МАТЕРИАЛЬНАЯ ОСНОВА НАСЛЕДСТВЕННОСТИ. ГЕНОТИП И ФЕНОТИП

⇐ ПредыдущаяСтр 12 из 44Следующая ⇒

Генетическим материалом бактерий, как и других организмов, являются нуклеиновые кислоты - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота).

Нуклеиновые кислоты - это высокомолекулярные вещества, биополимеры, хранящие и передающие у всех организмов наследственную информацию. Состоят из нуклеотидов, последовательность расположения которых определяет синтез специфических белков.

Первичным генетическим материалом, или материальной основой наследственности, является ДНК, которая служит носителем генетической информации, из ДНК построены непосредственно генетические структуры - хромосомы и гены, бактериальные плазмиды и бактериальные вирусы (бактериофаги).

Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей (двунитчатая структура), свернутых в спираль. В состав отдельных нуклеотидов ДНК входят четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г) - пуриновые основания; цитозин (Ц), тимин (Т) -пиримидиновые основания, а также сахар дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты.

ДНК бактерий локализуется в ядерной зоне, где ее молекула часто прикрепляется к мезосомам и цитоплазматической мембране. Если бактерии имеют плазмиды, то ДНК располагается и в цитоплазме клетки.

Плазмидами называют внехромосомные, внеядерные молекулы ДНК, способные к самостоятельной репликации и передающиеся в дочерние клетки при делении бактерии.

Под репликацией ДНК понимают удвоение молекул ДНК. Двойная цепь ее сначала разделяется на две, и на каждой из образовавшейся цепей под действием фермента ДНК - полимеразы достраиваются новые комплементарные (недостающие) дочерние цепи нуклеотидов.

В каждой нити ДНК закодирована генетическая (наследственная) информация. Отдельные участки молекулы ДНК представляют собой функциональные генетические единицы - гены, которые являются.основным материальным элементом наследственности.

Специфическая информация, содержащаяся в гене, определяется последовательностью оснований в цепи ДНК. «Алфавит», с помощью которого записана эта информация ДНК, включает четыре «буквы» -основания аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). В и-РНК тимин заменен урацилом (У).

Специфичность ферментных белков, синтез которых контролируют гены, определяется последовательностью аминокислот в полипептидных цепях. Эта же последовательность определяет и пространственную структуру белка, так называемую конформацию.

Гены входят в состав хромосом и контролируют определенную ступень обмена веществ в организме, тем самым оказывают специфическое действие на развитие одного или нескольких признаков, т.е. обладают элементарной биохимической функцией, например, определяют структуру одного фермента.

Хромосомами называют элементы клеточного ядра, состоящие из ДНК и белков. Они являются основными носителями наследственной информации организма.

Участок хромосомы, в котором локализован ген, называется локусом хромосомы, а хромосомный аппарат ядра или аналогичной ему структуры составляет геном клетки.

Гены подразделяются на структурные, гены-регуляторы и гены-операторы. Различают также модификаторные гены, самостоятельно не проявляющиеся и активизирующиеся под действием регуляторных генов.

Наиболее важными являются структурные гены, в которых кодируется информация о первичной структуре контролируемого геном белка, т.е. о последовательности расположения аминокислот, входящих в состав белка..

Гены-регуляторы, ответственные за синтез специфических продуктов белковой или небелковой природы, выполняющих роль регуляторов биохимической активности других генов, контролируют синтез белков-репрессоров, подавляющих функцию структурных генов. Гены-операторы выполняют роль посредников между генами-регуляторами и структурными генами.

Генетический код обусловливает последовательность расположения азотистых оснований в ДНК, что определяет и последовательность расположения аминокислот в синтезируемом белке.

Полный набор генов, которым обладает клетка, представляет собой генотип, определяющий развитие признаков и свойств микроорганизмов.

