (два полінуклеотидних ланцюжка ДНК) довжиною 1000 мкм. Вона суперспіралізована й замкнена в кільце: містить від 3000 до 5000 генів. Аналогічно хромосомі в цитоплазмі бактерій розташовуються ковалентно замкнені кільця ДНК, називані плазмідами (нехромосомні фактори спадковості). Маса плазмід значно менше маси хромосом. Хромосома й плазміда здатні до автономного самокопіювання – реплікації, тому їх називають репліконами. Властивості мікроорганізмів, як і будь-яких інших організмів, визначаються їхнім генотипом, тобто сукупністю генів даної особини. Термін «геном» відносно мікроорганізмів – майже синонім поняття «генотип».

Фенотип являє собою результат взаємодії між генотипом і навколишнім середовищем, тобто прояв генотипу в конкретних умовах проживання. Фенотип мікроорганізмів хоча й залежить від навколишнього середовища, але контролюється генотипом, тому що характер і ступінь можливих для даної клітини фенотипових змін визначаються набором генів, кожний з яких представлений певною ділянкою молекули ДНК.

В основі мінливості лежить або зміна реакції генотипу на фактори навколишнього середовища, або зміна самого генотипу в результаті мутації генів або їх рекомбінації. У зв'язку із цим фенотипову мінливість підрозділяють на спадкову й неспадкову.

Неспадкоємна (середовищна, модифікаційна) мінливість обумовлена впливом в- та позаклітинних факторів на прояв генотипу. При усуненні фактора, що викликав модифікацію, дані зміни зникають.

Спадкоємна (генотипова) мінливість, пов'язана з мутаціями, – мутаційна мінливість. Основу мутації становлять зміни послідовності нуклеотидів у ДНК, повна або часткова їхня втрата, тобто відбувається структурна перебудова генів, що проявляється фенотипово у вигляді зміненого ознаки. Спадкоємна мінливість, пов'язана з рекомбінаціями, називається рекомбінаційною мінливістю.

Рекомбінації у бактерій

Рекомбінація (ре + лат. combinatio – з'єднання) – виникнення нових послідовностей ДНК у результаті розривів і наступних відновлень її молекул. У підсумку таких змін ДНК бактерій з'являються так звані рекомбінантні штами, або рекомбінанти. Процес рекомбінації в бактерій має деякі відмінності, пов'язані з особливостями їх генетичного апарата, форм генетичного обміну. Саме на мікробних об'єктах були відкриті форми переносу генетичного матеріалу – трансформація, трансдукція, кон'югація, невідомі класичної генетиці, за допомогою яких вивчаються молекулярні механізми генетичних рекомбінацій.

У процесі генетичного переносу беруть участь бактерія-реципієнт і бактерія-донор. Ступінь участі їх нерівномірна: у реципієнтну клітину попадає лише фрагмент екзогенної ДНК бактерії-донора, який взаємодіє із цільною хромосомою реципієнта, у результаті чого відбувається частковий перерозподіл (рекомбінація) генетичного матеріалу з утворенням рекомбінанту. Усі етапи рекомбінації в бактерій забезпечуються відповідними ферментами: рестриктазами, лігазами й ін. У бактерій розрізняють три типи рекомбінацій: загальну, «незаконну» і сайт-специфічну. Загальна, або гомологічна, класична, рекомбінація відбувається, якщо в структурі взаємодіючої ДНК є гомологічні ділянки ( від грецьк. homologia – відповідність). Так звана «незаконна» рекомбінація для свого здійснення не вимагає значної гомології ДНК взаємодіючих структур для інтеграції з негомологічними ділянками репліконів. Транспозони – більш складні генетичні структури ДНК, І які містять у своєму складі Is-елементи й додаткові гени (наприклад, гени лікарської стійкості й ін). Рухливі генетичні елементи викликають ушкодження або інактивацію генів, злиття репліконів, поширення генів серед бактерій. Загальна рекомбінація найбільш ефективна при внутрішньовидовому генетичному обміні, «незаконна» рекомбінація відіграє важливу роль не тільки в межах окремих видів, але й між бактеріями різних видів і пологів. Третім різновидом рекомбінації є так звана сайтеспецифічна рекомбінація ( від англ, site – місце розташування, ділянка), для здійснення якої необхідні строго певні послідовності ДНК і спеціальні ферменти. СайтеСпецифічна рекомбінація відбувається в I менш протяжних ділянках генома ( у межах 10-20 пар нуклеотидів), наприклад при включенні профага в строго обмежені ділянки (сайти) хромосоми.

