Передача наследственности у бактерий и вирусов

1.Строение генетического материала у бактерий и вирусов.

2.Передача наследственности у бактерий и вирусов на примере (трансформации, трансдукции и коньюгации).

Вплоть до 30-х годов фактически все генетические исследования проводились с растениями и животными.

С изобретением в конце ХУП века микроскопа Антон ванн Левенгуком были открыты бактерии среди неведомого до тех пор мира живых форм неразличимых невооруженным глазом.

Одноклеточные организмы в том числе бактерии и вирусы отличаются от высших организмов меньшей защищенностью наследственного материала от внешней среды, что влечет за собой изменчивость частым возникновением мутаций.

Жизненный цикл бактерий длится меньше часа, каждые 20-45 минут и миллиарды которых можно вырастить за ночь в крохотном объеме питательной среды.

Все это сделало бактерии и вирусы объектом исследований. К классическим объектам генетических исследований среди бактерий относится кишечная палочка, бактерии рода сальмонелла, нейроспора, а среди вирусов – бактериофаги поражающие эти бактерии и вирус табачной мозаики.

Бактерии имеют огромное значение для человека. Многие отрасли сельского хозяйства, а также промышленности зависят от деятельности бактерий. Такие важные химические соединения, как этиловый и бутиловый спирт, уксусная кислота, ацетон образуется за счет деятельности бактерий.

Бактерии используются при производстве кефира, сыра при производстве лекарственных препаратов при биологической очистке воды загрязненных источников и т.д.

Однако при всех положительных качествах, очень многие бактерии приносят человеку животным и растениям вред, т.е. они являются возбудителями различных заболеваний: дифтерии, дизентерии, брюшного тифа и др.

Бактерии имеют очень мелкие размеры от 1 до 10 микрометра. Форма их различна. Снаружи окружена плотной оболочкой. В отличии от многоклеточных микроорганизмов у бактерии нет четко оформленного ядра. Его заменяют по форме и величине структуры, носящие название ядерной вакуоли или нуклеоида.

Нуклеоид – ядро у прокариот. Он состоит из замкнутой в кольцо двухспиральной нити ДНК длиной 1,1-1,6 нм, которую рассматривают как одиночную бактериальную хромосому.

Цитоплозма – содержимое бактериальной клетки, отделенное цитоплазмсатической мембраной. Состоит из рибосом, внутриплазматических мембран, включений.

Рибосомы – органоиды осуществляющие синтез белка. Состоят из белка и РНК, соединенных в комплекс водородными связями. Одна бактериальная клетка содержит 5000-50000 рибосом, посредством и-РНК, они соединяются в полисомы, состоящие из 50-55 рибосом.

В цитоплазме также содержатся внехромосомные наследственные факторы, названные плазмиды.

ДНК бактерий не отличается по своему строению от ДНК высших организмов, т.е. содержат те же 4 основания: аденин , тимин, гуанин, цитозин присоединенные к дезоксирибозе. Молекулы ДНК бактерий находятся в основном в нуклеоидах и окружены хроматином, напоминая хромосомы высших организмов, виде замкнутой в кольцо 2-х спиральной нити, плотной уложенной. Один конец ДНК прикреплен к клеточной мембране.

Репликация ДНК микроорганизмов происходит также как и у высших организмов. В репликации участвуют ферменты ДНК-полимеразы.

Синтез (репликация) ДНК бактерии начинается еще в период роста, всегда с одной определенной точки и дет в одном направлении.

Деление нуклеоида заканчивается до деления клетки. В ДНК бактерии имеются отдельные участки, отвечающие за синтез определенных ферментов – называемых цистронами у высших организмов – генами.

Цистроны расположены в молекуле ДНК в линейном порядке в последовательности их влияния на синтез определенного фермента.

В период репликации ДНК и образования перегородки клетка непрерывно растет, идет формирование рибосом и других соединении.

На определенной стадии дочерние клетки отделяются др. от друга и каждая дочерняя бактериальная клетка имеет такой же набор генетической информации – какой был в исходной бактериальной клетки.

