Генетика микроорганизмов

Готовая дипломная работа Генетика микроорганизмов

[sociallocker]Скачать файл .docx[/sociallocker]

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь. Учреждение образования«Витебская ордена «Знак Почета» государственная академия ветеринарной медицины»

А.П. Медведев, А.А. Вербицкий, Ю.И. Шапиро

Дипломная работа

на тему:

Генетика микроорганизмов

Витебск 2011

Оглавление

Введение

  1. Генетика и история ее развития
  2. Наследственность и изменчивость
  3. Клетка — элементарная единица живого
  4. Клеточная теория
  5. Типы клеточной организации
  6. Структурно-функциональная организация клеток эукариотического и прокариотического типов

6.1 Строение и функционирование клетки растений

.2 Строение и функционирование клетки животных

.3 Строение и функционирование бактериальной клетки

  1. Химический состав и структура вирусов
  2. Материальные основы наследственности

8.1 Нуклеиновые кислоты — молекулярные носители наследственности

  1. Строение и функционирование генома бактерий
  2. Биологический синтез белка
  3. Изменчивость бактерий

11.1 Фенотипическая изменчивость

.2 Генотипическая изменчивость

. Особенности генетики вирусов

. Методы молекулярно-генетического анализа

. Понятие о биотехнологии и генной инженерии

Введение

Геологией доказано, что возраст Земли составляет 4,5-4,6 млрд лет. По мнению ученых, около 3,8 млрд лет тому назад жизнь стала основным фактором круговорота углерода на планете. Первыми появились организмы, которые современная наука называет прокариотами. Это одноклеточные существа, по сравнению с многоклеточными организмами, отличающиеся простотой строения и функций. К ним относят бактерий и сине-зеленые водоросли. С эволюцией названных микро-существ, связывают появление механизма фотосинтеза и организмов эукариотического типа.

Представителей живой природы условно можно разделить на существа, относящиеся к макро- и микромиру. К макромиру относятся животные всех видов: птицы, насекомые, гельминты и т. д., к микромиру — бактерии, вирусы, рикетсии, микоплазмы, грибы, простейшие, прионы, нуклеиновые кислоты (инфекционные ДНК и РНК). Бактерии, грибы, простейшие являются одноклеточными представителями микромира и к ним применим термин «микроорганизмы», так как они представляют собой самостоятельные, способные к автономному существованию организмы.

Вирусы, прионы, нуклеиновые кислоты (инфекционные ДНК и РНК), не являются организмами в полном смысле этого слова в связи с тем, что не имеют органелл, не обладают собственным метаболизмом, используют для своей жизнедеятельности ресурсы клеток животных, человека, растений.

Объединяющим термином для всех форм микромира является термин «микробы».

На нашей планете обитает огромное количество микробов, исчисляемое астрономическими цифрами. В процессе своей жизнедеятельности микробы оказывают существенное влияние на неживую и живую природу. Известно, что бактерии обеспечивают круговорот веществ и энергии в природе, плодородие почв, поддержание газового состава и т. д.

Многие микробы болезнетворные для человека, животных, птиц, насекомых, растений.

Мир микробов изучает микробиология — наука о микробах. Она делится на ряд отделов и дисциплин. Вследствие процесса дифференциации, постепенного обособления узких областей изучения и познания микробов родилась генетика микроорганизмов — наука, изучающая их наследственность и изменчивость.

Необходимо отметить, что учебная программа для высших учебных заведений по специальности «Ветеринарная медицина» мало уделяет внимания вопросам изучения генетики микроорганизмов. В учебниках по микробиологии и иммунологии, а также в учебниках по генетике недостаточно всесторонне и полно освещены аспекты генетики микробов.

Микробная клетка является своего рода биофабрикой, синтезирующей огромное число биологически активных соединений. Она продуцирует более 2500 белков, ферментов, полисахаридов, липидов, витаминов и других веществ. В этой связи в производственных условиях применяют актиномицеты и грибы для получения антибиотиков, дрожжи — кормового белка, бациллы — для синтеза ферментов, клостридии — для сбраживания сахаров в ацетон, этанол, молочно-кислые бактерии — в пищевой промышленности и т. д.

Из многих патогенных микроорганизмов селекционированы штаммы, предназначенные для изготовления вакцин, гипериммунных сывороток, иммуноглобулинов, диагностических препаратов. Многие микробы используют для получения рекомбинантных штаммов — продуцентов гармонов, интерферонов, иммуностимуляторов.

Сознательное, целенаправленное и эффективное использование микробов для практических нужд в ветеринарии, медицине и других областях человеческой деятельности немыслимо без знаний их генетики.

В представленной книге мы попытались обобщить и сконцентрировать доступный литературный материал по генетике микробов и личный опыт преподавания генетики, микробиологии и иммунологии.

Полагаем, что книга будет представлять интерес для специалистов биологического профиля: микробиологов, иммунологов, работников биопредприятий, сотрудников исследовательских институтов, преподавателей, студентов ВУЗов и техникумов.

Книга предлагается в качестве учебного пособия при изучении генетики микроорганизмов.

1. Генетика и история ее развития

Генетика (от греч. genesis — происхождение) — наука о наследственности и изменчивости организмов.

Основоположником генетики является Иоганн Грегар Мендель (1822-1884). Официальной датой рождения генетики считают 1900-й год, когда были переоткрыты закономерности наследственности, впервые установленные Г. Менделем.

Название науки о наследственности и изменчивости было дано английским генетиком В. Бэтсоном в 1906 году.

В 1865 году Г. Мендель опубликовал книгу «Опыты над растительными гибридами». Основными выводами работы исследователя явились открытые им законы наследования — закон доминирования, закон расщепления признаков в потомстве и закон независимого распределения наследственных факторов при расщеплении. Эти законы переоткрыли в 1900 году три ботаника — голландец Г. Де-фриз, немец К. Корренс, австриец Ф. Чермак.

В дальнейшем опыты по гибридизации разных растений и животных показали, что правила наследования признаков имеют универсальный характер и едины для всего органического мира.

Генетики Т. Боверт, У. Сэттон и Э. Вильсон выявили определенную связь между наследственными факторами и хромосомами (1902-1907). Было установлено, что наследственные факторы содержатся в клетке. Ученые сделали вывод о том, что преемственность свойств в ряду поколений организмов определяется преемственностью их хромосом.

Решающее значение для обоснования хромосомной теории наследственности имели опыты Г. Моргана (1866-1945) и его учеников, выполненные на дрозофиле (1910). Было установлено, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке. Гены одной хромосомы образуют группу сцепления и, как правило, наследуются совместно, однако, в связи с кроссинговером может происходить их перекомбинация. В трудах Моргана нашел отражение важнейший принцип генетики — единство дискретности и непрерывности наследственного материала.

Большое значение в это время имела теория мутаций, предложенная Г. Де-фризом (1901 -1902).

Датский генетик В. Иогансен на основе опытов по изучению наследования признаков у фасоли ввел в генетику важнейшие понятия — чистая линия, ген, генотип, фенотип (1908-1909). В последующие годы (1925-1933) развитие генетики связано с установлением материальных основ наследственности, развертыванием широкого фронта работ по изучению мутогенеза, делимости гена, процессов, происходящих в популяциях и т. д. В этот период были заложены основы биохимической, популяционной, эволюционной, ветеринарной генетики.

Необходимо подчеркнуть, что хромосомная теория явилась крупнейшим обобщением экспериментальных исследований по изучению наследственности и изменчивости организмов. Однако мутации гена представлялись как результат самопроизвольных изменений его, независящих от условий внешней среды. Впервые в мире Г.А. Надсону и Г.С. Филиппову (1925) удалось получить большое количество мутаций у дрожжевых грибков под воздействием лучей радия, а американскому генетику Г. Миллеру (1927) у дрозофилы под влиянием лучей рентгена.

В результате работ ученых (В.В. Сахаров, М.Е. Лобашев, И.А. Раппопорт) в 30-40-х годах ХХ столетия была создана теория химического мутогенеза. Большой вклад в эту теорию внес английский генетик Ш. Ауэрбах.

В 1920 году Н.И. Вавиловым сформулирован закон гомологических рядов, который явился основой для направленного получения мутаций.

Теорию сложного строения гена обосновали А.С. Серебровский и Н.П. Дубинин. Они впервые указали на делимость гена и доказали, что ген состоит из отдельных субъединиц, способных разделится и самостоятельно мутировать.

Работами С. Райта, ДЖ. Холдена и Р. Фишера (1920-1980) были заложены основы генетико-математических методов изучения процессов, происходящих в популяциях. Решающий вклад в создание генетики популяций и эволюционной генетики внес С. Четвериков и его ученики (1920).

Генетика популяций явилась основой теории селекции.

Работами американских биохимиков Г. Бидла и Э. Татума были заложены основы биохимической генетики.

Датой рождения генетики микроорганизмов считают 1943 год, когда появились работы С. Луриа и М. Дельбрука, которые показали, как проводить опыты с микроорганизмами, вести учет их признаков, количественный анализ полученных результатов и т. д. Эти ученые акцентировали внимание экспериментаторов на микроорганизмах, как весьма удобных объектах для генетических исследований, так как микробы гаплоидны, у них одна хромосома, живут 20-30 минут, дают многочисленное потомство, обладают хорошо регистрируемыми признаками и т. д.

В 1944 году американский микробиолог-генетик О. Эвери доказал, что носителем наследственности является ДНК.

В 1952 году А. Херши и М. Чейз установили, что бактериофаги проникают в бактериальные клетки не сами, а только их ДНК, но, не смотря на это, в бактериях происходит формирование зрелых фаговых частиц. Следовательно, ДНК фага является носителем наследственной информации.

Величайшим достижением биологической науки явилась расшифровка строения молекулы ДНК. Сделали это английский ученый Ф. Крик и американский ДЖ. Уотсон (1953).

Американский генетик А.Корнберг искусственно создал вирусную частицу и осуществил синтез ДНК (1957-1958).

М. Мезельсон и Ф. Сталь (1958) показали, что синтез ДНК происходит в клетках на расходящихся нитях двойной спирали.

М. Ниренберг, Г. Маттеи, С. Очоа и Ф. Крик (1961-1962) расшифровали код наследственности и состав нуклеиновых триплетов для всех 20 аминокислот, из которых строятся белковые молекулы. В это же время французские ученые Ф. Жакоб и Ж. Моно разработали общую теорию регуляции белкового синтеза. Они предложили схему генетического контроля синтеза ферментов у бактерий.

В 1969 году Г. Корана осуществил синтез гена клетки дрожжевого грибка, а Д. Бэквитс с сотрудниками выделил ген бета-галоктозидазы из кишечной палочки.

В настоящее время генетика является одной из ведущих наук современной биологии. Для генетики характерно влияние на ее развитие принципов и методов исследования других наук и возрастающая связь со многими биологическими науками. В тоже время в самой генетике идет усиливающийся процесс дифференциации отдельных узких направлений исследований в самостоятельные науки. Так, наряду с общей генетикой возникли: цитогенетика, генетика популяций, биохимическая генетика, генетика человека, ветеринарная генетика, генетика вирусов, математическая генетика, генетика микроорганизмов и т. д.

Генетика микроорганизмов — это наука о наследственности микроорганизмов, их наследуемой и не наследуемой изменчивости. Необходимо отметить, что общая генетика явилась важной основой для развития молекулярной биологии, а генетика микроорганизмов явилась базой для изучения многих вопросов наследственности и изменчивости, т. е. для развития самой генетики. Еще раз необходимо подчеркнуть, что микробы (бактерии, вирусы, грибы, простейшие) явились удобной моделью для проведения генетических исследований. Микробы были использованы как наиболее подходящий объект для изучения природы генетического материала, его организации и функционирования в связи со следующими их особенностями.

У бактерий имеется одна хромосома и поэтому оценка генетических изменений возможна уже в первом поколении клеток. Важным преимуществом микроорганизмов является высокая скорость размножения их, простое химическое строение, простота культивирования и возможность при этом изменений условий выращивания клеток, высокая частота мутаций, способности к комбинированной и мутационной изменчивости.

Благодаря использованию в генетических исследованиях микроорганизмов, генетика была обогащена рядом выдающихся открытий: установлена химическая природа наследственного материала, решена проблема генетического кода ДЖ. Уотсон, Ф. Крик,1953), изучена структура гена (Бензер, 1955), расшифрован способ репликации ДНК (М. Мезельсон, Ф. Сталь, 1958), установлены механизм мутаций и репликаций, выявлено наличие информационной РНК и т. д. Достижения в области генетики микроорганизмов явились основой для создания генной инженерии — важнейшей прикладной отрасли во многих сферах человеческой деятельности.

Развитие генетики микроорганизмов тесно связано с развитием цитологии, а развитие и становление цитологии с созданием и усовершенствованием оптических устройств, позволяющих рассмотреть и изучить клетки. В 1609-1610 г.г. Галилео Галилей сконструировал первый микроскоп. Сконструированный и усовершенствованный им микроскоп давал увеличение в 35-40 раз. И. Фабер дал прибору название «микроскоп».

В 1665 году Роберт Гук, благодаря изменению микроскопа, увидел в пробке ячейки, которые он назвал «клетками».

В 70-х годах 17 века Марчелло Мальпиги описал микроскопическое строение некоторых тканей растений.

Антони ван Левенгук с помощью микроскопа открыл неведомый таинственный мир микроорганизмов (1969).

В 1715 году Х.Г. Гертель впервые использовал зеркало для микроскопии изучаемых объектов, а спустя полтора столетия Э. Аббе создал систему осветительных линз для микроскопа.

В 1781 г. Ф. Фонтана первый увидел и зарисовал животные клетки с их ядрами. В первой половине 19 века Ян Пуркинье усовершенствовал микроскопическую технику, что позволило ему описать клеточное ядро. Он впервые употребил термин «протоплазма». Р. Браун описал ядро как постоянную структуру клетки и предложил термин «nucleus» — «ядро».

Во второй половине XIX века Э. Брюкке (1861) обосновал представление о клетке как элементарном организма. В 1874 г. Ж. Карнуа положил начало цитологии как науке о строении, функции и происхождении клеток.

В. Флемминг описал митоз (1879-1882), О. Гертвич и Э. Страсбургер высказали гипотезу о том, что наследственные признаки заключены в ядре.

В начале 20 века Р. Гаррисон и А. Кадрель разработали методы культивирования клеток.

В 1928-1931 года Е. Руска, М. Кнолль и Б. Боррие сконструировали электронный микроскоп, применение которого позволило открыть неизвестные структуры клетки.

В 20 веке за выдающиеся открытия в области цитологии, генетики и других биологических наук были присуждены Нобелевские премии, Лауреатами которых оказались:

  • в 1906 году Камилло Гольджи и Себастьяго Раммон — и — Кахаль за открытия в области структуры нейронов;
  • в 1908 году Илья Мечников и Пауль Эрлих за открытия фагоцитоза и антител;
  • в 1930 году Карл Ландштейнер за открытие групп крови;
  • в 1931 году Отто Варбург за открытие природы и механизмов действия дыхательных ферментов цитохромоксидаз;
  • в 1946 году Герман Меллер за открытие мутаций;
  • в 1953 году Ханс Креба за открытие цикла лимонной кислоты;
  • в 1959 году Артур Корнберг и Северо Очоа за открытие механизмов синтеза ДНК и РНК;
  • в 1962 году Френсис Крик, Морис Уилкинсон и Джеймс Уотсон за открытие молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значение в передаче генетической информации;
  • в 1963 году Франсуа Жакоб, Андре Львов и Жак Моно за открытие механизма синтеза белка;
  • в 1974 году Кристиан де Дюв, Альберт Клод и Джордж Паладе за открытия, касающиеся структурной и функциональной организации клетки (ультраструктура и функция лизосом, комплекса Гольджи, эндопламотического ретикулума).

2. Наследственность и изменчивость

Характерными свойствами всего живого является движение, рост, питание, дыхание, раздражимость и способность размножаться. Жизнь, как особое явление, характеризуется продолжительностью существования во времени. В основе непрерывного существования жизни во времени лежит способность живых систем к самовоспроизведению. Сохранение жизни в меняющихся условиях оказалось возможным благодаря эволюции живых организмов в результате появления у них изменений, обеспечивающих возможность существования в новой среде обитания.

Непрерывность существования и историческое развитие живой природы обусловлено фундаментальными свойствами жизни — наследственностью и изменчивостью. Наследственность и изменчивость — свойства всего живого, в том числе и микроорганизмов. Наследственность ярко выражается в сходстве потомства и родителей, братьев и сестер, в сходстве близких родственников между собой.

Каждая порода сельскохозяйственных животных характеризуется определенными, присущими ее особенностями, которые передаются из поколения в поколение в течение столетий. Еще более стойкая наследственность у многих видов диких животных. Так, по мнению Ч. Дарвина, плеченогие осьминоги неотличимы от своих предков, живущих сотни миллионов лет тому назад.

С исключительной силой явление сходства обнаруживается у растений.

Явление сходства морфологических, биохимических и других особенностей обнаруживается также и у микроорганизмов, не смотря на исключительную интенсивность их размножения, роста и смены нескольких поколений за короткий промежуток времени.

Наследственность обеспечивает определенный консерватизм в организации живых систем.

В учебниках по микробиологии и иммунологии, генетике, вирусологии, биологии наследственность трактуют относительно клетки и организма. Однако, необходимо иметь в виду, что она проявляется и в надорганизменных уровнях. На клеточном и организменном уровне организации живой материи под наследственностью понимают свойство клеток или организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями, а также обуславливать специфический характер индивидуального развития в определенных условиях внешней среды.

Кроме термина «наследственность» генетики применяют термины «наследование» и «наследуемость».

Под наследованием понимают процесс передачи наследственных признаков или информации из поколения в поколение и формирование определенных признаков, характерных для родительских особей. Под термином «наследуемость» — долю генетической изменчивости в общей фенотипической изменчивости признака в конкретной позиции микроорганизмов, животных, растений.

В определении “наследственность” необходимо подчеркнуть, что явление воспроизведения признаков и его материальная основа выработалась в ходе эволюции, а также важно отметить, что для проявления характерных особенностей организмов необходимы определенные факторы среды. Наследственность — это свойство организмов воспроизводить в поколениях сходный тип обмена веществ, сложившихся в процессе исторического развития вида и проявляется при определенных условиях внешней среды.

На популяционно-видовом уровне организации жизни наследственность проявляется в поддержании постоянного соотношения различных генетических форм в ряду поколений данной популяции. На биоценотическом уровне наследственность представляет собой явление, обеспечивающее сохранение определенных соотношений видов организмов, образующих биогеоценоз.

Наследственности и изменчивость проявляются через признаки и свойства организмов. Понятие «признак» или «свойство» обозначают единицу морфологической, физиологической или биохимической дискретности организма. Признак — одно из важнейших понятий в генетике. Животным присущи видовые, породные, индивидуальные признаки и свойства, которыми организмы отличаются друг от друга.

Микроорганизмы различаются между собой по морфологическим, культуральным, биохимическим, антигенным, иммуногенным и другим признакам. Например, признакам, по которым бактерии одного штамма отличаются от другого штамма того же видаявляется биохимическая особенность продуцировать фермент, контролирующий синтез или гидролиз определенного вещества.

Изучение процесса передачи признака от одного поколения к последующему — главная задача генетики.

