Генетика микроорганизмов

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

Капсулы и слизистые  слои

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

Клеточная стенка

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

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

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

Жгутики

Многие бактерии подвижны и эта подвижность обусловлена  наличием у них одного или нескольких жгутиков. Жгутики у бактерий устроены гораздо проще, чем у эукариот, и по своей структуре напоминают одну из микротрубочек эукариотического жгутика. Жгутики состоят из одинаковых сферических субъединиц белка флагеллина (похожего на мышечный актин), которые расположены по спирали и образуют полный цилиндр диаметром около 10-20 нм. Несмотря на волнистую форму жгутиков, они довольно жёстки.

Жгутики приводятся в движение посредством уникального механизма. Основание жгутика, по-видимому, вращается  так, что жгутик как бы ввинчивается в окружающую среду, не совершая беспорядочных  биений, и таким образом продвигает клетку вперёд. Это, очевидно, единственная в природе структура, где используется принцип колеса. Другая интересная особенность жгутиков -- это способность отдельных субъединиц флагеллина спонтанно собираться в растворе в специальные нити. Спонтанная самосборка -- очень важное свойство многих биологических структур. В данном случае самосборка целиком обусловлена аминокислотной последовательностью (первичной структурой флагеллина).

Подвижные бактерии могут  продвигаться в ответ на определённые раздражители, т.е. они способны к  таксису. Так, например, аэробные бактерии обладают положительным аэротаксисом( т.е. плывут туда, где среда богаче кислородом),а подвижные фотосинтезирующие бактерии-- положительным фототаксисом (т.е. плывут к свету.

Пили или фимбрии

На клеточной стенке некоторых  грамотрицательных бактерий видны  тонкие выросты (палочковидные белковые выросты), которые называются, пили или фимбрии. они короче и тоньше жгутиков и служат для прикрепления клеток друг к другу или к какой-нибудь поверхности, придавая специфическую «липкость» тем штаммам, которые ими обладают. Пили, бывают разного типа. Наиболее интересные так называемые F-пили, которые кодируются специальной плазмидой и связаны с половым размножением бактерий

Как и у всех клеток, протоплазма  бактерий окружена полупроницаемой  мембраной. По структуре и функциям плазматические мембраны бактерий не отличаются от мембран эукариотических клеток. У некоторых бактерий плазматическая мембрана впячивается внутрь клетки и образует мезосомы и (или) фотосинтетические мембраны.

Мезосомы --- это складчатые мембранные структуры, на поверхности которых находятся ферменты, участвующие в процессе дыхания. Следовательно, мезосомы можно назвать примитивными органеллами. Во время клеточного деления мезосомы связываются с ДНК, что, по видимому, облегчает разделение 2-х дочерних молекул ДНК после репликации, способствует образованию перегородки между дочерними клетками.

У фотосинтезирующих бактерий в мешковидных, трубчатых или пластинчатых впячиваниях плазматической мембраны находятся фотосинтетические сегменты (в том числе и бактериохлорофилл). Сходные мембранные образования участвуют и в фиксации азота.

Генетический материал

ДНК бактерий представлена одиночными кольцевыми молекулами длиной около 1 мм. Каждая такая молекула состоит  примерно из 5 000 000 пар нуклеотидов. Суммарное содержание ДНК (геном) в бактериальной клетке намного меньше, чем в эукариотической, а, следовательно, меньше и объём закодированной информации. В среднем такая ДНК содержит несколько тысяч генов, что примерно в 500 раз меньше, чем в клетках человека

Споры

Некоторые бактерии образуют эндоспоры, т.е. споры находящиеся  внутри клетки. Эндоспоры - толстостенные  долгоживущие образования, крайне устойчивые к нагреванию и коротковолновому излучению. Они по-разному располагаются  внутри клетки, что служит очень  важным признаком для идентификации  и систематики таких бактерий. Если покоящаяся, устойчивая структура  образуется из целой клетки, то она  называется цистой. Цисты образуют некоторые виды Azotobacter

Плазмиды и эписомы

Плазмиды и эписомы - это небольшие фрагменты ДНК, отличающиеся от основной массы ДНК. Они часто реплицируются вместе с ДНК хозяина, но не нужны для выживания его клетки.

