Бактериальный геном состоит из генетических элементов, способных к самостоятельной репликации, т. е. репликонов. Репликонами являются бактериальная хромосома и плазмиды.
Наследственная информация хранится у бактерий в форме последовательности нуклеотидов ДНК, Бактериальная хромосома представлена одной двухцепочечной молекулой ДНК кольцевой формы. Бактериальная хромосома формирует компактный нуклеоид бактериальной клетки. Бактериальная хромосома имеет гаплоидный набор генов. Она кодирует жизненно важные для бактериальной клетки функции.
Плазмиды бактерий представляют собой двухцепочечные молекулы ДНК. Они кодируют не основные для жизнедеятельности бактериальной клетки функции, но придающие бактерии преимущества при попадании в неблагоприятные условия существования.
Свойства микроорганизмов, как и любых других организмов, определяются их генотипом, т.е. совокупностью генов данной особи. Термин «геном» в отношении микроорганизмов -- почти синоним понятия «генотип».
Фенотип представляет собой результат взаимодействия между генотипом и окружающей средой, т. е. проявление генотипа в конкретных условиях обитания. Фенотип микроорганизмов хотя и зависит от окружающей среды, но контролируется генотипом.
В основе изменчивости лежит либо изменение реакции генотипа на факторы окружающей среды, либо изменение самого генотипа в результате мутации генов или их рекомбинации. В связи с этим фенотипическую изменчивость подразделяют на наследственную и ненаследственную.
Ненаследственная (средовая, модификационная) изменчивость обусловлена влиянием внутри- и внеклеточных факторов на проявление генотипа. При устранении фактора, вызвавшего модификацию, данные изменения исчезают.
Наследственная (генотипическая) изменчивость, связанная с мутациями, -- мутационная изменчивость. Основу мутации составляют изменения последовательности нуклеотидов в ДНК, полная или частичная их утрата. Наследственная изменчивость, связанная с рекомбинациями, называется рекомбинационной изменчивостью.
Механизмы передачи генетического материала у бактерий.
Конъюгация бактерий состоит в переходе генетического материала (ДНК) из клетки-донора («мужской») в клетку-реципиент («женскую») при контакте клеток между собой.
«Мужская» клетка содержит F-фактор, или половой фактор, который контролирует синтез так называемых половых пилей, или F-пилей. Клетки, не содержащие F-фактора, являются «женскими»; при получении F-фактора они превращаются в «мужские» и сами становятся донорами. F-фактор располагается в цитоплазме в виде кольцевой двунитчатой молекулы ДНК, т. е. является плазмидой.
Трансдукция -- передача ДНК от бактерии-донора к бактерии-реципиенту при участии бактериофага. Различают неспецифическую (общую) трансдукцию, при которой возможен перенос любого фрагмента ДНК донора, и специфическую -- перенос определенного фрагмента ДНК донора только в определенные участки ДНК реципиента. Неспецифическая трансдукция обусловлена включением ДНК донора в головку фага дополнительно к геному фага или вместо генома фага (дефектные фаги). Специфическая трансдукция обусловлена замещением некоторых генов фага генами хромосомы клетки-донора.
Трансформация заключается в том, что ДНК, выделенная из бактерий в свободной растворимой форме, передается бактерии-реципиенту. При трансформации рекомбинация происходит, если ДНК бактерий родственны друг другу. В этом случае возможен обмен гомологичных участков собственной и проникшей извне ДНК.
Транспозоны-- это сегменты ДНК, обладающие теми же свойствами, что и IS-элементы, но имеющие структурные гены, т. е. гены, обеспечивающие синтез молекул, обладающих специфическим биологическим свойством, например токсичностью, или обеспечивающих устойчивость к антибиотикам.
18.Механизмы изменчивости. Мутации, их особенности, типы мутантов у бактерий
Различают два вида изменчивости - фенотипическую и генотипическую
Фенотипическая изменчивость - модификации - не затрагивает генотип. Модификации затрагивают большинство особей в популяции. Они не передаются по наследству и с течением времени затухают, т. е. возвращаются к исходному фенотипу.
Генотипическая изменчивость затрагивает генотип. В основе ее лежат мутации и рекомбинации.
Мутации - изменение генотипа, сохраняющееся в ряду поколений и сопровождающееся изменением фенотипа. Особенностями мутаций у бактерий является относительная легкость их выявления.
По локализации различают мутации:
1) генные (точечные);
2) хромосомные;
3) плазмидные.
По происхождению мутации могут быть:
1) спонтанными (мутаген неизвестен);
2) индуцированными (мутаген неизвестен).
Рекомбинации - это обмен генетическим материалом между двумя особями с появлением рекомбинантных особей с измененным генотипом.
