Плазмиды бактерий

Распространение и использование фагов. Бактериофаги широко распространены в природе. Всюду, где размножаются бактерии, актиномицеты, микоплазмы, удается обнаружить и паразитирующие в них фаги. Фаги находятся в кишечнике человека и животных, в сточных водах, почве. Препараты фагов применяют для лечения и профилактики инфекционных болезней, а также в диагностике при идентификации микроорганизмов. Фаги служат удобной моделью для решения важнейших проблем молекулярной биологии, вследствие простоты культивирования, короткого периода генерации, высокого выхода потомства и возможности точного его количественного учета.Лизогения

Лизис бактерий фагом не единственный тип взаимодействия фага и бактерии. имеет место взаимодействие, при котором фаг не разрушает бактерию, а лизогенизирует ее, т.е. делает способной продуцировать фаги вследствие присутствия их в геноме интегрированной фаговой ДНК. Лизогенные бактерии представляют собой практически единственный пример здоровых клеток, сохраняющих в течение неопределенно долгого времени потенциальную способность продуцировать вирусы, т.е. в клетке вирус не вызывает никаких патологических изменений.

В лизогенных бактериях фаг находится в состоянии профага, и каждая лизогенная клетка несет один профаг. По характеру взаимодействия с бактериальной клеткой различают два типа бактериофагов – вирулентные и умеренные. Вирулентные фагив клетке находятся в состоянии вегетативного фага (способного к воспроизведению), вызывают лизис клетки, при котором освобождается большое количество фаговых частиц, в состоянии зрелого фага (находящегося вне клетки, метаболически инертного).

Умеренные фаги вызывают лизогенную реакцию: клетки не подвергаются лизису, а фаговая ДНК включается в ДНК клетки, приобретая форму профага, и реплицируется как часть бактериального генома. Умеренным фагам свойственны состояния зрелого фага, вегетативного фага и профага – неинфекционной структуры, которая способствует образованию инфекционного фага без вмешательства экзогенного фага.

Явление лизогении распространено повсеместно. Бактерии могут быть естественно лизогенными и искусственно лизогенными. Цитологически лизогенные бактерии не отличаются от нелизогенных. Лизогенным бактериям присущи иммунитет к гомологическому фагу и индукция фагов, когда профаг переходит в состояние вегетативного фага (реплицируется в клетке и лизирует ее).

23. Рекомбинации у бактерий Рекомбинация генов – процесс образования смешанного потомства в результате генетического обмена между двумя клетками. Вследствие рекомбинации образуются новые бактериальные клетки (рекомбинанты) с признаками обеих клеток. Рекомбинанты содержат основной набор генов реципиента и определенную часть клеток донора. У бактерий к образованию рекомбинантных хромосом ведет три способа переноса генетической информации: трансформация, конъюгация, трансдукция.

Трансформация (лат. transformation – преобразование, превращение) – это изменение свойств бактериальной клетки в результате переноса информации, при котором фрагмент ДНК клетки-донора проникает в клетку – реципиент родственного штамма или вида. Впервые явление трансформации у бактерий наблюдал Ф.Гриффитс в 1928 г. В 1944 г. О.Эвери, К.Мак-Леод и М.Мак-Карти экспериментально доказали, что трансформирующим веществом является ДНК.