Признаки условно подразделяют на качественные и количественные. К качественным относят такие признаки проявления, которые можно охарактеризовать словесно (у животных — масть, форма рогов, ушей и др.; у микроорганизмов — форма клетки, окраска по Граму, взаиморасположение), а к количественным — признаки, которые изучают путем измерения, подсчета (у животных — масса, длина шерсти, жирность молока и т. д., у микроорганизмов — длина и ширина бактериальной клетки, величина колоний, интенсивность роста и т. д.). Степень наследуемости количественных признаков определяется сложными математическими методами вариационной статистики.

Признаки могут быть сложными в том случае, когда формирование их требует синтеза сложных специфических веществ — ферментов, сократительных, структурных и других белков. Признак считают элементарным (простым), если его появление осуществляется в результате синтеза белковой молекулы, которая определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК определенного гена.

Признаки формируются в процессе индивидуального развития особи и на их проявление оказывают влияние факторы внешней среды.

Ведущая роль в передачи признаков принадлежит ярду клетки и, в незначительной степени, цитоплазме. Дело в том, что основная наследственная информация закодирована в молекулах ДНК, находящихся в хромосомах ядра клетки и только незначительная часть наследственной информации, отвечающая за некоторые признаки, может быть локализована в ДНК органоидов цитоплазмы (митохондрии, пластиды, плазмиды, эписомы). Поэтому различают ядерную (хромосомную) и цитоплазмотическую (внеядерную, внехромосомную) наследственность. Ядерную и цитоплазмотическую наследственность определяют как истинную, т. е. проявление признака контролируется собственными генами данного организма. Кроме этого выделяют ложную и переходную наследственность. Ложная наследственность — это проявление признаков и свойств в потомстве, обусловленных генами возбудителей болезней (бактерий, вирусов), а также симбионтов или включением в клетки экзогенных веществ. Ложная наследственность у животных и человека наблюдается редко. При заражении некоторыми вирусами, они способны проникать в ДНК клеток организма и гены возбудителей могут вызывать нарушение функций клеток, их перерождение, различные болезненные синдромы со стороны пораженного организма. Примером ложной наследственности служит появление зеленой окраски тела у некоторых видов червей в результате развития в их клетках одноклеточных зеленых водорослей (симбионтов). Примером ложной наследственности, вызванных поступлением в клетки экзогенных веществ, служит явление окрашивания желтка яиц кур в результате поступления в него каротина.

Переходную наследственность определить трудно, так как признаки этой наследственности сочетают в себе черты истинной и ложной наследственности. Например, у инфузорий Paramecia aurelia есть штаммы, продуцирующие парамецин, убивающий инфузорий другого штамма, но не токсичный для организмов его вырабатывающих. В цитоплазме инфузорий-продуцентов парамецина имеется ДНК-содержащие каппа-частицы. Однако роль этих частиц не установлена. Не ясно индукторами, какой наследственности они являются — истинной цитоплазматической или ложной.

Продолжительное существование живой природы во времени на фоне меняющихся условий было бы не возможным, если бы организмы не были способны к приобретению и сохранению полезных изменений в новых условиях окружающей среды, т.е. если бы живые организмы не обладали изменчивостью.

Изменчивость — это способность организмов изменяться под действием наследственных и не наследственных факторов. Наследственность ответственна за стабильность вида, изменчивость определяет его способность адаптироваться к постоянно меняющимся условиям среды обитания. Изменчивость отражает динамичность организмов и наряду с наследственностью является ведущим фактором эволюции. По своим результатам наследственность и изменчивость разнонаправленные, но, не смотря на это образуют динамическое единство, благодаря которому обеспечивается сохранение и приобретение биологически целесообразных качеств, делающих возможным существование жизни во времени и пространстве.

У отдельных клеток, организмов, микроорганизмов одного вида изменчивость, затрагивая их индивидуальное развитие, проявляется в возникновении отличий между ними. На популяционно-видовом уровне жизни изменчивость проявляется в генетических различиях, что является основой образования новых видов. Появление новых видов вносит изменения в межвидовые отношения в биоценозах.

Изменчивость организмов выражается в двух формах: наследственной и модификационной. Наследственная изменчивость может быть онтогенетической, комбинативной, мутационной, коррелятивной, а не наследственная — модификационной.

Онтогенетическая изменчивость — это совокупность последовательных изменений признаков и свойств организма в процессе его индивидуального развития. Этот вид изменчивости генетически детерминирован, каждый признак формируется в соответствии с общим планом развития организма.

Комбинативная изменчивость — это появление новых признаков в результате сочетания и взаимодействия генов родительских форм. Новых генов при этом виде изменчивости не возникает, однако, роль комбинитивной изменчивости в эволюционном процессе и селекции животных, растений, микроорганизмов исключительно значима.

Мутационная изменчивость (от лат. mutatio — изменение, перемена) выражается изменением некоторых признаков или свойств организма под воздействием мутагенных факторов на наследственный аппарат клетки.

Под коррелятивной изменчивостью понимают изменчивость или степень развития одного признака, в результате чего наблюдается соотносительная изменчивость другого признака. Например, при увеличении массы коров-первотелок увеличивается удой молока, но снижается его жирность. Этот вид изменчивости существенно влияет на онтогенетическую, комбинативную, мутационную и модификационную изменчивость.

Модификационная (фенотипическая) изменчивость — это не наследственная изменчивость, возникающая под влиянием условий среды, но не вызывающая изменений в генотипе. Этот вид изменчивости связан с реакцией одного и того же генотипа на применение внешних условий, в которых происходит развитие организма, и которые вызывают различия в формах проявления этого развития. Один и тот же генотип, в зависимости от среды, может проявляться в разных фенотипах

Генотип (от греч. genos — рождение, typos — отпечаток, образ) — это совокупность всех генов организма, материальная основа наследственности. Фенотип ( от греч. рhainos — являться, typos — отпечаток, образ) — сумма всех признаков и свойств организма, сформировавшихся на основе генотипа.

Особенностью этого вида изменчивости является адекватность к внешним условиям. Модификационная изменчивость — реакция генотипа на условия внешней среды, которая контролируется генотипом. Модификационная изменчивость не наследуется, однако, возможны длительные модификации — сохранение количественных признаков в ряду поколений при сохранении условий их вызывающих.

Резкие изменения строения органов называют морфозами. Морфозы не наследуются, считают, что они возникают в результате патологии различного характера.

Отмеченные выше виды изменчивости различает общая генетика. Более конкретизированные данные относительно изменчивости микроорганизмов изложены в п.13 настоящей книги.

3. Клетка — элементарная единица живого

Английский естествоиспытатель Р. Гук (1565), рассматривая под микроскопом пробку, увидел, что она построена из отдельных ячеек. Он назвал их клетками. Все живые организмы состоят из клеток. Клетки присущи все свойства живой материи. Ее можно назвать элементарной единицей живого, простейшей ячейкой жизни. Наука о клетке называется цитологией ( от греческого cytos — клетка и logos — наука). Вне клетки нет жизни. Жизнь — особое явление природы. Дать однозначное определение жизни в связи с ее многообразием очень трудно. Разные ученые давали разное определение жизни, вкладывая в него основные свойства, отличающие живое от не живого. Современная биология характеризует жизнь как макромолекулярную открытую систему, которой свойственны иерархическая организация, способность к самовоспроизведению, обмен веществ, тонко регулируемый поток энергии. Жизнь не мыслится без особого способа взаимодействия живых существ с окружающей средой, т. е. без обмена веществ (метаболизма). Обмен веществ осуществляется благодаря двум взаимно противоположным и сбалансированным, тесно связанным между собой процессам ассимиляции (анаболизм) и диссимиляции (катаболизм). Ассимиляция — образование и обновление структур организма, а диссимиляция — расщепление, входящих в эти структуры, органических соединений в связи с необходимостью обеспечения жизнедеятельности организма требуемыми веществами и энергией. Метаболизм осуществляется благодаря притоку веществ к клетке извне и выделению продуктов катаболизма во внешнюю среду, т. е. клетка (микроорганизм, макроорганизм) является по отношению к среде обитания открытой системой. Процессы ассимиляции и диссимиляции упорядочены во времени и пространстве, благодаря структурированности объема клетки. Это важное свойство клетки. Например, микоплазма превосходит в размере атом водорода в 1000 раз. Однако благодаря структурированности клетки микроорганизма в ней осуществляется не менее 100 биохимических реакций, поддерживающих ее жизнедеятельность. Жизнедеятельность любой клетки организма человека и животных поддерживается в результате последовательного согласованного протекания более 10000 реакций. Таким образом, структурированность необходима для нормального обмена веществ, но упорядоченность достигается путем затраты определенного количества энергии. Клетка черпает энергию извне и использует ее на поддержание внутренней структуры.

Важное свойство жизни — процесс самообоснования, который заключается в воссоздании клеткой структур взамен снашиваемым и утраченным. Достигается это благодаря использованию клеткой генетической информации, закодированной в наследственном веществе клетки. Хранение и использование генетической информации на основе нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) составляет одно из важнейших свойств жизни. Реализация генетической информации находит свое отражение в наличии генотипа и фенотипа, что носит общий характер для клеток всех живых существ. Развитие организма происходит в процессе онтогенеза, в ходе которого проявляется такое свойство клетки, как способность к размножению и росту. Реакция клетки на внешние и внутренние факторы обусловлена такими общими свойствами, как раздражимость и возбудимость.

Жизнь характеризуется таким свойством, как дискретность, т.е. представлена совокупностью отдельных организмов. Организм состоит из клеток, следовательно и клеткам присуща дскретность. Продолжительность жизни организмов и клеток ограничена. Поэтому сохранение жизни во времени зависит от такого ее свойства, как размножение. Важными свойствами жизни являются включенность организмов в процессе эволюции и существования их совместно с другими организмами в составе сообществ под названием биоценозы.

Клетка — это обособленная, наименьшая частица организма, способная к самовоспроизведению, самовосстановлению, самообновлению и все свойства жизни, упомянутые выше. Клетка в благоприятных условиях обитания может поддерживать эти свойства в самой себе и передавать их по наследству. Клетка несет полную генетическую характеристику жизни, зашифрованную в ДНК. В живой природе — клетка элементарная структура, функциональная и генетическая единица. Клетка — основа всех форм жизни, начиная от одноклеточных и заканчивая многоклеточными.

Французский ученый, лауреат нобелевской премии, А. Львов, основываясь на достижениях современной биологии, писал: ”рассматривая живой мир на клеточном уровне, мы обнаруживаем его единство: единство строения — каждая клетка содержит ядро, погруженное в цитоплазму; единство функции — обмен веществ в основном сходен во всех клетках; единство состава — главные макромолекулы у всех живых существ состоят из одних и тех же макромолекул. Для построения огромного разнообразия живых систем природа использует ограниченное число строительных блоков”.

Таким образом клетка является основной структурной и функциональной единицей живых организмов, осуществляющей рост, размножение. Обмен веществ и энергии, хранящей, перерабатывающей и реализующей генетическую информацию. Клетка представляет собой сложную систему биополимеров, отделенную от внешней среды оболочкой (плазмотической мембраной) и состоящую из ядра и цитоплазмы, в которой раполагаются органеллы и включения.

4. Клеточная теория

Немецкие ученые — ботаник М. Шлейден и зоолог Т. Шванн, изучая строение тканей растений и животных, пришли к заключению, что все организмы состоят из клеток. Ими была сформулирована теория клеточного строения живых организмов (1838-1839). Особая заслуга в создании этой теории принадлежит Т. Шванну, который обобщил многочисленные данные науки того времени о схожести строения растительных и животных клеток и пришел к заключению, что клетки являются структурной и функциональной основой живых существ. В 1838 году была опубликована книга Теодора Шванна “ микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений”, в которой автор изложил основные положения клеточной теории.

Все живые организмы состоят из клеток. Авторы клеточной теории придерживались правильной точки зрения о единообразии пути возникновения клеток, но механизм их образования представлялся не верно, ввиду не достаточно высокого уровня развития биологической науки, на момент создания теории.

Сложные (человек, животные) и простые (инфузории, вирусы, бактерии) формы жизни в структурном, функциональном и генетическом отношении обеспечиваются только клеткой. С помощью клетки происходит усвоение, превращение и использование энергии и веществ живыми организмами. В клетке хранится и используется по назначению биологическая информация.

Не смотря на бесконечное многообразие клеток, современная теория научно обосновывает единственный способ возникновения новых клеток, заключающийся в делении предшествующих клеток. Не отрицая индивидуальных структурно-функциональных особенностей разных клеток, клеточная теория не отвергает представления об их гомологии. К настоящему времени доказано, что все клетки одинаковым способом хранят генетическую информацию, редуплицирут генетический материал и передают его из поколения в поколение, используют биологическую информацию для синтеза белка, хранят, переносят и превращают энергию в работу, осуществляют обмен веществ.

Для клетки характерен принцип целостности и системной организации. В этом отношении клеточная теория соотносит клетку с многоклеточным организмом. Для системы свойственно взаимодействие частей, составляющих систему. Структурной единицей многоклеточных существ является клетка. Естественно, нельзя свести свойства целостного многоклеточного организма к свойствам отдельных клеток. данное положение клеточной теории свидетельствует о диалектической проблеме целого и части.

В современной интерпритации клеточная теория включает следующие положения:

 клетка является универсальной, элементарной единицей живого;

 клетки всех организмов принципиально сходны по своему строению, функции и химическому составу;

 клетки размножаются путем деления исходной клетки;

 клетки хранят, реализуют и перерабатывают генетическую информацию;

 многоклеточные организмы являются сложными клеточными ансамблями, образующими целостные системы;

 благодаря деятельности клеток в сложных организмах осуществляется рост, развитие, обмен веществ и энергии;

5. Типы клеточной организации

В живой природе существует большое разнообразие клеток, которые разнятся по размерам, форме, особенностям питания, дыхания и т.д. Однако известно лишь два типа клеточной организации: прокариотический и эукариотический. Эукариотический тип организации клеток подразделяют на подтип, характерный для простейших, и подтип, характерный для многоклеточных. Упомянутые два типа клеточной организации возникли в ходе биологической эволюции. Вообще, проблема происхождения и эволюции живых организмов до сих пор остается очень сложной и до конца не изученной. Это относится к микроорганизмам. Появление жизни на Земле объясняют две основные гипотезы. Согласно так называемой гипотезе панспормии, жизнь занесена из космоса в виде спор микроорганизмов или же путем намеренного заселения планеты разумными существами из других миров.

Другая гипотеза утверждает, что жизнь возникла на Земле в результате совокупности физических и химических условий. Приведших к абиогенному образованию органических веществ из неорганических.

Немецкий ученый Э. Геккель (1886) выделил микроорганизмы. У которых отсутствует дифференцировка на органы и ткани в царство Protista (протисты. Первосущества). Затем, в результате дальнейшего изучения строения клеток, протисты были подразделены на две группы: высшие и низшие. У высших — клетки сходны с растительными и животными клетками, это эукариоты. К ним отнесены микроскопические водоросли. Микроскопические грибы (плесени и дрожжи). К низшим относят протистов, клетки которых по строению отличаются от всех других организмов(бактерии, сине-зеленые водоросли), — это прокариоты.

Клеткам прокариотического типа свойственны следующие особенности: эти клетки имеют малые размеры, в них нет развитой системы мембран. Отсутствует четко оформленное ядро, генетический материал представлен в виде замкнутого кольца молекулы ДНК, свободно располагающейся в цитоплазме, не содержащей гистонов. Которые являются белками клеточных ядер. В связи с значительным содержанием диаминокислот аргинина и лизина, эти клетки имеют щелочную реакцию. Для прокариот не типичны внутриклеточные перемещения цитоплазмы и амебоидные движения.

Для эукариотичных клеток характкрны вторичные полости. Эукариоты имеют истинное ядро. Кариолема отграничивает ядро от цитоплазмы. У них имеются более крупные, чем у прокариот, рибосомы, геном представлен набором хромосом, которые удваиваются и распределяются между дочерними клетками при митозе.

Таксономией все низшие были отнесены к надцарству — Procariotae, а все высшие прокариоты, растения и животные включены в надцарство — Eycariotae. Необходимо еще раз подчеркнуть, что к прокариотическим организмам относятся сине-зеленые водоросли, актиномицеты, бактерии, спирохеты, микоплазмы, рикетсии, хламидии, а к эукариотическим — большинство водорослей, грибы, лишайники, растения и животные.

Различия между прокариотами и эукариотами довольно детально представлены в таблице 1.

Таблица 1. признаки прокариотов и эукариотов.

признаки

прокариоты

эукариоты

Размер клеток(мкм)

1-10

10-100

Вид метаболизма

Анаэробный или аэробный

Аэробный

ДНК

Кольцевая в цитоплазме

Не кольцевая, окружена ядерной оболочкой

Синтез РНК и белка

В цитоплазме

С-з РНК в ядре, белка в цитоплазме

Органеллы

Нет или мало

Есть

Цитоскелет

Нет

Есть

Эндо- и экзоцитоз

Нет

Есть

Митохондрии

Нет

Есть

Эндоплазмотическая сеть

Нет

Есть

Комплекс Гольджи

Нет

Есть

Рибосомы

Есть 70S

Есть 70S в митохондриях, 80S в цитоплазме

Лизосомы

Нет

Есть

Внутриклеточное переваривание

Нет

Есть

Деление клеток

бинарное

Митоз(у половых клеток — мейоз)

6. Структурно-функциональная организация клеток эукариотического и прокариотического типов

Механизм наследственности и изменчивости довольно сложен. Чтобы понять как работает этот механизм, надо знать его устройство, которое не представляется без знания структурно-функциональной организации клетки. В связи с этим в книге описывается строение клетки растений, животных, микроорганизмов и функциональное назначение ее отдельных структур.

.1 Строение и функционирование клетки растений

Клетки растений весьма разнообразны по форме и размерам. Форма и величина их определяется местом положения в организме растения, а также выполняемыми функциями. Клетки, входящие в состав различных тканей и органов, значительно различаются по ширине и длине, но чаще всего они вытянуты и имеют заостренные концы. Например, длина клетки покрытосеменных колеблется в пределах от 100 до 1000 мкм. Паренхимные клетки плодов и клубней растений достигают более 1 мм. Большие размеры имеют клетки лубяных волокон. Так, у льна и копли длина волокна составляет 20-40 мм, а у хлопчатника — 65 мм. Однако, чаще всего клетки мелкие, величиной 20-50 мкм и их можно видеть только под микроскопом.

Общая численность клеток, составляющих растение, выражается астрономическими цифрами, достигая нескольких сотен и тысяч миллиардов.

Клетка растений состоит из двух основных структур — цитоплазмы и ядра. Цитоплазма ( от греческого cytos — клетка, plasma — первичная масса) и ядро тесно связаны между собой и представляют единую живую систему. Цитоплазма без ядра существовать не может, так же как и ядро без цитоплазмы. В начале развития учения о клетке чешский физиолог Пуркинье (1839) назвал содержимое клетки протоплазмой (от греческого protos — первый). Клетка одета клеточной оболочкой (мембраной), состоящей из клетчатки и пектиновых веществ (целлюлоза, лигнин, воск и др.). мембрана имеет поры через которые вещества могут проникать из одной клетки в другую.

