Наследственный аппарат бактерий

Генетический аппарат бактерий характеризуется определенными особенностями:

1) в нем отсутствует ядерная оболочка,

2) отсутствует ядрышко,

3) ДНК находится непосредственно в цитоплазме;

4) нет деления на хромосомы,

5) ДНК бактерий аналог хромосомы эукариот;

6) в клетке может находиться несколько копий ДНК,

7) отсутствуют митоз и мейоз.

Ядерный аппарат бактерий представлен нуклеоидом – замкнутой в кольцо двуцепочечной молекулой ДНК с молекулярной массой 10 9 -3•10 9 Д, и длиной от 0,25 до 3 мм. Бактериальная хромосома никогда не связана с гистонами. На клетку может приходиться до 40 копий бактериальной хромосомы.

Бактериальная хромосома – это высокоорганизованная компактная структура. ДНК в ней находится в суперспирализованной форме и образует от 20 до 140 витков, соединенных с плотной центральной зоной, состоящей из рибонуклеиновой кислоты (РНК-полимераза), которая обеспечивает компактность формы бактерии. По одной из моделей нуклеоида в его центре локализованы суперспирализованные, а по периферии- деспирализованные участки, участвующие в синтезе и-РНК. Молекула ДНК имеет отрицательный заряд, обусловленный наличием ионизированных гидроксильных групп фосфатных остатков. Нейтрализация зарядов у прокариот происходит путем взаимодействия ДНК с полиаминами и ионами магния. Хромосома бактерий всегда связанная с мембраной через полисомы, или мембранные белки. Репликация бактериальной хромосомы проходит по полуконсервативному механизму. В клетках бактерий находятся и внехромосомные генетические элементы – плазмиды и эписомы. Плазмиды – это небольшие кольцевые молекулы ДИК, способные к автономной репликации. Плазмида, которая интегрируется с хромосомой, называется «эписома». Ее репликация происходит вместе с бактериальной хромосомой. Чаще плазмиды несут гены, регулирующие синтез антибиотиков, обеспечивающих устойчивость к солям тяжелых металлов, химических веществ и т.д. Потеря плазмид не ведет к гибели клеток.

Морфологические формы бактерий

По морфологии бактерии делятся на группы:

1. Шаровидные (кокки). В зависимости от количества плоскостей деления и расположение бактериальных клеток после деления коки подразделяют на следующие виды:

– Микрококки. Разделение происходит в одной или нескольких плоскостях. Клетки располагаются одиночно. Это, как правило, сапрофиты, типичная микрофлора почвы, воды, воздуха. Представители: Micrococcus luteus,

– Диплококки. Клетки делятся в одной плоскости, располагаются попарно. Представители: Azotobacter chroococcus,

– Стрептококки. Клетки делятся в одной плоскости, образуют цепочки различной длины. Представители: Streptococcus lactis;

– Тетракокки. Клетки делятся в двух плоскостях, образуют тетрады. Представитель: Deinococcus proteolytics;

– Сарцины. Деление клеток происходит в трех взаимно перпендикулярных плоскостях с образованием группировок в виде пакетов с 8, 16, 32 клеток. Представитель; Sarcina flava;

– Стафилококки. Клетки делятся в нескольких плоскостях с образованием характерных скоплений, подобных виноградных гроздьев. Представители; Staphylococcus aureus,

2. Палочковидные. Существует несколько классификаций цилиндрических бактерий:

– За спорообразованием: спорообразующие (бациллы) p. Bacillus и p.Clostridium и неспорообразующие (бактерии) – p. Рseudomonas

– Длиной: длинные (большие 3 мкм) Bacillus megaierium; короткие (около 1 мкм) – E. Colli; очень короткие (менее 1 мкм) – Yersinia pestis;

– Поперечным диаметром: тонкие – Mycobacterium tuberculosis; толстые-Bacillus subtilis;

– Формой концов: округлые – Yersinia pestis; со срезанными концами – Salmonella typhi; утолщенные – Corynebacierium diphteriae;

– Расположением: единичные – Serratia marcescens; попарные p. Pseudomonas; в цепочках – p. Bacillus; расположены под углом – Corynehacterium diphteriae

– Вибрионы. Имеют вид комы. Представитель: Vibrio cholerae;

– Спириллы. Спирально изогнутые клетки со значительным поперечным диаметром и малым количеством завитков. Представитель: Spirillum volutans

– Спирохеты. Спирально изогнутые клетки с малым поперечным диаметром и большим количеством завитков. Представитель: Treponema pallidum.