У бактерий существует несколько механизмов рекомбинации:
Конъюгация - обмен генетической информацией при непосредственном контакте донора и реципиента. Наиболее высокая частота передачи у плазмид, при этом плазмиды могут иметь разных хозяев. После образования между донором и реципиентом конъюгационного мостика одна нить ДНК-донора поступает по нему в клетку-реципиент. Чем дольше этот контакт, тем большая часть донорской ДНК может быть передана реципиенту.
Слияние протопластов - механизм обмена генетической информацией при непосредственном контакте участков цитоплазматической мембраны у бактерий, лишенных клеточной стенки.
Трансформация - передача генетической информации в виде изолированных фрагментов ДНК при нахождении реципиентной клетки в среде, содержащей ДНК-донора. Для трансдукции необходимо особое физиологическое состояние клетки-реципиента - компетентность. Это состояние присуще активно делящимся клеткам, в которых идут процессы репликации собственных нуклеиновых кислот. В таких клетках действует фактор компетенции - это белок, который вызывает повышение проницаемости клеточной стенки и цитоплазматической мембраны, поэтому фрагмент ДНК может проникать в такую клетку.
Трансдукция - это передача генетической информации между бактериальными клетками с помощью умеренных трансдуцирующих фагов. Трансдуцирующие фаги могут переносить один ген или более.
Трансдукция бывает:
1) специфической (переносится всегда один и тот же ген, трансдуцирующий фаг всегда располагается в одном и том же месте);2) неспецифической (передаются разные гены, локализация трансдуцирующего фага непостоянна).
Разные виды бактерий можно различать по фенотипическим признакам, таким как форма, цвет и другие характерные подробности их колоний. Но большой прогресс в генетике бактерий был достигнут в ходе исследований мутантов одного вида, преимущественно Е. coli, отличающихся от обычных представителей незначительными чертами. Некоторые из наиболее полезных мутантов имеют фенотип, зависящий от условий, и это значит, что в так называемых пермиссивных (разрешительных) условиях они демонстрируют дикие признаки, но в других, рестриктивных (ограничивающих, или неблагоприятных) условиях у них регистрируется иной фенотип. Например, мутанты, чувствительные к температуре, обычно растут при низких температурах (например, при 28°С), но не могут расти при высокой (42°С) температуре. Мутанты, чувствительные к холоду, напротив, не растут при низкой температуре. Так, регулируя температуру, мы можем способствовать росту одних штаммов и замедлять рост других. Другим штаммам необходима питательная среда с особыми компонентами., клетки дикого типа, называемые прототрофами, могут сами производить необходимые компоненты из простых питательных веществ, таких как сахар, а мутанты ауксотрофы не могут расти без добавления в среду некоторых сложных веществ. Например, мутанты trp не могут производить одну из аминокислот -- триптофан, и поэтому растут только при наличии в питательной среде триптофана. Другие штаммы устойчивы к антибиотикам, убивающим дикие бактерии; дикие клетки strs чувствительны к стрептомицину, а мутанты strr устойчивы к нему.
19.Модификации у бактерий: кратковременные и длительные. Механизм модификаций. Отличие мутационной изменчивости от длительных модификаций
Фенотипическая изменчивость -- модификация -- не затрагивает генотип, но затрагивает большинство особей популяции. Модификации не передаются по наследству и с течением времени затухают, т. е. возвращаются к исходному фенотипу через большее (длительные модификации) или меньшее (кратковременные модификации) число поколений.
Морфологические модификации. В зависимости от состава и качества питательной среды, температуры и времени выращивания у бактерий могут изменяться форма, размеры клеток, способность образовывать капсулы и споры. Молодые клетки, только что помещенные в питательную среду, меньше, чем более старые. При старении культуры бактерий возникает полиморфизм клеток, в них появляются гранулы. При добавлении к среде пенициллина клетки удлиняются, иногда очень значительно. Образование спор у бактерий зависит от характера среды (плотная или жидкая), ее состава, температуры выращивания. При добавлении к среде 0,1% пептона 100% спор возникают через 48 ч, а при добавлений 2% его наблюдаются только вегетативные формы.
Культуральные модификации. Многие бактерии и грибы при росте на различных питательных средах и при разных температурах изменяют интенсивность образования пигмента. Так, чудесная палочка при комнатной температуре образует ярко-красный пигмент на питательных средах, а при 37°С он отсутствует. У бактерий наблюдаются также изменения типа колоний, которые они образуют при росте на плотных питательных средах. Одни колонии гладкие, округлой формы, с ровными краями, блестящие, однородные, небольших размеров. Это S-формы колоний (от smooth -- гладкий). Другие -- шероховатые, тусклые, часто непрозрачные, с неровными краями, неправильных очертаний, сухие. Это R-формы колоний (от rooth -- шероховатый). Гладкие S-формы могут переходить в шероховатые R-формы и обратно. Существуют и другие переходные формы колоний: слизистые (М-формы), карликовые (G-формы). Образование различных форм колоний у одного и того же вида бактерий называется диссоциациец (расщепление). Диссоциацию колоний можно получить при изменении состава питательной среды, под действием дезинфицирующих веществ, некоторых солей и т. д.