Основную часть объема клетки занимает цитоплазма. Слой цитоплазмы, прилегающий к оболочке, называется экзоплазмой. Он более вязкий и лишен гранул по сравнению с внутренним слоем, называемым эндоплазмой. В электронном микроскопе цитоплазма представляется однородной зернистой массой. Она состоит из прозрачного вещества гиалоплазмы (от греческого hyalos — стекло и плазма) и взвешенных в ней мельчайших частиц — гранул. Гиалоплазму называли вначале матриксом. В цитоплазме находятся органоиды и включения, протекают биохимические реакции, осуществляется транспорт веществ.

В состав цитоплазмы входит 10-20 % белков, 2-3 % липидов, 1-2 % углеводов и примерно 1 % минеральных солей и других веществ. В водной среде цитоплазмы растворены минеральные вещества и находятся органические соединения, представленные двумя группами: полупродукты синтеза и распада (аминокислоты, моносахариды, глицерин, жирные кислоты, азотистые основания и др.) и конечными продуктами синтеза (белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, ферменты, витамины и др.). Наибольшее значение в жизнедеятельности растительной клетки играют белки. Недаром голландский ученый-химик И. Мудлер назвал белки протеинами, что в переводе означает первостепенно важные. Белки выполняют структурную роль, являются составной частью витаминов, ферментов, гормонов, участвуют в многочисленных реакциях обмена, имеют первостепенное значение в защитных реакциях и т. д.

Липиды являются главным образом запасными веществами клетки. Они — источник энергии. Некоторые липиды входят в состав ядерных и клеточных оболочек и многочисленных мембран.

Углеводы представлены в цитоплазме в виде моно и дисахаридов. В состав клетки входит также крахмал, играющий роль запасного вещества. Источником внутриклеточной энергии является глюкоза. Исключительно важное значение имеет рибоза и дезоксирибоза. Первая входит в состав рибонуклеиновой кислоты (РНК), вторая — дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Минеральные вещества находятся в цитоплазме в виде свободных соединений и в связанном состоянии с белками, жирами и углеводами.

Вода входит в состав коллоидов цитоплазмы, она обеспечивает процессы гидролиза и окисления веществ.

Ядро покоится в цитоплазме. Впервые его обнаружил английский ученый Р. Броун (1831), рассматривая под микроскопом клетки растений из семейства орхидных. Ядро — важнейший и постоянный компонент всех эукариотических клеток. исключительная важность ядра для жизнедеятельности клеток доказана опытным путем, например, с одноклеточной водорослью ацетобулярией. Клетка водоросли состоит из шляпки и ножки длиной 4-6 см. шляпка содержит цитоплазму, а ядро находится в нижней части ножки. При отделении шляпки от ножки она погибает, а ножка в которой находится ядро. Продолжает жить и образовывать шляпку, т.е. часть растения, содержащая ядро обладает способностью регенерации.

Ядра клеток разнообразны по форме и размерам. Обычно форма ядер связана с формой клеток, но иногда отличается от последней. В основном ядра имеют округлую или овальную форму. У большинства растений размер их колеблется в пределах 10-20 мкм. Форма и величина ядра зависит от возраста клетки, физиологического состояния и факторов внешней среды. Ядро клетки занимает около 1/5 ее объема. В нем различают ядерную оболочку, ядерный сок (кариолимфу), хроматин и ядрышки. Ядро отграничено от цитоплазмы ядерной оболочкой (мембраной), которая состоит из внутреннего сплошного и внешнего пористого листков. Листки мембраны представлены в основном протеинами и липидами. Главная функция ядерной мембраны — регулирование поступления веществ из цитоплазмы в ядро и обратно.

Ядерный сок представляет собой жидкое или полужидкое содержимое ядра. Кариолимф а и содержащиеся в ней глыбки хроматина (от греческого chroma — цвет) называется хромоплазмой. Субмикроскопический состав хромоплазмы аналогичен составу цитоплазмы. Электронной микроскопией в ней выявлены тонкие нити и гранулы.

В ядре клеток обнаруживается 1-2 ядрышка, которые содержат большое количество РНК. Методом авторадиографии установлено, что РНК ядрышков проникает в рибосомы цитоплазмы и принимает активное участие в синтезе белков.

Для химического состава ядра характерно наличие большого количества ДНК и белков-гистонов. ДНК входит в состав хромосом, являющихся компонентами ядра и материальными носителями наследственности.

Нуклеиновые кислоты впервые обнаружил швейцарский биохимик Мишер (1869) в ядрах животных клеток. Название их происходит от латинского nucleus — ядро.

Ядро является центром, управляющим всеми процессами жизнедеятельности клетки, в нем сосредоточены материальные носители наследственности всех признаков организма.

Цитоплазма растительных клеток представляет собой довольно сложную структурную систему.

Электронная микроскопия позволила выявить, что она — совокупность коротких и длинных, узких и широких, замкнутых и не замкнутых внутренних мембран и канальцев была названна эндоплазмотической сетью, которая открыта в 1945 г (Портер, Клод и др.). Реальное существование ее окончательно доказано к 1958 году. Внутренне пространство эндоплазмотической сети заполненное гомогенным веществом, состав которого остается малоизученным.

Различают две разновидности эндоплазмотической сети: гранулярную и агранулярную. Первая характеризуется наличием на поверхности мембран мелких гранул, получивших название рибосом. Гранулярная эндоплазмотическая сеть участвует в синтезе белков, а агранулярная — в синтезе липидов и углеводов. Эндоплазмотическя сеть связана со всеми структурами клетки. Ее оценивают как органоид общего значения, участвующий в процессах синтеза, обмене веществ, обеспечивающий взаимосвязь элементов клетки между собой и с окружающей средой.

В цитоплазме всех растительных клеток имеются мелкие частицы рибосомы ( от греческого soma — тело и от начала слова рибонуклеиновая кислота), которые можно видеть только в электронный микроскоп. Они свободно располагаются в цитоплазме или прикреплены к мембране эндоплазмотической сети и ядерной оболочке. Иногда рибосомы располагаются в виде скоплений (от 5 до 70). Такие группы рибосом получили название полисом или полирибосом. Рибосомы состоят из равного количества белка и РНК. В незначительном количестве в них обнаружены соли магния и кальция. РНК рибосом составляет 80-90 % от общего количества этой кислоты, содержащегося в этой клетке.

Рибосомы обеспечивают процессы внутриклеточного синтеза белка. Их называют своеобразными «фабриками» белка, на «конвейерах», которых происходит сборка из аминокислот белковых молекул. Белок, синтезированный рибосомами, поступает в каналы эндоплазмотической сети, а затем во все органоиды клетки, в том числе и ее ядро. Рибосомы обладают высокой синтезирующей способностью, производя за 1 час белка больше своего веса.

Митохондрии (от греческого mitos — нить, chondros — зерно) — органоиды клетки, ее «силовые станции». Их можно обнаружить в обычный световой микроскоп. Длина митохондрий составляет — 0,5-0,7 мкм, ширина — 0,5-1 мкм. Количество митохондрий в клетке зависит от ее функционального состояния и возраста. В среднем число их колеблется от 2 до 2,5 тысяч. Митохондрии имеют двойную оболочку, которая состоит из наружной и внутренней мембран. Жидкое содержимое митохондрий называется матриксом. Внутренняя мембрана имеет складки, называемые кристаллами. Состоят митохондрии из белка (65-70 %), липидов (25-30 %) и небольшого количества РНК и ДНК.

Основная роль митохондрий заключается в синтезе аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая является универсальным источником энергии, которая необходима для обеспечения жизнедеятельности клетки и организма вцелом.

Комплекс Гольджи — сложная структура, состоящая из мембран, гранул и вакуолей. Впервые ее образование открыто итальянским ученым К. Гольджи (1898) и названо его именем. В растительных клетках комплекс Гольджи имеет вид дискретных частиц, равномерно рассеяных по всей цитоплазме. Полагают, что комплекс Гольджи накапливает различного рода ненужные клетке продукты ее жизнедеятельности и избытки воды, подлежащие удалению, т.е. способствует регуляции определенного уровня концентрации веществ в клетке.

Пластиды ( от греческого plastos — вылепленный, eidos — подобный) — органоиды. Присущие клеткам растений. Они устроены очень сложно, способны к самовоспроизведению, тесно связаны со способом питания растений. Пластиды имеют общее происхождение и могу превращаться друг в друга. Различают следующие типы пластид: хлоропласты, хромопласты, лейкопласты.

Хлоропласты содержат пигмент хлорофилл, осуществляющий процесс фотосинтеза, обуславливает зеленый цвет растения. Хромопласты содержат каратиноиды. Обуславливают оранжевую, желтую, красную окраску растений. Каратиноиды выполняют важную роль в процессах обмена веществ в клетке. Лейкопласты ( бесцветные пластиды) являются органоидами. Синтезирующими и запасающими крахмал. Схема строения клетки представлена на рисунке 1.

.2 Строение и функционирование клетки животных

Эукариотический тип клеточной организации представлен двумя подтипами — простейших и многоклеточных.

Организм простейших в анатомическом отношении соответствует уровню одной клетки, а в физиологическом — полноценной особи. Характерным признаком простейших является наличие структур, выполняющих на клеточном уровне функцию органа многоклеточного организма. В качестве примера можно привести такие образования, как цитостом, цитофарингс и порошица, аналогичные пищеварительной системе многоклеточных. Клетку второго подтипа (растительную, животную) представляют как объект, отграниченный от внешней среды оболочкой с ядром и цитоплазмой. Ядро имеет оболочку, ядерный сок, ядрышки и хроматин. Цитоплазма представлена матриксом, в котором сосредоточены включения и органеллы.

Внутреннее содержимое эукариотической клетки исключительно упорядоченно. Упорядоченность достигается путем так называемой компартментации ее объема, т.е. разделения на различные участки, отличающиеся химическим составом. Компартментация объема клетки способствует пространственному распределению веществ в клетке и последовательному течению биохимических процессов. Решающая роль в реализации компартментации принадлежит биохимическим мембранам, которые выполняют барьерную функцию, обеспечивают избирательную проницаемость веществ, разделяют между водными и не водными фазами и т.д.

Благодаря упорядоченности клеточного объема в клетке осуществляется распределение функций между разными структурами и целесообразное взаимодействие, обеспечивающее жизнедеятельность клетки и, в конечном счете, многоклеточного организма.

Клетки многоклеточных организмов (животных, растений) отграничены друг от друга оболочкой. Клеточная оболочка ( плазмолемма) животных клеток имеет наружный слой ( гликокаликс) толщиной 10-20 нм. Этот слой состоит из гликопротеидов и гликолипидов. К клеточной мембране изнутри примыкает корковый слой цитоплазмы толщиной 0,1-0,5 мкм. В этом слое находятся микротрубочки и микрофиламенты, имеющие в своем составе белки. Способные к сокращению. Оболочка выполняет отграничивающую, барьерную, защитную и транспортную функцию, регулирует химический состав клетки, избирательно распознает биологически активные вещества с помощью рецепторов. Благодаря наличию рецепторов, клетка воспринимает сигналы из внешней среды, адекватно реагирует на эти сигналы, а следовательно, на изменения окружающей среды и состояние самого организма.

Ядро клетки отграниченно от цитоплазмы ядерной оболочкой, которая обособляет генетический материал клетки от протоплазмы и осуществляет взаимодействие ядра и гиалоплазмы. Оболочка состоит из двух мембран. Разграниченных перенуклеарным пространством, которое может контактировать с канальцами ЦПС. Ядерная оболочка пронизана порами ( диаметром 80-90 нм). Поры обеспечивают перемещение веществ из ядра в цитоплазму и наоборот. Количество пор находится в прямой зависимости от функционального состояния клетки. с повышением синтетической активности клетки число пор увеличивается. Внутреннюю мембрану ядерной оболочки выстелает белковый слой. Он выполняет опорную функцию.

Значение ядра хорошо показано в опытах по энуклеации клеток. особенно демонстративны эти опыты на амебе. Часть амебы, лишенная ядра, погибает, а часть амебы с ядром продолжает жить и развиваться. Если в безъядерную часть амебы внести ядро, то ее жизнедеятельность восстанавливается.

Ядерный сок состоит из белков, которые представляют внутреннюю среду ядра. Обеспечивающую сохранение и функционирование генетического материала. В ядерном соке обнаружены фибрилярные белки. выполняющие опорную функцию.

Ядрышко представляет собой структуру, состоящую из нитчатого и зернистого компонентов, что установлено с помощью электронной микроскопии. Нитчатый компонент состоит из белков и гигантских молекул РНК, из которых образуются более мелкие зрелые молекулы рибосомальных РНК. Зернистый компонент представлен рибонуклеиновыми зернами ( гранулами).

Цитоплазма клетки представлена основным веществом, различными включениями и органеллами. Цитоплазма заполняет всю клетку, это ее внутренняя среда. Основное вещество цитоплазмы иначе называют матриксом, гиалоплазмой. Состав гиалоплазмы сложный. Она включает все внутриклеточные структуры и обеспечивает их взаимодействие. Гиалоплазма — сложная коллоидная система. Она способна переходить из одного агрегатного состояния в другое (из золеобразного в гелеобразное и наоборот). В результате таких переходов совершается работа, происходит образование мембран, микротрубочек, выброс из клетки секретов и т.д.

В цитоплазме обнаружены включения, которые носят временный характер. Это могут быть запасные питательные вещества ( жир, гликоген), продукты метаболизма. Подлежащие удалению из клетки ( пигменты, гранулы секрета).

Важную роль в жизнедеятельности клетки играют органеллы. Их подразделяют на органеллы общего и специального назначения. К первым относят цитоплазматическую сеть, рибосомы, митохондрии, полисомы, лизосомы, пероксисомы, микрофибриллы, микротрубочки, центриоли, а ко вторым — органеллы , специализированные к выполнению определенной функции. В качестве примера можно указать на микроворсинки эпителиальных клеток кишечника, реснички эпителия дыхательных путей, миофибриллы и т.д.

Вся цитоплазма клетки пронизана канальцами, вакуолями, цистернами, которые в совокупности образуют цитоплазматическую сеть. Различают гранулярную и агранулярную цитоплазматические сети. К мембранам шероховатой ( гранулярной) сети прикреплены структурные образования клетки — полисомы. Основная функция этой сети — синтез белка. Гладкая ( агранулярная) сеть не имеет полисом, поэтому она выполняет функции, связанные с обменом углеводов, жиров и других веществ, не относящимся к белкам. Цитоплазматическая сеть иначе называется эндоплазмотической, она выполняет многочисленные процессы обмена веществ, осуществляет связь между всеми органоидами клетки.

К органоидам клетки относятся рибосомы — частицы, диаметром 20-30 нм. Это образования округлой формы рибонуклеопротеиновой природы. Несколько рибосом, объединенных матричной РНК, называют полисомами. Полисомы активно синтезируют белок. Полагают, что полисомы гиалоплазмы синтезируют белки для нужд клетки, а полисомы гранулярной сети производят белки. выводимые за пределы клетки и используемые для жизнедеятельности всего организма.

Комплекс Гольджи представляет собой совокупность большого количества диктиосом, которых может быть в клетке от нескольких десятков до нескольких тысяч. Диктиосомы составлены из 3-12 уплощенных дискообразных цистерн. От краев этих цистерн отшнуровываются мелкие пузырьки (везикулы) и крупные (вакуоли). Диктиосомы обычно локализуются в цитоплазме вокруг ядра. Содержимое везикул и вакуолей подлежит удалению из клетки. в комплексе Гольджи образуются лизосомы. Содержимое лизосом заключено в оболочку, которая снаружи зачастую окаймлена белками. В лизосомах содержатся ферменты. Расщепляющие нуклеиновые кислоты, жиры, полисахариды.

Лизосомы подразделяют на первичные и вторичные, первичные называют не активными. Вторичные разделяют на гетеролизосомы (фаголизосомы) и аутолизосомы (цитолизасомы). В фаголизасомах переваривается материал, поступающий в клетку извне, а в цитолизосомах — материал клетки, выполнивший свои функции и оказавшийся не нужным. Вторичные лизосомы, в которых процесс переваривания завершен, называются телолизосомами.

Главная функция лизосом — гидролитическое расщепление нуклеиновых кислот, белков, жиров, полисахаридов. Эта функция осущетсвляется с помощью набора ферментов в составе лизосом.

Митохондрии — это образования округлой или продолговатой формы, толщиной 0,5 мкм, длиной 5-10 мкм. Оболочка митохондрий состоит из двух мембран — наружной и внутренней. От внутренней отходят листовидной формы кристы, или трубчатой — тубулы. Содержимое митохондрий называется матриксом.

Основная функция митохондрий — накопление энергии в форме аденозинтрифосфата (АТФ). Кроме этого митохондрии участвуют в синтезе гормонов и некоторых аминокислот.

Микротельца относят к сборной группе органелл. Это пузырьки, диаметром 0,1-1,5 мкм с мелкозернистым содержимым. К сборной группе органелл относят пероксисомы, содержащие оксидазы, катализирующие образование пероксида водорода, который разрушается под действием фермента пероксидазы.

Электронной микроскопией в цитоплазме обнаружены микротрубочки, которые выполняют опорную функцию и обеспечивают направленное перемещение внутриклеточных компонентов.

В цитоплазме выявлены так называемые микрофиламенты — длинные, тонкие, иногда собранные в пучки образования. Различают разные типы микрофиламентов. Например, активные микрофиламенты, обеспечивают клеточные формы движения в связи с присутствием в их составе белка актина, способного к сокращению. Промежуточные филаменты выполняют каркасную функцию. Они располагаются по переферии клеток растений, грибов, водорослей обязательно наличие клеточного центра, состоящего из центриоли. Центриоль представляет собой цилиндр диаметром 150 нм, длиной 300-500 нм. Клеточный центр участвует в процессе деления клетки.

Сложные обменные процессы в клетке инициируют поток информации, энергии, веществ. Эти три потока обеспечивают жизнедеятельность клетки. Поток информации, исходящий от генетического аппарата клетки, позволяет ей приобретать структуры, характерные для категории живого, которые обеспечивают существование клетки во времени и передачу наследственной информации о приобретенных структурах в ряду покалений.

Процессы брожения, фотосинтеза, хемоинтеза, дыхания обеспечивают клетку необходимой энергией. Однако, основным механизмом образования потока энергии является дыхательный обмен, в результате которого происходит расщепление глюкозы, жирных кислот, аминокислот и использование выделяемой энергии для образования АТФ. Энергия АТФ преобразуется в определенную работу — химическую, осмотическую, электрическую, механическую, регуляторную.

Клетки по способу извлечения энергии делятся на два основных типа: гетеротрофные и автотрофные. Гетеротрофные клетки (организма человека, высших животных) требуют постоянного притока готового горючего — углеводов, белков, жиров. Автотрофные клетки в процессе фотосинтеза связывают энергию солнечного света, используют ее для своей жизнедеятельности.

Механизмы образования энергии в живой клетке характеризуется необычной эффективностью, оставляя далеко позади достижения современной техники. Так, например, коэффициент полезного действия митохондрии составляет 45-60 %, а этот же показатель двигателя внутреннего сгорания — 17 %.

Процесс дыхания и связанные с ним реакции поставляют клетке не только энергию но и снабжают ее продуктами расщепления пищевых веществ, поступающих извне. Дыхательный обмен является основным фактором, обеспечивающим поток веществ в метаболизме клетки.

