Тема: генетика мікроорганізмів

Мікроорганізми, як і всі інші живі істоти, здатні передавати свої структурні і функціональні особливості по спадковості.

Сукупність ознак організму, які виявляються в конкретних умовах середовища, називається фенотипом. Сукупність генів складає генотип. Фенотип визначається генотипом, але не повністю ідентичний.

У бактерій, як і у вищих організмів, матеріальним носієм генетичної інформації є ДНК.

Ген – полінуклеотидна послідовність, яка кодує поліпептид, т-РНК, або p-РНК.

Основною генетичною структурою бактерій є хромосома. Вона має вигляд замкненого кільця з ДНК.

Всі прокаріоти гаплоїдні, це означає, що вони не мають алельних генів. Хоча у клітин може бути декілька копій хромосом (Е.coli в багатому поживному середовищі мають по 4 хромосоми). Крім хромосоми геном прокаріот містить позахромосомні генетичні елементи – плазміди.

Перед поділом клітини ДНК подвоюється (реплікується) і до кожного ланцюга добудовується комплементарний ланцюг (напівконсервативний механізм).

Потім генетична інформація з ДНК зчитується у вигляді м-РНК (транскрибується), яка взаємодіє з рибосомами. На рибосомах інформація з послідовності нуклеотидів переводиться в послідовність амінокислот (трансляція).

транскрипція

трансляція  

реплікація

ДНК м-РНК білок

зворотна транскрипція

Генетична інформація записана у вигляді генетичного коду, який є універсальним для всіх живих організмів (визначається послідовністю основ в ланцюгу ДНК) А, Г,Т-У, Ц.

Амінокислоти з'єднуються в поліпептидний ланцюг у порядку, що визначається і-РНК. Спочатку вони активуються: амінокислота + АТФ аміноацил-АМФ + Ф_н.

Активація і приєднання амінокислоти до відповідної т-РНК здійснюється ферментом аміноацил-т-РНК-синтетазою (розпізнає амінокислоту і т-РНК). Таких ферментів 20 штук. Для амінокислоти з декількома кодонами існують ізоакцепторні т-РНК. По мірі пересування рибосоми по і-РНК росте поліпептидний ланцюг.

Кожна амінокислота визначається триплетом (кодоном) нуклеотидів. Серед РНК-ових вірусів є такі, у яких і-РНК реплікується безпосередньо на матриці РНК. Однак є такі онкогенні (пухлинні) РНК-ові віруси, у яких спочатку відбувається синтез ДНК на РНК-овій матриці (зворотна транскрипція). Потім ця ДНК встроюється в геном клітин-господаря. У прокаріотів зворотної транскрипції немає.

Структура прокаріотних і вірусних генів сильно відрізняється від генів еукаріот. В бактеріальних і вірусних системах кодуюча інформація всередині цитрона безперервна; (цитрон – сегмент, який кодує один поліпептид); у еукаріот більшість генів містить кодуючу інформацію (екзон), яка переривається некодуючою послідовністю (інтрон). Виключення: гістонові гени.

ПЛАЗМІДИ

Це невеликі, замкнені в кільце молекули ДНК, які можуть існувати незалежно від хромосоми господаря і присутні в багатьох бактеріях (а також в дріжджах та інших грибах). Вони можуть автономно реплікуватись. Мають декілька генів, в загальному менше 30-ти. Бактерії можуть обходитись і без плазмід. Можуть бути однокопійні і мультикопійні (до 40 штук на клітину).

Епісоми – це плазміди, які можуть існувати або автономно, або інтегровані в хромосому господаря.

Кон’югативні плазміди - мають гени для пілей і можуть переносити свої копії в інші бактерії при кон’югації. Плазміди передають бактеріальній клітині певні властивості:

ü F – фактор (fertility - плодючість). Містить гени, що відповідають за прикріплення клітин і переносить плазміди між спеціальними бактеріальними штамами в процесі кон’югації. Мають розміри приблизно 94,5*10³ п.н.

ü Фактори резистентності (R). Містять гени про ферменти, які здатні зруйнувати або модифікувати антибіотики (до 8-ми антибіотиків). Вперше знайшли в 50-му році в Японії у хворих на дизентерію, яка викликається бактеріями роду Shigella. Досить швидко передається всередині популяції.