Сначала было принято различать  эписомы и плазмиды: эписомы внедряются в ДНК хозяина, а плазмиды - нет. К эписомам относятся F-факторы и так называемые умеренные фаги. Сейчас обе группы называют одним общим термином «плазмиды». Плазмиды очень широко распространены в природе, и в последние годы их считают внутриклеточными паразитами или симбионтами, устроенными ещё проще, чем вирусы. Что касается плазмид, то здесь дело обстоит несколько сложнее - ведь они представляют собой только молекулы ДНК.

Плазмиды придают своим клеткам-хозяевам целый ряд особых свойств. Некоторые плазмиды являются «факторами резистентности», т.е. факторами, придающими устойчивость к антибиотикам. Примером может служить пеницилиназная плазмида стафилококков, которая трансдуцируется различными бактериофагами. В этой плазмиде содержится ген, кодирующий фермент пенициллиназу, которая разрушает пенициллин и, таким образом, придаёт устойчивость к пенициллину. Другие плазмидные гены определяют устойчивость к дезинфицирующим средствам; способствуют таким заболеваниям, как стафилококковая импетиго; помогают молочнокислым бактериям превращать молоко в сыр; придают способность усваивать такие сложные вещества, как углеводороды, что можно использовать для борьбы с загрязнением океана или для получения кормового белка из нефти.

Вирусы

Вирусы были обнаружены в 1892 г. профессором Д.И. Ивановским. Особенность  вирусов заключается в их незначительных размерах, отсутствии клеточного строения, обмена веществ и энергии. Но самым  характерным критерием является наличие одной нуклеиновой кислоты--РНК или ДНК (у остальных организмов имеется и ДНК и РНК). Вирусы самостоятельно не способны синтезировать белки. Способ размножения вирусов значительно отличается от способа размножения других организмов. Вирусы не растут.

Различают два вида вирусов: ДНК-содержащие и РНК-содержащие. Объём  генетической информации у вируса очень  мал, например у самых малых вирусов он состоит из 3500 нуклеотидов. Такой объём нуклеиновой кислоты способен лишь обеспечивать синтез нескольких белков, обычно белков каспида вируса. Геном вирусов бывает представлен многообразными линейными и кольцевидными формами нуклеиновых кислот; наряду с 2-хцепочными и одноцепочными РНК встречаются одноцепочные ДНК и 2-хцепочные РНК, служащие матрицами у некоторых вирусов животных и растений

Индивидуальный  рост и бесполое размножение клеток

Отношение поверхность/объём  у бактериальных клеток очень  велико. Это способствует быстрому поглощению питательных веществ  из окружающей среды за счёт диффузии и активного транспорта. В благоприятных  условиях бактерии растут очень быстро. Рост зависит прежде всего от температуры и р.-Н. среды, доступности питательных веществ и концентрации ионов. Облигатным аэробам обязательно нужен ещё и кислород, а облигальным анаэробам нужно чтобы его совсем не было.

Достигнув определённых размеров, бактерии переходят к бесполому  размножению (бинарному делению), т.е. начинают делиться с образованием 2-х  дочерних клеток. Переход к делению  диктуется отношением объёма ядра к  объёму цитоплазмы. Перед клеточным  делением происходит репликация ДНК, во время которой мезосомы удерживают геном в определённом положении. Мезосомы могут прикрепляться и к новым перегородкам между дочерними клетками а каким-то образом участвовать в синтезе веществ клеточной стенки. У самых быстрорастущих бактерий деление происходит каждые 20 мин.; интервал между делениями называется временем генерации.