Найбільш вивчено три типи передачі ДНК, що відрізняються друг від друга способом її транспортування: трансформація, трансдукція, кон'югація.

Трансформація

Трансформація ( від лат. transformatio – перетворення) полягає в тому, що ДНК, виділена з бактерій у вільній розчинній формі, передається бактерії-реципієнтові. При трансформації рекомбінація відбувається, якщо ДНК бактерій родинні один одному. У цьому випадку можливий обмін гомологічних ділянок власної й потрапившої ззовні ДНК.

Уперше явище трансформації описав Ф. Гриффіт (1928). Він уводив мишам живий невірулентний безкапсульний R-штам пневмокока й одночасно вбитий вірулентний капсульний S-штам пневмокока. Із крові загиблих мишей був виділений вірулентний пневмокок, що має капсулу вбитого S-штаму пневмокока. Таким чином, убитий S-штам пневмокока передав спадкову здатність капсулоутворення R-штаму пневмокока. О. Звір, К. Маклеод і М. Маккарті (1944) довели, що, що трансформує агентом у цьому випадку є ДНК. Шляхом трансформації можуть бути перенесені різні ознаки: капсулоутворення, стійкість до антибіотиків, синтез ферментів. Вивчення бактеріальної трансформації дозволило встановити роль ДНК як матеріального субстрату спадковості. При вивченні генетичної трансформації в бактерій були розроблені методи екстракції й очищення ДНК, біохімічні й біофізичні методи її аналізу.

Трансдукція

Трансдукція ( від лат. transductio – перенос, переміщення) – передача ДНК від бактеріїидонора до бактерії-реципієнта при участі бактеріофага. Розрізняють неспецифічну (загальну) трансдукцію, при якій можливий перенос будь-якого фрагмента ДНК донора, і специфічну – перенос певного фрагмента ДНК донора тільки в певні ділянки ДНК реципієнта.

Неспецифічна трансдукція обумовлена включенням ДНК донора в голівку фага додатково до генома фага або замість генома фага (дефектні фаги). Специфічна трансдукція обумовлена заміщенням деяких генів фага генами хромосоми клітину-донора. Фагова ДНК, що несе фрагменти хромосоми клітини-донора, включається в строго певні ділянки хромосоми клітину-реципієнта. Таким чином, привносяться нові гени й ДНК фага у вигляді профага репродукується разом із хромосомою, тобто цей процес супроводжується лізогенією. Якщо фрагмент ДНК, стерпний фагом, не вступає в рекомбінацію із хромосомою реципієнта й не реплікується, але з нього зчитується інформація про синтез відповідного продукту, така трансдукція називається абортивної.

Кон'югація

Кон'югація ( від лат. conjugatio – з'єднання) описана Дж. Ледербергом і Є. Татумом (1946), що працювали з мутантами кишкової палички. Кон'югація бактерій полягає в переході генетичного матеріалу (ДНК) із клітини-донора («чоловічий») у клітину-реципієнт («жіночу») при контакті клітин між собою. Чоловіча клітина містить F-фактор, або статевий фактор ( від англ, fertility –плідність), який контролює синтез так званих статевих пілей, або F-пілей.