Не все клетки бактерий способны воспринимать ДНК. Клетки, которые воспринимают трансформирующую ДНК, называются компетентными. Они синтезируют специфический белок. Существуют и другие факторы компетентности. Количество компетентных клеток в бактериальной популяции составляет в среднем 1-2%. Состояние компетентности связано со стадией активного размножения бактерий и появляется в начале логарифмической фазы. Продолжительность этого состояния в среднем составляет 15 мин. Процесс трансформации происходит в несколько стадий: 1) адсорбция и восприятие бактериями-реципиентами фрагмента двунитчатой ДНК клетки-донора (обычно не более 5 генов); 2) эклипс – скрытый период, характеризующийся отсутствием биологического действия ДНК.В этот период двунитчатая ДНК распадается: одна цепь разрушается, другая – участвует в последующих стадиях; 3) интеграция (включение) трансформирующей ДНК в хромосому реципиента в результате разрыва и воссоединения хромосомы донора; 4) экспрессия (проявление генов), т.е. размножение трансформированного клона клеток, потомство которых будет иметь измененный ген. Таким образом, при трансформации происходит замещение одного генетического участка другим. При этом процессе происходит трансформация чаще одного какого-нибудь признака, реже – двух, так как в реципиентную клетку проникает малый фрагмент ДНК. Различают гомотрансформацию – перенос генетической информации от одного штамма к другому в пределах одного вида, и гетеротрансформацию – перенос ДНК от одного вида к другому.

Конъюгация (лат. conjudatio – сопряжение, совокупление) – передача генетического материала из клетки в клетку при непосредственном контакте путем образования цитоплазматического мостика между бактериями. Явление конъюгации впервые описали в 1946 г. Дж.Ледерберг и Э.Татум. Способность бактериальной клетки конъюгировать связана с наличием в ней полового фактора F (англ. fertility – плодовитость) – внехромосомой автономной детерминанты (F-плазмиды). Доноры содержат половой фактор (F+), реципиенты – не содержат (F-). Доноры способны синтезировать дополнительные поверхностные структуры – F-пили. Эти поверхностные структуры имеют форму ворсинок. Количество F-пилей от 3 до 10 соответствует числу копий полового фактора. Половые ворсинки представляют собой полые цилиндрические отростки толщиной 8-35 нм, длиной 1-2 мкм, образованные белком пилином. Формируются F-пили только у активно растущей клетки за 4-5 мин и в течение такого же промежутка времени сохраняются на ее поверхности, затем сбрасываются. Процесс конъюгации начинается с прикрепления клетки-реципиента к кончику F-пиля, затем клетки приближаются друг к другу. Образуется конъюгационный цитоплазматический мостик, через который и происходит передача донорского генетического материала. Конъюгация бывает внутривидовая (между штаммами одного вида), межвидовая, межродовая.

Трансдукция – это перенос генетического материала от одних бактериальных клеток к другим с помощью фага. Трансдуцирующий фаг переносит фрагмент ДНК от клетки донора к реципиенту и вводит эту ДНК таким же образом, как и свою собственную ДНК.

Общая (неспецифическая, генерализованная, множественная) трансдукция - перенос любого гена или одновременно нескольких генов. Трандуцирующий фаг выступает в качестве "пассивного" переносчика генетического материала бактерии, захватывая фрагмент бактериальной ДНК место своего генома. Включения фаговой ДНК в бактериальную хромосому не происходит. Такие трансдуцирующие фаги получили название дефектных фагов. Специфическая (ограниченная) трансдукция характеризуется способностью фага переносить определенные гены. При взаимодействии таких фагов с клетками реципиента происходит включение гена клетки донора в хромосому реципиента вместе с ДНК дефектного фага, т.е. происходит лизогенизация бактерий-реципиентов. Бактерии, лизогенизированные дефектным фагом, невосприимчивы к последующему заражению тем же вирулентным фагом. Вместе с тем эти бактерии не способны в обычных условиях образовывать зрелый фаг. Абортивная трансдукция – перенесенный фагом фрагмент хромосомы донора на включается в хромосому клетки-реципиента, а располагается в ее цитоплазме и может в таком виде функционировать. Во время деления клетки трансдуцированный фрагмент ДНК донора может передаваться только одной из двух дочерних клеток, т.е. наследуется однолинейно и в конечном итоге утрачивается в потомстве.