4. Нитчатые – палочковидные одноклеточные и многоклеточные организмы. Нити образуются многими клетками, которые соединяются между собой с помощью чехлов и могут быть простыми или разветвленными. Представители: Beggiatoa,

5. Бактерии необычной формы – в виде колец, звезд, почек, серповидные т.д.

Методы исследования м/о

Основным инструментом для изучения строения бактериальной клетки является световой микроскоп. Общее увеличение микроскопа определяется как произведение увеличения объектива и увеличение окуляра. Световой микроскоп дает максимальное увеличение изображения в 1 000 раз.

Основные элементы его конструкции – механическая часть (штатив, подставка, предметный столик, тубус, тубусодержатель, револьвер), оптическая часть (окуляр, объектив) и система освещения (зеркало, конденсор, диафрагма). Зеркало необходимо для отражения лучей в направлении конденсора. Конденсор – это система короткофокусных линз под предметным столиком. Конденсор собирает световые лучи, отраженные от зеркала, и направляет их через диафрагму, которая служит для регулирования количества лучей, на объект.

Лучи, прошедшие сквозь объект, попадают в объектив, а потом – к окуляру. Объектив представляет собой систему двояковыпуклых линз в металлической оправе Передняя – фронтальная линза – главная, увеличительная. Внутренние-корректирующие – предназначены для устранения аберраций. В микробиологии для исследования микропрепаратов используют иммерсионная систему (Имерсионний объектив и иммерсионная масло). Заменяя воздушную среду между линзой объектива и объектом на иммерсионная вещество (показатели преломления иммерсионной масла и стекла почти одинаковые), можно предотвратить преломления лучей и увеличить разрешение микроскопа. При работе с иммерсионной системой на объект наносят иммерсионное масло и погружают в него фронтальную линзу иммерсионного объектива. Объект фокусируют с помощью микрометрической винта.

В основе метода микроскопии в темном поле лежит явление освещения объекта косыми високоапертурнимы лучами света. Это достигается использованием конденсора с затемненной центральной частью, которая задерживает пучок лучей, и они не попадают в объектив. Поле остается темным. Боковые лучи, проходя сквозь кольцевую щель конденсора, расположенную между его центральной частью и краем, попадают на боковую поверхность линзы, отражаются от нее, направляются под углом к плоскости препарата и фокусируются на нем, если в препарате содержатся какие-либо частицы (объект), то косые лучи, отраженные конденсором, сталкиваются с ними и преломляются на них образуя волны дифрагированного света, которые попадают в объектив. В результате на темном фоне поля зрения видно частицы, которые светятся. Темнопольная микроскопия позволяет наблюдать за движением микробов, изучать микроорганизмы, размеры которых лежат за пределами разрешающей способности светового микроскопа.

Если в объекте чередуются участки, сильно и слабо поглощают свет, то оно, проходя через различные участки такого объекта, будет разным. Превратить «фазовый» (неконтрастный) препарат на «амплитудный» (контрастный) можно снижением апертуры конденсора. Луч света, который попадает на прозрачный объектив расщепляется на два луча прямой и дифрагированный. Прямой луч идет из кольцевой диафрагмы, проходит сквозь частицы объекта и фокусируется на кольце фазовой пластинки. Дифрагированного луч, проходя сквозь объект, не попадает в фазовой пластинки. Фазово-контрастная микроскопия позволяет рассматривать тонкие структуры объектов, изучать стадии их развития и процесс деления.

