Генетика бактерий: генетический аппарат бактерий
Генетика микроорганизмов в микробиологии изучает их наследственность и изменчивость. Бактерии – один из предметов анализа.
Структура и компоненты генетической системы бактерий
Что такое генетический аппарат бактерий или генетический аппарат бактериальной клетки? Как в нем участвуют хромосомы бактерии? Генетический аппарат бактерий представлен одной молекулой – бактериальной хромосомой, а также внехромосомными факторами наследственности – плазмидами и мобильными генетическими элементами.
Где находится генетический аппарат? Генетический аппарат у бактерий (прокариот) находится непосредственно в цитоплазме и не отделен от нее ядерной оболочкой.
Как называется структура, в которой находится геномная ДНК бактерий? Чем представлен генетический материал у бактерий? Структура в цитоплазме бактериальной клетки (прокариот), в которой находится геномная ДНК, называется нуклеоид. Нуклеоид бактерий выполняет функции "ядра" бактерии, храня жизненно важную информацию бактерий – их генетический материал. Т.е. генетический аппарат клетки это совокупность структур (ДНК, хромосом), обеспечивающих хранение, реализацию и передачу наследственной информации.
Каково строение генома бактерий? Для бактерий характерен плазмидный геном. Небольшая молекула ДНК переносится из клетки в клетку. Обычно гены плазмиды обеспечивают защиту от вирусов, антибиотиков, устойчивость к некоторым соединениям. Геном бактерий, как показывают исследования, очень сильно нагружен генами. Межгенные участки занимают только около 20%. Для существования минимальной клетки достаточно 250 – 300 генов, именно это количество позволит осуществить все ее функции.
Бактериальный геном очень мобильный, даже у одного штамма может быть до 30% отличий. Такая особенность привела к существованию в бактериях двух типов генов: основного и вспомогательного. Контроль над основными процессами: транскрипция, трансляция, размножение, осуществляет основной набор генов, он консервативен. А вспомогательный набор генов отвечает за адаптацию к окружающей среде.
Какая ДНК у бактерий? Молекула ДНК у бактерий кольцевая. Ее форма позволяет отнести бактерии к гаплоидным организмам. Т.е. они быстро адаптируются к окружающей среде и в них быстро проявляется мутация. Кольцевая молекула ДНК у бактерии суперспирализована, ее размер в раскрученном состоянии может достигать 1 мм.
Нуклеотид: состав и компоненты. Основные принципы функционирования
Молекула ДНК построена из двух полинуклеотидных цепочек. Нуклеотид бактерий это химическое вещество, «строительный кирпичик» ДНК и РНК. Он состоит из азотистого основания, сахара дезоксирибозы и фосфатной группы. Азотистые основания представлены пуринами (аденин, гуанин) и пиримидинами (тимин, цитозин). Нуклеотиды образуют цепи нуклеиновых кислот и переносят энергию (АТФ). Как это происходит? Нуклеотиды соединяются в полинуклеотидную цепочку, соединение между двумя цепочками обеспечивается водородными связями комплементарных азотистых оснований: аденина с тимином, гуанина с цитозином. Остаток фосфорной кислоты (фосфатная группа) обеспечивает кислотные свойства нуклеотидов и связывает их между собой.
Нуклеотиды выполняют жизненно важные функции:
Структурная функция (образование полимеров): Нуклеотиды полимеризуются, образуя длинные цепи нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Азотистые основания (A, T, G, C, U) образуют специфические пары (A-T/U, G-C), обеспечивая комплементарность и точное копирование генетического кода.
Энергетическая функция: Нуклеотиды, содержащие три фосфатные группы (например, АТФ — аденозинтрифосфат), являются универсальными аккумуляторами и переносчиками энергии в клетке.
Регуляторная функция: Некоторые нуклеотиды (например, цАМФ — циклический аденозинмонофосфат) действуют как вторичные посредники в передаче гормональных и других сигналов внутри клетки.
Коферментная функция: Входят в состав коферментов (таких как \(NAD^{+}\), \(FAD\)), участвующих в окислительно-восстановительных реакциях метаболизма.
Способы обмена генетической информацией
У бактерий в естественных условиях передача генетической информации происходит не только по вертикали, т.е. от родительской клетки к дочерним, но и по горизонтали.