Таким образом, все три процесса генетической рекомбинации у бактерий заключаются в переносе фрагмента ДЕК от одной клетки к другой. При трансформации в бактерию-реципиент входит свободная ДНК; в процессе конъюгации происходит перенос фрагмента ДНК при образовании цитоплазматического мостика между бактериями; при трансдукции фаг захватывает участок хромосомы бактерии-донора и передает реципиенту; причем, при всех трех процессах переносится не вся хромосома, а ее фрагмент.

24. Мутации Мутации (лат. mutation – перемена, изменение) – внезапные стойкие наследственные изменения, возникающие в результате нарушения последовательности одной или более пар азотистых оснований в молекуле ДНК и приводящие к появлению новых признаков.

По происхождению различают спонтанные и индуцированные мутации. Спонтанныемутации возникают самопроизвольно в любой популяции бактерий без видимого внешнего воздействия. Они служат основным источником естественной изменчивости бактерий и лежат в основе их эволюции. Индуцированные мутации могут возникать под воздействием определенного мутагенного фактора. Мутагенные факторы могут быть биологической, химической и физической природы, например, вирусы бактерий, перемещающиеся генетические элементы, азотистая кислота, нитрозосоединения, акридиновые красители, ионизирующее и ультрафиолетовое излучения. По проявлению изменяющихся признаков различают мутации морфологические, физиологические, биохимические. Морфологические мутации сопровождаются утратой морфологических элементов (жгутиков, капсулы, клеточной стенки). Биохимические мутанты подразделяются на ауксотрофные и ферментативные. Ауксотрофные бактерии – это клетки, потерявшие способность самостоятельно синтезировать аминокислоты, пурины, пиримидины, витамины и другие факторы роста; ферментативные мутанты частично или полностью дефектные по одному или нескольким метаболизирующим ферментам и поэтому дефектные к восприятию субстрата.

По количеству мутировавших генов и характеру изменений в первичной структуре ДНК различают генные и хромосомные мутации. Генные мутации затрагивают только один ген. Они чаще всего являются точковыми и представляют собой выпадение, вставку или замену пары оснований. Замены оснований могут приводить к изменению смысла генетической информации (миссенс-мутации), когда вместо одной аминокислоты кодируется другая, к образованию бессмысленных кодов (нонсенс-мутации), которые не несут информации о синтезе какой-либо аминокислоты. Хромосомные мутации распространяются на несколько генов. Эти мутации возникают в результате выпадения участка хромосомы (делеция), либо поворота участка ДНК на 180⁰ (инверсия), либо повторения какого-нибудь фрагмента ДНК (дупликация).

Диссоциация (лат. dissociation – разделение) – это разделение однородной популяции бактерий по культуральным свойствам на типы, отличающиеся от исходной популяции внешним видом и структурой колоний, а также стойкими изменениями некоторых биологических признаков. Эти изменения не затрагивают основные таксономические признаки вида. Таким образом, диссоциация – внутривидовая изменчивость. Она может возникать спонтанно и может быть вызвана искусственно.

Плазмиды – это внехромосомные генетические детерминанты. В химическом отношении плазмиды представляют собой молекулы ДНК, содержащие до 400 тыс. нуклеотидных пар. В бактериальной клетке они существуют в основном в виде двухцепочных ковалентно-закрытых кольцевых молекул, которые еще и скручены – сверхспиральные молекулы. Конфигурация такого типа очень устойчива. Плазмиды существуют также в виде двухцепочных открытых кольцевых молекул (формирование таких молекул обусловлено смыканием лишь одной цепи из двух). Эти молекулы не скручены, их называют релаксированными, или ослабленными, они менее стойкие. Плазмидная ДНК может существовать в клетке и в виде двухцепочной линейной молекулы, такие молекулы нестойкие. Важнейшие свойства плазмид: автономность, способность к самостоятельной репликации, регуляция своих функций, трансмиссивность.