Строение вирусов. Вирусы относятся к микроорганизмам хотя резко отличаются от всех известных клеточных форм жизни. Вирусные частицы подобно бактериям не одинаковы по форме и очень малы (20-40 нм). Так вирус фага сени Т ( Т1,Т2,Т4 и т.д.) кишечной палочки по форме напоминают сперматозоиды и состоят из головки и хвоста, а вирус табачной мозаики – палочковидной формы, как початок кукурузы. Для вирусов характерно более простое строение, чем у бактерий.

У вирусов имеется белковый чехол, который покрывает головку и хвостовую нить (отросток). В головке плотно упакована ДНК. Конец хвоста фага морфологически довольно слажен. Им фаг прикрепляется к поверхности поражаемой клетки. В зависимости от вида организма вирусные частицы содержат только ДНК или только РНК. Вирусы растений содержат РНК. Среди вирусов животных и человека существуют виды, содержащие как ДНК, так и виды с РНК. У большинства вирусов ДНК имеет двухцепочное строение, но сеть вирусы с одноцепочной ДНК.Вирусы паразитирующие в бактериях называются фагами или бактериофагами. Всюду где размножаются бактерии обнаруживаются и паразитирующие в них фаги. Они находятся в кишечнике человека, в сточных водах, почве и т.д.

Вне клетки вирусные частицы инертны и не размножаются. Проникают вирусы в клетку бактерии или высшего организма при механическом повреждении тканей организма или путем прикрепления к поверхности клетки концевыми нитями отростков растворяя ее оболочку специальным ферментом впрыскивая в клетку частицы ДНК или РНК с незначительным проникновением белка. После проникновения в клетку хозяина ДНК вируса начинает интенсивный синтез, образуя новые молекулы ДНК. И под их контролем синтезируются специфические для данного вируса белки.

Синтез вирусного белка начинается через несколько минут после заражения организма хозяина. Одна частица фага, попавшая в клетку, способна дать начало сотне и более новых частиц. Через 16-18 минут происходит лизис. После разрушения, или (лизиса) клетки, эти частицы входят в окружающую среду вполне зрелыми (готовыми) к новому заражению. В зависимости от взаимодействия вирусов с клеткой хозяина они подразделяются на вирулентные и умеренные.

Фаг, способный вызвать лизис клетки – называется вирулентным. Умеренные фаги проникают в клетку хозяина не разрушают ее, а остаются в ней, в качестве жильцов, т.е. вступают в симбиоз. Бактерии несущие умеренный фаг – называются лизогенными, а сам фаг, существующий в подобной форме – профагом. Профаг может существовать с бактериальной клеткой длительное время, но может переходить и в лизис. Экспериментами установлено, что участок ДНК умеренного фага всегда прикрепляется к соответствующему участку молекулы ДНК бактерии. Синтез ДНК профага происходит синхронно с репликацией ДНК бактерии. Основная форма размножения у бактерии – деление клеток, у вирусов – редупликация ДНК, РНК и образование новых частиц в клетке хозяина.

Однако между клетками разных бактерий или частицами вируса происходит обмен генетическим материалом, осуществляемый у вирусов – путем трансформации, трансдукции, коньюгации.

|	следующая лекция ==>
Синтез белка в клетке	|	Трансформация у бактерий и вирусов

Дата добавления: 2018-11-25 ; просмотров: 275 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

В состав нуклеотида бактерий входят ДНК, РНК и белки. Число нуклеотидов в бакте­риальной клетке может варьировать от одного (в культу­рах, находящихся в стационарной фазе роста) до двух (в стадии задержки размножения после переноса клеток в свежую среду) и четырех (в культурах с постоянной скоростью роста). Каждый нуклеоид содержит двухцепочечную замкнутую в кольцо молекулу ДНК. В молекуле ДНК нуклеотида закодирована вся генетиче­ская информация, необходимая для жизнедеятельности клетки, поэтому нуклеотид рассматривают как бактериаль­ную хромосому. Хро­мосомы имеют кольцевое строение. Гигантская молекула ДНК бактериальной хромосомы поддерживается связанными с ней молекулами РНК и белка в форме компактной струк­туры, свернутой в отдельные сверхспирализованные петли (домены), число которых колеблется от 12 до 80.

