Генетичні рекомбінації. Трансдукція. Трансформація. Кон'югація. Особливості побудови генетичних карт у прокаріотів Механізми передачі генетичної інформації трансформація трансдукція кон'югація

Тема: Генетика мікроорганізмів 1. Кон'югація, трансдукція, трансформація. 2. Мінливість мікроорганізмів. 3. Використання досягнень генетики бактерій.

Спадковий апарат бактерій має ряд особливостей: бактерії – гаплоїдні організми, тобто вони мають 1 хромосому. У зв'язку з цим при наслідуванні ознак відсутнє явище домінантності; Бактерії мають високу швидкість розмноження, у зв'язку з чим за короткий проміжок часу (добу) змінюється кілька десятків поколінь бактерій. Це дає можливість вивчати великі за чисельністю популяції і легко виявляти навіть рідкісні за частотою мутації. Спадковий апарат бактерій представлений хромосомою. У бактерій вона одна. Хромосома бактерій – це молекула ДНК. Довжина цієї молекули досягає 1,0 мм і, щоб "вміститися" в бактеріальній клітині, вона не лінійна, як у еукаріотів, а суперспіралізована в петлі і згорнута в кільце. Це кільце в одній точці прикріплено до цитоплазматичної мембрани. На бактеріальній хромосомі розташовуються окремі гени. У кишкової палички, наприклад, їх понад 2 тис.

2. Функціональними одиницями геному бактерій, крім хромосомних генів, є: IS-послідовність; транспозони; плазміди. IS-послідовності (англ. insertion – вставка, sequence – послідовність) – короткі фрагменти ДНК. Вони не несуть структурних (кодують той чи інший білок) генів, а містять тільки гени, відповідальні за транспозицію (здатність IS-послідовностей переміщатися хромосомою і вбудовуватися в різні її ділянки). ISпослідовності однакові у різних видів бактерій. Транспозони - це молекули ДНК, більші, ніж IS послідовності. Крім генів, відповідальних за транспозицію, вони містять і структурний ген, що кодує ту чи іншу ознаку. Транспозони (Tn-елементи) складаються з 2000 -25 000 пар нуклеотидів, містять фрагмент ДНК, що несе специфічні гени, і два кінцеві ISелементи. Кожен транспозон зазвичай містить гени, що привносять важливі для бактерії характеристики типу множинної стійкості до антибактеріальних агентів. Загалом, для транспозонів характерні самі гени, як і плазмид (гени стійкості до антибіотиків, токсинообразования, додаткових ферментів метаболізму). Транспозони легко переміщаються хромосомою. Їхнє положення позначається на експресії як їх власних структурних генів, так і сусідніх хромосомних. Транспозони можуть існувати і поза хромосомою,

Плазміди – кільцеві суперспіралеподібні молекули ДНК. Їхня молекулярна маса коливається в широких межах і може бути в сотні разів більше, ніж у транспозонів. Плазміди містять структурні гени, що наділяють бактеріальну клітину різними, дуже важливими для неї властивостями: R-плазміди – лікарською стійкістю; Col-плазміди – здатністю синтезувати коліцини; F-плазміди – передавати генетичну інформацію; Тох-плазміди – синтезувати токсин; Плазміди біодеградації - руйнувати той чи інший субстрат і т. д. Плазміди можуть бути інтегровані в хромосому (на відміну від ISпослідовностей та транспозонів, вбудовуються в строго певні ділянки), а можуть існувати автономно. У цьому випадку вони мають здатність до автономної реплікації, і саме тому в клітині може бути 2, 4, 8 копій такої плазміди. Багато плазміди мають у своєму складі гени трансмісивності та здатні передаватися від однієї клітини до іншої при кон'югації (обміні генетичною інформацією). Такі плазміди називаються трансмісивними.

У бактерій розрізняють 2 види мінливості - фенотипічну та генотипічну. Фенотипова мінливість - модифікація - не торкається генотипу, але торкається більшості особин популяції. Модифікації не передаються у спадок і з часом загасають, тобто повертаються до вихідного фенотипу через більшу (тривалі модифікації) або меншу (короткочасні модифікації) ісло поколінь. год Генотипова мінливість торкається генотипу. В її основі лежать мутації та рекомбінації. Мутації бактерій принципово не відрізняються від мутацій еукаріотів. Особливістю мутацій у бактерій є відносна легкість їх виявлення, оскільки є можливість працювати з більшими за чисельністю популяціями бактерій. За походженням мутації може бути: спонтанними; індукованими. За довжиною: точковими; генними; хромосомними. За спрямованістю: прямими; - Зворотними.

Рекомбінації (обмін генетичним матеріалом) у бактерій відрізняються від рекомбінацій у еукаріотів: у бактерій є кілька механізмів рекомбінацій; при рекомбінаціях у бактерій утворюється не зигота, як у еукаріотів, а мерозигота (несе повністю генетичну інформацію реципієнта та частину генетичної інформації донора у вигляді доповнення); у бактеріальної клітини-рекомбінату змінюється як якість, а й кількість генетичної інформації.

Кон'югація У бактерій – спосіб перенесення генетичного матеріалу від однієї бактеріальної клітини до іншої. При цьому дві бактерії з'єднуються тонким містком, через який з однієї клітини (донора) до іншої (реципієнт) переходить відрізок нитки дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Спадкові властивості реципієнта змінюються відповідно до кількості генетичної інформації, що міститься в переданому шматочку ДНК.