Репликация плазмид – это их размножение, т.е. регулярное увеличение количества копий той или иной плазмиды, и равномерное распределение образовавшихся копий между потомством делящейся бактериальной клетки. Плазмиды существуют автономно (обособленно от хромосом). В этом состоянии они способны к бесконечно долгому поддержанию и воспроизведению. Такая способность плазмид связана с тем, что их репликацияосуществляется самостоятельно и независимо от размножения бактерий. Плазмиды обладают также способностью к саморегуляции своей репликациинезависимо от механизмов, которые регулируют размножение бактериальных хромосом.

Существуют также эписомы (греч. ehi – над, сверх, soma – тело) – это плазмиды, способные объединяться с хромосомой. Процесс объединения плазмиды с хромосомой называется включением в хромосому, или интеграцией, обратный процесс – исключением. Примером эписом является умеренный фаг у лизогенных бактерий, половой фактор. В интегрированном состоянии плазмиды ведут себя подобно хромосомным генам. Плазмиды могут существовать в клетке либо в автономном состоянии, либо в интегрированном состоянии. Эти состояния исключают друг друга. Плазмиды могут переходить из одного состояния в другое.

Плазмидам свойственна инфекционность – способность проникать в клетку извне. Многие плазмиды способны переходить от одних бактериальных клеток к другим. Такие плазмиды называются трансмиссивными, или конъюгативными. Благодаря таким плазмидам бактерии способны действовать в качестве генетических доноров, т.е. вступать в конъюгацию с клетками-реципиентами, которые не содержат плазмид, и передавать им не только плазмиды, но и хромосомный генетический материал. Таким образом конъюгативные плазмиды обеспечивают системы скрещивания. Неконъюгативные плазмиды – это те, которые не способны передаваться от одних клеток к другим самостоятельно. Эти плазмиды не передают содержащим их клеткам свойства генетических доноров. Они мельче по размерам, обитают в автономном состоянии. Но они могут быть мобилизованы на перенос от одних клеток к другим конъюгативными плазмидами.

Плазмиды обитают в бактериях многих видов, но не оказывают существенного влияния на их рост и размножение. Однако плазмиды несут гены, которые контролируют ряд очень важных свойств бактерий. Главные группы плазмид: F-плазмиды (несут в себе половой фактор); R-плазмиды (контролируют лекарственную устойчивость бактерий); Col-плазмиды (контролируют синтез кишечными бактериями токсического вещества – колицина). Существует целый ряд других плазмид, контролирующих факторы патогенности бактерий, способности к синтезу отдельных биологически активных веществ, способности к разрушению химических соединений (например, разрушение бензола, нафталина, камфары, салициловой кислоты и др.).

В одной бактериальной клетке может одновременно находиться несколько типов плазмид. Если плазмиды не могут стабильно существовать в одной клетке, то их называют несовместимыми. Несовместимость плазмид обуславливается блокированием репликации одной из них, в результате чего эта плазмида исключается. Совместимость плазмид - это когда каждая плазмида в клетке размножается независимо и сохраняет сторгую автономность одна по отношению к другой.

Плазмиды широко используются в работах по конструированию новых биологически активных молекул ДНК. С помощью плазмид решается целый ряд прикладных проблем. Например, изыскиваются методы преодоления лекарственной устойчивости бактерий – возбудителей инфекционных болезней. Разрабатываются методы лечения наследственных болезней. Решаются вопросы повышения эффективности ряда технологических процессов, лежащих в основе производства биологи чески активных веществ.