Помимо хромосомной ДНК в состав генома многих прокариот входят также сверхскрученные, ковалентно-замкнутые кольцевые молекулы внехромосомной, или плазмидной, ДНК.

Способы передачи наследственной информации у бактерий:

1.трансформация – перенос изолированных фрагментов мол-лы ДНК из одного орг-ма к другому.

2.трансдукция это способность переносить наследственную инф-ю от одного орг-ма к др. при помощи вирусов.

3.конъюгация – обмен наследственной информацией.

Генетиче­ский материал вируса представлен одной молекулой нуклеиновой кислоты, ДНК или РНК, не связанной с белком. В связи с этим вирусы подразделяются на ДНК- и РНК-содержащие. Вирусы бактерий чаще содержат ДНК, а почти все вирусы растений и подав­ляющее большинство вирусов человека — РНК.

Нуклеиновая кислота вируса бывает одно- или двухцепочечной и может иметь кольцевую или линейную форму. Кольцевая форма ДНК более стабильна и свойственна большинству вирусов. Кольцо ДНК (РНК) обычно бывает перекручено, поэтому она имеет суперспирализованный вид.

Генетическое вещество у вирусов заключено в белковую оболоч­ку, которая вместе с нуклеиновой кислотой образует так называемый капсид или нуклеокапсид. Большинство вирусов растений и РНК-содержащих бактериальных фагов состоит только из нуклеиновой кислоты и белка.

Генная инженерия – это комплекс действий, направленных на реорганизацию (перестройку) наследственного материала. Целью ГИ явл-ся создание новых гибридных форм эукариот и прокариот не половым путем, а методом гибридизации мол-лы ДНК (перенос ген-ой инф-ции из 1 орг-ма в др.). Включает следующие этапы:

1.получение ген-го материала.

2.включение этого материала в автономно реплицирующуюся генетт-ю стр-ру и создание рекомбинантной ДНК.

3.введение рекомбинантной мол-лы ДНК в кл.-реципиент и вкл. ее в хромосомный аппарат.

4.отбор трансформированных кл. в геном кот. вкл. переносимый ген.

Способы получения генов для пересадки

1.синтезирование хим-м путем.

2.метод ферментативного синтеза.

3.с помощью фер-тов рестриктаз.

4.клонирование (размножение кл. с рекомб-ной ДНК).

Основные достижения ГИ.На основе генной инженерии можно наладить промыш­ленное производство витаминов, аминокислот, фермен­тов, гормонов и т. д. В настоящее время уже освоено промышленное производство белка инсулина (гормона поджелудочной железы для лечения диабета) и интерферонов — белков, подавляющих размножение вирусов. Генная инженерия используется в медицинской практике получения вакцин и сывороток.

Генная инженерия позволяет конструировать и эукариотические клетки с новой генетической программой. В настоящее время получают гибриды соматических клеток разных видов и даже животных и растений. Созданы рас­тения, способные усваивать атмосферный азот, что в бу­дущем не только обогатит растительную пищу белками, но сделает ненужным применение азотсодержащих удобрений и благоприятно скажется на чистоте окружающей среды.

Успехи генной инженерии позволили решить ряд фундаментальных проблем биологии. Так, с ее помощью были обна­ружены мозаичное, экзонинтронное, строение гена у эукариот, структурные особенности и механизмы активности генов имуноглобулинов, выделены гены, ответственные за развитие злокачественных опухолей, расшифрована их полная нуклеотидная последовательность, выяснены некоторые механизмы дифференци­альной активности генов в онтогенезе.

СЕЛЕКЦИЯ КАК НАУКА И ТЕХНОЛОГИЯ. ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ В СЕЛЕКЦИИ. СИСТЕМЫ СКРЕЩИВАНИЯ И МЕТОДЫ ОТБОРА В СЕЛЕКЦИЮ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СЕЛЕКЦИИ ДОСТИЖЕНИЙ ГЕНЕТИКИ.

Селекция –это наука и методах создания новых и улучшения существующих штампов микроорганизмов, сортов растений и пород животных.