Горизонтальный перенос генов возможен у микроорганизмов, обитающих в схожих условиях среды. Он позволяет быстро приобретать новые свойства. До 30 % генома бактерий может приобретаться именно за счет горизонтального переноса генов. Такой способ представляет собой мощный фактор эволюции. Он приводит к формированию видов; многообразию видов; дивергенции микроорганизмов. При этом процесс переноса ДНК всегда односторонний, или однонаправленный: от донорных бактерий к реципиентным. Полного обмена генетической информацией не будет. Для образования рекомбинантного потомства процесс генетического переноса должен обязательно закончиться рекомбинацией. За рекомбинацией следует процесс репликации ДНК и деления клетки, в результате чего возникают клетки, содержащие только рекомбинантную хромосому, которые называются рекомбинантами.
Плазмиды: строение и функции
Генетические признаки микроорганизмов могут кодироваться не только бактериальной хромосомой, но и плазмидами. Плазмиды это, как объясняет микробиология, двухнитевые молекулы ДНК несущие 40 – 50 генов. Они придают клетке дополнительные селективные преимущества. Количество плазмид в бактериальной клетке может быть от 1 до 200. Плазмиды могут свободно циркулировать в цитоплазме или быть связаны с нуклеосомой. Плазмиды выполняют как регуляторную, так и кодирующую функцию. Отвечают за адаптацию и за метаболизм. Основные функции – регуляторная (продуцирование ферментов) и адаптационная (экотоксины, устойчивость к антибиотикам). Плазмиды патогенности контролируют вирулентные свойства микроорганизма. Например, синтез токсинов. Развитие инфекционных процессов связано с деятельностью плазмид патогенности. Ферменты патогенности (или «ферменты агрессии») – это специфические белки, которые бактерии выделяют для преодоления защитных барьеров организма, разрушения тканей и распространения инфекции.
Виды плазмид зависят от:
1. Размера: большие, средние, малые (космиды).
2. Способности вызывать конъюгацию бактерий – передачу генетического материала от клетки донора в клетку-реципиент. Конъюгативные плазмиды содержат информацию, необходимую для автономной репликации и переноса ДНК реципиенту, а неконъюгативные могут передаваться только при наличии в клетке конъюгативных плазмид.
3. Способности к репликации в одной клетке: совместимые и несовместимые.
4. Функции кодируемого фенотипического эффекта – т.е. проявления генетической информации в виде признака, молекулы или свойства организма:
- Фертильность (\(F\)-плазмиды): Обеспечение способности к конъюгации и передаче генетического материала.
- Бактериоциногения (\(Col\)-плазмиды): Синтез токсичных белков (бактериоцинов) для подавления конкурирующих штаммов микроорганизмов.
-Устойчивость (\(R\)-плазмиды): Выработка резистентности к антибиотикам или тяжелым металлам.
Мобильные элементы генома бактерий
Мобильные генетические элементы (мигрирующие, прыгающие гены) – участки ДНК, способные к транспозиции, или случайному перемещению в пределах одной молекулы ДНК или из одной ДНК в другую. В них не предусмотрена самостоятельная репликация и размножаются они в составе бактериальной хромосомы или плазмид. К подвижным генетическим элементам относятся: ISэлементы, интегроны, транспозоны.
IS элементы способны встраиваться в любой участок геномной ДНК. IS может инактивировать ген или выполнять функцию промоутера.
Интегроны могут содержать десятки генов, но в их составе обязателен интеграционный модуль с геном интегразой. Благодаря ему они могут встраиваться в геном и экспресировать несущие гены. Интегроны с генами устойчивами к антибиотикам являются фактором лекарственной устойчивости у бактерий.
Транспозоны влияют на активность генов, осуществляют горизонтальный перенос генов, обуславливают распространение устойчивости к антибиотикам среди популяции. Они содержат структурные гены, которые обеспечивают синтез молекул со специфическим биологическим свойством, например устойчивость к ядам, и гены, ответственные за перемещение. Транспозиция обеспечивается ферментом – транспозазой. Транспозаза обладает эндонуклеазной и лигазной функцией: она разрезает ДНК по краям мобильного генетического элемента (эндонуклеазная функция) и сшивает его с 11 разрывом ДНК в новом месте (лигазная функция). Перенос транспозонов осуществляется консервативным или репликативным механизмом. При консервативном происходит вырезание транспозона из одного участка ДНК и транспозиция его в другой без увеличения количества копий. При репликативном – синтезированная копия транспозона перемещается в новое место, при этом увеличивается количество копий. Перемещение подвижных генетических элементов принято называть репликативной или незаконной рекомбинацией.