26. Температура. Температура является одним из наиболее мощных факторов, определяющих возможность существования и интенсивность развития микроорганизмов. Жизнь микроорганизмов возможна лишь в определенных температурных условиях. Характерно, что оптимальная температура всегда ближе к максимальной, чем к минимальной. Микроорганизмы, имеющие широкие температурные диапазоны развития, называются эвритермными. Обычно они обитают в условиях, где температура значительно варьирует (почва, вода, воздух). Микроорганизмы, имеющие узкие температурные границы развития, называются стенотермными. Они, как правило, находятся в среде с относительно постоянной температурой (горячие источники, зона вечной мерзлоты). По отношению к температуре микроорганизмы делятся на три группы – психрофилы, мезофилы, термофилы. Мезофилы (греч. meson – средний, phileo – люблю) развиваются в интервале температур от 10⁰С до 50⁰С. Оптимальная температура для них 25-37⁰С. Это наиболее широко распространенная группа микроорганизмов. К ним относятся как сапрофитные микроорганизмы, так и патогенные для человека и теплокровных животных.

Психрофилы (греч. psyhria – холод). Среди них есть облигатные формы, не способные к росту при температуре выше 20⁰С, и факультативные психрофилы. развивающиеся в более широком температурном интервале – от минусовых температур до 30-35⁰С. для них оптимальной является температура 20-25⁰С. Психрофильные микроорганизмы широко распространены в водной среде, в почве холодных областей. Их характерной особенностью является активность ферментов при низких температурах, а также более высокое, по сравнению с другими микроорганизмами, содержание в клеточной мембране ненасыщенных жирных кислот. Поэтому мембраны остаются полужидкими при низких температурах (мембраны с преимущественным содержанием насыщенных жирных кислот при низких температурах становятся твердыми и недействующими). Обязательное условие роста психрофилов при минусовых температурах – нахождение воды в жидком состоянии.

Термофилы (греч. termo – тепло). Энзимы и механизм синтеза белка у термофилов более устойчивы к нагреванию, чем у мезофиллов. Более устойчива к высокой температуре и клеточная мембрана термофильных микроорганизмов. Она богата насыщенными жирными кислотами, образующими сильные гидрофобные связи, что придает липидной мембране устойчивость при высокой температуре.

Группу термофилов делят на четыре подгруппы. Термотолерантные виды растут в пределах от 10 до 55-65⁰С, оптимальная область лежит при 35-40⁰С; основное их отличие от мезофилов – способность расти при повышенных температурах, хотя оптимальные температуры роста для обеих групп находятся на одном уровне; примером таких бактерий является Bacillus subtilis. Факультативные термофилы имеют максимальную температуру роста между 50 и 65⁰С, но способны также к размножению при комнатной температуре, оптимум приходится на область температур, близких к верхней границе роста; особенность этой группы – способность к росту в области 20-40⁰С. К облигатным термофилам относят виды, обнаруживающие способность расти при температурах около 70⁰С и не растущие ниже 40⁰С; оптимальная температурная область таких термофилов примыкает к их верхней температурной границе роста. Недавно обнаружены прокариоты, выделенные в группу экстремальных термофилов, имеющие оптимум развития при температуре 80⁰С и выше. Термогенные микроорганизмы способны не только выдерживать повышенную температуру, но и сами создают ее, выделяя тепло (в компостах, при хранении зерна, муки, сена, в птичьих гнездах).

Способность развиваться при определенной температуре следует отличать от способности переносить ту или иную температуру. Многие микроорганизмы при низких температурах длительное время сохраняют жизнеспособность, но их активная жизнедеятельность приостанавливается. При температуре минус 30⁰С клеточный рост прекращается, однако ферментные реакции, хотя и замедленно, но могут происходить. Низкие температуры вызывают у микроорганизмов состояние анабиоза.

Значительно менее устойчивы микроорганизмы к действию высоких температур. Губительное действие высоких температур связано с денатурацией белка, повреждением рибосом, нарушением осмотического барьера клетки. Лучше всего выдерживают высокие температуры спорообразующие бактерии, а среди них – термофильные спорообразующие бактерии. Такие бактерии являются наиболее термоустойчивыми среди всех живых организмов (например, Bacillus stearothermophilus).