Электронная микроскопия основана на том, что электромагнитное поле влияет на пучок электронов, который выходит из электронной пушки и проходит через ряд электромагнитных линз. Конденсорная линза собирает пучок электронов к препарату, а несколько увеличительных линз создают увеличенное изображение, которое проецируется на экран. Электронный микроскоп позволяет получать трехмерное изображение поверхности объектов. Контрастность объекта повышают с помощью напыления солей тяжелых металлов.

Бактериологические методы – это выделение чистых культур микроорганизмов. Чистая культура – это популяция, клеток – потомков одной родительской клетки. Осуществляется путем посева на питательные среды. Для получения чистых культур используют селективные среды, и различные способы посева (истончающийся штрих).

Смотри 3

14. Классификация бактерий.

Бактерии — прокариотические, преимущественно одноклет.м/о. Осн. таксономич.критерии, позволяющие отнести штаммы бактерий к той или иной группе: морфология микробных кл.(кокки, палочки, извитые); отношение к окраске по Граму — тинкториальные свойства (Г+ и Г-); тип биологич.окисления — аэробы, фак.анаэробы, облигатные анаэробы; способность к спорообраз. Дальнейшая дифференциация групп на семейства, рода и виды проводится на осн. изучения бх-свойств. Наибол.известная – фенотипич.классификация бакт., основ.на строении их кл.стенки, – определитель бактерий Берги. Крупнейшие таксономич.гр. -4 отдела: Gracilicutes (Г-), Firmicutes (Г+), Tenericutes (микоплазмы; отдел с единственным классом Mollicutes) и Mendosicutes (археи). В последнее время бол. развитие получ. филогенетич.классификация бакт., основ. на данных молекулярной биол. Эта классификац. отчасти повторяет фенотипическую, так, группа Gracilicutes присутствует и в той и в другой. По внешнему виду различ.кокковые (шаровидные), палочковидные и спиралевидно-извитые формы бактерий. Кокковые бактерии в зависим. от располож. отдел. кл. относительно друг друга разделяют на группы: микро-(одиночное и беспорядочное располож.кл.); дипло-; стрепто-(располаг.цепочками); стафилококки (напоминающие грозди винограда);сарцины (в виде пакетов по 8-16 кокков). Палочковидные (цилиндрические) формы бакт. могут быть короткие и длинные, толстые и тонкие, прямые и изогнутые, с наостренными, округленными или прямыми концами. Они бывают спорообразующими (бациллы) и неспорообразующими. По взаимному расположению кл.относительно друг друга их делят на одиночные, диплобактерии и динлобациллы, стрептобактерии и стрептобациллы. Спиралевидно-извитые бактерии по длине, числу и размеру витков разделяют на: вибрионы (имеют вид запятой); спириллы (с 5-6 крупными завитками); спирохеты – тонкие длинные бактерии со многими мелкими завитками в виде штопора.

Класифицируют так же по отношению к О₂ (аеробы анаеробы микроаерофилы), к температуре (термофилы нейтрофилы психрофилы), к рН (ацидофилы, алкалофилы), по способам получения энергии и др.

15 Микоплазмы относят к отделу Tenericuies. Микоплазмы – это бактерии, лишенные клеточной стенки. Гр- Для них хар-рен полиморфизм, в культурах одного вида могут встреч. крупные шаровидн.тела, мелкие зерна, диско-, элипсо-, палочко-, нитевидные кл., котор. могут обр. мицелиеподобные структуры. Размеры различны – от 0,1-0,2 мкм (на границе разреш.способн.свет.микроск., это самые мелкие клеточные организмы, способные к самовоспроизвелению) до 10 мкм. Разные способы размножения: фрагментация, бинарное деление, почкование. При делении полученные клетки не равноценны по размеру, часто одна из них даже нежизнеспособна. Кл. микоплазм окружены ЦПМ, снаружи – капсулоподобн.слой. В цитоплазме – нуклеоид, рибосомы, производные ЦПМ. Никогда нет мезосом. ЦПМ стабильна и эластична (холестерин – осн. компонент мембранных липидов микоплазм).Не чувствительны к антибиот. пенициллинового ряда. На пит.средах обр. колонии в виде яичницы-глазуньи. Разнообразны по требованиям к средам: некотор. растут на искусствен. пит. средах, некотор. – только внутри организма хозяина или в культурах кл. Если в среде есть холистерин, глицерин – мицеллярный рост, на плотных пит.средах больше сферич.тел. Получение энергии – за счет окисления или сбражив. органич. соедин. или окислен. неорган.соед. Строгие аэробы и облигатн. анаэр., ацидофилы, термофилы. Паразиты.