ü Col плазміди. Бактерії завдяки плазмідам синтезують бактеріоцини – білки, які руйнують інші бактерії (як правило близькі штами). Бактеріоцини вбивають клітини шляхом утворення каналів в ЦПМ, можуть руйнувати ДНК і РНК, атакувати пептидоглікан. Коліцин – проти E.coli, на бактерію, яка синтезує бактеріоцини, вони не діють.

ü Вірулентні плазміди. Роблять господаря більш патогенним.

ü Метаболічні плазміди. Несуть гени для ферментів, які деградують речовини: ароматичні речовини, пестициди, цукри; гени для азотфіксації.

Плазміди можуть бути видалені з клітин-господаря і цей процес отримав назву «виліковування, зцілення» ( curing). Вихід плазмід може відбуватися спонтанно або індукуватися обробкою, яка інгібує реплікацію плазміди, але не впливає на господаря. Інгібовані плазміди поступово видаляються із ростучої клітинної популяції.

Найпоширеніші агенти такого «зцілення» є акридинові мутагени, УФ та іонізуючі промені, тиміновий голод та ріст при температурі вище оптимальної.

КАТАЛІТИЧНА РНК (РИБОЗИМИ)

До недавнього часу біологи вважали, що всі клітинні реакції каталізуються білками – ферментами. В 1981-84 рр. Cech u Altman відкрили, що РНК також іноді каталізує реакції. Такі РНК назвали рибозимами, вони каталізують реакції, що призводять до зміни їх власної структури, або до зміни інших РНК. Це відкриття стимулювало вчених припустити, що на початку на Землі був «світ РНК». Експерименти показали, що інтрони з Tetrahymena thermophila (представник найпростіших) можуть каталізувати утворення поліцитидилової кислоти. Деякі вважають, що РНК-ові віруси – це «живі викопні» з оригінального світу РНК.

Найважливіша властивість рибозимів – самосплайсинг РНК. Цей процес досить поширений, знайдений у Tetrahymena пре-тРНК; мітохондріальний рРНК і мРНК дріжджів; хлоропластних тРНК, рРНК, мРНК, мРНК бактеріофагів. Інтрон в 413 нулеотидів каталізує реакцію вирізання самого себе (інтрона) і зшивання правого і лівого екзонів.

Рибозими навіть діють за законом Міхаеліса — Ментен.

Можливо вони захищають господаря, вирізаючи РНК патогенних вірусів, бактерій і грибів. Рибозими вже тестувались проти СНІДу, герпеса і ВТМ.

Лівий екзон інтрон правий екзон

МУТАЦІЇ У МІКРООРГАНІЗМІВ

У мікроорганізмів є 2 типи спадкових змін: ті які виникли в результаті мутацій; і в результаті рекомбінацій генетичного матеріалу.

Вперше термін «мутації» ввів Де Фріз для рослин, Бейєрінг — для мікроорганізмів.

Мутації у мікроорганізмів – це зміна спадкових ознак і властивостей, що передаються наступним поколінням. Мутації виникають з частотою 10^-4-10^-11 за одну генерацію.

Мутації у мікроорганізмів можуть бути спонтанними та індукованими. Коли в популяції бактерій без всякого експериментального втручання виникають мутації, то вони називаються спонтанними (випадкові помилки під час реплікації). Якщо обробляти клітини мутагенними речовинами (які викликають мутації), то можна суттєво підвищити частоту мутацій. Такі мутації називаються індукованими. Мутагенами можуть бути хімічні, фізичні та біологічні агенти.

За зміною структури ДНК мутації поділяють на такі види:

1. Транзиції – заміна одного пурину (піримідину) на інший пурин (піримідин).

2. Трансверсії - заміна пуринових на піримідинові і навпаки.

3. Вставки (інтеркаляції) - включена додаткова пара нуклеотидів.

4. Делеції. Випадіння окремих ділянок хромосоми (групи основ або генів).

5. Транспозиція – група основ переміщена в межах хромосом.

6. Інсерція – вставка чужої ДНК.

7. Перестановки – одна пара основ замінена іншою, наприклад, замість ГЦ може бути АТ.

Дата добавления: 2014-01-04