Гены принято обозначать строчными начальными буквами, соответствующими названию синтезируемого под их контролем соединения. Например, arg⁺ - аргининовый ген, his⁺ - гистидиновый ген и т.д. Аналогичным образом обозначают гены, контролирующие другие генетические признаки. Так, гены, контролирующие расщепление углеводов, обозначают по названию того или иного вещества (lac⁺, mal⁺ -гены контролирующие расщепление соответственно лактозы и мальтозы).

Совокупность наблюдаемых признаков и свойств микроорганизмов, сформировавшихся на основе генотипа и проявляющихся в тех или иных условиях их существования, принято называть фенотипом. Например, при выращивании эшерихий в среде, лишенной лактозы, не вырабатывается фермент лактаза, а при культивировании их в лактозной среде этот фермент синтезируется; патогенные стафилококки синтезируют фермент пенициллиназу при длительном их выращивании на средах с пенициллином.

Фенотип бактерий обозначается теми же символами, что и генотип, но первая буква пишется прописная (Arg⁺, His⁺, Lac⁺, Mal⁺).

РНК является вторичным генетическим материалом и участвует в разных этапах генетической информации, так как существуют различные типы этой нуклеиновой кислоты: информационная или матричная (и-РНК), транспортная (т-РНК) и рибосомная (р-РНК). У РНК-содержащих бактериофагов РНК является первичным генетическим материалом.

Рибонуклеиновая кислота представляет собой биологический полимер, участвующий в биосинтезе белка. Состоит из нуклеотидов, соединенных в виде спиралевидной цепочки. В состав каждого из них входят: азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин, урацил), сахар рибоза и фосфорная кислота, т.е. состав оснований аналогичен ДНК, только вместо тимина содержится урацил и вместо дезоксирибозы ‑ рибоза.

Информационная РНК (и-РНК) играет роль переносчика информации от кода ДНК к рибосомам. На и-РНК, как на матрице, происходит синтез белка из аминокислот. При этом каждый белок клетки кодируется специфической и-РНК.

Транспортная РНК (т-РНК) играет роль переносчика аминокислот к рибосомам, где они связываются в полипептидную цепь. Она присоединяет только одну определенную кислоту (например, лизин) к рибосомам - месту синтеза белка. Следовательно, существует немного больше двадцати т-РНК, которые различаются по своей первичной структуре (имеют различную последовательность нуклеотидов).

Рибосомная РНК (р-РНК) входит в состав рибосом, выполняя тем самым структурную функцию. Кроме того, р-РНК участвует в формировании активного центра рибосомы, где происходит образование пептидных связей между молекулами аминокислот в Процессе биосинтеза белка.

Таким образом, все типы РНК представляют собой функционально объединенную систему, направленную на осуществление синтеза специфических для клетки белков.

ФОРМЫ ИЗМЕНЧИВОСТИ

Изменчивость микроорганизмов подразделяют на наследственную п ненаследственную, или модификационную.

Наследственная изменчивость обусловлена изменениями в генетическом аппарате клетки. Она проявляется в виде генетических рекомбинаций и мутаций.

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ РЕКОМБИНАЦИИ

В связи с тем, что у бактерий имеется только один набор генов (хромосом), они почти всегда гаплоидны. Зиготы (оплодотворенные клетки) могут образовываться и у бактерий, но они никогда не бывают продуктом объединения целых клеток.

Как правило, из клетки-донора в клетку-реципиент переносится лишь часть генетического материала, т.е. образуется неполная зигота (мерозигота). Хромосома реципиента соединяется с фрагментом хромосомы донора и они обмениваются отдельными участками, т.е. в клетке-реципиенте происходит рекомбинация генов, которая обусловливает одну из форм наследственной изменчивости бактерий.

В связи с вышеизложенным передачу генетического материала от одних микробов другим рассматривают как элементы полового процесса, при котором количество особей остается прежним, но происходит обмен их наследственным материалом, т.е. осуществляется генетическая рекомбинация.

При генетических рекомбинациях в хромосому бактериальной клетки-реципиента (от лат. recepio- беру, получаю) встраиваются фрагменты хромосомы микроба-донора (от лат. dono- дарю).