Породой, сортом, штаммом называют популяцию организмов, искусственно созданную человеком и характеризующуюся определенными наследственными особенностями. Все особи внутри породы, сорта, штамма имеют сходные наследственно закрепленные св-ва: продуктивность, определенный комплекс физиологических и морфологических св-в, а также однотипичную реакцию на факторы внешней среды.

Наличие наследственной изменчивости позволяет путем различных систем скрещивания сочетать определенные наследственные признаки в одном организме, а также избавляться от нежелательных св-в.

Система скрещивания

Методы скрещивания 1. родственное (самоопыление)

(разведения): 2. Неродственное: - внутрипородное

Родственным скрещиванием (инбридинг) называют скрещивание особей, имеющих близкую степень родства:

Неродственное скрещивание-аутбридинг. Служит важным методом селекции. С его помощью комбинируют различные ценные признаки для создания новой породы или сорта.

Пример: чтобы повысить живой вес кур породы с маленьким весом, их можно скрестить с другой породой, характеризующейся большим живым весом. Гибридные куры первого поколения по весу будут занимать промежуточное положение. Но если их скрестить с такими же гибридными петухами, то во F2 произойдет расщепление на различные по весу особи. Породы еще не будет, но в этом поколении могут встретиться нужные сочетания признаков.

Отдаленная гибридизация – скрещивание форм, относящихся к разным видам и родам. В селекции получила наибольшее значение у растений, и прежде всего вегетативно-размножаемых. Ее широко использовали многие селекционеры для выведения сортов плодовых и ягодных растений, совмещающих в себе ряд таких ценных качеств, как морозостойкость, устойчивость к заболеваниям. Вегетативное размножение отдаленного гибрида снимает проблему стерильности. Так скрещивание диких иммунных к вирусным заболеваниям видов сахарного тростника с культурными формами позволило в 3 раза повысить продукцию сахара.

У животных: скрестили тонкорунных грубошерстных овец с диким бараном – Архаром была создана тонкорунная порода. Архаро – мерино, приспособленное к высокогорным пастбищным условиям.

В селекциях микроорганизмов гибрид двух дрожжей: Saccharomyces cerevisiae и S. Carlsbergensis сочетает ферменты, гидролизирующие сахара обоих видов. В силу этого он дает повышенный выход спирта и патоки. Этот гибридный штамм может неограниченно долго размножаться вегетативно не давая расщепления.

Основные задачи современной селекции:

- повышение урожайности сортов культурных растений

- повышение продуктивности пород домашних животных

- повышение продуктивности штаммов микроорганизмов

С целью изучения многообразия и географического распространения культурных растений Н.И Вавилов организовывал многочисленные экспедиции. В результате выделены центры происхождения культурных растений:

1)Южноазиатский – рис, сахарный тростник, цитрусовые.

Лекция 8. Передача наследственной информации у бактерий и вирусов. Основы фармакогенетики

Кишечная палочка (Escherichia coli) обладает гаплоидным набором хромосом, является быстрорастущим организмом, который можно культиворовать на синтетической среде. В бактериях происходит обмен генетической информацией, который приводит к возникновению новых рекомбинативных генотипов, однако процессы, которые приводят к такому обмену, существенно отличаются от оплодотворения и мейоза, характерных для высших организмов. Эти процессы называются парасексуальными и включают в себя такие формы, как сексдукция, трансформацияи трансдукция. Парасексуальные процессы – это обмен генетической информацией между клетками разных штаммов бактерий и вирусов.

Сексдукция – это перенесение генетического материала от одной бактерии к другой с помощью полового фактора (F+) при коньюгации. Впервые процесс коньюгации у бактерий обнаружили Дж.Ледеберг и Э.Татум в 1946 г. В 1952 г. Хейс установил неравноценную роль родительских штаммов при коньюгации. Выяснилось, что один штамм является донором (мужским), а другой – реципиентом (женским). F+ - это присутствующий половой фактор, что характерно для мужских клеток бактерий, F- - это отсутствующий половой фактор, что характерно для женских клеток бактерий.