Литотрофные микроорганизмы

Используют неорганич. вещества в качестве окисляемых субстратов — доноров электронов. Различают фото- и хемолитотрофные микроорганизмы. У фотолитотрофных микроорганизмов окисляемый субстрат — мол. водород, соединения серы (пурпурные и зелёные бактерии, нек-рые цианобактерии) или вода (цианобактерии, микроформы водорослей) — служит источником восстановителя, а энергию они получают в результате поглощения света. У хемолитотрофньгх микроорганизмов окисляемый неорганич. субстрат — источник и энергии, и восстановителя. Ими могут служить мол. водород (водородные бактерии), окись углерода (карбоксидобактерии), восстановленные соединения серы (тио-новые бактерии), соединения азота (нитрифицирующие бактерии). Окислитель во всех перечисленных случаях — мол. кислород. В анаэробных условиях окислителем могут быть нитрат, нитрит и окислы азота (денитрифицирующие бактерии), сера и (или) сульфат (сульфат-восстанавливающие бактерии), углекислота (метан- и ацетатобразующие бактерии), фумарат и нек-рые др. соединения. Л. м. играют важнейшую роль в природе, замыкая циклы биогенных элементов. Большое значение Л. м. имеют в геологии. Напр., тионовые бактерии обусловливают выщелачивание металлов из горных пород, сульфатвосстанавливающие бактерии участвуют в формировании осадочных отложений серы.

Последнее изменение этой страницы: 2016-08-26; Нарушение авторского права страницы

Наследственный аппарат бактерий

Важнейшими признаками живых организмов являются измен­чивость и наследственность.

Основу наследственного аппарата бактерий, как и всех других организмов, составляет ДНК (у РНК-содержащих вирусов — РНК).

Наряду с этим наследственный аппарат бактерий и возможно­сти его изучения имеют ряд особенностей:

бактерии — гаплоидные организмы, т. е. они имеют 1 хромосому. В связи с этим при наследовании признаков отсутствует явле­ние доминантности;

• бактерии обладают высокой скоростью размножения, в связи с чем за короткий промежуток времени (сутки) сменяется не­сколько десятков поколений бактерий. Это дает возможность изучать огромные по численности популяции и достаточно легко выявлять даже редкие по частоте мутации. Наследственный аппарат бактерий представлен хромосомой. У бактерий она одна. Если и встречаются клетки с 2, 4 хромо­сомами, то они одинаковые.

Хромосома бактерий — это молекула ДНК. Длина этой молеку­лы достигает 1,0 мм и, чтобы «уместиться» в бактериальной клетке, она не линейная, как у эукариотов, а суперспирализо-вана в петли и свернута в кольцо. Это кольцо в одной точке прикреплено к цитоплазматической мембране. На бактериальной хромосоме располагаются отдельные гены. У кишечной палочки, например, их более 2 тыс.

Функциональные единицы генома

Генотип (геном) бактерий

представлен не только хромосом­ными генами. Функциональными единицами генома бактерий, кроме хромосомных генов, являются:

• IS-последовательности;
• транспозоны;
• плазмиды.

IS-последовательности

— короткие фрагменты ДНК. Они не несут структурных (кодирующих тот или иной белок) генов, а содержат только гены, ответственные за транспозицию (спо­собность IS-последовательностей перемещаться по хромосоме и встраиваться в различные ее участки). IS-последовательности одинаковы у разных бактерий. Транспозоны — это молекулы ДНК, более крупные, чем IS-после­довательности. Помимо генов, ответственных за транспози­цию, они содержат и структурный ген, кодирующий тот или иной признак.