Клітини, що не містять F-фактора, є жіночими; при одержанні F-фактора не перетворюються в «чоловічі» і самі стають донорами. F-фактор розташовується в цитоплазмі у вигляді кільцьової двониткової молекули ДНК, тобто є плазмідою. Молекула F-фактора значно менше хромосоми й містить гени, що контролюють процес кон'югації, у тому числі синтез F-пілей. При кон'югації F-пілі з'єднують «чоловічу» і «жіночу» клітини, забезпечуючи перехід ДНК через коньюгаційний місток або F-пілі. Клітини, що містять F-фактор у цитоплазмі, позначаються F+; вони передають F-фактор клітинам, позначуваним F («жіночим»), не втрачаючи донорської здатності, тому що залишають копії F-фактора. Якщо F-фактор включається у хромосому, то бактерії здобувають здатність передавати фрагменти хромосомної ДНК і називаються Hfr-клітинами ( від англ, high frequency of recombination – висока частота рекомбінацій), тобто бактеріями з високою частотою рекомбінацій. При кон'югації клітин Hfr і клітин F-хромосома розривається й передається з певного ділянки ( початкової точки) у клітину F", продовжуючи реплікуватись. Перенос усієї хромосоми може тривати до 100 хв. Стерпна ДНК взаємодіє із ДНК реципієнта -відбувається гомологічна рекомбінація. Перериваючи процес кон'югації бактерій, можна визначати послідовність розташування генів у хромосомі. Іноді F-фактор може при виході із хромосоми захоплювати невелику її частину, утворюючи так 1 називаний заміщений фактор – F'.

При кон'югації відбувається тільки частковий перенос генетичного матеріалу, тому її не слід ототожнювати повністю з статевим процесом в інших організмів. Важливими факторами генетичної мінливості є 1 плазміди.

Плазміди

Плазміди – нехромосомні мобільні генетичні структури бактерій, що представляють собою замкнені кільця двониткової ДНК. По розмірах становлять 0,1 - 5 % ДНК хромосоми. Плазміди здатні автономно копіюватися (реплікуватись) і існувати в цитоплазмі клітини, тому в клітині може бути кілька копій плазмід. Плазміди можуть включатися (інтегрувати) у хромосому й реплікуватись разом з нею. Розрізняють трансмісивні й нетрансмісивні плазміди. Трансмісивні (конъюгативні) плазміди можуть передаватися з однієї бактерії в іншу.

Термін «плазміди» уперше введений американським ученим Дж. Ледербергом (1952) для позначення статевого фактора бактерій. Плазміди несуть гени, не обов'язкові для клітини-хазяїна, надають бактеріям додаткові властивості, які в певних умовах навколишнього середовища забезпечують їхні тимчасові переваги в порівнянні з безплазмідними бактеріями.

У бактерій різних видів виявлені R-плазміди гени, що несуть, відповідальні за множинну стійкість до лікарських препаратів – антибіотикам, сульфаніламідам і ін., F-плазміди, або підлоговий фактор бактерій, що визначає їхня здатність до кон'югації й утвору статевих пілей, Ent-плазміди, що детермінують продукцію ентеротоксина.

Плазміди можуть визначати вірулентність бактерій, наприклад збудників чуми, правця, здатність ґрунтових бактерій використовувати незвичайні джерела вуглецю, контролювати синтез білкових антибіотикоподібних речовин – бактеріоцинів, які детермінуються плазмідами бактеріоциногенії, і т.д. Існування безлічі інших плазмід у мікроорганізмів дозволяє починати, що аналогічні структури широко поширені в найрізноманітніших мікроорганізмів.

Плазміди піддані рекомбінаціям, мутаціям, можуть бути еліміновані (вилучені) з бактерій, що, однак, не впливає на їхні основні властивості. Плазміди є зручною моделлю для експериментів по штучній реконструкції генетичного матеріалу, широко використовуються в генетичній інженерії для одержання рекомбінантних штамів. Завдяки швидкому самокопіюванню й можливості коньюгаційної передачі плазмід усередині виду, між видами або навіть родами плазміди відіграють важливу роль в еволюції бактерій.