6.3 Строение и функционирование бактериальной клетки

Биологами XIX — начала ХХ века бактерии расценивались как примитивные организмы с точки зрения клеточной организации, считались крайним пределом жизни. Авторитетный немецкий ученый Кон писал, что бактерии «мельчайшие» и «простейшие» из всех живых форм образуют пограничную линию жизни, за пределами этих форм жизни не существует.

Однако, по мере развития науки была создана более совершенная микроскопическая техника и новые методы исследования. Применение современных методов исследований при изучении бактериальной клетки — электролитная и фазовоконтрастная микроскопия, дифференцированное центрифугирование, применение изотопов — позволили выявить отдельные клеточные структуры и выяснить их биологическую роль.

Бактериальная клетка имеет сложное строго упорядоченное строение. С анатомической точки зрения бактерия морфологически дифференцирована. В ней различают основные и временные структуры. К основным компонентам клетки относят клеточную стенку, цитоплазмотическую мембрану, цитоплазму с рибосомами, различные включения, нуклеоид. Эти структуры встречаются только на определенных стадиях развития бактерий.

Клеточная стенка — прочная, упругая структура, располагающаяся между цитоплазмотической мембраной и капсулой, а у бескапсульных видов бактерий — это внешняя оболочка клетки. клеточная стенка — тонкая бесцветная структура, она не видима в обыкновенный микроскоп без специальной обработки. Клеточная стенка придает бактериям постоянную форму и представляет собой скелет клетки. Ее можно рассматривать при световой микроскопии только у крупных форм бактерий. Например, у серобактерии Beggiatoa mirabilis стенка отчетливо видна и имеет двухконтурное строение. Стенку бактериальной клетки можно рассмотреть при плазмолизе в затемненном поле зрения микроскопа. Клеточной стенки не имеют микоплазмы и L-формы бактерий, для всех остальных прокариот она является обязательной структурой. Стенка клетки составляет в среднем 20 % сухого веса бактерий, толщина ее может достигать до 50 нм и более. Клеточная оболочка выполняет жизненно необходимые функции: защищает бактерию от повреждающих факторов внешней среды, осмотического шока, участвует в обмене веществ и в процессе деления клетки, содержит поверхностные антигены и специфические рецепторы для фагов, осуществляет транспортирование метаболитов. Оболочка бактерии полупроницаема, что обеспечивает избирательное проникновение питательных веществ в клетку из внешней среды. Опорный полимер клеточной стенки называется пептидогликаном (синонимы: мукопептид, муреин — от латинского murus — стенка) образует сетчатую структуру ковалентно связан тейховыми кислотами (от греческого teichos — стенка). При исследовании ультратонких срезов клеточной стенки было установлено, что она равномерно прилегает к подлежащим структурам, пронизана порами, благодаря которым осуществляется поступление различных веществ в клетку и, наоборот. Полученные фотограммы показали, что клеточная стенка характеризуется не одинаковой электроннооптической плотностью, т. е. обладает слоистостью. Стенка обрамляет бактерию, ее толщина и плотность одинаковы по всему периметру микробной клетки. На долю клеточной стенки приходится от 5 до 50 % сухих веществ клетки.

При изучении анатомии микроорганизмов с помощью светового микроскопа возникла необходимость в их окраске. Эта необходимость была реализована Х. Грамом, который в 1884 году предложил метод окраски, названный его именем и широко используемый для дифференцирования бактерий и в наше время. По отношению к окраске по Граму, все микроорганизмы подразделяются на две группы: грамположительные (грампозитивные) и грамотрицательные (грамнегативные). Сущность метода заключается в том, что грамположительные бактерии прочно связывают комплекс генцианвиолета и йода, который не обесцвечивается этанолом и не воспринимает дополнительный краситель фуксин, оставаясь окрашенными в сине-фиолетовый цвет. У грамотрицательных бактерий, упомянутый комплекс, вымывается из тела бактерий этанолом и они окрашиваются при обработке фуксином в красный цвет (цвет фуксина).

Такое окрашивание прокариот по Граму объясняется специфическим химическим составом и строением их клеточной стенки. Клеточная стенка грамположительных бактерий массивная, толстая (20-100 нм), плотно прилегает к цитоплазмотической мембране, большая часть ее химического состава представлена пептидогликаном (40-90 %), который связан с тейховыми кислотами. Стенка грамположительных микроорганизмов содержит в небольшом количестве полисахариды, липиды, белки. Структурные микрофибриллы пептидогликана сшиты прочно, компактно, поры в нем узкие и поэтому фиолетовый комплекс не вымывается, бактерии окрашиваются в сине-фиолетовый цвет.

Строение и состав грамотрицательных микроорганизмов характеризуется некоторыми особенностями. Клеточная стенка у грамнегативных бактерий тоньше, чем у грамположительных и составляет 14-17 нм. Она состоит из двух слоев: внешнего и внутреннего. Внутренний слой представлен пептидогликаном, который в виде тонкой (2 нм) непрерывной сетки опоясывает клетку. Пептидогликан у грамотрицательных бактерий составляет 1-10 %, микрофибриллы его сшиты менее прочно, чем у грамположительных бактерий, поры шире и поэтому комплекс генцианвиолета и йода вымывается из стенки этанолом, микроорганизмы окрашиваются в красный цвет (цвет дополнительного красителя — фуксина). Внешний слой содержит фосфолипиды, монополисахариды, липопротеин и белки. Липополисахарид (ЛПС) клеточных стенок грамотрицательных бактерий, токсичный для животных, получил название эндотоксина. Тейховые кислоты у грамотрицательных бактерий не обнаружены. Промежуток между клеточной стенкой и цитоплазмотической мембраной получил название периплазматического пространства, в котором содержатся ферменты.

Под влиянием лизоцима, пенициллина и других соединений синтез клеточной стенки нарушается и образуются клетки с измененной формой: протопласты — бактерии полностью лишенные клеточной стенки и сферопласты — бактерии с частично разрушенной клеточной стенкой. Протопласты и сферопласты имеют сферическую форму и в 3-10 раз крупнее исходных клеток. В условиях повышенного осмотического давления они могут расти и даже размножаться, а в обычных условиях наступает их лизис и гибель. При снятии ингибирующего фактора протопласты и сферопласты могут реверсировать в исходную форму, иногда трансформируются в L-формы бактерий. L-формы бактерий были выделены в 1935 году в институте Листера. Образуются они в результате воздействия на бактерии различного рода L-трансформирующих агентов (антибиотиков, аминокислот, ультрофиолетовых лучей, рентгенизлучения и т. д.). Это бактерии частично или полностью утратившие способность синтезировать пептидогликан клеточной стенки. По сравнению с протопластами и сферопластами они более устойчивы и обладают способностью к репродукции. Возбудители многих инфекционных болезней могут образовывать L-формы.

Цитоплазмотическая мембрана (плазмолемма) — полупроницаемая, трехслойная многопротеидная структура клетки, отграничивающая цитоплазму от клеточной стенки. Это обязательный компонент клетки, составляющий 8-15 % ее сухого вещества. При разрушении цитоплазмотической мембраны клетка гибнет. В химическом отношении мембрана представляет собой белково-липидный комплекс, состоящий из белков (50-70 %) и липидов (15-50 %). Цитоплазматическая мембрана выполняет важные функции в жизнедеятельности клетки. Она является осмотическим барьером клетки, участвует в процессах метаболизма, роста клетки, осуществляет избирательный перенос молекул органических и не органических веществ и т. д. В процессе роста клетки цитоплазматическая мембрана образует инвагинаты — выпячивания, которые получили название мезосом. Мезосомы хорошо выражены у грамположительных бактерий, хуже у грамотрицательных и совсем плохо у риккетсий и микоплазм. Мезосомы, связанные с нуклеоидом бактерии называются нуклеосомами. Они принимают участие в кариопинезе и кариокенезе микробной клетки. Значение мезосом окончательно не выяснено. Предполагают, что они принимают активное участие в процессе дыхания бактерий, поэтому их по аналогии сравнивают с митохондриями. Возможно, мезосомы выполняют структурную функцию и разделяя клетку на отдельные участки способствуют упорядоченности протекания обменных процессов.

Цитоплазма клетки представляет собой полужидкую массу, занимает основной объем бактерии, содержащий до 90 % воды. Состоит она из гомогенной фракции, называемой цитозолем, включающим структурные элементы — рибосомы, внутрицитоплазмотические мембраны, различного типа образования, нуклеоид. Кроме того в цитоплазме наличествуют растворимые компоненты РНК, вещества субстрата, ферменты, продукты метаболизма.

Цитоплазма образует внутреннюю среду клетки, которая объединяет все внутриклеточные структуры и обеспечивает взаимодействие их между собой.

Важнейший структурный компонент клетки проплазмотического типа — нуклеоид, который является аналогом ядра у эукариот. Он свободно располагается в цитоплазме, в центральной зоне клетки, представляет собой замкнутую в кольцо и плотно уложенную на подобие клубка двухнитчатую ДНК. Нуклеоид в отличае от четко оформленного ядра эукариот не имеет ядерной оболочки, ядрышков, основных белков (гистонов). Несмотря на это, считают, что нуклеоид — дифференцированная структура. В зависимости от функционального состояния клетки нуклеоид может быть дискретным и состоять из отдельных фрагментов. Дискретность его объясняется делением клетки и репликацией молекулы ДНК. ДНК нуклеоида является носителем генетической информации бактериальной клетки. При световой микроскопии нуклеоид может быть выявлен в результате окраски бактерий специальными методами (по Фельгену, по Романоскому-Гимзе). Кроме нуклеоида в клетках многих видов прокариот обнаружены внехромосомальные факторы наследственности — плазмиды, которые представляют собой молекулы ДНК, способные к автономной репликацией.

К органоидам клетки относят рибосомы — сферической формы рибонуклеиновые частицы диаметром 15-20 нм. Клетка прокариотического типа может содержать от 5 до 20 тысяч рибосом. Рибосома состоит из малой и большой субъединиц, обладающих по Свербергу константами сидиментации от 30 и 50 S, соответственно. Одна молекула матричной РНК обычно объединяет несколько рибосом наподобие бус, нанизанных на нить. Такие объединения рибосом называют полисомами. Рибосомы обладают высокой синтезирующей активностью, они синтезируют необходимые для жизнедеятельности микробной клетки белки.

В цитоплазме бактерий ваыявлены различного рода включения, которые бывают твердыми, жидкими и газообразными. Они представляют собой запасные питательные вещества (полисахариды, липиды, отложения серы и др.) и продукты обмена веществ.

Капсула — слизистая структура, толщиной более 0,2 мкм, связанная с клеточной стенкой и четко отграниченная от окружающей среды. Она выявляется при световой микроскопии в случае окрашивания бактерий специальными методами (по Ольту, Михину, Бурри-Гинсу). Многие бактерии образуют микрокапсулу — слизистое образование менее 0,2 мкм, выявленное только при электронной микроскопии или же химическими и иммунохимическими методами. Капсула не является обязательной структурой клетки, утрата ее не вызывает гибели бактерии. От капсулы необходимо отличать слизь — мукоидные экзополисахариды. Слизистые вещества откладываются на поверхности клетки, часто превосходя ее диаметр и не имеет четких границ.

Вещество капсул прокариот состоит в основном из гомо- или гетерополисахарид. У некоторых бактерий (например, лейконостока) в капсулу заключено несколько микробных клеток. Заключенные в одну капсулу бактерии представляют собой скопления называемые зоогелями.

Капсула выполняет важные биологические функции. В ней локализуются капсульные антигены, определяющие вирулентность, специфичность и иммуногенность бактерий. Капсула защищает микробную клетку от механических воздействий, высыхания, заражения фагами, токсических веществ, фагоцитоза. У некоторых видов бактерий, в том числе и патогенных, способствует прикреплению клеток к субстрату.

Жгутики являются органоидами движения бактерий. Они представляют собой тонкие, длинные, нитевидные структуры, состоящие из белка флагеллина (от латинского flagellum — жгутик). Этот белок обладает антигенной специфичностью. Длина жгутиков превышает длину бактериальной клетки в несколько раз и составляет 3-12 мкм, а толщина 12-20 нм. Жгутики прикреплены к цитоплазмотической мембране и клеточной стенке специальными дисками. Выявляют жгутики с помощью электронной микроскопии или же в световом микроскопе, но после обработки препаратов специальными методами. Жгутики не являются жизненноважными структурами клетки. Количество жгутиков различно у различных видов бактерий (от 1 до 50) и места их локализации тоже различны, но стабильны для каждого вида. В зависимости от локализации жгутиков различают: монотрихи — бактерии с одним полярно расположенным жгутиком; амфитирихи — бактерии с двумя полярно расположенными жгутиками, или по пучку жгутиков на каждом конце; лофотрихи — бактерии с пучком жгутиков на одном конце клетки; перитрихи — бактерии с множеством жгутиков, располагающихся по всему периметру клетки. Бактерии не имеющие жгутиков называются атрихиями. Жгутики типичны для плавающих палочковидных и извитых форм и в виде исключения встречаются у кокков. Монотрихи и лофотрихи движутся со скоростью 50 мкм в секунду. Обычно бактерии движутся беспорядочно. Под влиянием факторов внешней среды бактерии способны к направленным формам движения — таксисам. Таксис может быть положительным и отрицательным. Различают хемотаксис — обусловлен разницей концентрации химических веществ в среде, аэротаксис — кислорода, фототаксис — интенсивности освещения, магнитотаксис — характеризуется способностью микроорганизмов ориентироваться в магнитном поле.

Пили (ворсинки) — нитевидные образования более короткие, чем жгутики. Длина их достигает от 0,3 до 10 мкм, толщина 3-10 нм. Пили берут начало от цитоплазмотической мембраны, они обнаружены у подвижных и не подвижных форм микроорганизмов. Выявить их можно только с помощью электронной микроскопии. На поверхности бактериальной клетки может быть от 1-2 до нескольких десятков, сотен и даже тысяч пилей. Пили состоят из белка пилина, они обладают антигенной активностью.

Различают пили общего типа и половые. Первые ответственны за адгезию, т. е. прикрепление бактерий к поражаемой клетке, питание, водно-солевой обмен, слипание бактерий в агломераты, вторые — передачу наследственного материала (ДНК) от донора к реципиенту. У одного и того же вида бактерий могут быть пили обоих типов.

Споры (эндоспоры) — это особая форма покоящихся клеток, характеризующаяся резким снижением уровня метаболизма и высокой резистентностью. Споры образуются при неблагоприятных условиях существования бактерий. Внутри одной клетки образуется одна спора. Спорообразование наблюдается при дефиците питательных веществ, изменении рН, недостатке С, N, Р, высушивании, накоплении в окружающей клетку среде продуктов метаболизма и т. д. Споры характеризуются репрессией генома, анаболизмом, малым содержанием воды в цитоплазме, повышением концентрации катионов кальция, появление дипиколиновой кислоты.

Споры в поле зрения светового микроскопа имеют вид овальных, сильно преломляющих свет образований размером 0,8-1,5 мкм. Бактерии у которых размер споры не превышает диаметр клетки называются бациллами, а у которых превышает — клостридиями. Спора в клетке может располагаться центрально, ближе к концу — субтерминально, на конце бактерии — терминально. Строение споры сложное, но однотипное у разных видов бактерий. Центральная часть споры называется спороплазмой, в состав ее входят нуклеиновые кислоты, белки и дипиколиновая кислота. В спороплазме располагаются нуклеоид, рибосомы и нечетко выраженные мембранные структуры. Спороплазму обрамляет цитоплазмотическая мембрана, за которой следует зачаточный пептидогликановый слой, затем располагается массивный слой коры или иначе кортекса. На поверхности кортекса имеется наружная мембрана. Снаружи спора одета многослойной оболочкой, которая вместе со специфическими элементами споры и дипиколинатом кальция обуславливают ее устойчивость. Основное назначение спор — сохранение бактерий в неблагополучных условиях внешней среды. Споры устойчивы к действию высоких температур, химических веществ, могут длительное время существовать в покоящемся состоянии десятками и даже сотнями лет.

генетика наследственность биотехнология

7. Химический состав и структура вирусов

Вирусы являются внутриклеточными паразитами человека, животных, растений, бактерий, грибов и других живых существ. Вирусы представляют собой внеклеточные формы жизни, имеющие собственный геном и обладающие способностью к самовоспроизведению лишь в клетках более высокоорганизованных существ. Они существуют в двух формах: внеклеточной (покоящейся) и внутриклеточной (размножающейся, репродуцирующейся) или вегетативной. Внеклеточные формы обозначают термином «вирусная частица», «вирусный корпускул», а внутриклеточные формы — термином «комплекс вирус-клетка».

Все вирусы подразделяют на две группы: простые и сложные. Простые вирусы содержат нуклеиновую кислоту и несколько кодируемых ею полипептидов. Сложные вирусы состоят из нуклеиновой кислоты, липидов и углеводов, которые имеют клеточное происхождение, т. е. у большинства вирусов не кодируются вирусным геномом. В исключительных случаях в вирион включаются клеточные нуклеиновые кислоты или полипептиды.

В состав вирусов входят нуклеиновые кислоты и белки. Белки и нуклеиновые кислоты неразрывно связаны между собой. Синтез белков не возможет без нуклеиновых кислот, а синтез кислот — без активного участия белков, ферментов. Известно, что нуклеиновые кислоты и белки состоят из С, О, Н, N, P, S. геном вируса представлен ДНК или РНК. По строению генома зрелые вирусные частицы подразделяют на следующие группы:

  1. Вирусы, геном которых — одноцепочная молекула РНК, обладающая матричной активностью;
  2. Вирусы, геном которых — одноцепочная РНК не обладающая матричной активностью;
  3. Вирусы с одноцепочной фрагментированной РНК, не обладающей матричной активностью;
  4. Вирусы, геном которых состоит из нескольких молекул РНК, обладающих матричной активностью;
  5. Вирусы с двухцепочной фрагментированной РНК;
  6. Вирусы с линейной одноцепочной ДНК;
  7. Вирусы с двухцепочной циркулярной ДНК;
  8. Вирусы с двухцепочной линейной инфекционной ДНК;
  9. Вирусы с двухцепочной линейной неинфекционной ДНК.

По нуклеотидному составу ДНК вирусов беспозвоночных животных более разнообразна, чем ДНК позвоночных. Нуклеиновые кислоты вирионов в большинстве случаев имеют вирусное, а не клеточное происхождение. Инфекционность вирусов связана с нуклеиновой кислотой, а не с белком, входящим в их состав. Это было доказано немецкими учеными Г. Шраммом и А. Гирером (1956). Нуклеиновые кислоты являются хранителем всей генетической информации вируса. Их химический состав и структура принципиально не отличаются от нуклеиновых кислот более высокоорганизованных существ (бактерий, простейших, животных). Большую часть вирусной частицы составляют белки в состав которых входят те же аминокислоты, что и белки других организмов. Вирусный белок представлен в основном полипептидами одного-трех типов. Белки на поверхности вирусной частицы представляют собой антигены, ответственные за образование антител у инфицированных животных. Основная часть белков — это белки, синтезированные в восприимчивой клетке по информации генома вируса. В редких случаях возможно включение белков инфицированной клетки в липопротеидные оболочки и сердцевину некоторых вирусов (вирус птичьего миелобластоза, икосаэдрические вирусы).