Кон'югація Кон'югація (від лат. conjugatio - з'єднання), парасексуальний процес - односпрямоване перенесення частини генетичного матеріалу (плазмід, бактеріальної хромосоми) при безпосередньому контакті двох бактеріальних клітин. Відкритий у 1946 році Дж. Ледербергом та Е. Тайтемом. Має велике значення у природі, оскільки сприяє обміну корисними ознаками за відсутності справжнього статевого процесу. З усіх процесів горизонтального перенесення генів кон'югація дозволяє передавати найбільшу кількість генетичної інформації.

Кон'югація - обмін генетичною інформацією у бактерій шляхом передачі її від донора до реципієнта при їхньому прямому контакті. Після утворення між донором і реципієнтом кон'югаційного містка одна нитка ДНК-донора надходить у клітину-реципієнт. Чим довше контакт, тим більша частина донорської ДНК може бути передана реципієнту. Ґрунтуючись на перериванні кон'югації через певні проміжки часу, можна визначити порядок розташування генів на хромосомі бактерій - побудувати хромосомні карти бактерій (здійснити картування бактерій). Донорська функція має F+-клітини.

Трансдукція Естер Ледерберг вдалося виділити бактеріофаг лямбда, ДНК-вірус, з Escherichia coli K 12 в 1950 році. Відкриття трансдукції пов'язане з ім'ям Джошуа Ледерберга. У 1952 році вони спільно з Нортоном Циндер виявили загальну трансдукцію. У 1953 Ледербергом та ін. було показано існування абортивної трансдукції, у 1956 – специфічної.

Трансдукція-обмін генетичною інформацією у бактерій шляхом передачі її від донора до реципієнта за допомогою помірних (трансдукуючих) бактеріофагів. Трансдукуючі фаги можуть переносити 1 або більше генів (ознаки). Трансдукія буває: специфічною - переноситься завжди той самий ген; неспецифічної – передаються різні гени. Це пов'язано з локалізацією трансдуіюючих фагів у геномі донора: у разі специфічної трансдукції вони розташовуються завжди в одному місці хромосоми; при неспецифічній їхній локалізації непостійна.

Рис. 2. Трансдукція 1 – бактерія – донор (В+), 2 – фаг, 3 – розмноження, 4 – адсорбція, 5 – бактерія – реципієнт (В-), 6 – бактерія – реципієнт з новою властивістю.

Трансформація - це обмін генетичною інформацією у бактерій шляхом введення в бактеріальну клітину реципієнта готового препарату ДНК (спеціально приготовленого або безпосередньо виділеного з клітини-донора). Найчастіше передача генетичної інформації відбувається при культивуванні реципієнта на живильному середовищі, що містить ДНК донора. Для сприйняття донорської ДНК при трансформації клітинареципієнт має перебувати у певному фізіологічному стані (компетентності), що досягається спеціальними методами обробки бактеріальної популяції або виникає спонтанно. При трансформації передаються поодинокі (частіше 1) ознаки. Трансформація є найоб'єктивнішим свідченням зв'язку ДНК або її фрагментів з тією чи іншою фенотипічною ознакою, оскільки в реципієнтну клітину вводиться чистий препарат ДНК.

Рис. 3. Трансформація капсульного штаму бактерії (1) при посіві дає ріст (6). Після кип'ятіння цієї культури зростання відсутнє (7). Аналогічний результат такого досвіду з безкапсульним штамом (4-зростання +, 8-зростання -). Об'єднання в одну ємність екстракту касульного (1) та живої культури безкапсульного (3) штамів з наступним висівом дає зростання капсульного штаму (5).

Властивості клітин колоній S - і R-форм S-форма R-форма Колонії шорсткі, непрозорі з нерівними краями, часто зморшкуваті Джгутики часто відсутні Капсули або слизовий шар відсутній Біохімічно менш активні Слабовірулентні або авірулентні осад крихтоподібний, клітини поліморфні Колонії прозорі, з гладкою блискучою поверхнею, круглі, з рівними краями, опуклі Рухливі види мають джгутики У капсульних видів добре видно капсула або слизовий шар клітин у фізіологічному розчині гомогенна, стійка, клітини нормальних розмірів

Ми познайомилися з процесом подвоєння ДНК, коли на одному ланцюгу, як на матриці, вишиковується інший ланцюг. Однак у природі існують процеси, пов'язані із зміною структури ДНК, але ці зміни йдуть в інших напрямках.

Трансформація– внесення до клітин генетичної інформації за допомогою ізольованої дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Трансформація призводить до появи у трансформованої клітини (трансформанта) та її потомства нових ознак, притаманних об'єкта - джерела ДНК. Явище було відкрито в 1928 англійським вченим Ф. Гріффітом, який спостерігав успадковане відновлення синтезу капсульного полісахариду у пневмококів при зараженні мишей сумішшю вбитих нагріванням капсульованих бактерій і клітин, позбавлених капсули. Організм миші у цих експериментах грав роль своєрідного детектора, оскільки придбання капсульного полісахариду повідомляло клітинам, позбавленим капсули, здатність викликати смертельний для тварини інфекційний процес. У наступних експериментах було встановлено, що трансформація має місце і в тому випадку, коли замість убитих клітин до позбавлених капсул пневмококів додавали екстракт з зруйнованих капсульованих бактерій. У 1944 році О. Ейвері зі співробітниками (США) встановив, що фактором, що забезпечує трансформацію, є молекули ДНК. Ця робота - перше дослідження, що довело роль ДНК як носія спадкової інформації.

Крім пневмококів, трансформація виявлена ​​та вивчена на деяких інших бактеріях.

Трансформацію у бактерій розглядають як складний процес, що включає такі стадії:

Фіксація молекул ДНК клітиною-реципієнтом;

Проникнення ДНК усередину клітини;

Включення фрагментів трансформуючої ДНК у хромосому клітини-хазяїна;

Формування "чистих" трансформованих варіантів.