Транспозоны легко перемещаются по хромосоме. Их положе­ние сказывается на экспрессии как их собственных структур­ных генов, так и соседних хромосомных. Транспозоны могут существовать и вне хромосомы, автономно, но неспособны к автономной репликации.

Плазмиды

— кольцевые суперспиралевидные молекулы ДНК. Их молекулярная масса колеблется в широких пределах и может быть в сотни раз больше, чем у транспозонов.

Плазмиды содержат структурные гены, наделяющие бактери­альную клетку разными, весьма важными для нее свойствами:

• R-плазмиды — лекарственной устойчивостью;
• Col-плазмиды — способностью синтезировать колицины;
• F-плазмиды — передавать генетическую информацию;
• Шу-плазмиды — синтезировать гемолизин;
• Тох-плазмиды — синтезировать токсин;
• плазмиды биодеградации — разрушать тот или иной субстрат и т. д.

Плазмиды могут быть интегрированы в хромосому (в отличие от IS-последовательностей и транспозонов, встраиваются в строго определенные участки), а могут существовать автономно. В этом .случае они обладают способностью к автономной репликации, и именно поэтому в клетке может быть 2, 4, 8 копий такой плазмиды.

Многие плазмиды имеют в своем составе гены трансмиссивности и способны передаваться от одной клетки к другой при конъюгации (обмене генетической информацией). Такие плаз­миды называются трансмиссивными.

Фактор фсртильности

Наличие F-плазмиды (фактор фертилъности, половой фактор)

придает бактериям функции донора, и такие клетки способны передавать свою генетическую информацию другим, F-клеткам. Можно сказать, что наличие F-плазмиды является фенотипиче-ским выражением (проявлением) пола у бактерий: с F-плазмидой связана не только донорская функция, но и некоторые другие фенотипические признаки — наличие F-пилей (половых ресничек) и чувствительность к L-фагам. С помощью F-ресничек устанавливается контакт между донорскими и реципиентными клетками. Через их канал и передается донорская ДНК при рекомбинации. На половых ресничках расположены ре­цепторы для мужских fj-фагов. F-клетки не имеют таких ре­цепторов и нечувствительны к таким фагам.

Изменчивость бактериальной клетки

У бактерий различают 2 вида изменчивости — фенотипическую и генотипическую.

Фенотипическая изменчивость — модификация — не затрагива­ет генотип, но затрагивает большинство особей популяции. Модификации не передаются по наследству и с течением вре­мени затухают, т. е. возвращаются к исходному фенотипу через большее (длительные модификации) или меньшее (кратковре­менные модификации) число поколений.

Генотипическая изменчивость затрагивает генотип. В ее осно­ве лежат мутации и рекомбинации.

Мутации бактерий принципиально не отличаются от мутаций эукариотических клеток. Особенностью мутаций у бактерий является относительная легкость их выявления, так как имеется возможность работать с большими по численности популя­циями бактерий. По происхождению мутаиии могут быть:

• спонтанными;
• индуцированными. По протяженности:
• точечными;
• генными;
• хромосомными. По направленности:

Рекомбинации (обмен генетическим материалом) у бактерий отличаются от рекомбинаций у эукариот:

• у бактерий имеется несколько механизмов рекомбинаций;
• при рекомбинациях у бактерий образуется не зигота, как у эу­кариот, а мерозигота (несет полностью генетическую инфор­мацию реципиента и часть генетической информации донора в виде дополнения);
• у бактериальной клетки-рекомбината изменяется не только качество, но и количество генетической информации. Трансформация — это обмен генетической информацией у бакте­рий путем введения в бактериальную клетку-реципиент готового препарата ДНК (специально приготовленного или непосредст­венно выделенного из клетки-до нора). Чаще всего передача генетической информации происходит при культивировании реципиента на питательной среде, содержащей ДНК донора. Для восприятия донорской ДНК при трансформации клетка-реципиент должна находиться в определенном физиологиче­ском состоянии (компетентности), которое достигается специ­альными методами обработки бактериальной популяции.