Белки вирусов подразделяют на белки капсида, сердцевины, оболочки и ферментативные белки. Помимо белков в липопротеидной оболочки обнаружены липиды и углеводы. Углеводы преимущественно содержаться в гликопротеидных пепломерах на поверхности вирусной частицы.

В составе вирусов обнаружены минеральные вещества К, Na, Ca, Mg, Fe. Они участвуют в формировании связей белка с нуклеиновой кислотой.

Белки вирусов выполняют защитную (защищают от неблагополучного воздействия окружающей среды) и адресную (имеют рецепторы к определенной чувствительной клетке) функции. Кроме этого белки вирусов облегчают проникновение их в восприимчивую клетку.

Функции нуклеиновых кислот вирусов заключаются в следующем. Они программируют наследственность вирусов, участвуют в синтезе белка, отвечают за инфекционные свойства вирусных частиц.

Отдельная вирусная частица получила название вирион. Белковая оболочка вириона называется капсидом. Капсиды состоят из поверхностных белковых субъединиц, которые в свою очередь образованы белковыми молекулами. Различают следующие уровни сложности строения капсида. Первый уровень — отдельные полипептиды (химические единицы), второй — капсомеры (морфологические единицы), которые состоят из одной или нескольких белковых молекул, третий — пепломеры (молекулы, которые образуют выступы на липопротеидной оболочке вириона).

Для вирусов характерны два типа симметрии строения капсида: кубический и спиральный. Вирусы с кубическим типом симметрии называются изометрическими. Все известные ДНК-содержащие вирусы животных обладают изометрическими капсидами. Кристаллографические данные свидетельствуют о трех типах фигур с кубическим типом симметрии: тетраэдр, октаэдр и икосаэдр. Икосаэдрическая симметрия для вирусов предпочтительнее, так как этот тип симметрии наиболее экономичен.

Вирусы со спиральным типом симметрии строения капсида характеризуются тем, что капсид у них построен из одинаковых, спирально расположенных белковых субъединиц (капсомеров).

Бактериофаги (вирусы бактерий) в структурном отношении представляют собой сочетание двух типов симметрии: кубический и спиральной. Головка их представляет собой кубическую структуру, а отросток — спиралевидную.

Характер взаимодействия между нуклеиновой кислотой и капсомерами у вирусов с различным типом симметрии строения капсида различается. У вирусов со спиральным типом строения капсида белковые субъединицы тесно взаимодействуют с нуклеиновой кислотой. У икосоэдрических вирусов максимально выраженного регулярного взаимодействия между каждой белковой субъединицей и нуклеиновой кислотой не существует.

8. Материальные основы наследственности

Ядро клетки впервые подробно описал Р. Броун (1831), после чего оно стало предметом исследований многих биологов. Было установлено, что ядро является важнейшим органоидом клетки, обеспечивающим его жизнедеятельность. В процессе изучения клетки выяснилось, что жизнедеятельный цикл ее состоит из двух периодов: интерфазы (периода между двумя делениями) и деления. Во время деления клетки в ее ядре были обнаружены хорошо окрашивающиеся основными красителями тельца, которые впервые наблюдал в 1890 году немецкий ученый В. Вальдейтер и назвал их хромосомами (от греческого chroma — цвет, soma — тело).

По мере развития цитологии была установлена решающая роль в наследственности ядра клетки, а точнее локализованных в нем хромосом. Многими экспериментаторами доказано, что хромосомы являются структурами выполняющими роль материальных носителей наследственности. В хромосомах расположены единицы наследственности — гены.

Строение и функции хромосом. Хромосомы — структуры ядра клеток сложноорганизованные в морфологическом отношении, обеспечивающие передачу наследственной информации, способные к самовоспроизведению своих свойств в ряду поколений.

Хромосомы были обнаружены видными цитологами Флеммингом (1882) и Страсбургером (1884). Название им предложено Вальдейером (1888).

Морфологию хромосом обычно изучают в период метафазы, когда тело их хорошо сформированно и на нем рельефно выделяются структурные элементы. Хромосомы хорошо окрашиваются основными красителями — гамотоксином, фуксином,сафранином и другими.

Каждый вид растений и животных имеет определенное, постоянное число хромосом, которое содержится во всех клетках организма. Число хромосом является характерным видовым признаком, и его используют как критерий для определения систематического положения видов растений и животных.

Число хромосом не зависит от величины и массы животного или растения, а также уровня их организации.

Например, у человека 46 хромосом, у мыши — 40, шимпанзе — 48, лошади — 66, коровы — 60, таракана — 48, папоротника — 500, ржи — 14, а у некоторых споровых растений и простейших достигает сотен и даже тысяч. Количество хромосом, содержащихся во всех клетках тела любого организма диплоидное ( от греческого diploos — двойной, eidos — подобный). Диплоидное число хромосом обращается в результате слияния двух половых клеток, в которых из количество одиночное (гаплоидное). Гаплоидный набор хромосом обозначают буквой n, диплоидный — 2n. Диплоидный набор представлен парами, т. е. любой хромосоме в нем соответствует такая же по величине и форме хромосома. Такие парные (аналогичные) хромосомы называют гомологичными (от греческого homologos — согласный). Хромосомылюбой клетки различаются между собой по величине и форме. Размеры и формы хромосом у любого вида постоянны, что позволяет их различить и даже нумеровать.

На теле хромосомы всегда имеется первичная перетяжка, разделяющая ее на два плеча. Расположение этой перетяжки всегда постоянно и по этому признаку хромосомы делят на три типа: равноплечие (метацентрические), неравнопелчие ( субметацентрические), разноплечие (акроцентрические). У равноплечих центромера делит хромосому на два плеча равной или почти равной длины, у неравноплечих — не равные плечи, у разноплечих — одно плечо очень короткое. Первичную перетяжку иначе называют кинетической. В месте первичной перетяжки располагается центромера (от латинского — центр, meros — часть). Центромера — плотное сферическое тельце, управляющее движениями хромосомы в митозе. В месте нахождения центромеры хромосома тоньше.

Цитологами обнаружены хромосомы, которые имеют вторичную перетяжку, не выполняющую кинетических функций. Эта перетяжка обычно расположена у конца хромосомы, отделяя от нее участок под названием спутник, который соединяется с телом хромосомы тонкой нитью. Наличие спутников впервые установил С.Г. Навашин (1912). Полагают, что спутники имеют отношение к образованию ядрышка.

В слюнных железах некоторых видов насекомых обнаружены гигантские или политенные хромосомы, которые по форме напоминают длинные ленты и в сотни разпревосходят по величине метафазные хромосомы. Необычную величину этих хромосом связывают с энергичной секреторной деятельностью слюнных желез.

Необходимо отметить, что форма и величина хромосом, могут изменятся в ходе онтогенеза, под влиянием внешних условий, экспериментальных воздействий.

Каждый вид организма имеет только присущий ему набор хромосом, получивший название кариотипа (от греческого karyon — ядро и hypos — отпечаток). Этим термином обозначают совокупность хромосом клетки организма и характерных для них признаков (число, величина, форма, расположение центромера и т. д.).

Кариотип можно представить в виде схемы, диаграммы или рисунка, называют идиограммой.

Более тонкое строение хромосом было изучено с применением метода электронной микроскопии. Установлено, что хромосома состоит из двух перевитых продольных половинок, названных хромотидами. Хроматиды состоят из одной или нескольких нуклеопротеидных нитей, которые были названы хромонемами (Вейдовский, 1912). Хроменемы являются постоянными субъединицами хромосом. Обычно хромонемы закручены в спираль. Известны спирали двух типов — паранемические и плектонемические. Первые характерны тем, что их компоненты могут разъединятся без предварительного раскручивания, вторые — разъединяются только после предварительного раскручивания, так как их компоненты тесно переплетены друг с другом.. Хромонемы имеют утолщения, которые названы хромомерами, впервые обнаруженные Бальбиони (1876). Считают, что хромомеры представляют собой плотно спирализованный участок хромонемы.

Свойства хромосом, обеспечивающих передачу наследственных признаков, определяются их химическим составом. Использование при изучении химического состава хромосом цитохимических, биохимических и других методов позволило установить, что общий состав хромосом представлен в основном ДНК и РНК. В комплексе с основным белком ДНК составляет около 90 % массы хромосом и около 10 % приходится на долю РНК в состоянии с кислым белком (рибонуклеопротеид — РНП) и негистонными белками. Роме этого в хромосомах обнаружено незначительное количество Fe, Zn, Ca, Mg. Каждая хромосома имеет постоянное количество ДНК, что весьма важно, так как эта кислота несет генетическую информацию. ДНК хромосом всегда связана с основными белками (гистонами), образуя дезоксирибонуклеопротеид (ДНП). Гистоны являются ядерными белками с высоким содержанием основных аминокислот (лизина и аргинина), что придает им основные свойства. Кроме этого они содержат почти полный набор аминокислот. Ядро клеток организма одного вида имеет одинаковые гистоны. Эти белки во многом определяют структурную организацию и функционирование хромосом. Они влияют на характер спирализации хромосом и выполняют роль репрессоров по отношению к генам. Количество РНК в хромосомах более изменчиво, чем ДНК и зависит от принадлежности клеток к различным тканям. Считают, что содержание РНК в хромосомах зависит от функционального состояния их и интенсивности процессов метаболизма в клетке.

Заключительная роль в функционировании хромосом принадлежит Са и Мg. При удалении этих веществ, хромосомы утрачивали целостность и фрагментировались, что является свидетельством участия Са и Мg в соединении молекулы ДНК. К тому же, катионам Мg принадлежит важная роль в активации ферментов.

Хромосомы, взаимодействуя с внехромосомными механизмами, обеспечивают хранение генетической информации, использование ее для создания и поддержания клеточной организации, регуляцию свертывания закодированной информации, удвоение материала наследственности и передачу его материнской клеткой дочерним.

8.1 Нуклеиновые кислоты — молекулярные носители наследственности

Не зависимо от степени сложности все органические формы содержат белки и нуклеиновые кислоты — биологические полимеры. Белки и нуклеиновые кислоты тесно взаимодействуют в ходе обменных процессов, протекающих в клетке. Они входят в состав хромосом. Собственно, хромосома представляет собой нуклеопротеидную структуру, состоящую из дезоксирибонуклеиновой кислоты, основных белков гистонов, негистоновых белков и небольшого количества рибонуклеиновой кислоты. Белки оказались генетическими производными нуклеиновых кислот. У всех организмов (прокариот и эукариот), за исключением некоторых РНК — содержащих вирусов, молекулярным носителем наследственности является ДНК. Нуклеиновые кислоты были выделены из ядер клеток человека Ф. Мишером (1869), а затем из спермиев лососей. Выделенное вещество он назвал нуклеином (от латинского nucleus — ядро), подчеркнув этим локализацию вещества в ядре клеток.

Было установлено, что ДНК локализована преимущественно в ядре клеток, а РНК находится в ядре и цитоплазме.

Важнейшее свойство клетки — способность к ее самовоспроизведению. Но, кроме ДНК, ни один составной компонент клетки и входящие в ее состав белки такими свойствами не обладают. Способность ДНК к саморепродукции имеет громадное значение в процессе роста, деления и размножения клеток одного и того же организма (печени, мышечной ткани, нервной ткани) содержат в ядрах одинаковое количество ДНК.

Доказательства роли нуклеиновых кислот как носителей наследственности получены на бактериях и вирусах, которые в генетике содержат в качестве модельных организмов. Работы Ф. Гриффитса (1928) послужили основанием доказательства ведущей роли ДНК в наследственности. Ученым в опытах были использованы пневмококки, бактерии, вызывающие воспаление легких и гибель мышей (штамм S бактерии, образующие капсулу) и не вызывающие их гибели (штамм R — бескапсульные бактерии). Ф. Гриффитс заражал мышей смесью живых бескапсульных бактерий R-штамма и убитых нагреванием капсульных пневмококков S-штамма, в результате чего животные заболевали и погибали, а выделенные из их организма пневмококки были как R-, так и S-штаммов. Опыты свидетельствовали о превращении (трансформации) некоторых бескапсульных бактерий R-штамма (не вирулентных) в вирулентные капсульные бактерии S-штамма.

В 1944 году О. Эвери с сотрудниками доказал, что фактором генетической трансформации у пневмококков, задействованных в опытах Ф. Гриффитса, служит ДНК. Доказательства этому были представлены в результате проведения следующих опытов. В питательную среду с бескапсульными штаммами бактерий добавили ДНК, выделенную от капсульных бактерий, в результате чего бескапсульные бактерии превращались в капсульные, т. е. получали эффект трансформации. Трансформация была эффективной даже при разведении ДНК в миллион раз. Эффект трансформации у микроорганизмов был получен по ряду других признаков (чувствительность к антибиотикам, способность синтезировать аминокислоты и т .д )

Известно, что при размножении бактериофагов (вирусов бактерий) они прикрепляются к бактериальной клетке и как шприцем впрыскивают в нее свою внутреннюю нить ДНК, а белковая оболочка остается снаружи бактерии. Нить ДНК самовоспроизводится, все ресу4рсы клетки используются на синтез губительного для нее бактериофага. Клетка бактерии гибнет, а частицы бактериофага выходят наружу и заражают новые клетки. Следовательно молекулы ДНК фага обладают наследственной информацией, необходимой для образования и развития частиц бактериофага.

Ярким свидетельством генетической роли ДНК были эксперименты А. Херши и М. Чейза (1952). Сущность этих опытов заключалась в следующем. Меченые атомы фосфора вводили в ДНК бактериофага, в меченые атомы серы — в его белковую оболочку. Было установлено, что в последующих поколениях бактериофага удавалось обнаружить частицы, меченного фосфора, а не серы, т. е. наследственность бактериофага передается через ДНК, а не через белок.

Создание гибридных вирусов также является доказательством ведущей роли ДНК в наследственности. Нить ДНК и РНК у вирусов окружена белковой оболочкой. Белковая оболочка определенного вида вируса может быть удалена и нити ДНК или РНК приданы белковые вещества от другого вида вируса. Такой гибридный вирус приобретает свойства того вида вируса, от которого взята нуклеиновая кислота.

Белки являются структурной основой всех клеток, органов и тканей животного организма. В комплексе с другими веществами они образуют различного рода клеточные структуры. Составными элементами молекул любого белка являются 20 аминокислот. Белки различаются между собой по количеству определенных кислот и порядку их расположения в полипептидных цепях. Уместно напомнить аминокислоты, входящие в состав белка: аланин, аргинин, аспарин, аспарогиновая кислота, цистеин, глутаминовая кислота, глктамин, глицин, гистоидин, изолейцин, лейцин, метионин, фенилаланин, пролин, серин, треонин, триптофан, тирозин, валин. Белок представляет собой биологический полимер. Мономерами этого полимера служат аминокислоты, в молекулах которых имеются две группы атомов: аминная группа (NH2) и кислотная (СООН). Условно обозначая кислоту, например, буквой А мы можем изобразить последовательность аминокислот в каком либо определенном белке: А7-А9-А15-А2-А6……А18. Последовательность аминокислот в молекуле белка определяет его свойства.

Генетический аппарат бактерий представлен молекулой ДНК, которая в виде нуклеотида располагается в центральной части цитоплазмы. У вирусов геном представлен ДНК или же РНК. Молекула ДНК состоит из большого числа нуклеотидов. Каждый нуклеотид представляет собой соединение из фосфата, сахара и азотного основания. В ДНК входит сахар дизоксирибоза, в РНК — рибоза. В молекулу ДНК вирусов и фагов может входить от нескольких тысяч до сотен тысяч нуклеотидов, в ДНК бактерий и простейших до 10 млн., а в ДНК высших организмов до 1 млрд.

Английский ученый Ф. Крик и американский Дж. Уотсон (1953) обосновали представление о ДНК. По их мнению молекула ДНК состоит их двух нитей, спирально закрученных одна вокруг другой. Диаметр двойной спирали ДНК равен 2 нм, а расстояние между витками 3,4 нм. На каждый виток спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Расстояние между азотистыми основаниями составляет 0,34 нм. Ее сравнивают с винтовой лестницей. Если свернутую в спираль ДНК развернуть, то она принимает вид лестницы. Сахар и фосфат составляют основу продольных нитей, «перекладины» состоят из азотистых оснований. Азотистые основания — плотные кольцевидные соединения из атомов С и N (аденин, гуанин, тимин, цитозин). Одни и те же у всех видов организмов. ДНК разных видов различается порядком чередования указанных азотистых оснований. Как известно, в состав белков входят 20 аминокислот. Каждой аминокислоте соответствует определенный триплет, т. е. три азотистых основания. Совокупность всех триплетов получила название генетического кода. Код одинаков у бактерий, вирусов, простейших, животных, человека, так как последовательность чередования триплетов в молекуле ДНК и молекуле определенного белка оказываются единственными во всем органическом мире. В этом единстве строения ДНК — величайшее единство органического мира. Азотистые основания в ДНК двух видов:

  1. Двухкольцевые (пуриновые) — аденин, гуанин — 12 ангстрем;
  2. Однокольцевые (пиримидиновые) — тимин, цитозин — 8 ангстрем.

Азотистые основания нуклеотидов заключены внутри между витками спирали ДНК и соединены водородными связями, которыетребуют строгой парности оснований. А именно, Аденин связывается с Тиамином, Гуанин с Цитазином.

Английский биохимик Э. Чаргафф (1960), а затем советские ученые А.Н. Белозерский и А.С. Спирин показали, что в любой ткани растений и животных, в бактериальной клетке и вирусной частице, содержание молекул аденина равно содержанию молекул тимина, а содержание цитозина — содержанию гуанина. Это правило нуклеотидных отношений

(А + Г/Т + Ц = 1),

содержащее в основе строения всех ДНК получило название по имени автора — правило Чаргоффа. Сумма пуриновых оснований в любой молекуле равна сумме пиримидиновых оснований. Эта закономерность обоснована на большом количестве видов организмов. Она является доказательством того, что внутри спирали ДНК против каждого пуринового основания находится пиримидиновое и, наоборот. Согласно правила Чаргоффа аденин одной цепи ДНК связан только с тимином другой, а гуанин только с цитозином. Пара адение-тимин связана двумя водородными связями, а гуанин-цитозин — тремя. Такая закономерность соединения азотистых оснований называется комплементарностью, а азотистые основания комплементарными, т. е. взаимно дополняющими друг друга. Азотистые основания ориенитрованы к середине спирали. Для хромосом эукариотов характерно линейное строение молекулы ДНК, у прокариотов молекула ДНК замкнута в кольцо.

Комплементарность азотистых оснований в молекуле ДНК составляет главную сущность молекулярных основ наследственности и позволяет понять, как при делении клетки синтезируются тождественные молекулы ДНК.

Перед каждым удвоением хромосом и делением клетки происходит репликация (удвоение) ДНК. Репликацией называют процесс самокопирование молекулы ДНК с соблюдением порядка чередования нуклеотидов, присущего материнским комплементарным нитям.

Спиралевидная двухцепочная ДНК сначала расплетается (раскручивается) вдоль оси, водородные связи между азотистыми основаниями рвутся и цепи расходятся. Затем, к каждой цепи пристраиваются комплементарные азотистые основания и образуются две новые дочерние молекулы ДНК. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называют полуконсервативным.