Клетки-доноры обладают половым фактором F+, который является коньюгативной плазмидой и представляет собой циркулярно замкнутую молекулу ДНК. При коньюгации клетки доноры F+ соединяются с клетками-реципиентами F- при помощи коньюгационного мостика – особой протоплазматической трубки, образуемой клеткой F+. При коньюгации фактор F+ обычно не передается, так как располагается в конце хромосомы. С более высокой частотой передаются гены, расположенные около начальной точки хромосомы донора. Затем ДНК донора в гомологичных участках вступает в контакт с ДНК реципиента и в результате кроссинговера, некоторые участки одной цепи ДНК реципиента заменяются фрагментами ДНК донора. При коньюгации половой фактор вместе с фрагментами ДНК иногда переходит в женскую клетку, превращая ее в мужскую и передавая ей свойства, контролируемые фрагментом хромосомы донора. Мостик между коньюгирующими клетками хрупок, и перенос всей хромосомы донора, который при 370С занимает 90 минут редко доходит до конца. При данной температуре перенос происходит с постоянной скоростью. Большая скорость деления бактериальных клеток за короткий промежуток времени, обуславливает их показательное использование в генетических исследованиях.

Трансформация – это процесс передачи наследственной информации от одного штамма бактерий другому вследствие перенесения ДНК. Такое явление впервые обозначил Ф.Гриффитс в 1928 г. на пневмококках. В 1944 году Эвери, Мак-Леод и Мак-Карти осуществили химическую идентификацию трансформирующего начала. Они убивали клетки пневмококков нагреванием, экстрагировали с помощью лизиса в присутствии детергента и после осаждения абсолютным этанолом и депротеинизации хлороформом получали трансформирующее начало в высокоактивной форме. Конечный продукт давал отрицательную реакцию на белок и и РНК и резкоположительную реакцию на ДНК. Трансформирующая активность препарата была устойчива к протеолитическим ферментам и рибонуклеазе, но разрушалась под действием ферментов, расщепляющих ДНК. С помощью этих экспериментов было твердо установлено, что ДНК способна переносить генетическую информацию от одной бактерии к другой.

Трансдукция- Это перенос генов из одной бактериальной клетки в другую при участии определенных бактериофагов. Впервые явление трансдукции установили Н.Д.Циндер и Дж.Ледеберг в 1952 г. По строению бактериофаги – это вирусы, паразитирующие в бактериальных клетках. У бактериофагов ДНК заключена в головке фага. Если фаг вирулентный, то инфицирование этим фагом чувствительной клетки-хозяина приводит к ее лизису и высвобождению фагов-потомков. Фаговые частицы прикрепляются к специфическим участкам бактериальной клеточной стенки с помощью фибрилл отростка. Чехол отростка сокращается, и содержимое головки проникает внутрь бактерии, как бы впрыснутое шприцем. Фаговая ДНК проходит через отросток в бактериальную клетку, подавляя белоксинтезирующие механизмы клетки-хозяина, и заставляет их синтезировать компоненты фага, используя в качестве матрицы фотоспецифические мРНК. Есть и такие фаги, которые, инфицируя клетку, не обязательно вызывают ее лизис. Подобно коньюгации, трансдукция – однонаправленный перенос. Трансдуцированные гены донора включаются в тот участок бактериальной хромосомы, в котором расположены гомологичные гены реципиента. Иногда трансдуцированный фрагмент ДНК не интегрируется, а остается в цитоплазме бактерии; в этом случае он не может делиться, но способен транскрибироваться и транслироваться. Это абортивная трансдукция; она обусловливает гетерозиготность по генам, содержащимся в перенесенном фрагменте, и позволяет исследовать функцию генов и их взаимодействие.

Эксперимент Френкель-Конрата в 1955 г. отчетливо показал, что именно РНК определяет взаимодействие вируса и клетки-хозяина, а также генотип и фенотип вирусного потомства. В 1956 г. Гигер и Шрамм показали, что генетическим материалом ряда вирусов, а в частности вируса табачной мозаики (ВТМ) является одноцепочечная молекула РНК.

Фармакогенетика – наука о роли генетических факторов в индивидуальной, видовой, половой и возрастной восприимчивости организмов к лекарственным веществам, метаболизме этих веществ, толерантности, лекарственной зависимости, кумуляции, потенциировании и антагонизме. Фармакогенетика – это новый прикладной междисциплинарный раздел генетики и фармакологии (науки, изучающей действие лекарственных веществ на организм животных и людей).