Образующиеся рекомбинанты в основном сохраняют генотип микроба-реципиента, приобретаются только отдельные свойства микроба-донора.

Передача генетического материала от одних микробов другим происходит путем трансформации, конъюгации (полового скрещивания бактерий) и трансдукции с помощью бактериофагов.

Трансформация - изменение наследственного свойства штамма-реципиента, в ДНК которого включается фрагмент ДНК штамма-донора. Передача генетического материала от донора реципиенту происходит в форме изолированных фрагментов ДНК.

Наиболее эффективно трансформация проявляется у бактерий одного и того же вида, имеющих различный генотип, реже наблюдается у бактерий близкородственных видов.

Трансформирующему воздействию подвергается до 10 % клеток бактериальной популяции. Клетки, способные воспринимать донорскую ДНК, называют компетентными. Состояние компетентности непродолжительно и чаще совпадает с концом экспоненциальной (логарифмической) фазы роста культуры.

Для проникновения донорской ДНК необходимо появление особого фактора компетентности и специального фермента, которые вызывают образование однонитчатых разрывов в ДНК реципиента. После проникновения в клетку участка двунитчатой донорской ДНК одна нить распадается, а вторая встраивается в ДНК реципиента.

При трансформации возможна передача не только независимых (несцепленных), но и сцепленных генов.

Для получения трансформантов очищенный препарат ДНК донора вносят в среду культивирования клеток реципиента или выращивают бактерии реципиента с убитыми клетками донора.

Конъюгация бактерий - это передача генетического материала от одной клетки другой путем непосредственного контакта.

При конъюгации происходит односторонний перенос генетического материала от донора реципиенту. Необходимым условием для конъюгации должно быть наличие у донора специфического фактора плодовитости (фактор фертильности), обозначаемого буквой F (fertility).

У грамотрицательных бактерий имеются половые реснички (F-пили) - тонкие белковые трубочки, контролируемые F-фактором, через которые при конъюгации происходит перенос генетического материала.

Клетки, играющие роль донора (мужские), обозначаются F⁺, а клетки, выполняющие функции реципиента (женские, лишенные F-фактора), обозначаются F^-.

При конъюгации между клетками образуется цитоплазматический мостик, через который передается вся хромосома или определенные гены от одной бактерии к другой только в одном направлении - от клеток-доноров) к клеткам-реципиентам (F).

Конъюгация бактерий напоминает редуцированный половой процесс.

Посредством конъюгации могут передаваться такие свойства, как способность продуцировать токсины, устойчивость к антибиотикам и дезинфицирующим средствам, и др.

Трансдукция - перенос генетической информации из одной бактериальной клетки в другую, осуществляемый посредством бактериофагов. В процессе репродукции некоторых умеренных фагов небольшие фрагменты ДНК бактерий-доноров встраиваются в геном фага, который переносит их к клеткам-реципиентам. Трансдукция обусловливает формирование так называемых атипичных вариантов. микроорганизмов, обладающих измененными биологическими свойствами (потребности в питательных веществах, ферментативная, активность, устойчивость к антибиотикам, дезинфицирующим веществам и др.).

МУТАЦИИ

В природе имеет место изменчивость организмов, связанная с нарушением структуры генов (ДНК) данной клетки. Приобретенные при этом новые свойства передаются дочерним клеткам. Такая наследственная изменчивость называется мутацией.

Мутации - это новые стойкие наследственные изменения свойств микроорганизма (морфологические, культуральные, биохимические и др.), обусловленные необратимыми изменениями в структуре ДНК генов и хромосом и не связанные с рекомбинационным процессом. Клетки, в которых происходят мутации, называют мутантами, а различные варианты гена, проявляющиеся в результате мутаций, - его аллелями.

В отношении генетической структуры различают три класса мутантов со следующими дефектами:

1) одна пара оснований заменена другой, например, вместо AT может быть ГЦ или наоборот;

2) включена дополнительная пара оснований в нуклеотидную последовательность или утрачена из существующих пар;

3) группа оснований или даже генов может быть утрачена (делеция), перемещена в пределах хромосомы (транспозиция), наблюдается поворот участка ДНК на 180° (инверсия), повторение какого-нибудь фрагмента ДНК (дупликация).