Процесс реплдикации осуществляется с помощью ферментов, которые получили название ДНК-полимераз. Участок молекулы ДНК, в котором начали расплетаться комплементные нити, называется вилкой репликации. Она образуется у прокариот в определенной генетически детерминированной точке. В молекуле ДНК у эукариот таких точек инициации репликации («стартовых точек») бывает несколько. У эукариот процесс репликации ДНК идет неодинаково. Объясняется это тем, что полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК антипараллельны, т. е. 5′-конец одной цепи соединяется с 3′-концом другой, и наоборот. Материнская цепь, на которой синтез идет от точки старта 5′->3′ в виде сплошной линии, называется лидирующей, а вторая цепь, на которой синтез идет от 3′->5′ (в противоположном направлении) отдельными фрагментами получила название запаздывающей. Синтез этой цепи сложнее синтеза лидирующей цепи. Он протекает с участием фермента лигазы отдельными фрагментами. Эти фрагменты (участки кодовой нити ДНК) содержат у эукариот 100-200, а у прокариот 1000-2000 нуклеотидов. Они получили название фрагментов Оказаки, по имени открывшего их японского ученого.

Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой точки образует единицу репликации — репликон. Репликация начинается с определенной точки (локус ori) и продолжается до тех пор, пока весь репликон не будет дуплеципрован. Молекулы ДНК прокариотических клеток содержат большое число репликонов, поэтому удваение ДНК начинается в нескольких точках. В разных репликонах удвоение может идти в разное время или одновременно.

Репликация молекул ДНК у прокариот протекает несколько иначе, чем у эукариот. У прокариот одна из нитей ДНК разрывается и один конец ее прикрепляется к клеточной мембране, а на противоположном конце происходит синтез дочерних нитей. Такой синтез дочерних нитей ДНК получил название «катящегося обруча». Репликация ДНК протекает быстро. Так, у бактерии скорость репликации составляет 30 мкм в минуту. За минуту к нитке-матрице присоединяется около 500 нуклеотидов, у вирусов за это время — около 900 нуклеотидов. У эукариот процесс репликации протекает медленно. У них дочерняя нить удлиняется на 1,5-2,5 мкм в минуту.

ДНК всех живых существ устроен одинаково. ДНК разных видов различаются коэффициентом видоспецифичности, который представляет собой отношение молекулярной суммы А + Т к молекулярной суме Г + Ц. Видоспецифичность ДНК выражается процентом или долей в ней ГЦ-пар. Коэффициент видовой специфичности разный у разных видов, но в общем наблюдается изменение ГЦ-пар от прокариот к эукариотам, а в пределах последних — от низших к более высокоорганизованным формам.

Углеводно-фосфатный остов по всей длине во всех молекулах ДНК имеет однотипную структуру и не несет генетической информации. Наследственная информация зашифрована различной последовательностью оснований. А если последовательность оснований определяет характер белков собаки, коровы, бактерии, вируса и т. д., то соответственная наследственность может передаваться из поколения в поколение.

Таким образом, в структорной организации молекулы ДНК можно выделить первичную структуру — полинуклеотидную цепь, вторичную структуру — две комплементарные друг другу полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями, и третичную структуру — трехмерную спираль с определенными пространственными характеристиками.

Биологами доказано, что синтез белка происходит не в ядре, где локализована ДНК, а в цитоплазме. Установлено, что непосредственного участия в синтезе белка ДНК не принимает. Роль посредника, функцией которого является перевод наследственной информации, хранящейся в ДНК, в рабочую форму, выполняют рибонуклеиновые кислоты (РНК). Рибонуклеиновая кислота представляет собой полинуклеотидную цепь, состоящую из 4 разновидностей нуклеотидов, содержащих сахар рибозу, фосфат и одно из 4 азотистых оснований — аденин, гуанин, урацил, цитозин. Поэтому нуклеотиды молекулы РНК называются адениловой, гуаниловой, урациловой или цитидиловой кислотами. Молекулы РНК синтезируются на кодогенной цепи ДНК при помощи РНК-полимераз с соблюдением принципа комплементарности и антипараллельности. Особенностью является то, что аденину ДНК в РНК комплементарен урацил. Известно 3 основных вида РНК, действующих в клетке: информационная (и-РНК) или матричная, транспортная (т-РНК) и рибосомная (р-РНК).

Информация о синтезе белка с определенными свойствами заключена в нуклеотидной последовательности матричных или информационных РНК (и-РНК, м-РНК), которые, в свою очередь, синтезируются на определенных участках ДНК. Процесс синтеза м-РНК называют транскрипцией. Синтез м-РНК начинается с обнаружения РНК-полимеразы, участка в молекуле ДНК, называемого промотором. В этом усатке РНК-полимераза раскручивает спираль ДНК и на одной из них фермент синтезирует м-РНК. Цепь, на которой происходит сборка молекул м-РНК, называют кодогенной. Сборка рибонуклеотидов в цепь происходит с соблюдением принципов комплементарности и антипараллельности, РНК-полимераза продвигается по кодогенной цепи ДНК и осуществляет синтез м-РНК до тех пор, пока не встречает на своем пути терминатор транскрипции (переписывания) — специфическую нуклеотидную последовательность. На участке расположения терминатора транскрипции РНК-полимераза отделяется от цепи ДНК и от синтезированной молекулы м-РНК. Промотор (участок молекулы ДНК), транскретируемая последовательность и терминатор образуют единицу транскрипции под названием транскриптон. После прохождения РНК-полимеразы вдоль молекулы ДНК, пройденные участки объединяются снова в двойную спираль. Образовавшаяся матричная РНК содержит точную информацию о белке, записанную в определенном участке ДНК. Три рядом расположенных нуклеотидов м-РНК шифрует последовательность аминокислот в пептидной цепи белков. Каждому триплету (три нуклеотида — кодон) соответствуют определенные аминокислоты. Существует большое разнообразие и-РНК. Объясняется это тем, что в клетке много разнообразных белков, строение каждого из которых кодируется своим геном, с которого и-РНК считывает информацию.

Транспортные РНК характеризуются небольшими размерами. Они состоят из 75 — 90 нуклеотидов. В силу комплементарности разных участков они замкнуты на себя в нескольких местах, в результате чего вторичная структура представлена в виде клеверного листа с двухцепочным стеблем и тремя одноцепочными петлями. Известно более 60 т-РНК, которые отличаются между собой первичной структурой, т. е. последовательностью оснований. Каждая аминокислота присоединяется к определеной т-РНК. Характерной чертой т-РНК является наличие в головке средней петли трех нуклеотидов получивших название антикодон. Антикодон комплементарен определенному кодону м-РНК. При помощи антикодона т-РНК, кооперируясь с соответствующим кодоном и-РНК, обеспечивает включение определенной аминокислоты в полипептидную цепь синтезируемого белка.

Наследственная информация, хранящаяся в молекулах ДНК, затем «записанная» на м-РНК, расшифровывается благодаря двум процессам. Сначала фермент аминоацил- т-РНК-синтетаза обеспечивает содержание т-РНК с транспортируемой ею аминокислотой, затем аминоацил т-РНК комплементарно соединяе6тся с м-РНК благодаря взаимодействию антикодона с кодоном. Таким образом, с помощью т-РНК язык нуклеотидной цепи м-РНК переводится в язык аминокислотной последовательности пептида.

Предполагают, что боковые петли осуществляют связывание т-РНК с рибосомой и со специфической аминоацил- т-РНК-синтетазой.

Перевод генетической информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот осуществляется на рибосомах. Рибосомы представляют собой сложные комплексы рибосомной рибонуклеиновой кислоты (р-РНК) и разнообразных белков. Рибосомная РНК является структурным компонентом рибосом и обеспечивает связывание и-РНК с рибосомой в процессе биосинтеза белка и взаимодействие ее с т-РНК. Рибосомная РНК накапливается в ядрышках, где происходит образование субчастиц рибосом путем объединения белков с р-РНК. Затем субчастицы рибосом транспортируются через поры ядерной мембраны в цитоплазму.

Рибосомная РНК имеет молекулярный вес 1,5-2 млн. и состоит из 4000-6000 нуклеотидов. Эта нуклеиновая кислота, входящая в состав рибосом, наряду с многочисленными белками выполняет не только структурную, но ферментативную роль. Схема строения ДНК и участок двойной цепи этой кислоты представлены на рисунках 4 и 5.

9. Строение и функционирование генома бактерий

Носителем генетической информации бактериальных клеток является ДНК. Она представляет собой двойную спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепочек. ДНК сравнивают с винтовой лестницей и с двойным электрическим кабелем. Остов ДНК состоит из фосфатных групп и дезоксирибозы. Полипептидные цепи соединены между собой водородными связями, которые удерживают друг с другом комплементарные азотистые основания. Строение ДНК бактерий аналогично таковому клеток эукариотического типа (растений, животных, грибов). В отличие от бактерий у вирусов геном представлен одной нуклеиновой кислотой — ДНК или РНК. Бактериальные клетки, кроме ДНК, могут иметь генетически полноценные образования функционирующие автономно. Необходимо подчеркнуть, что носителями наследственности бактерий кроме ДНК являются плазмиды и эписомы. В этой связи, любая структура бактериальной клетки, способна к саморепликации, называется репликон, т. е. репликонами бактерий являются нуклеотид, плазмиды, эписомы. Плазмиды не связаны с нуклеотидом, они пребывают в цитоплазме клетки автономно, эписомы могут находиться в свободном состоянии, но чаще всего они реплицируются вместе с ДНК.

Бактериальная хромосома представлена одной двунитевой молекулой ДНК кольцевидной формы и называется нуклеотидом. Длина нуклеотида в растянутом виде составляет примерно 1 мм. Нуклеотид — эквивалент ядра. Расположен он в центре бактерии. В отличие от эукариот ядро бактерий не имеет ядерной оболочки, ядрышка и основных белков (гистонов). Нуклеотид можно выявить в световом микроскопе. Для этого надо окрасить клетку специальными методами: по Фельгену или по Романовскому-Гимзе. Электронно-микроскопическое исследование показало, что один конец ДНК прикреплен к клеточной мембране. Видимо, это необходимо для процесса репликации ДНК.

В отличие от клеток эукариот у прокариот отсутствуют митохондрии, аппарат Гольджи и эндоплазмотическая сеть.

Каждая нить ДНК состоит из звеньев — нуклеотидов. В состав нуклеотида входит одно из азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин или цитозин) дезоксирибоза и фосфорная кислота. Приблизительно 1500 нуклеотидов составляют ген средней величины. Таким образом, ген представляет собой определенный участок ДНК, ответственный за проявление и развитие конкретного признака. Гены в ДНК расположены линейно, они дискретны, способны к саморепликации. Последовательность аминокислот в синтезируемом белке, определяется последовательностью нуклеотидов в гене.

С точки зрения функциональной гены подразделяют на структурные, регуляторы, промоторы и гены-операторы.

Структурные гены, представляют собой гены, обуславливающие синтез ферментов, участвующих в биологических реакциях и в формировании клеточных структур.

Гены-регуляторы ответственны за синтез белков, регулирующих обмен веществ. Эти гены могут влиять на деятельность структурных генов.

Гены-промоторы детерминируют начало транскрипции. Они представляют собой участок ДНК, который распознает ДНК-зависимый РНК-полимеразой.

Гены-операторы являются посредниками между структурными генами, промоторной областью и генами-регуляторами.

Совокупность генов-регуляторов, промоторов, операторов и структурных генов называют опероном. Следовательно оперон является функциональной генетической единицей, несущей ответственность за проявление определенного признака микроорганизмов.

Различают индуцибельные и репрессибельные опероны. Например, индуцибельным опероном является Lac-оперон, гены которого контролируют синтез ферментов, утилизирующих лактозу в микробной клетке. Если клетка не нуждается в лактозе, оперон поддерживается в неактивном состоянии и, наоборот.

Примером репрессибельного оперона может служить триптофановый оперон, обеспечивающий продукцию триптофана. Этот оперон обычно постоянно функционирует, а его белок-репрессор находится в пассивном состоянии. В случае повышения содержания триптофана в клетке аминокислота вступает в связь с репрессором и активизирует его. Репрессор ингибирует работающий оперон и прерывает синтез триптофана.

Важнейшее свойство ДНК — способность к репликации. Репликация может протекать по тета-типу и сигма-типу. Репликация ДНК по тета-типу начинается в определенной точке в виде «вздутия» и распространяется вдоль молекулы в двух направлениях, проходя через промежуточную структуру, напоминающую греческую букву тета. При этом типе репликации сохраняется одна из цепей исходной молекулы ДНК, а вторая синтезируется из нуклеотидов.

Репликация ДНК по сигма-типу осуществляется через промежуточную структуру, напоминающую греческую букву сигма, откуда и название этого типа. Этот тип репликации наблюдается в процессе коньюгации бактерий и некоторых фагов. При этом типе репликации происходит достраивание обоих нитей ДНК до двухцепочной ДНК.

Геном бактерий выполняет следующие функции:

  • обеспечивает передачу биологических свойств по наследству;
  • программирует синтез бактериального белка с определенными свойствами;
  • участвует в процессах изменчивости бактерий;
  • обеспечивает сохранение индивидуальности вида;
  • детерминирует множественную устойчивость к ряду лекарственных веществ.

Внехромосомные факторы наследственности

К внехромомсомным факторам наследственности относят плазмиды и эписомы, которые располагаются в цитоплазме клетки. Плазмиды не способны встраиваться в нуклеотид бактерии, они имеют собственную ДНК, которая может самостоятельно реплицироваться. В противоположность плазмидам, эписомы встраиваются в нуклеотид бактерии и функционируют вместе с ним.

Плазмиды, не зависимо от нуклеоида, обеспечивают способность к коньюгации, устойчивость к антибиотикам и другим веществам. Установлено, что наличие плазмид в клетке не обязательно, но в тоже время их может быть несколько. Плазмиды подразделяют на коньюгативные (трансмисивные) и неконьюгативные (на трансмиссивные). Первые — придают клетке свойства генетического донора, детерминируют перенос генетического материала от клетки донора к клетке реципиенту, вторые — не придают клетке свойств генетического донора, не могут передаваться к клетке реципиенту без наличия факторов переноса.

Различают следующие виды плазмид: Соl-фактор — колициногенный фактор, F-фактор — фактор фертильности, R-фактор — фактор устойчивости к лекарственным веществам, плазмиды биодеградации, плазмиды, кодирующие факторы вирулентности у микроорганизмов (Ent, Hly, Sal, K и т. д.)

Col-факторы — это плазмиды, контролирующие синтез бактериоцинов, обладающих способностью подавлять развитие филогенетических родственных бактерий. Название бактериоциногенов присваивают с учетом вида микроорганизмов их продуцирующих. В настоящее время известно, что практически почти все патогенные бактерии продуцируют бактериоцины.

Бактериоцины кишечной палочки называют колицины, стаффилококка — стаффилоцины, пневмококка — пневмоцины, вибриона — вибриоцины и т. д.. Лучше других бактериоцинов изучены колицины. Культуры кишечной палочки, продуцирующие колицины, называют колициногенами, а чувствительные к ним — колициночуствительными . Колицины — вещества белковой природы. Они обладают способностью ингибировать синтез ДНК, РНК, белка, вызывать гибель клетки не нарушая ее целостности. Колицины обладают летальным признаком, т. е. после их продукции бактериальная клетка может погибнуть. Колицины функционируют аналогично антибиотикам с узким спектром действия, обладают свойствами эндодезоксирибонуклеаз.

Бактериальные клетки, выделяющие бактерицины, устойчивы к действию гомологичных бактерицинов окружающей среды.фактор может функционировать автономно и может быть в интегрированном, как эписома, состоянии. Этот фактор представляет собой кольцевую ДНК длиной 30-32 нм, молекула которой детерминирует перенос генетического материала из клетки донора в клетку реципиента, синтез половых ворсинок, синтез ферментов, способность к автономной репликации и т. д.фактор генетическая структура, обеспечивающая устойчивость к лекарственным препаратам. Эта структура несет гены лекарственной устойчивости (ч-гены). Устойчивость к одному или нескольким лекарственным препаратам (антибиотикам) осуществляется за счет оперонов и может быть передана путем коньюгации и трансдукции.

Плазмиды биодеградации ответственны за использование органических соединений бактериями в качестве источников углерода и энергии, за утилизацию ряда сахаров, образование протеолитических ферментов.

Ent-плазмиды кодируют образование энтеротоксинов у энтеробактерий, Hly-плазмида — синтез гемолизинов у энтеропатогенных микроорганизмов и стрептококков. Sal-плазмида контролирует у псевдомонад использование бактериями салицилатов благодаря выработке предназначенного для этой цели фермента.

Последовательности и транспозоны.

Кроме упомянутых выше генетических элементов (плазмиды, эписомы) у микроорганизмов наличествуют подвижные генетические элементы — последовательности и транспозоны, которые могут кодировать свою собственную транспозицию (перенос) от одного нуклеоида к другому или же между нуклеоидом и плазмидами. Такой перенос обусловлен способностью подвижных генетических элементов определять синтез ферментов транспозиции и рекомбинации — транспозаз.

Инсертиционные (вставочные) последовательности (is-элементы, от английского insertion — вставка, sequence — последовательность) обладают следующими свойствами. Они способны перемещаться по геному, реплицируя при этом is-элемент. В процессе репликации первичный экземпляр остается на месте, а копия встраивается в мишень, почти не обладающей специфичностью. Функции, обеспечивающие способность к перемещению (транспозиции) закодированы в самом is-элементе. Транспозиция весьма редкое событие, которое происходит реже, чем спонтанные мутации. В местах смежных по отношению к инсерции возникают делеции и инверсии бактериальных геномов. Встроенная инсерция может либо активировать транскрипцию соседних генов, либо ингибировать их активность. Is-элементы обеспечивают взаимодействие между нуклеоидом, плазмидами и эписомами. В свободном состоянии is-последовательности не обнаружены.

Транспозоны состоят из 2500-20000 и более пар нуклеотидов и могут быть в свободном состоянии в виде кольцевой молекулы, которая обладает способностью перемещаться из хромосомы в плазмиды и наоборот, мигрируя с репликона на репликон. Некоторые умеренные фаги, например Ми-бактериофаг E. Coli, устроены аналогично и представляют собой гигантские транспозоны. Транспозоны могут быть носителями информации отвечающей за продуцирование токсинов и ферментов, ингибирующих антибиотики.

10. Биологический синтез белка

Биологический синтез белка является очень сложным многоступенчатым процессом. В настоящее время доказано, что биосинтез белка происходит не в ядре, а в цитоплазме. Непосредственного участия в синтезе белка ДНК не принимает. Роль посредника, функцией которого является перевод наследственной информации о химическом составе и структуре белков, хранящийся в ДНК, в полипептидную цепь определенного белка выполняют рибонуклеиновые кислоты (и-РНК, т-РНК). Большое значение в биосинтезе белка имеет информационная РНК. Она выполняет роль матрицы. Количество образующихся на ДНК молекул и-РНК определяется числом генов, контролирующих у определенного организма синтез специфических белков. Каждый белок требует для синтеза свой и-РНК, одна молекула которой «списывает» последовательность нуклеотидов с участка ДНК, равному одному гену, а затем, и-РНК переносит эту информацию на последовательность расположения аминокислот в полипептидной цепи белка. Информационная РНК из ядра проникает в цитоплазму и действует на рибосомах по отношению к белкам, как матрица.