Мутації

Мутації (від лат. mutatio – зміна) – наслідувані зміни в генотипі, не пов'язані з явищами рекомбінацій. Мутації визначаються змінами послідовності нуклеотидів у ДНК. Зміни послідовності нуклеотидів у ДНК можуть бути наслідком різних процесів: помилка при реплікації, випадання ділянок (делеція), переміщення окремої ділянки щодо іншого (транслокація) і ін.

Мутації в бактерій виявляються по зміні будь-якої відомої ознаки мікроорганізму (наприклад, здатність синтезувати амінокислоту, чутливість до антимікробних препаратів і ін.). Існують різні типи мутацій. По походженню мутації можуть бути спонтанними або індукованими. Перші виникають без втручання експериментатора, другі – у результаті впливу мутагенів на бактеріальну популяцію, тобто фізичних, хімічних або біологічних факторів, здатних викликати мутацію. До мутагенів ставляться різні види радіації, температура, ряд хімічних сполук (нітрати, нітрити, бромурацил, 2-амінопурин, нітрозогуанідин і ін.).

Мутації підрозділяють на прямі й зворотні, якщо мова йде про напрямок мутаційної зміни. Мутації, що виникають у геномі «дикого типу» у бактерій у природніх умовах проживання, називаються прямими. особини, що утворювалися, є мутантами. Мутації, що завершуються поверненням від мутантного типу до дикого, називаються зворотними, або реверсією. Особини, що виникли в результаті зворотних мутацій, називаються ревертантами. У цей час окремі реверсії й лежачі в їхній основі механізми вивчені лише в бактерій і вірусів. Передбачається досить універсальний характер цих процесів. Реверсії виникають під дією тих же факторів навколишнього середовища, які викликають поява прямих мутацій. Реверсія може бути «дійсної» у результаті відновлення первісного стану мутантного гена; якщо вона відбувається за рахунок додаткової мутації, то називається супресивною мутацією.

Більшість змін, що відбуваються в ДНК, приведуть до шкідливих мутацій або викликає загибель мікроорганізмів. Тому всі клітини мають особливі механізми реконструкції, виправлення ушкоджень, називані репараційними.