Фіксація ДНК відбувається на спеціальних ділянках клітинної поверхні (рецепторах), кількість яких обмежена. Пов'язана з рецепторами ДНК зберігає чутливість до дії доданого до середовища ферменту дезоксирибонуклеази, що викликає її розпад. Однак через дуже короткий термін (в межах 1 хв) після фіксації частина ДНК проникає в клітину. Бактеріальні клітини однієї й тієї ж штаму різко різняться по проникності для ДНК. Клітини цієї бактеріальної популяції, здатні включати чужорідну ДНК, називаються компетентними . Число компетентних клітин у популяції незначне і залежить від генетичних особливостей бактерій та фази зростання бактеріальної культури. Розвиток компетенції пов'язують із синтезом особливого білка, що забезпечує проникнення ДНК у клітину.

Середні розміри фрагментів ДНК, що проникають у клітину, становлять 5×10 6 дальтон. Оскільки в компетентну клітину може одночасно проникнути ряд таких фрагментів, сумарна величина поглиненої ДНК може приблизно дорівнює розмірам хромосоми клітини-господаря. Після проникнення в клітину двониткової ДНК одна нитка розпадається до моно-і олігонуклеотидів, друга - вбудовується в хромосому клітини-господаря шляхом розривів і возз'єднань. Наступна реплікація такої гібридної структури призводить до вищеплення "чистих" клонів трансформантів, у потомстві яких закріплено ознаку, що кодується включилася ДНК.

Застосування трансформації дозволило провести генетичний аналіз бактерій, які не описують інших форм генетичного обміну (кон'югації, трансдукції). З іншого боку, трансформація – зручний спосіб з'ясування впливів на біологічну активність ДНК фізичних чи хімічних змін її структури. Розробка методу у кишкової палички дозволила використовувати для трансформації не лише фрагменти бактеріальної хромосоми, а й ДНК бактеріальних плазмід та бактеріофагів. Цей метод широко використовується для внесення в клітину гібридної ДНК у дослідженнях генної інженерії.

Трансдукція(від лат. transductio - переміщення) – перенесення генетичного матеріалу з однієї клітини до іншої за допомогою вірусу, що призводить до зміни спадкових властивостей клітин-реципієнтів. Явище трансдукції було відкрито американськими вченими Д. Ледербергом і Н. Циндером в 1952. Особливі бактеріальні віруси - помірні фаги в процесі вегетативного розмноження здатні випадково захоплювати і переносити в інші клітини будь-які ділянки ДНК бактерій, що лізуються (тобто руйнуються ними). загальна , або неспецифічна , Трансдукція). Довжина переносного (трансдукованого) відрізка ДНК визначається розміром білкової оболонки фагової частки і зазвичай не перевищує 1-2% бактеріального геному. Відрізок, що переноситься, може містити кілька генів. Оскільки можливість такої зчепленої трансдукції залежить від відстані між генами в молекулі ДНК, що утворює хромосому бактерії, явище трансдукції широко використовується при складанні генетичних карт хромосом бактерій. Генетичний матеріал фага в таких частинках, що трансдукують, відсутній; тому, вводячи ДНК у клітину, де вони здійснюють інші функції фага: не розмножуються, не лизогенизируют клітину і наділяють її імунітетом до фагу. Внесений фрагмент може існувати в клітині у вигляді додаткового генетичного елемента, що має функціональну активність. Оскільки такий фрагмент не здатний відтворюватися, при кожному клітинному поділі він передається лише до однієї з дочірніх клітин. За винятком цієї клітини властивості решти потомства залишаються без змін ( абортивна трансдукція). Надалі фрагмент може бути зруйнований, або включений в хромосому бактерії, замінивши в ній гомологічний ділянку ДНК. В останньому випадку нові ознаки, набуті клітиною-трансдуктантом, будуть властиві всьому потомству цієї клітини ( повна трансдукція).

Існує група бактеріофагів, здатних трансдукувати лише певні гени, розташовані поруч із місцем включення геному фага в хромосому бактерії при лізогенізації ( обмежена , або специфічна , Трансдукція). Такі трансдукуючі фагові частинки, що утворюються в результаті випадкового порушення точності процесу виходу профагу з бактеріальної хромосоми, містять молекулу ДНК, що складається з залишку фагового генома та фрагмента бактеріального геному. Найчастіше вони можуть самостійно розмножуватися чи лизогенезировать бактерії через втрати частини фагового геному (до 30%). Генетичний матеріал трансдукуючих частинок може зберігатися в клітині в автономному стані або як профаг включитися в ДНК бактерії. Однак у обох випадках частина потомства відновлює вихідні властивості через втрату профагу. Стабільна трансдукція досягається лише у разі включення бактеріального фрагмента профагу в геном бактерії внаслідок обміну на гомологічну ділянку хромосоми.

Епісоми(від епі... і грец. sóma - тіло) – генетичні фактори, здатні перебувати в клітині або в автономному (цитоплазмі) або в інтегрованому (включеними в хромосому) стані; являють собою молекули ДНК. До епісомів відносяться геном помірного фага лямбда, статевий фактор F, деякі R-фактори, що повідомляють бактеріям стійкість до певних ліків, речовин, і деякі ін. . Наприклад, геном помірного фага лямбда у клітинах кишкової палички може бути в інтегрованому чи автономному стані, а клітинах збудника черевного тифу – лише у автономному стані. Перебуваючи в автономному стані, більшість епісом поводяться як типові плазміди. Ряд авторів бачить в епісомах перехідну ланку між структурами, що визначають хромосомну та нехромосомну спадковість.