При трансформации передаются единичные (чаще 1) признаки. Трансформация является самым объективным свидетельством связи ДНК или ее фрагментов с тем или иным фенотипическим признаком, поскольку в реципиентную клетку вводится чистый препарат ДНК.

Трансдукция

— обмен генетической информацией у бактерий пу­тем передачи ее от донора к реципиенту с помощью умеренных (трансдуцирующих) бактериофагов.

Трансдуцирующие фаги могут переносить 1 или более генов (признаков). Трансдукиия бывает:

• специфической — переносится всегда один и тот же ген;
• неспецифической — передаются разные гены.

Это связано с локализацией трансдуиируюших фагов в геноме до­нора:

• в случае специфической трансдукции они располагаются все­гда в одном месте хромосомы;
• при неспецифической их локализация непостоянна. Конъюгация — обмен генетической информацией у бактерий пу­тем передачи ее от донора к реципиенту при их прямом контакте. После образования между донором и реципиентом конъюга-ционного мостика одна нить ДНК-донора поступает по нему в клетку-реципиент. Чем дольше контакт, тем большая часть до­норской ДНК может быть передана реципиенту.

Основываясь на прерывании конъюгации через определенные промежутки времени, можно определить порядок расположе­ния генов на хромосоме бактерий — построить хромосомные карты бактерий (произвести картирование бактерий).

1. Организация наследственного материала бактерий

Наследственный аппарат бактерий представлен одной хромосомой, которая представляет собой молекулу ДНК, она спирализована и свернута в кольцо. Это кольцо в одной точке прикреплено к цитоплазматической мембране. На бактериальной хромосоме располагаются отдельные гены.

Функциональными единицами генома бактерий, кроме хромосомных генов, являются:

IS-последовательности – это короткие фрагменты ДНК. Они не несут структурных (кодирующих белок) генов, а содержат только гены, ответственные за транспозицию (способность перемещаться по хромосоме и встраиваться в различные ее участки).

Транспозоны – это более крупные молекулы ДНК. Помимо генов, ответственных за транспозицию, они содержат и структурный ген. Транспозоны способны перемещаться по хромосоме. Их положение сказывается на экспрессии генов. Транспозоны могут существовать и вне хромосомы (автономно), но неспособны к автономной репликации.

Плазмиды – дополнительный внехромосомный генетический материал. Представляет собой кольцевую, двунитевую молекулу ДНК, гены которой кодируют дополнительные свойства, придавая селективные преимущества клеткам. Плазмиды способны к автономной репликации, т. е. независимо от хромосомы или под слабым ее контролем. За счет автономной репликации плазмиды могут давать явление амплификации: одна и та же плазмида может находиться в нескольких копиях, тем самым усиливая проявление данного признака.

В зависимости от свойств признаков, которые кодируют плазмиды, различают:

1) R-плазмиды. Обеспечивают лекарственную устойчивость; могут содержать гены, ответственные за синтез ферментов, разрушающих лекарственные вещества, могут менять проницаемость мембран;

2) F-плазмиды. Кодируют пол у бактерий. Мужские клетки (F+) содержат F-плазмиду, женские (F—) – не содержат. Мужские клетки выступают в роли донора генетического материала при конъюгации, а женские – реципиента. Они отличаются поверхностным электрическим зарядом и поэтому притягиваются. От донора переходит сама F-плазмида, если она находится в автономном состоянии в клетке.

F-плазмиды способны интегрировать в хромосому клетки и выходить из интегрированного состояния в автономное. При этом захватываются хромосомные гены, которые клетка может отдавать при конъюгации;

3) Col-плазмиды. Кодируют синтез бактериоцинов. Это бактерицидные вещества, действующие на близкородственные бактерии;

4) Tox-плазмиды. Кодируют выработку экзотоксинов;

5) плазмиды биодеградации. Кодируют ферменты, с помощью которых бактерии могут утилизировать ксенобиотики.

Потеря клеткой плазмиды не приводит к ее гибели. В одной и той же клетке могут находиться разные плазмиды.