Биосинтез белка начинается с процесса под названием транскрипция (от английского transcription — переписывание, копия). На участке определенного гена молекулы ДНК синтезируется м-РНК. Синтез м-РНК осуществляется с помощью многих ферментов, но главная роль принадлежит РНК-полимеразе, которая прикрепляется к начальной точке молекулы ДНК инициации транскрипции под названием промотор, расплетает двойную спираль и синтезирует м-РНК. Промотор расположен перед геном и у эукариотов включает около 80, а у вирусов и бактерий около 10 нуклеотидов.

РНК-полимераза движется вдоль гена и ведет синтез и-РНК. Синтезированная молекула м-РНК отделяется от ДНК, а участки гена на которых образовалась эта кислота, вновь соединяются. Окончание синтеза м-РНК определяет участок, который получил название — терминатор. Нуклеотиды промотора и терминатора узнают специфические белки, которые регулируют активность РНК-полимеразы.

В настоящее время доказано, что сначала синтезируется предшественни м-РНК так называемая про-м-РНК. Эта кислота имеет большие размеры, чем м-РНК и содержит фрагменты не кодирующие синтез пептидной цепи определенного белка. Связано это с тем, что в ДНК наряду с участками кодирующими р-РНК, т-РНК и полипептиды имеются фрагменты не несущие генетической информации. Эти фрагменты получили название интронов, а кодирующие фрагменты названы экзонами. После образования про-и-РНК, происходит процесс созревания м-РНК, который получил название процессинга. В процессе созревания м-РНК интроны удаляются специальными ферментами, а информативные участки (экзоны) соединяются между собой в строгом порядке с помощью ферментов лигаз. Этот процесс называется сплайсингом (от английского splice — сращивать). Биологическое значение и роль интронов остаются не ясными. Однако, установлено, что при считывании в ДНК только экзонов, зрелая м-РНК не образуется.

Следующим этапом биосинтеза является трансляция, которая происходит в цитоплазме на рибосомах. Суть ее в том, что последовательность расположения нуклеопептидов в м-РНК переводится в строго упорядоченную последовательность расположения аминокислот в молекуле синтезируемого белка. Этот процесс протекает при активном участии т-РНК и состоит из активирования аминокислот и непосредственного синтеза белковой молекулы. Свободные аминокислоты активируются и присоединяются к т-РНК при помощи фермента аминоацил-т-РНК-синтеталы. Активированные аминокислоты т-РНК доставляются на рибосомы. Эти органоиды цитоплазмы состоят из двух субчастиц, одна из которых имеет константу седиментации 30 S, вторая 50 S. Молекула м-РНК выходит из ядра в цитоплазму и прикрепляется к малой субчастице рибосомы. Сигналом к трансляции служит стартовый кодон АУГ. Когда т-РНК доставляет к рибосоме активированную аминокислоту, ее антикодон соединяется с комплементарным кодоном м-РНК. Акцепторный конец т-РНК с соответствующей аминокислотой присоединяется к поверхности большой субъединицы рибосомы. Затем следующая т-РНК доставляет следующую аминокислоту и т. д. Молекула м-РНК работает на нескольких рибосомах, соединенных в полисомы. Начало синтеза полипептидной цепи называется элонгацией. Окончание синтеза полипептидной цепи называется терминацией. Терминация наступает когда на м-РНК появляется один из кодонов-терминаторов УАА, УАТ или УГА.

Установлено, что в клетках животных полипептидная цепь удлиняется за 1 секунду на 7 аминокислот м-РНК продвигается на рибосоме на 21 нуклеотид. У микроорганизмов процесс сборки полипептидной цепи протекает в 2-3 раза быстрее. Полипептидная цепь отделяется от рибосомы, высвобождаются т-РНК и м-РНК. Рибосома диссоциирует на субъединицы и вновь способна к синтезу следующей полипептидной цепи. Образующиеся в процессе синтеза белки начинают выполнять специфические функции, и в конечном счете, определяют признаки организма.

11. Изменчивость бактерий

Наследственность консервативна, она обуславливает стабильность вида микроорганизмов, напротив, изменчивость является выражением способности вида приспосабливаться к постоянно меняющимся условиям его обитания. Наследственность и изменчивость неразрывно связаны между собой и размножением микроорганизмов. В популяции бактерий всегда появляются клетки, которые могут менять свои свойства. Если изменение признаков под влиянием факторов различного порядка, связаны с генотипом бактерий, то эти изменения передаются по наследству и могут быть положительно расценены естественным отбором. Новые признаки, обеспечивающие селективное преимущество, закрепляются естественным отбором, меняется генотип вида, осуществляется процесс эволюции.

У микроорганизмов различают фенотипическую (модификационную, ненаследственную) и генотипическую (наследственную) изменчивость.

11.1. Фенотипическая изменчивость

Фенотипическая изменчивость является не наследуемым типом изменчивости, т. е. это различия между микроорганизмами, одинаковыми по генотипу. Эта изменчивость возникает в результате постоянного воздействия на клетку изменяющихся факторов среды обитания. Сходные по генотипу, микроорганизмы могут существенно различаться по фенотипу, т. е. по способу проявления наследственных признаков.

На формирование фенотипа существенное влияние оказывают факторы внешней среды. Известно, что генотипически идентичные организмы в различных условиях существования в определенной степени различаются по своим признакам. Например, изменение содержания жира в молоке животных или массы тела в зависимости от их кормления, изменение количества эритроцитов в крови в зависимости от порциального давления кислорода.

В отличает от особей высший организмов, у которых исследуются признаки каждой особи, у микроорганизмов изучают не признаки одной клетки, а всей культуры, которая включает миллиарды бактерий. Культуры микробов, выращенные на питательной среде, отличаются характером роста, физиологическими и биохимическими признаками. К морфологическим признакам относят окраску, размер, форму, наличие жгутиков, капсул, спор и т. д. К физиологическим признакам культур относятся способность расти при определенной температуре, устойчивость к химическим веществам, облучению, антибиотикам, фагам, различным ядам.

Примером модификационной изменчивости у микроорганизмов может быть образование различных типов адгезинов у гонококка, необходимых для колонизации им кишечника. В качестве примера, можно привести увеличение сальмонелл при добавлении к питательной среде стрептомицина. При переносе таких сальмонелл в питательную среду без стрептомицина бактериальные клетки приобретают типичную для вида величину.

Модификации представляют собой изменения, которые поддерживаются пока действует неблагоприятный фактор. Так, образование L-форм бактерий, лишенных клеточной стенки, происходит под влиянием химиотерапевтических веществ (пенициллина, стрептомицина и т. д.). при снятии действия антибиотиков на культуру бактерий происходит реверсия микроорганизмов в исходные формы. Фенотипическое проявление признака под влиянием условий внешней среды возможно в определенных пределах, называемых нормой реакции, которая допустима генотипом организмов. Некоторые признаки характеризуются широкой нормой реакции. В основном, это количественные признаки (масса микробной клетки, ее величина, пигментация колоний).

Фенотипическое проявление информации, заключенной в генотипе, характеризуется показателями пенентрантности и экспрессивности. Пенетрантность отражает частоту фенотипического проявления имеющейся в генотипе информации, а экспрессивность характеризует степень выраженности признака.

Различают длительную модификацию, которая проявляется в течение нескольких поколений и кратковременную, при которой изменения исчезают при исчезновении действующего фактора внешней среды.

11.2 Генотипическая изменчивость

Генотипическая изменчивость связана с изменением генотипа бактерий. В основе генотипической изменчивости лежат мутации и рекомбинации.

Мутации (от латинского mutatio — изменение) — это изменения структуры ДНК (качественные или количественные), которые возникают под влиянием эндогенных или экзогенных факторов и проявляются наследственно закрепленным изменением одного или многих признаков. В природе мутации возникают без участия экспериментатора и называются спонтанными, а мутации, контролируемые экспериментатором, называются индуцированными. Бактерии с измененными признаками называют мутантами. Спонтанные мутации возникают под влиянием неизвестных причин и лежат в основе эволюции микроорганизмов. Факторы, вызывающие мутации, называются мутагенами. Различают физические, химические и биологические мутагены.

К физическим мутагенам относятся такие факторы, как температура, радиация, ультрафиолетовые лучи, ионизирующие излучения и др.

К химическим мутагенам принадлежат многочисленные химические соединения и вещества, которые могут изменять структуру генов, взаимодействуя с ДНК бактериальной клетки.

Биологическими мутагенами являются бактериофаги и продукты жизнедеятельности клеток, которые накапливаются в питательной среде в результате размножения и роста бактерий.

По широте изменений генома бактерий мутации делят на генные — изменения регистрируют в пределах одного гена, хромосомные — в группе генов, точковые — в одном триплете.

В зависимости от взаимодействия мутагенов на нуклеотид бактериальной клетки или ее плазмиды, мутации делят на нуклеоидные и плазмидные.

По направлению выделяют прямые и обратные мутации. Прямые — это изменения генов бактерий, выделенных из естественной среды обитания. Обратные мутации — это возврат от измененного типа бактерий к естественному типу.

По фенотипическому проявлению различают нейтральные, условно-летальные и летальные мутации.

Нейтральные мутации фенотипически не проявляются. Условно-летальные мутации ведут к изменению, но не к исчезновению функциональной активности фермента. Летальные — это мутации, ведущие к полной потери способности клетки синтезировать жизненно необходимые ферменты, что приводит к ее гибели.

Мутации фенотипически проявляются изменением морфологических, биохимических, вирулентных и других свойств.

Диссоциация — это особый, присущий только бактериям вариант изменчивости, при котором происходит культуральная изменчивость, т. е. расщепление вида и возникновение при росте на плотной питательной среде двух основных типов колоний: S-форма — гладкие (от английского smooth — гладкий) и R-форма (от английского rough — шероховатый) — шероховатые. Между этими формами имеются и переходные М-, О-, Д-формы.

Микроорганизмы из колоний в S-форме обладают хорошо выраженными антигенными и вирулентными свойствами и, напротив, у бактерий из колоний в R-форме эти свойства выражены слабо. Однако, не всегда S-форма микробов является свидетельством их вирулентности. Например, возбудитель сибирской язвы, туберкулеза, чумы вирулентны в R-форме.

В основе диссоциации лежат мутации, спонтанно возникающие в естественной среде обитания микробов или же при культивировании их на искусственных питательных средах.

Диссоциация имеет большое значение для микроорганизмов, так как они, благодаря этому явлению, получают селективное преимущество, обеспечивающее их существование в организме животных и человека, а также во внешней среде. Известно, что S-формы более устойчивы к фагоцитозу, R-формы — к факторам естественной среды обитания.

Геном бактерий способен к репарации. Репарация — это процесс восстановления структуры поврежденной ДНК, который обеспечивается многочисленными ферментами, определяющими состояние этой кислоты. Например, фоторепарация зависит от фотолиаз. Эти ферменты активизируются при образовании тиминовых димеров в ДНК под воздействием ультрофиолетового облучения и деполизируют эти димеры до исходных мономеров.

Наибольшее значение в жизнедеятельности микроорганизмов имеет SOS-репарация или SOS-ответ. SOS-ответ — это реакция микробных клеток на прекращение синтеза нуклеиновых кислот в связи с повреждением ДНК, голоданием клетки, воздействием продуктов метаболизма и т. д. SOS-ответ возникает при критическом состоянии клетки, на грани ее гибели, как реакция направленная на восстановление жизнедеятельности клетки. Например, результатом SOS-ответа у E. Coli является синтез около 25 белков, имеющих непосредственное отношение к репарации, рекомбинации и синтезу ДНК. SOS-ответ у микроорганизмов контролируется SOS-областью. Обычно гены этой области находятся в неактивном состоянии и активизируются лишь в критические для жизни клетки моменты. SOS-репарация обеспечивает развитие микробной популяции в целом и ее адаптацию к изменившимся внешним условиям.

Кроме мутаций у бактерий известны рекомбинационная изменчивость. Рекомбинация — это передача генетического материала от клетки-донора с одним генотипом к клетке-реципиенту с другим генотипом. В результате такой передачи образуются рекомбинанты — т. е. бактерии, обладающие свойствами обоих родителей. Рекомбинация является важнейшим фактором эволюции, т. к. между разными особями происходит обмен генетической информацией, что повышает уровень их приспосабливаемости к различным внешним факторам окружающей среды. Рекомбинации могут наблюдаться на уровне любых живых организмов — от прокариот до высших эукариот.

Различают следующие способы рекомбинационной (комбинативной) изменчивости: трансформация, трансдукция, конъюгация.

Трансформация (от латинского transformo — превращать, преобразовывать) — изменение генома бактерий — реципиента, в результате поглощения из среды свободного фрагмента ДНК клетки-донора.

Впервые явление трансформации начал изучать Ф. Гриффитс (1928), используя в опытах культуры пневмококков. Эти микроорганизмы способны к диссоциации и образуют на плотной питательной среде колонии в S-форме и R-форме. Микроорганизмы образующие S-формы колоний капсульные, они патогенны для белых мышей. Бактерии, формирующие на агаре R-формы колоний бескапсульные, не патогенные для мышей. Фактором патогенности у пневмококков является капсула, что было учтено Ф. Гриффитсом при проведении опытов. Он ввел мышам вместе две культуры пневмококков: одну — непатогенную бескапсульную (R-штамм), а вторую — патогенную с капсулой (S-штамм), но обезвреженную нагреванием. Мыши, получившие смесь упомянутых культур пали. Из крови павших мышей была получена культура, микроорганизмы которой имели капсулу и обладали патогенностью. Контрольные эксперименты продемонстрировали, что введение мышам по отдельности живых пневмококков бескапсульных и убитых нагреванием не приводит к гибели животных. Ученый сделал вывод, что непатогенные клетки R-штамма могут рансформироваться в патогенные пневмококки, обладающие капсулой.

Грачевой (1946) был получен вариант кишечной палочки с некоторыми свойствами характерными для сальмонелл. Она культивировала E. Coli на среде, к которой добавлялась убитая культура сальмонелл.

В результате многочисленных экспериментов было установлено, что путем трансформации могут быть перенесены различные признаки: синтез капсульного полисахарида, синтез различных ферментов, устойчивость к антибиотикам и т. д.

Было обнаружено, что трансформация имеет место чаще в пределах одного вида, но может наблюдаться и между разными видами. В процессе трансформации участвуют две бактериальные клетки: донор и реципиент.

О. Эвери, К. Мак-Леод, М. Мак-Карти (1944) установили, что трансформирующим фактором является ДНК. По их мнению, трансформация представляет собой поглощение изолированной ДНК бактерии донора клетками бактерии реципиента.

Трансформация — сложный биологический процесс, который протекает поэтапно. Первая стадия этого процесса заключается в адсорбции трансформирующей ДНК на поверхности микробной клетки. Вторая — проникновение ДНК через определенные рецепторные участки стенки бактерии-реципиента при помощи специальных белков внутрь клетки. Третья стадия представляет собой спаривание части ДНК донора с ДНК реципиента, четвертая — включение в ДНК реципиента одной из цепей трансформирующего элемента. И пятая — изменение нуклеотида клетки-реципиента в ходе ее последовательных делений. Способность бактерий реципиентов к трансформации была названа компентентностью. Компентентность определяется физиологическим состоянием клетки-реципиента к периодам клеточного цикла.

Трансдукция (от латинского transductio — перенос) — перенос генов из одной бактериальной клетки в другую при помощи бактериофага. Явление трансдукции впервые установили Н. Циндлер и ДЖ. Ледербер (1952). Для исследований они использовали патогенные для белых мышей два штамма S. typhimurium (22 A и 2A). Штамм 22 А — ауксотрофный, не способный синтезировать триптофан (Т), штамм 2А — способный к синтезу триптофана (Т+). В опытах исследователи использовали U-образную трубку, разделенные на изгибе бактериальным фильтром. В одно колено этой трубки с питательной средой засевали бактерии штамма 22 А, в другое — штамма 2А. Опыты показали, что штамм 22 А был лизогенен по фагу Р-22. Этот фаг из лизогенной культуры проходил через бактериальный фильтр, лизировал бактерии штамма 2А, присоединял при этом его генетический материал. Затем фаг возвращался обратно и передавал генетический материал штамма 2А штамму 22А, который приобретал способность синтезировать триптофан.

Явление трансдукции установлено не только у сальмонелл, но и у кишечной палочки и актиномицетов. У бактерий наблюдается трансдукция одного, реже двух и весьма редко трех сцепленных генов.

Различают следующие виды трансдукции: общую (неспецифическую), специфическую и абортивную.

Общая трансдукция характеризуется тем, что фаг играет роль переносчика генетического материала бактерий, т. е. передает в клетку-реципиент любой ген донорской клетки. Сам фаг в нуклеоид реципиента не встраивается и лизогении бактериальной культуры не происходит. Один и тот же фаг может служить трансдуктором различных признаков: ферментативной активности, устойчивости к лекарственным веществам, подвижности, вирулентности и др.

Специфическая трансдукция заключается в том, что бактериофаг переносит от клетки-донора в клетку-реципиента строго определенные гены и встраивает их в определенные участки реципиента. Бактериофаг может встраиваться в нуклеоид клетки-реципиента. Клетки бактерий, имеющие в своей хромосоме профаг, называют мезогенными, а явление совместного существования ДНК бактерий и профага называется мезогенным.

Абортивная трансдукция характеризуется тем, что фрагмент ДНК донора, перенесенный в клетку реципиента не включается в ее нуклеоид, а может сохраняться в цитоплазме клетки. Клетка при этом не подвергается лизису, но при делении ее перенесенный новый признак постепенно исчезает у ее потомства.

Конъюгация (от латинского conjugatio — контактирование) — перенос генетического материала от одной бактериальной клетки (донора) к другой (реципиенту) при непосредственном контакте этих клеток. Явление конъюгации открыли Дж. Ледерберг и Э. Татуш (1946).

Ученые взяли два ауксотрофных мутантных штамма E. Coli к-12: один не способный синтезировать треонин и лейцин (Thr-Leu), другой — метионин и биотин (Met-Bio) и выращивали их вместе в течение 12 часов на полноценной питательной среде. Затем выросшую культуру отцентрифугировали и отмыли от полноценной питательной среды и засеяли на минимальную питательную среду.

На этой среде без метионина, биотина, треонина и лейцина появились прототрофные колонии Met+, Bio+, Thr+, Leu+. Опытным путем ученые установили, что ни трансформации, ни трансдукции в данном случае не наблюдалось. Был сделан вывод о происхождении рекомбинантных геномов в результате непосредственного контакта родительских клеток. Микрофотографии конъюгирующих клеток явились доказательством того, что между ними образуется цитоплазматический мостик.

В 1952 году Хейтс выяснил, что при конъюгации одна клетка является мужским донором, а другая — женским реципиентом. Клетки-доноры обладают половым фактором F ( от fertility — плодовитость), который представляет собой замкнутую в кольцо молекулу ДНК. Перенос генетического материала происходит в одном направлении — от донорской (мужской F+) клетки к реципиентной (женской F).