ДНК-діагностика

Організм людини є місцем існування для сотень видів бактерій і вірусів. З біологічної точки зору організм людини є цілою системою співіснуючих організмів-симбіонтів. Далеко не всі із симбіонтів патогенні. Без деяких видів бактерій людина просто не здатна існувати, їхня втрата чи зниження кількості є причиною розвитку низки важких захворювань. Розшифровка геномів багатьох хвороботворних мікроорганізмів з ідентифікацією всіх білків допоможе розробити методи запобігання та лікування інфекційних хвороб.

Для розвитку інфекційного процесу велике значення має генетичний статус господаря.Наприклад, окремі індивідууми є носіями вірусу імунодефіциту, але на СНІД не хворіють. У цих осіб є мутація в гені, що кодує поверхневий білок, відповідальний за влучення вірусу всередину лімфоїдних клітин. Щільність білка на поверхні клітин знижена, вірус утримується, але не потрапляє всередину. Частота гомозигот за цією мутацією серед мешканців Європи становить близько 1%, вони мають виражену стійкість до ВІЛ-інфекцій. Найбільш стійкими виявляються і гетерозиготні носії мутації, у російській популяції їх частота сягає 13%.

Трансформація - зміна спадкових властивостей клітини внаслідок проникнення чи штучного привнесення до неї чужорідної ДНК. Природу трансформуючого фактора встановили Евері, Мак-Леод в 1944. Трансформувати вдається тільки ті бактерії, в клітини яких може проникнути високомолекулярна, дволанцюжкова (інтактна) ДНК. Здатність поглинати ДНК – компетенція і залежить від фізіологічного стану клітини. ДНК може поглинатися певну коротку фазу зміни клітинної поверхні. За допомогою ДНК можуть передаватися такі ознаки як: капсулоутворення, синтез в-в, ферментативна активність, стійкість до отрути, антибіотиків. Кон'югація - перенесення генетичного матеріалу шляхом прямого контакту між двома клітинами. Досліджували Ледерберг та Татум у 1946 на мутантах Кишкової палички. Один мутант чекав амінокислот А і В, але був здатний синтезувати Сі Д, другий був йому компетентний (А-В-С + Д +). Ці мутанти не росли і не утворювали колоній на мінімальному, поживному середовищі, але якщо внести на неї суспензію обох мутантів, колонії з'являлися. Клітини цих колоній мали спадкову здатність синтезувати всі амінокислоти (А+В+С+Д+). Тут передумовою рекомбінації є кон'югація. При дослідженні бактерій з'ясували, що здатність клітини бути донором пов'язана з наявністю фактора F (F+клітини, які не містять фактора – F- і може функціонувати як реципієнт) – плазміда, кільцева, дволанцюжкова молекула ДНК. Т.о. клітини реципієнти внаслідок кон'югації стають донорами, а хромосомні ознаки не передаються. F-плазміда зумовлює утворення на клітині статевих фімбрій/F-пили, які служать для впізнавання при контакті між клітиною донором і клітиною реципієнтом і роблять можливим утворення містка, яким ДНК переходить в клітину. Кон'югація поширена у ентеробактерій, прокаріотів. Трансдукція - пасивне перенесення бактеріальних генів з однієї клітини в іншу частинками бактеріофага, що призводить до зміни спадкових властивостей клітини. Розрізняють 2 види трансдукції: а) неспецифічний - при якому може бути перенесений будь-який фрагмент ДНК господаря (ДНК клітини господаря включається в частинку фага / до його власного гена / замість нього); б) Специфічний – може бути перенесений строго певний фрагмент ДНК, деякі гени фага замінюються генами господаря). У обох випадках фаги дефектні, тобто. втрачають здатність лізувати клітину.

38. Фактори резистентності (r-фактори). Властивості плазмідів. Транспозони.

1. Резистентність- Устойч.орг-мов до будь-яких антигенів. Бактерії стійкі до деяких антибіотиків були відкр. У 50-ті роки в Японії (збудники дезінтерії. отм.множ.уст-ть бакт.дезінтерії і це може перед.ін. відразу до 8 антибіотиків, а ін R-ф.надають уст-ть до тяж.мет.(ртуть, нікель, кадмій) R-плазміда несе 2 гр.генів:1)ген відп. ) і вони обр.так назив. Склад. лише невелика частина плазміди.

RTF включ.всі гени,відповід.за перенесення фактора R з клітини в клітину, котор.осущ.шляхом кон'югації. Т. е фактор R також як і фактор F-інфекційний. Можливе перенесення R-фактору між декількома різними пологами бактерій, що способств.их подальшому распр. Фермітативн.хім.модиф.антибіотиків явл.осн.причиною уст.до них,обусл.плазмідами. Наприклад канаміцин і неоміцин подверг.фосфореліров-ю, а пінпіц.інактивіро.пеніциліназою. поск. При наявності. R-факторів можлива генетт.рекомбінація, то може.возн.нов.сочет-е генів,котор.додадуть.доповн.св-ва уст-ти. R-фактори мають більш.знач-е для хіміо-терапії.

2. Бактеріоцини. Багато бакт.синтез.білки,Юкотор. Убив.родств.види чи штами чи гальмують їх зростання. Ці білки називаються бактеріоцинами. Вони кодир. Особ.плазмідами, котор.назів.бактеріоциногенними факторами. Бактеріоцини були виділені з ешріхіа колі (коліцини) та ін. Назв-е бактеріоцинам дається по продуцир.формі бакт., напр.стафілококі произв.стафілоцини. неорг.в-ва, убив.бакт.зв.антисептиками.