Для мутаций класса 1, называемых также точечными мутациями, характерна высокая частота реверсии (восстановления), для мутаций класса 2 реверсии редки, а после мутаций класса 3 реверсии не бывает.

Бактериальные мутации делят на спонтанные и индуцированные.

Спонтанные мутации возникают в естественных условиях под влиянием внешних факторов, без вмешательства экспериментатора (при изменении температуры и рН среды, под действием ультрафиолетовых лучей, продуктов обмена и др.). Частота спонтанных мутаций в популяции у бактерий находится в пределах от 1x10" ⁵ (одна мутантная клетка на 100 тысяч) до 1х10" ¹⁰ (один мутант на 10 миллионов клеток). Клетки, в которых возникли спонтанные мутации, называют спонтанными мутантами.

Следовательно, в любой чистой бактериальной культуре в процессе ее выращивания, хранения и пересевов происходит спонтанное образование мутантов, которые можно выделить рассевом на плотную питательную среду или с помощью селекционирующих факторов.

Индуцированные мутации появляются вследствие обработки микробной популяции искусственными мутагенными факторами (мутагенами). Это могут быть физические мутагены (ультрафиолетовые лучи, температура, радиоактивные вещества) и воздействия химическими веществами (N-Meran-N-HHTpo-N-нитрозогуанидин, этил- и метилметасульфонат, этиленимин, азотистый или серный иприт, нитрит, гидроксиламин и др.).

Процесс возникновения мутации под влиянием естественных и искусственных факторов называют мутагенезом, а мутантные клетки, так же как и мутации, соответственно называют спонтанными индуцированными мутантами.

Мутации, затрагивающие только один ген, называют генными мутациями, несколько генов – хромосомными. Если мутации происходят в ДНК ядерного вещества, их называют нуклеотидными мутациями, а мутации, возникающие в ДНК цитоплазмы, называют цитоплазматическими мутациями.

Мутанты дифференцируют по морфологическим, культуральным и ферментативным свойствам.

В молочной промышленности производственно-ценные индуцированные мутанты отбирают чаще по активности кислотообразования, при этом в качестве мутагенных факторов чаще используют ультрафиолетовые лучи.

МОДИФИКАЦИЯ

Модификацией называют ненаследственную изменчивость, которая возникает под воздействием факторов внешней среды и, как правило, не оказывает влияния на развитие последующих поколений, т.е. модификация не передается по наследству и утрачивается при восстановлении обычных для микроорганизма условий. Например, добавление к питательной среде солей лимонной кислоты увеличивает интенсивность ароматообразования у гетероферментативных молочнокислых стрептококков; недостаток кальция в среде вызывает повышение спорообразования и слизистый рост у бацилл сибирской язвы; неорганическое железо стимулирует образование токсинов микроорганизмами; глицерин и аланин обусловливают полиморфизм у холерных вибрионов и др. Микробы могут также временно изменять свою ферментативную способность.

Диапазоны модификационной изменчивости ограничиваются совокупностью фенотипов, которые создаются на основе определенного генотипа.

Изменения, появляющиеся в результате модификации, могут сохраняться в течение нескольких поколений.

При модификации не нарушается нормальное равновесие физиологических процессов в клетке и соответствие между клеткой и средой.

В связи с этим модификации также называют адаптивными реакциями на внешние раздражения, которые регулярно повторяются в нормальных условиях жизни.

У микроорганизмов особенно резко выражены процессы приспособления к непродолжительным, повторяющимся отклонениям от обычных условий среды обитания.

Подобные отклонения бывают циклическими при сезонных климатических изменениях и чисто случайными. Они приводят к Подавлению или активации контролируемых генами процессов, которые не могли протекать при прежних условиях среды. Изменение структуры генетического аппарата при этом не происходит.

⇐ Предыдущая 7 8 9 10 111213 14 15 16 Следующая ⇒