Модификации физиологических и биохимических свойств. Известно, что устойчивость к физическим и химическим агентам зависит от возраста культуры. Например, молодые клетки более чувствительны к дезинфицирующим веществам, чем старые. Типичные физиологические свойства данного вида выявляются у культур бактерий, которые находятся в стационарной фазе роста. Одним из наиболее ярких примеров изменения биохимических свойств микробов является образование ими адаптивных ферментов. Обычно культура бактерий, размножаясь на питательных средах, вырабатывает определенные ферменты, позволяющие ей усваивать питательные вещества. Каждый вид бактерий характеризуется выработкой набора ферментов, предопределенного их генотипом. Но «работают» обычно не все гены, определяющие этот набор. Выработка отдельных ферментов из всего набора обусловливается наличием определенных питательных веществ в среде. Если вещество находится в питательной среде, то появляется и фермент. При отсутствии этого вещества прекращается выработка фермента. Такие адаптивные ферменты позволяют бактериям приспособиться, адаптироваться, к определенным условиям внешней среды. Следовательно, фенотипическая изменчивость зависит от условий среды, в которых существует данный вид микроорганизмов. Приспосабливаясь к конкретным жизненным условиям, микроб реализует ту информацию, которая имеется в геноме клетки. Это позволяет ему расти и размножаться на различных питательных средах. Однако широта изменений микробов имеет определенные пределы. Вариабельность различных свойств микроорганизмов возможна в основном лишь в пределах границ, характерных для каждого вида.
20.Типы и механизмы питания бактерий. Классификация бактерий по источникам углерода и азота
По типу питания живые существа делятся на две группы: голозойные и голофитные. Голозойный тип питания характерен для животных (от высших до простейших). Микробы относятся к голофитному типу питания. Они не имеют органов для принятия пищи, и питательные вещества у них проникают через всю поверхность тела.
Различают несколько механизмов питания микробных клеток. Питательные вещества могут поступать из внешней среды в микробную клетку через клеточную стенку, капсулу, слизистые слои и цитоплазматическую мембрану. Через эти же структуры выделяются и продукты обмена, т. е. ненужные и вредные для микроорганизмов вещества. В основе механизма такого питания лежит осмотическое явление, основанное на разнице концентрации питательных веществ в теле микроба и питательном растворе. Таким образом вода и растворенные в ней питательные вещества поступают в микробную клетку. В результате биосинтеза в ней накапливается пластический материал коллоидной структуры (белки, углеводы и др. вещества), обусловливающий рост и размножение микроорганизма.
Проникновение питательных веществ в клетку может осуществляться с помощью диффузии и стереохимического специфического переноса питательных веществ. Каждый из этих процессов может протекать как активно, так и пассивно. При пассивной диффузии питательные вещества проникают с током жидкости в клетку и только тогда, когда проникаемое вещество способно растворяться в клеточной стенке бактериальной клетки. При активной диффузии наблюдается проникновение питательных веществ в бактериальную клетку нерастворенными в клеточной стенке.При стереохимическом переносе питательных веществ (из внешней среды в клетку) роль переносчика выполняет пермеаза -- белковый компонент. В этот период питательные вещества среды активно транспортируются в клетку, осуществляя конструктивный и энергетический обмены.
По типу углеродного питания микроорганизмы принято делить на аутотрофы и гетеротрофы. Аутотрофы (прототрофы) - микроорганизмы, способные воспринимать углерод из углекислоты воздуха. К ним относятся нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии. Аутотрофы способны использовать воспринятую углекислоту для синтеза сложных органических соединений. Таким образом, аутотрофы обладают способностью синтезировать сложные органические соединения из неорганических. Поскольку такие микробы не нуждаются в готовых органических соединениях, среди них нет болезнетворных. Однако среди аутотрофов встречаются микроорганизмы, обладающие способностью усваивать углерод из углекислоты воздуха и из органических соединений. Такие микроорганизмы, имеющие смешанный тип питания определены как миксотрофы.Гетеротрофы в противоположность аутотрофам используют углерод из любых готовых органических соединений (чаще всего это углерод спиртов, сахаров, органических кислот, многоатомных спиртов). К гетеротрофам принадлежат возбудители различного рода брожений, гнилостные микробы и микроорганизмы - возбудители различных заболеваний. Однако деление микроорганизмов на аутотрофы и гетеротрофы достаточно условно, так как при изменении условий среды обмен веществ у микроорганизмов может меняться.Гетеротрофы включают в себя две подгруппы: метатрофы (сапрофиты) - живут за счет использования мертвых субстратов (гнилостные микроорганизмы) и паратрофы - паразитические микроорганизмы, живущие на поверхности или внутри организма хозяина и питающиеся за его счет.