3. ін.призн., опр.плазмідами.Плазміди можуть содерж.гени,котор.обусл.ряд специф.біол.св-в,котор.в опр.усл-ях созд. Гени ферментів, необхідні для розщепл-я комифори, саліц. до-ти та ін. Перелік св-в, наслед.с плазмидами, значить-й включає: азотфиксацию,обр-е бульбочок, погл-е цукрів, синтез гідрогенази та інших. Некотор.з цих св-в можуть опр.генами бактер. Хромасоми (обмін генами м-ду хромосомою та плазмідою). Плазміди зіграли важливу роль в евол.прокаріотів.

4. Несумісність.Багато бакт.міст.плазміди розл.велич. Сосущ.разн.плазмідів в одній клітині говорить про те, що такі плазміди сумісні між собою. Але 2 спорідненості.плазміди не можуть сосущ.в одній клітині, вони несумісні. Усі плазміди подр.на гр.несов-ти: плазміди,отн.до однієї й тієї ж групі несовм.

Транспозони –це послід-ти ДНК,которые.способны встр.во мног.уч-ки геному і можуть «перепр.»з плазміди на бакт.хромосому,на ін.плазміду. Транспазони містять гени, котор.опр.зовнішньорозп.ознаки,а саме уст-ть до таких антибіотиків як пиниц.,тетрациклін та ін. У зв'язку з цим їх легше виявити. .собою инсерцион.посл-ти зустрічей в бакт.хромосомах і плазмидах.). По обидва боки від генів уст-ти, котор.нах.внутрі транспозона розпол 2 однаковий посл-ти,котор.можуть у одному й тому ж чи протипол.напр-ях. Ці повт.посл-ти підстав ДНК частково ідентичні з IS - Ел-тамі.

41. Еволюція м/оів.

Кл-ки всього живого від примітивних форм до високо організованих складаються з одних і тих же структурних елементів і ви одні й ті ж механізми для отримання енергії і зростання. У цьому полягає біохімічна єдність живих організмів. У процесі еволюції відбувалося становлення та формування різних форм живого. Для процесу еволюції життя необхідно представити якісь умови були на Землі, в кіт виявилося можливим самозародження життя. У після формування Землі період на ній відбувалися активні біологічні процеси, кіт змінювали її вигляд і призводили до формування земної кори, гідросфери і атмосфери. Коли органіч-ва на Землі накопичилися у великій кількості =>виникли умови, при якому міг відбутися перехід від хіміч еволюції до виникнення перших живих істот, що самовідтворюються. Для кліт життя характерно, що вона завжди має вигляд опред структур, кіт просторово відокремлені від зовнішнього середовища, але постійно взаємодіє з нею на кшталт отк систем. Передбачав, що слідом етапом еволюції на шляху виникнення життя було формування певної структурної організації – абіогенносинтезованих органічних сполук. Вони мали сферичну форму, діаметр 0,5-7мкм, нагадували коккоподібні форми бактерій, містили протеїноїди, кіт мали певну стабільність. При фарбуванні за грамом було виявлено, що мікросфери, утворені з кислих протеїноїдів – гр-, а основними протеїноїдами – гр+. Цей етап перехідний етап від хімічної до біологічної еволюції і закономірність, що виникла, може бути визначена як передбіологічний природний відбір. Надалі припустив, що першими прокаріотами, кіт могли з'явитися у водоймах, де було багато органіч-ва були організми, кіт сущий за рахунок бродіння і володіли основними функціями анаеробного обміну. Якщо припустити, що у водоймах були тоді і сульфати, то слід етапом еволюції явл ефективний транспорт електронів зі створенням протонного потенціалу як джерела енергії для регенерації АТФ. Крім того, було експериментально показано, що на початковому етапі еволюції прокаріоти могли відтворюватися і передавати інформацію потомству без участі нуклеїнових кислот. Для подальшої еволюції прокаріотів було необхідно створення спеціального апарату, який би забезпечував точне відтворення поліпептидів. Це спричинило формуванню нового механізму синтезу – матричного синтезу, основу якого лежить використання властивостей полінуклеотидів. Властивістю полінуклеїнових молекул є здатність до точного відтворення, що базується на принципі структурної компліментарності.

Головна подія в еволюції: перехід від первинної атмосфери, що відновлює, до атмосфери, що містить кисень. У бактерій з'явився новий тип метаболізму - аеробне дихання, що стало можливо в результаті перетворення цитохромів на термінальні оксидази, використовуючи молекули О 2 як акцептор електронів. Припускають, що 2 млрд років тому вже існують усі фототрофні прокаріоти, кіт і зараз. Прокаріоти первинно займали багато різних екологічних ніш, кіт потім поступово поступилися еукаріотів. Вироблення різноманітних типів метаболізму у прокаріотів була обумовлена ​​простою структурною клітиною, високорозвиненою системою регуляції, швидким зростанням, наявністю дек механізмів переносу генів.

42.ПАТОГЕН МІКРООРГ І ІМУНІТЕТ.

Імунітет захищає нас від інфекційних агентів: бактерій, вірусів та найпростіших, тобто захищає організм від усього чужорідного.

Інфекція – складний біологічний процес, що виникає внаслідок проникнення патогенних мікробів в організм та порушення сталості його внутрішнього середовища.

Патогенність – це здатність мікроба певного виду за відповідних умов викликати характерне йому інфекційне захворювання. Отже, патогенність є видовою ознакою.

У природному середовищі зустрічаються біологічні забруднювачі, які викликають у людини різні захворювання. Це хвороботворні мікроорганізми, віруси, гельмінти, найпростіші. Вони можуть бути в атмосфері, воді, грунті, в тілі інших живих організмів, у тому числі і в самій людині.

Найбільш небезпечні збудники інфекційних захворювань. Вони мають різну стійкість у навколишньому середовищі. Одні здатні жити поза організмом людини лише кілька годин; знаходячись у повітрі, у воді, на різних предметах, вони швидко гинуть. Інші можуть жити у навколишньому середовищі від кількох днів до кількох років. Для третіх навколишнє середовище є природним місцем проживання. Для четвертих - інші організми, наприклад дикі тварини, є місцем збереження та розмноження.