На влиянии высоких температур на микроорганизмы основаны такие способы обработки материала и питательных сред, как тепловая стерилизация и пастеризация. Процесс отмирания микроорганизмов под влиянием температуры выражается уравнением:

К = 1/t ∙lg А/В,

где К – константа процесса; t– продолжительность воздействия; А – начальное число бактерий; В – число бактерий, оставшихся после воздействия температуры.

Молодые вегетативные клетки микроорганизмов богатые водой, при нагревании погибают быстрее, чем старые, потерявшие определенное количество воды. Наличие в среде жира смягчает действие температур. Микроорганизмы погибают при нагревании быстрее при низких значениях рН. Сухие клетки более термоустойчивы, чем влажные. поэтому стерилизация сухих объектов требует более высоких температур и более длительного времени

27. Осмотическое давление определяет концентрация веществ во внешней по отношению к микроорганизму среде. Переход воды из окружающей среды в клетку возможен, если осмотическое давление в клетке больше, чем давление внешнего раствора. Нормальное давление в клетке обычно составляет 3-6 атм. В засоленных почвах, засахаренных средах (варенье, мёд) осмотическое давление может достигать 100 атм. Микроорганизмы, живущие в таких средах, приспособились к ним, выработав защитный механизм в виде повышения давления внутри клетки. Приспособление микроорганизмов к изменению осмотического давления называется осморегуляцией. Осмотолерантными называются микроорганизмы, растущие в средах с высокими концентрациями веществ. Осмофильными называются микроорганизмы не только выдерживающие, но даже предпочитающие среду с повышенной концентрацией веществ. Галофильные (солелюбивые) микроорганизмы требуют для своего роста значительных концентраций хлорида натрия. Этим микроорганизмам требуются ионы натрия для стабильности клеточной мембраны и активности ряда ферментов. Такая потребность строго специфична (натрий нельзя заменить другими ионами). При уменьшении содержания хлорида натрия в среде клеточная стенка галофильных бактерий разрушается и клетки лизируются. Экстремальные галофилы могут существовать даже в концентрированных растворах поваренной соли. Галофилы являются обитателями соленых озер и морей. Большинство микроорганизмов обладает слабой устойчивостью к соли. Это гнилостные, кишечные, многие патогенные бактерии. Плазмолиз (от др.-греч. πλάσμα — вылепленное, оформленное и λύσις — разложение, распад), отделение протопласта от клеточной стенки в гипертоническом растворе. Плазмолизу предшествует потеря тургора. Плазмолиз возможен в клетках, имеющих плотную клеточную стенку (у растений, грибов, крупных бактери). Клетки животных, не имеющие жесткой оболочки, при попадании в гипертоническую среду сжимаются, при этом отслоения клеточного содержимого от оболочки не происходит. Характер плазмолиза зависит от ряда факторов:

от вязкости цитоплазмы;

от разности между осмотическим давление внутриклеточной и внешней среды;

от химического состава и токсичности внешнего гипертонического раствора;

от характера и количества плазмодесм;

от размера, количества и формы вакуолей.

Различают уголковый плазмолиз, при котором отрыв протопласта от стенок клетки происходит на отдельных участках, выпуклый плазмолиз, когда отслоение захватывает значительные участки плазмалеммы, и вогнутый, полный плазмолиз, при котором связи между соседними клетками разрушаются практически полностью. Выпуклый плазмолиз часто обратим; в гипотоническом растворе клетки вновь набирают потерянную воду, и происходит деплазмолиз. Вогнутый плазмолиз обычно необратим и ведет к гибели клеток.

Выделяют также судорожный плазмолиз, подобный выпуклому, но отличающийся от него тем, что сохраняются цитоплазматические нити, соединяющие сжавшуюся цитоплазму с клеточной стенкой, и колпачковый плазмолиз, характерный для удлиненных клеток.

Плазмоптиз (плазмо- + греч. ptisis дробление) набухание микробных клеток и разрушение их оболочек в гипотоническом растворе.

Дата добавления: 2015-08-31