Половое размножение, или генетическая рекомбинация

у бактерий наблюдается половое  размножение, но в самой примитивной  форме. Половое размножение бактерий отличается от полового размножения  эукариот тем, что у бактерий не образуются гамет и не происходит слияния  клеток. Однако главнейшее событие  полового размножения, а именно обмен  генетическим материалом, происходит и в этом случае. Этот процесс  называется генетической рекомбинацией. Часть ДНК (очень редко вся  ДНК) клетки донора переноситься в клетку реципиент, ДНК которой генетически  отличается от ДНК донора. При этом перенесённая ДНК замещает часть  ДНК реципиента. В процессе замещения  ДНК участвуют ферменты, расщепляющие и вновь соединяющие цепи ДНК. При этом образуется ДНК, которая  содержит гены обоих родительских клеток. Такую ДНК называют рекомбинантной. У потомства, или у рекомбинантов, наблюдается заметное разнообразие признаков, вызванное смешением генов. Такое разнообразие признаков очень важно для эволюции и является главным преимуществом полового размножения.

Существуют 3 способа получения  рекомбинантов:

трансформация:

При трансформации клетки донора и реципиента не контактируют друг с другом. При трансформации  из клетки донора выходит небольшой  фрагмент ДНК, который активно поглощается  клеткой реципиентом и включается в состав её ДНК, замещая в ней  похожий, хотя не обязательно идентичный фрагмент. Трансформация наблюдается  лишь у немногих бактерий, в том  числе и у некоторых так  называемых «компетентных» штаммов  пневмококков, у которых ДНК может  проникать в клетку реципиент.

конъюгация:

Это перенос ДНК между  клетками, непосредственно контактирующими  друг с другом. В отличие от трансформации  и трансдукции при этом может  обмениваться значительная часть донорной ДНК. Донорная способность клеток определяется генами, находящимися в небольшой кольцевой молекуле ДНК, которую называют половым фактором или F-фактором (F - английская буква «fertility» -- плодовитость). Это своеобразная плазмида, которая кодирует белок специфических фимбрий, называемых F-пилями или половыми пилями. F-пили облегчают контакт клеток друг с другом. Молекула ДНК состоит из 2-х цепей. При конъюгации одна из цепей 2-хцепочечной ДНК F-фактора проникает через половую фимбрию клетки-донора (F+) в клетку реципиент (F-). В клетке-доноре сохраняется F-фактор, который реплицируется в ней, пока в клетке-реципиенте синтезируется её собственная копия. Так постепенно вся популяция клеток становится F+-клетками. Клетки доноры могут спонтанно утрачивать F-фактор и становиться, таким образом,F- --клетками.

F-фактор интересен ещё  и потому, что иногда (примерно  в 1 случае из 100.000) он встраивается  в молекулу ДНК основной клетки-хозяина.  Тогда при конъюгации переноситься  не только F-фактор, но также и  остальная ДНК. Этот процесс  занимает примерно 90 минут, но  клетки могут расходиться и  раньше, до полного обмена ДНК.  Такие штаммы постоянно передают  всю или большую часть своей  ДНК другим клеткам. Эти штаммы  называют Hfr-штаммами, потому что  донорная ДНК таких штаммов рекомбинирует с ДНК реципиента.

трансдукция:

При трансдукции небольшой 2-хцепочечный фрагмент ДНК попадает из клетки-донора в клетку- реципиент вместе с бактериофагом.

Некоторые вирусы способны встраивать свою ДНК в ДНК бактерий; такая  встроенная ДНК реплицируется одновременно с ДНК хозяина и передаётся от одного поколения бактерий к другому. Время от времени такая ДНК  активизируется и начинает кодировать образование новых вирусов. ДНК  бактерии разрывается, а высвобожденные фрагменты иногда захватываются  внутрь вирусных частиц, порой даже вытесняя ДНК самого вируса. Такие  новые «вирусы», или трансдуцирующие частицы, затем переносят ДНК в клетки других бактерий.