Часто джерелом інфекції є ґрунт, в якому постійно мешкають збудники правця, ботулізму, газової гангрени, деяких грибкових захворювань. В організм людини вони можуть потрапити при пошкодженні шкірних покривів з немитими продуктами харчування, при порушенні правил гігієни.

Комбінативні зміни.

З'являються внаслідок трансформації та кон'югації. Трансформація - це процес перенесення ділянки генетичного матеріалу ДНК, що містить одну пару нуклеотидів, відклітини-донорак клітинерецептору.

У процесі трансформації розрізняють 5 стадій:

1)Адсорбція трансформуючої ДНК на поверхні мікробної клітини;

2)Проникнення ДНК у клітину-реципієнт;

3)Спарювання ДНК, що впровадилася, з хромосомними структурами клітини;

4) Включення ділянки ДНК клітини-донорів хромосомні структури клітини-реципієнта;

5) Подальша зміна нуклеотиду під час наступних поділів. Оптимальна температура трансформації 29-32С.

Трансдукція- це зміна, у якому генетичний матеріал отклетки-доноракклетке-реципиентупереносит трансдуцірующий (помірний) фаг, тобто. фаг, що не викликає її руйнування.

Розрізняють три типи трансдукції:

1) Загальна (неспецифічна), може відбуватися перенесення різних чи кількох ознак одночасно.

2) Специфічна, характеризується перенесенням лише певної ознаки.

3) Абортивна ділянка ДНК клітини-донора, перенесена фагом в клітину-реципієнта, не включається в її геном.

Кон'югація - форма статевого процесу, при якому відбувається з'єднання чоловічої та жіночої мікробних клітин та обмін між ними ядерною речовиною.

При цьому генетичний матеріал клітини-донора переходить у клітину реципієнт. Після рекомбінації та поділу клітини утворюються форми з ознаками кон'югуючих клітин.

Таким чином, всі три форми комбінативної мінливості (трансформація, трансдукція, кон'югація) різні формою, але однакові по суті. При трансформації ділянка ДНК клітини-донора в клітину-реципієнт, при трансдукції цю роль виконує фаг, а при кон'югації перенесення генетичної інформації здійснюється через цитоплазматичний місток (пилки).

Ріккетсії

Грамнегативні мікроби. За формою короткі палички або коки. Ріккетсії мають клітинну стінку, яка подібна до клітинної стінки грамнегативних бактерій.

Відносять до справжніх бактерій. Прокаріоти.

Нітрифікація.

Продукти гниття білків і розкладання сечовини аміак та аміачні солі – можуть бути безпосередньо засвоєні рослинами, але вони зазвичай перетворюються на нітрати солі азотної кислоти.

У першій фазі нітрифікації аміак окислюється до азотної кислоти за схемою

DG = -662кДж/моль.

Процес нітрифікації відбувається у кілька стадій, у своїй утворюється ряд проміжних продуктів: гидроксиламин, нітроксил та інших.

У другій фазі азотиста кислота окислюється до азотної:

DG=-201кДж/моль.

Перша та друга фаза єдиного процесу нітрифікації викликаються різними збудниками. С.М. Виноградський об'єднав їх у три роди:

1)Нитросомонас. Мають форму паличок, грамнегативні, рухливі, забезпечені одним джгутиком, суперечка не утворюють. Широко поширені у ґрунті та відрізняються один від одного формою та розмірами.

2) Nitrosocystis. Здатний утворювати зооглеї (кокові форми мікробів, навколишньою капсулою)

3) Nitrosspira. Вони поділяються на два види. Бактерії обох видів мають правильну форму. Поряд із спірально закрученими нитками у старих культур зустрічаються короткі палички та коки.

Останнім часом виділено ще два роди мікробів, що викликають першу фазу нітрифікації.

Нітрифікуючі бактерії негативно ставляться до органічних речовин. Сильна чутливість нітрифікуючих мікробів до органічних речовин відзначається у розчинах; у грунті цього немає, т.к. у ній водорозчинних речовин у значних кількостях ніколи не буває.

На процеси окислення аміаку впливають як мікроби, а й їх ферменти. Крім органічної речовини на нітрифікацію впливає концентрація аміаку. Його вплив на культуру різко проявляється в умовах рідких середовищ. У ґрунті ж аміак знаходиться адсорбованому стані і не може чинити пригнічуючої дії. Тому нітробактер відразу ж окислює азотисту кислоту азотну.

На процес нітрифікації позитивно позначається присутність кисню. У оброблюваних ґрунтах процес нітрифікації протікає інтенсивніше.

Рекомбінація у прокаріотів. Трансформація. Кон'югація. Трансдукція. Особливості побудови генетичних карток у прокаріотів.

Генетична рекомбінація

Генотипова мінливість прокаріотів спостерігається в результаті рекомбінаціїгенет-го матеріалу за рахунок часткового об'єднання геномів двох клітин і проявляється у фенотипі бактерій. До рекомбінативної мінливості генет-го матеріалу прокаріотів призводять трансформація, трансдукція та кон'югація.

На відміну від еукаріотів, у яких при статевому процесі відбувається утворення істинної зиготи, що об'єднує генет. -ію неповноцінної зиготи - мерозиготи. Т.ч., прокаріотна клітина-реципієнт стає частково диплоїдною, зберігаючи в основному генотип клітини-реципієнта і набуваючи лише окремих властивостей клітини-донора.