Однієї з форм мутацій є дисоціація ( від лат. dissociatio – розщеплення) – виникнення в популяції мікроорганізмів особин, що відрізняються від вихідних мікроорганізмів зовнішнім виглядом і структурою колоній, так званих S-І R-форм ( від англ, smooth – гладкий, rough – шорсткуватий). S-форми колоній – круглі, вологі, із блискучою гладкою поверхнею, рівними краями; R-форми утворюють колонії неправильної форми, непрозорі, сухі із зазубреними краями й нерівною шорсткуватою поверхнею. Різному зовнішньому вигляду колоній відповідає ряд властивостей. Частіше S-форми більш вірулентні, клітини мають нормальну морфологію, біохімічно більш активні, звичайно виділяються в гострому періоді захворювання; у капсульних видів добре розвинені капсули, у рухливих видів є джгутики. Гладкі (S) і шорсткуваті (R) колонії є крайніми формами дисоціації, між якими можуть зустрічатися перехідні форми. Дисоціація розглядається як явище генетичної природи, пов'язане із хромосомними мутаціями генів, що контролюють синтез ліпополісахаридів клітинної стінки бактерій. Дисоціація відома в багатьох видів. Звичайно вона виявляється в старіючих культурах. Дисоціація виникає й у природних умовах (у патогенних мікроорганізмів у живому організмі). Більшість мікроорганізмів має повноцінні властивості, перебуваючи в S-формі, однак існують виключення: для мікобактерій туберкульозу, бацил сибірської виразки й збудника чуми нормальної є R-форма колоній.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28162. Основные направления и этапы развития человека как субъекта труда. (Е.А. Климов) 209 KB
  Развитие в период выбора профессии проектирования профессионального старта и жизненного пути 4. Приблизительность связана с тем что некоторые дети уже с 15 лет приступают к профессиональному обучению переходят на основе неполного общего образования в систему среднего специального профтехнического профессионального образования а некоторые делают это после окончания полной средней школы; впрочем в последнем случае учебная деятельность уже в старших классах приобретает смысл подготовки к будущей профессии и становится своего рода...
28163. Профессиональные деформации 32 KB
  Многолетнее выполнение любой профессиональной деятельности приводит к образованию деформаций личности снижающих продуктивность осуществления трудовых функций а иногда и затрудняющих этот процесс. Все многообразие факторов детерминирующих профессиональные деструкции можно разделить на три группы: объективные связанные с социальнопрофессиональной средой: социальноэкономической ситуацией имиджем и характером профессии профессиональнопространственной средой; субъективные обусловленные особенностями личности и характером профессиональных...
28165. Корпускулярно-волновой дуализм. Гипотеза Луи де-Бройля. Опыты по дифракции микрочастиц и их интерпретация 109 KB
  Гипотеза Луи деБройля. Такие волны получили название фазовых волн волн вещества или волн де Бройля. Так как частица и волна де Бройля являются различными аспектами одного и того же физического объекта то между ними должна существовать однозначная связь; релятивистски инвариантным соотношением между 4векторами характеризующими частицу и соответствующую ей волну де Бройля является формула 2 или ; . 3 Выражения 3...
28166. ПОНЯТИЕ КВАНТОВОГО СОСТОЯНИЯ ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ. СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ 100.5 KB
  Так функцией состояния свободной частицы является плоская монохроматическая волна де Бройля . 1 Для частицы подверженной внешнему воздействию например для электрона в поле ядра это волновое поле может иметь весьма сложный вид. Волновая функция зависит от параметров микрочастицы и от тех физических условий в которых частица находится. Согласно статистической интерпретации волн де Бройля вероятность локализации частицы определяется интенсивностью волны де Бройля так что...
28167. УРАВНЕНИЕ ШРЁДИНГЕРА. ПРЯМОУГОЛЬНАЯ ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЯМА. ГАРМОНИЧЕСКИЙ ОСЦИЛЛЯТОР. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ 216 KB
  Решением стационарного УШ является функция состояния частицы . Потенциальная яма – это область пространства в которой потенциальная энергия частицы меньше чем за ее пределами. Рассмотрим решение стационарного УШ для частицы находящейся в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме. Найдем функции состояния и значения энергии отвечающие возможным состояниям частицы в этом потенциальном поле.
28168. Магнитные свойства атомов. Опыты Штерна и Герлаха. Спин электрона. Спектроскопические проявления спина электрона 145 KB
  Спин электрона. Спектроскопические проявления спина электрона Природа магнетизма явления известного еще с начала XIX века была понята только после создания квантовой механики. Орбитальное движение электрона движение относительно ядра атома характеризуется магнитным моментом . 1 Здесь ‒ гиромагнитное отношение 2 где m масса электрона е – модуль заряда электрона момент импульса электрона модуль которого квантуется по правилу .
28169. Принцип тождественности неразличимых микрочастиц. Бозоны и фермионы. Проблема гелия 145.5 KB
  Проблема гелия В основе исследования сложных атомов как и атома водорода также лежит уравнение Шредингера решением которого является функция состояния атома. Однако теперь функция состояния зависит от пространственных координат всех электронов атома и от времени. Для получения правильной функции состояния системы электронов необходимо учитывать принцип тождественности неразличимых частиц. Суть это принципа состоит в следующем: В силу неразличимости частиц состояния системы получающиеся друг из друга перестановкой обеих частиц должны быть...
28170. Многоэлектронные атомы. Электронные оболочки атома и их заполнение. Физическое объяснение периодического закона. Рентгеновские спектры атомов 186.5 KB
  Электронные оболочки атома и их заполнение. Такая одноэлектронная собственная функция атома называется атомной спинорбиталью АО. При рассмотрении многоэлектронного сложного атома можно воспользоваться приближением центрального поля. Однако в сложных атомах энергия электронов зависит как от главного квантового числа так и от орбитального квантового числа то есть происходит снятие вырождения по .