Необходимым условием конъюгации является наличие в клетке-доноре трансмиссивной плазмиды, продуцирующей половые пили, образующие трубочку, по которой плазмидная ДНК передается из клетки-донора в клетку-реципиент, в результате чего последняя приобретает донорские свойства. В случае, когда F-фактор встраивается в хромосому донора и функционирует в виде единого с ней репликона, то нуклеоид донора приобретает способность передаваться в клетку-реципиент. Донорские клетки, содержащие встроенный в нуклеоид F-фактор, называются Hfr-клетками ( от английского high frequency of recombination — высокая частота рекомбинаций).

Процессы генетической рекомбинации у бактерий (трансформация, трансдукция, конъюгация) различны по форме, но аналогичны по содержанию, т. к. в результате каждого процесса происходит перенос фрагмента ДНК от одной клетки к другой. При трансформации бактерии-реципиенту передается свободная ДНК, при трансдукции перенос участка ДНК осуществляется при помощи бактериофага, а при конъюгации транспортировка участка ДНК происходит через цитоплазматический мостик между бактериями.

12. Особенности генетики вирусов

Геном вирусов содержит один тип нуклеиновой кислоты — ДНК или РНК. Эти нуклеиновые кислоты, как носители генетической информации вирусов, могут быть однонитчатыми или двунитчатыми. Репликация генома вирусов зависит от строения нуклеиновой кислоты, процесс транскрипции осуществляется многочисленными путями.

ДНК-содержащие вирусы размножаются в ядрах эукариотических клеток, используя для транскрипции клеточную полимеразу. В качестве примера являются вирусы герпеса, аденовирусы. В случае репликации вируса в цитоплазме клеток, он использует в процессе трансдукции индивидуальные ферменты.

РНК-овые вирусы могут быть плюс-нитевыми (РНК+) и имнус-нитевыми (РНК).

Трансляция у плюс-нитевых вирусов (пикорновирусы, флавивирусы и др.) начинается непосредственно с исходной РНК. Процесс трансляции у минус-нитевых вирусов не может осуществляться на прямую. Этим вирусам необходим предварительный синтез комплементарной копии РНК, который осуществляется особым специфическим ферментом (РНК-зависимой РНК-полимеразой).

У РНК-овых двунитчатых вирусов плюс-нить не используется. Эти вирусы в своем жизненном цикле используют минус-цепь РНК, как все минус-нитевые вирусы.

Представители семейства Retroviridae обладают плюс-нитевым вирусным геномом, но не смотря на это генетическая информация у них снаяала переписывается на ДНК, т. е. по РНК вируса образуется комплементарная цепь ДНК. Течение этого процесса реализуется благодаря РНК-зависимой ДНК полимеразы (ревертазы). Образующаяся ДНК интегрирует с геномом клетки. У вирусов семейства Retroviridae транскрипцию встроенной ДНК обеспечивают РНК-полимеразы клеток эукариот.

Подобно бактериям, вирусы подвержены генотипической и фенотипической изменчивости.

При заражении эукариотических клеток ассоциацией вирусов наблюдаются различные типы взаимодействия между ними.

Пересортировка генов связана с перестройкой у вирусов, имеющих сегментированный геном. Так, рекомбинанты вируса гриппа получают при совместном культивировании вирусов с разными генами гемагглютинина и нейтролинидазы. В результате происходит быстрое изменение свойств вирусов и возникает новый тип вируса.

Множественная реактивация возникает при заражении клетки несколькими вирусами с дефективными геномами. Если повреждения генома различны у разных вирусов, то вирус может репродуцироваться, т. е. вирусы с поражением разных генов дополняют друг друга за счет рекомбинации геномов.

Перекрестная реактивация возникает в случае заражения клетки двумя вирусами, у одного из которых геном поврежден, а у другого — полноценный. При такой смешанной инфекции возникает рекомбинация, в результате которой появляются вирионы со свойствами обоих родителей.

Гетерозиготность — это формирование вирусов, содержащих в своем составе два разных генома или один полный геном одного вируса и часть генома другого вируса. Гетерозиготность имеет место при совместном культивировании двух штаммов вируса.

Комплементация — это такое взаимодействие вирусов, когда один их них, или оба, предоставляют друг другу недостающие белки для размножения и развития. Комплементация может активизировать изначально не жизнеспособные вирусы. Примером может служить покрытие дельта-вируса белком вируса генотипа В-Hbs- антигеном.

Фенотипическое смешивание — это процесс при котором геном одного из вирусов оказывается заключенным в капсид другого. Фенотипическое смешивание наблюдают при совместном культивировании вирусов.

13. Методы молекулярно-генетического анализа

Изучение генома микроорганизмов осуществляют с помощью методов молекулярно-генетического анализа. Известные в наше время методы этого анализа характеризуются сложностью, высокой чувствительностью и точностью.

Основным способом генетического анализа считают метод молекулярной гибридизации. Сущность способа заключается во взаимодействии комплементарных цепей ДНК или РНК, в результате которого образуются двунитчатые структуры. Гибридизация может осуществляться между комплементарными молекулами ДНК и ДНК, ДНК и РНК, РНК и РНК. Гибридизация осуществляют поэтапно. Сначала деспирализуют генетический материал с целью получения одноцепочных структур, затем адсорбируют его на нитроцеллюлозной мембране. Следующим этапом является обработка материала зондом, который представляет собой короткую последовательность нуклеиновой кислоты, комплементарной исследуемой кислоте и меченную радиоактивным фосфором. После обработки материала зондом, исследуемые пробы помещают в специальный счетчик. Искомую последовательность нуклеиновой кислоты в материале определяют по степени радиоактивности пробы. Метод высокочувствителен, т. к. позволяет выявить до 10-10 г. нуклеиновой кислоты в 1 г. материала.

В начале 80-х годов К. Мюллисом был разработан способ под названием полимеразная цепная реакция (ПЦР). Суть этого метода сводится к следующему. Исследуемый материал нагревают до 90-100 ºС, что приводит к раскручиванию 2-х цепочной ДНК на отдельные цепи. После расхождения цепей ДНК, к ним добавляют набор всех пуриновых и пиримидиновых оснований, праймеры и термостабильную ДНК, комплементарные той нуклеиновой кислоте, которую амплифицируют (накапливают). Затем смесь ДНК и праймеров охлаждают. При этом праймеры при наличии в смеси ДНК искомого гена связываются с его комплементарными участками. В результате синтезируются две копии гена. После этого цикл повторяют снова и снова. При каждом повторе цикла количество ДНК гена будет увеличиваться в 2 раза. Для проведения реакции необходимы специальные приборы — амплификаторы.

Этот метод позволяет обнаружить 100 молекул ДНК или РНК в 1 г. исследуемого материала, т. е. является самым высокочувствительным методом из всех известных в настоящее время.

ПЦР применяют для диагностики вирусных и бактериальных инфекций, анализ рекомбинаций фагов

Естественно, что гибридизация фагов, происходящая в период их внутриклеточного размножения, не может быть обнаружена, если клетка заражается фаговыми частицами одного генотипа. Не обнаруживается она и при смешанном заражении мутантом и нормальным фагом, так как гибридизация может быть выявлена лишь по рекомбинации признаков фагов двух генотипов. Накопление различных мутантных линий фагов оказалось необходимой предпосылкой проведения гибридизационной работы с фагами.

Очевидно, что для изоляции рекомбинантов необходимо различие между исходными формами минимум по двум признакам. Такой опыт был впервые проведен с фагом Т2 при смешанном заражении клеток Echerichia coli мутантами hR и Hr. В потомстве фагов, освобожденном при лизисе клеток, были обнаружены частицы дикого типа (Т2 НR)I и двойного мутанта. Появление таких рекомбинантных генотипов говорило о том, что при размножении фаговых частиц двух генотипов в одной бактерии происходит в той или иной форме гибридизации.

Для генетика возможно при обнаружении рекомбинантов количественно оценить частоту, с которой они появляются.

Рассмотрим скрещивание у фага Т4 между тройным мутантом (m r tu) и фагом дикого типа (M R Tu). В потомстве от смешанного заражения такими фагами наблюдались частицы восьми генотипов — следовательно, все рассматриваемые гены рекомбинируют. Если бы они рекомбинировали свободно, то все восемь классов в потомстве появились бы с равной численностью. В действительности же резко преобладают родительские типы (m r tu и M R Tu). Так, в одном опыте среди 10342 колоний было найдено родительских генотипов: m r tu — 3467, M R Tu — 3729; рекомбинантных: m R Tu — 520, M r tu — 474, m r Tu — 853, M R tu — 965, m R tu — 162, M r Tu — 172. Помимо преобладания родительских генотипов в потомстве, обращает на себя внимание и приблизительное равенство численностей взаимодополняющих рекомбинантных классов (например, m R Tu и M r tu), т.е. картина расщепления выглядит также, как картина расщепления в мейозе тригетерозиготы по специальным генам у любого высшего организма. Если это так, то можно по законам расщепления вычислить частоту встречаемости рекомбинантов.

Определим частоту рекомбинации для пары генов m и r, т.е. отношение числа рекомбинантов по этим генам к общему числу потомков:

(520+474+162+172) / 10342 =0,129

для пары r и tu частота рекомбинации будет равна 0,208, а для пары m и tu — 0,271. из этих результатов следует, что все три гена сцеплены и могут быть линейно расположены в порядке m-r-tu. Понятно, что найденная частота рекомбинации пары m и tu занижена, так как при ее определении не были учтены двойные обмены (генотипы m R tu и M r Tu).

Итак, генетический анализ рекомбинации у фагов может проводиться также, как и в генетике высших организмов. Анализ разнообразных скрещиваний у фага T4 показал, что все изученные гены фага могут быть расположены в линейном порядке в одной группе сцепления, причем расстояние между генами измеряются частотой рекомбинации их в потомстве. Такие же результаты были получены и для других фагов.

Гибридологический анализ при трансдукции.

Анализ аллельности с использованием абортивной трансдукции был выполнен в отношении различных мутаций у (Salmonella thyphimurium). Обнаружилось, что мутации потребности в триптофане распадаются на 4 группы: tru A, tru B, tru C, tru D, соответствующие 4 генам. При трансдукции между мутантами одной группы не наблюдается появления крошечных колоний. При трансдукции между мутантами разных групп крошечных колоний появляется столько же, как и тогда, когда донором служат бактерии дикого типа. Поскольку фаг переносит небольшие фрагменты бактериальной хромосомы. То путем трандукции невозможно обнаружить сцепление и провести картирование удаленных друг от друга генов в бактериальной хромосоме. Если же два гена близко располагаются друг к другу, то они могут попадать в один хромосомный фрагмент, переносимый фагом, обнаруживая явление сцепленной трансдукции. Оно оказывается во многом сходным с разбиравшимся ранее явлением сцепленной трансформации. Обозначить его можно так:

АВ х ав

Трансдуктанты аВ, Ав, АВ.

Появление трансдуктантов АВ с двумя маркерами донора может свидетельствовать о тесном сцеплении генов АВ.

Сцепление может быть также обнаружено при трансдукции Ав х аВ, если частота трансдуктантов АВ здесь ниже, чем при трансдукции АВ х аВ.

Действительно, если А и В тесно сцеплены, то в первом случае фаг переносит фрагмент Ав, для образования трансдуктов АВ необходим кроссинговер между А и в, вероятность которого тем меньше, чем ближе располагаются эти гены. Во втором случае перенесенный фрагмент АВ, и трансдуканты АВ образуются, где бы не произошел кроссинговер, включающий это фрагмент в хромосому донора.

Как в действительности сказывается сцепление на частоте трансдуктантов в таких скрещиваниях, показывает таблица 3.

Таблица 3. влияние сцепления на частоту трансдукции.

Генотип реципиента

Генотип донора

Колич. Трансдуктов дикого типа в стандартных условиях

try

tru D10

0

try

Дикий тип

1822

try

met 15

1617

try

try B4

602

try

try C3

270

try

try D1

4

Примечание. Трансдуктанты дикого типа в скрещивании try D1 х try D10 являются результатом внутригенной рекомбинации, так как эти мутации относятся к одному гену и являются гетероаллельными.

Очевидно, что гены try D и met 15 не сцеплены, так как частота трансдуктантов дикого типа (АВ) не отличается от частоты их при трансдукции.

Дикий тип х try D10

Гены же try D, try В и try С сцеплены, поскольку при трансдукции рекомбинация между ними происходит реже.

Подробные опыты могут дать первое представление о расстоянии между генами. Определение генетических расстояний является здесь, однако, не точным, так как в экспериментах по трансдукции, также как и по трансформации, число рекомбинантов не может быть отнесено к общему числу потомков, рекомбинантных и родительских генотипов. Это происходит потому, что при трансдукции, например, АВ х ав, трансдуктанты генотипов Ав и аВ (рекомбинантных), а также генотипа АВ (родительского) являются в действительности результатом двойного кроссинговера, включающего трансдуцированный фрагмент в хромосому донора.

14. Понятие о биотехнологии и генной инженерии

Биотехнология (от греческого bios — жизнь, tecen — искусство, logos — наука) — это наука, которая на основе изучения биологических процессов в живых организмах, использует эти процессы и организмы (бактерии, вирусы, грибы и т. д.) для получения ценных для человека продуктов и материалов. Биотехнология тесно связана с производством и с ее помощью в медицине получают антибиотики, витамины, ферменты, алкалоиды, нуклеиновые кислоты, липиды, противогистаминные, противоопухолевые препараты, в ветеринарии — кормовой белок, кормовые антибиотики, витамины, гормоны, вакцины, в химической промышленности — ацетон, этилен, бутанол, в пищевой — аминокислоты, пищевые белки, ферменты, липиды, сахара, кислоты, дрожжи, в энергетике — биогаз, этанол.

Генетика микроорганизмов явилась основой для становления и развития одной из областей биотехнологии — генной инженерии. Генная инженерия связана с конструированием клеток с новыми генетическими свойствами. По своей сущности она сводится к генетической рекомбинации, т. е. получению новых рекомбинантных молекул ДНК с заданной генетической информацией. Процесс получения рекомбинантных ДНК состоит из нескольких последовательных стадий. Первая стадия сводится к выделению необходимой экспериментатору ДНК из клеток интересующего организма. Затем получают рекомбинантную (гибридную) ДНК путем встройки в геном клетки гена или группы генов, кодирующих требуемый белок (гормон, фермент и др.). после этого, рекомбинантную ДНК вводят в живую клетку (животную, растительную, микробную), которая является своего рода биофабрикой, синтезирующей большое количество различных соединений. Наконец, получают клон клеток, обладающих нужными признаками, его размножают, создают условия для максимального проявления синтезирующей способности клонированных клеток и выделяют необходимый продукт.

Опыты по генной инженерии.

Для получения разнообразных белков эукариот и вирусов животных широко применяются бактерии и дрожжи Saccharomyces cerevisiae.

При этом используются самые разные методы, но наиболее широко те из них, которые описаны ниже.

Прежде всего необходимо изолировать нужный ген. Если ген животного должен экспрессироваться в клетках бактерий или дрожжей, то обычно вначале выделяют соответствующую м-РНК. Как правило, осуществить прямую экспрессию генов животных в бактериальных клетках не удается, поскольку эти гены содержат интроны.

Некоторые гены животных, например, кодирующие а-лейкоцитарные интерфероны, не содержат интронов и могут прямо экспрессироваться в бактериальных и дрожжевых клетках. Если в качестве исходного объекта приходится использовать м-РНК, то прежде всего следует найти ее источник — ткань, в которой этот продукт образуется в наибольшем количестве. Иногда таким источником служат опухолевые ткани или же клетки в культуре, образующие необходимую м-РНК.

После транскрипции данной м-РНК и получения комплементарной ДНК (к-ДНК) необходимо определить, какие из множества молекул этой к-ДНК ген, подлежащий выделению из экспрессии. На этом этапе работы молекулы к-ДНК обычно вводят в состав плазмид или генома бактериофагов, которые служат векторами. Затем рекомбинантные плазмиды со встроенными молекулами к-ДНК переносят в клетки находящихся бактерий-хозяев.

Включение ДНК в плазмидные и фаговые векторы.

Обычно выбор вектора определяется штаммом хозяина, который используется для экспрессии клонированной ДНК. Если в роли хозяина выступает Е. coli, плазмидный вектор скорее всего представляет собой производное рВР322, а если хозяином является Bacillus spp., то векторные плазмиды получают из различных видов Bacillus или Staphylococcus. Вектор для Saccharomyces cereuisiae конструируют либо на основе плазмиды длиной 2 мкм, либо из фрагментов хромосом дрожжей, способных реплицироваться подобно плазмидам. Нередко используются челночные векторы, которые могут реплицироваться в одном или нескольких организмах-хозяевах. Применение таких векторов оказывается весьма перспективным в связи с тем, что нередко для наработки большого количества плазмид и для трансформации ДНК удобнее в роли хозяина использовать E. сoli.

Обычный метод клонирования ДНК основан на расщеплении плазмидной и встраиваемой ДНК одной и той же рестриктазой. При этом получаются молекулы с липкими концами, которые затем отжигают, получают кольцевую рекомбинантную молекулу и сшивают ДНК-лигазой фага Т4. в случае плазмиды рВР322 встраивание обычно осуществляют по генам устойчивости к антибиотикам, поскольку такие рекомбинантные молекулы легко распознать по их неспособности обеспечивать устойчивость.

ДНК-лигазу фага Т4 можно применять и для сшивания “тупых” концов молекул ДНК, хотя этот процесс осуществляется труднее, чем в случае липких концов.

Експрессия клонированных генов.

С помощью бактерий были получены с высоким выходом некоторые белки — продукты генов животных и их вирусов. Так, были созданы штамы E. сoli, у которых 20% всего белка составляли корковый антиген вируса гепатита В, гормон роста человека или главный капсидный антиген вируса ящура. У одного из конструируемых штаммов B. Subtilis, антиген составлял около 1% синтезируемого этой бактерией белка. Однако добиться экспрессии в бактериальных клетках генов некоторых белков животных или их вирусов совсем не просто, даже если эти гены сопряжены с сигналами инициации транпкрипции и трансляции, которые обеспечивают в норме высокий уровень экспрессии генов прокариот.

Литература

  1. Браун В. Генетика бактерий. М., 1968
  2. Пехов А.П. Генетика микроорганизмов. М, 1977
  3. Брода Э. Эволюция биоэнергетических процессов. М., 1978
  4. Иванова О.А. Генетика. М., 1974
  5. Дубинин Н.П. Общая генетика. М., 1970
  6. Петухов В.Л., Жигачев АИ., Назарова Г.А.Ветеринарная генетика с основами вариационной статистики. М., 1985
  7. Малахов А.Г., Вишняков СИ. Биохимия сельскохозяйственных животных. М, 1984
  8. Кемп П., Арме К. Введение в биологию. М., 1988
  9. Льюин Б. Гены. М., 1987
  10. Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение. М., 1989
  11. Гринн Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. М., 1990
  12. Воробьев А.А., Быков А.С. Микробиология и иммунология. М., 1999
  13. Радчук Н.А., Дунаев Г.В. Ветеринарная микробиология и иммунология. М., 1991
  14. Новиков Д.К., Генералов ИИ. Медицинская микробиология. Витебск, 2002
  15. Общая микробиология и иммунология. Солонеко А.А., Гласкович А.А. Минск, 2002
  16. Галактионов ВТ. Иммунология. М., 2000