Відповідальність за рекомбінації несуть спеціальні гени клітини-реципієнта, які отримали назву rec-генів. Механізм рекомбінацій включає ряд послідовних стадій:
1) розрив ниток ДНК клітини-реципієнта;
2) вбудовування фрагментів ДНК, привнесених із клітини-донора в геном клітини-реципієнта;
3) реплікація рекомбінативної ДНК, що дає початок потомству клітин із зміненим геномом.

Докази вищевказаного механізму рекомбінації були експериментально отримані щодо процесу кон'югації кишкової палички (E.coli) з використанням мічених по фосфору (Р 32) клітин-донорів.

Трансформація(Від лат.- перетворення) - зміна геному і властивостей бактерій в рез-ті перенесення інформації при проникненні фрагмента вільної ДНК із середовища в кл-ку. При трансформації не потрібно безпосереднього контакту між клітиною-донором і клітиною-реципієнтом. Джерелом трансформуючої ДНК може бути свіжоубита культура бактерій або чисті препарати ДНК, екстрагованої з неї.

Явище трансформації у бактерій уперше спостерігав Ф. Гріффітс в 1928 р. Він виявив, що при спільному веденні в організм мишей убитого вірулентного капсульного пневмокока S-типу з живим авірулентним безкапсульним пневмококом R-типу всі тварини гинуть. При цьому з крові загиблих мишей поряд з безкапсульними пневмококами R-типу виділяються вірулентні капсульні пневмококи S-типу. Гріффітс не зумів пояснити явище трансформації. Лише в 1944 р. О. Евері, К. Мак-Леод та М. Мак-Карті виділили трансформуючу речовину з убитих клітин капсульних пневмококів і показали, що ним є ДНК, чутлива до ДНК-полімерази.

Процес трансформації проходить у кілька етапів:
1) адсорбція трансформуючої ДНК на поверхні компетентної клітини-реципієнта;
2) ферментативне розщеплення трансформуючої ДНК з утворенням фрагментів із середньою молекулярною масою (4-5) 10 6 ;
3) проникнення фрагментів ДНК у клітину-реципієнт, що супроводжується деградацією одного з ланцюгів ДНК та утворенням одноланцюгових фрагментів;
4) інтеграція - включення фрагментів трансформуючої ДНК в ДНК клітини-реципієнта шляхом генет-го обміну;
5) експресія – інтенсивне розмноження трансформованих клітин, потомство яких матиме змінений ген у молекулі ДНК.

Трансформуючий фрагмент ДНК зазвичай відповідає 0,3% бактеріальної хромосоми, або приблизно 15 генів. У клітину-реципієнт проникає дуже малий фрагмент ДНК, що зумовлює трансформацію лише однієї ознаки та рідко двох. Шляхом трансформації з однієї клітини в іншу можуть бути перенесені такі ознаки бактерій, як стійкість до препаратів, здатність до синтезу капсульних полісахаридів, ферментів, певних метаболітів і т.д. При трансформації немає додавання якісно нового спадкового ознаки, спостерігається лише заміна однієї ознаки іншим.

Трансдукціяполягає у перенесенні генет-го матеріалу з клітини-донора в клітину-реципієнт помірним бактеріофагом. Явище трансдукції 1952 р. відкрили М. Циндер і Дж. Ледерберг з прикладу двох штамів сальмонел.

За механізмом взаємодії з бактеріальною клітиною фаги поділяються на вірулентні та помірні. Вірулентні фаги, проникаючи у клітину, зумовлюють формування нових фагів та лізис бактерій. Зараження клітин помірними фагами не завжди супроводжується лізисом бактерій, частина їх виживає та стає лізогенними. У лізогенних бактеріях ДНК-фага включається в ДНК-клітини і помірний фаг перетворюється на профаг, втрачаючи при цьому здатність лізувати бактеріальну клітину. Профаг поводиться як частина бактеріальної хромосоми та репродукується у її складі протягом ряду поколінь. Звільнення помірних фагів із клітин лізогенних бактерій відбувається спонтанно або під дією лізогенних бактерій відбувається спонтанно або під дією індукованих агентів – ультрафіолетових променів, іонізуючої радіації та хімічних мутагенів.

У процесі репродукції деяких помірних фагів невеликий фрагмент бактеріальної хромосоми включається в геном фага. Трансдукувальний фаг переносить фрагмент ДНК попереднього господаря в нову чутливу до нього бактеріальну клітину. Т.ч., бактеріальна клітина-реципієнт стає частковою зиготою.

У бактерій розрізняють 3 типи трансдукції: спеціалізовану, загальну та абортивну.

Спеціалізована- до генома фага включаються строго певні гени ДНК бактерії-донора, розташовані на хромосомі бактерії безпосередньо поруч із профагом. Прилеглі до профагу гени вищеплюються з бактерій хромосоми, а частина генів профагу залишається в її складі. Ті, що звільняються з клітини-донора, трансдукуючі дефектні фаги викликають лізогенезацію клітини-реципієнта. ДНК дефектного фага включається до складу хромосоми клітини-реципієнта, приносячи до неї гени бактерії-донора.

Загальна- відрізняється від спеціалізації тим, що до складу ДНК фага включається будь-який фрагмент ДНК бактерії-донора. Т.ч., при загальній трансдукції фаду, що трансдукують, переносять з хромосоми бактерії-донора будь-які гени, що контролюють різні ознаки, в клітину бактерії-реципієнта.

Абортивна -фрагмент хромосоми клітини-донора, привнесений трансдукувальним фагом в клітину-реципієнт, не включається до її хромосому, а локалізується в цитоплазмі і при розподілі клітини-реципієнта передається тільки одній з клітин, що утворюються.

Трансдукція в експерименті показана на кишкових бактеріях, псевдомонадах, стафілококах, бацилах та актиноміцетах. Трансдукція визначає появу різновидів бактерій з новими властивостями, стійкість до лікарських препаратів, синтез ферментів, амінокислот та ін.

В експериментах з генної інженерії трансдукція відкриває не лише широкі можливості міжвидової гібридизації бактерій, а й можливість отримання гібридів серед різних груп прокаріотів.

Кон'югаціявідбувається при безпосередньому контакті бактер-их кл-ок і передбачає спрямоване перенесення генетт-го матеріалу з клітини-донора в клітину-реципієнт. Феномен кон'югації в 1946 р. описали Дж. Ледерберг та Е. Тейтум на прикладі кишеч.палочки (E.coli) штаму К 12 .

Здатність бактерій до кон'югації пов'язана з наявністю у них статевого F-фактора, що відноситься до кон'югативних плазмід. Клітини, що несуть F-фактор, позначаються F +; клітини, позбавлені F-фактору, - F?. F-фактор (F-плазміда) у клітинах F+ зазвичай знаходиться в ізольованому стані від бактеріальної хр-ми і є цитоплазматичною структурою. Бактер-ие клітини, містять F-фактор, від інших клітин поруч властивостей: зміненим поверхневим зарядом і здатністю синтезувати додаткові поверхневі структури F-пили.

Процес кон'югації починається з прикріплення кінця F-пили клітини-донора до клітини-реципієнта. У теч.неск-их хвилин клітина-донор і клітина-реципієнт зближуються, можливо, з допомогою скорочення F-пили і входять у безпосередній контакт. Через цитоплазматичний місток каналом F-пили, менш ніж за 5 хв, відбувається передача статевого F-фактора, незалежно від бактеріальної хромосоми, з цитоплазми клітини-донора F + в цитоплазму клітини-реципієнта F . При цьому клітина-донор не втрачає своєї донорної здатності, оскільки в ній залишаються копії F-фактору.

Серед популяції клітин F+ є бактерії, здатні при кон'югації передавати не F-фактор, а фрагмент бактеріальної хромосоми. Ці клітини бактерій та утворені ними штами позначаються Hfr (high frequency of recombination), що означає бактерії з високою частотою рекомбінації. Рекомбінації між кл-ми Hfr і кл-ми F ? відбуваються в тисячу разів частіше, ніж між клітинами F + і F ? Відмінність клітин Hfr від клітин F+ полягає в тому, що статевий F-фактор у них включений у бактеріальну хромосому. Під час кон'югації у клітині-донорі Hfr відбувається процес реплікації ДНК. При цьому один з ланцюгів ДНК, що реплікуються, через кон'югаційний місток проникає в клітину-реципієнт F , друга залишається в клітині-донорі Hfr, потім кожен з цих ланцюгів добудовується комплементарною ниткою. Кон'югаційний місток неміцний, він легко розривається, тому з клітини-донора Hfr в клітину-реципієнт F передається не вся хромосома, а лише її фрагмент.

М/в перенесеним з клітини Hfr фрагментом хромосоми і гомологічною ділянкою хромосоми клітини F відбувається генет-ий обмін. В результаті частина донорної ДНК вбудовується в ДНК реципієнта, а відповідна частина реципієнтної ДНК виключається з неї. Ефективність включення донорної ДНК у хромосому реципієнта висока і становить приблизно 0,5.

Кон'югацію прокаріотів не слід ототожнювати зі статевим процесом еукаріотів, тому що при кон'югації в клітину F передається тільки частина генет-го матеріалу клітини F + , в результаті чого утворюється неповноцінна мерозигота. Основу останньої становить геном клітини-реципієнта із привнесеною частиною генома клітини-донора.

Поряд зі стабільністю та точністю спадкових властивостей генетичний апарат прокаріотів характеризується мінливістю, яка проявляється у формі мутацій та рекомбінацій.

Спонтанні мутації прокаріотів слід вважати початковим видом мінливості, що виник паралельно початку функціонування їх ДНК як генетичної структури. Можливо, що протягом мільйонів років мутації були єдиним механізмом мінливості прокаріотів.

Стрибком в еволюції прокаріотів стала поява рекомбінативної мінливості, що полягає в частковому об'єднанні генет-ої інформації двох прокаріотних клітин донора і реципієнта. Т.о. виник новий додатковий матеріал для естеств. відбору, що прискорює процес еволюції. З трьох вищерозглянутих рекомбінативних процесів найбільш досконалим є кон'югація, тому що вона забезпечує більш повний обмін генетичної інформації між двома клітинами. Відомі випадки, коли при тривалій кон'югації (90 хв) двох клітин E.coli спостерігається входження всієї хромосоми клітини-донора в клітину-реципієнт.

Ефективність генет-их рекомбінацій виявляється високою лише для близьких бактерій, що мають спорідненість у межах виду.

Особливості побудови генетичних карт у прокаріотів

Для побудови генет. карт у прокаріотів використовується явище кон'югації- Перенесення генет-го матеріалу з однієї клітини в іншу за допомогою спец.кільцевих молекул ДНК (плазмід, зокрема, за допомогою F-плазміди).

Імовірність перенесення певного гена в клітину-реципієнт залежить від його видалення від F-плазмідної ДНК, а точніше, від точки О, в якій починається реплікація F-плазмідної ДНК. Чим більший час кон'югації, тим вища ймовірність перенесення цього гена. Це дозволяє скласти генетичну карту бактерій у хвилинах кон'югації. Наприклад, у кишкової палички ген thr (оперон із трьох генів, що контролюють біосинтез треоніну) знаходиться в нульовій точці (тобто безпосередньо поруч із F–плазмідною ДНК), ген lac переноситься через 8 хв, ген recE – через 30 хв, ген argR – через 70 хв і т.д.