- реакции организма на действие лекарственных веществ с учетом генетических особенностей отдельных индивидуумов в рамках возрастных, сезонных, половых, видовых особенностей;

- стремление достижения желаемого эффекта при их применении;

- механизм и степень наследования этих реакций в норме и патологии;

- генетику ферментов, которые превращают (метаболизируют) лекарственные вещества в норме и в случае патологических изменений в ферментной системе;

- разрабатывает способы профилактики патологических медикаментозных реакций и лечения органов с такими отклонениями.

Генетически обусловленные отличия в реакциях организма на лекарственные вещества зависят:

1. От замедленного метаболизма лекарственных веществ, вследствие чего возникает резкая реакция организма на фармакологические препараты (образование недостаточного количества соответствующих ферментов, или с недостаточной их активностью).

2. От ускоренного метаболизма лекарственных веществ, результатом которого является слабая фармакологическая реакция организма и пониженная лечебная эффективность препаратов.

3. От нарушения нормального взаимодействия между лекарственными веществами и метаболитами, что может приводить к образованию вредных химических соединений и негативной реакции организма.

Также могут возникать нетипичные реакции организма на лекарственные вещества, прямо не связанные с генотипом организма, а являются результатом аллергизации, ослабления защитных механизмов организма. Чаще всего это результат ферментных дефектов (энзимопатий).

Энзимопатии – наследственные нарушения структуры и функции ферментов, метаболизирующих лекарственные вещества. Они возникают в результате мутаций определенных генов и играют важную роль в возникновении негативного действия многих лекарственных веществ. В одном случае действие лекарственных веществ усиливается настолько, что обуславливает нежелательные последствия, а в другом – лекарственные вещества провоцируют обострение хронических заболеваний, которые протекали латентно.

Широкое применение антибиотиков и других лекарств привело к тому, что генетическая резистентность патогенных бактерий возросла до такой степени, при которой часто затруднено лечение инфекционных болезней. В Англии среди изученных штаммов сальмонелл 61% оказался резистентным к одному или более антибиотиков. В этой же стране в 1977 г. 62,6% штаммов E.coly, выделенных от крупного рогатого скота, были резистентными к стрептомицину и 47% - к тетрациклину, а у свиней – соответственно 5,5 и 47,1%.

У скота, павшего от респираторных болезней, выделено более 50% культур пастерелл, устойчивых к сульфаниламидам и стрептомицину, а 75% были нечувствительны к тетрациклину.

На некоторых фермах в Японии во время эпизоотии сальмонеллеза у телят выделяли до 77% устойчивых к хлорамфениколу штаммов сальмонелл, среди которых 85% были также устойчивы к тетрациклину, стрептомицину и сульфаниламидам. Резистентность полностью передавалась последующим поколениям сальмонелл.

Во многих странах повышение резистентности к различным лекарствам обнаружено у гельминтов и клещей. Установлено, что применение одного препарата ведет к возникновению устойчивости клещей к этому препарату в течение 5-10 лет.

Механизм резистентности микроорганизмов против лекарственных веществ.

Резистентность микроорганизмов зависит от образования в бактериальных клетках так называемых плазмид – эписом с R–фактором (способным обеспечить устойчивость бактерий против лекарственных веществ). Плазмиды по коньюгационному мостику могут проникать в другую бактерию, даже другого вида, обусловливая или невосприимчивость к определенным лекарственным веществам, или способность к синтезу колицинов. Колициногены включают гены, которые и обусловливают синтез бактерией особых белковых веществ – колицинов. Однако образовавшиеся метаболиты пагубно воздействуют на организм животного или человека, ухудшая состояние здоровья. Периодическое чередование разных лекарственных веществ (в пределах 2-3 суток), как правило, приводит к полной утрате способности бактериальной клетки к быстрому размножению R-факторов, размножению самой клетки и к ее гибели. Некоторые из плазмид способны встраиваться в хромосому бактерии, и тогда при переходе из одной бактерии в другую они, подобно половому фактору, перетягивают за собой часть, а иногда всю хромосому.

Эффективность введения лекарственных веществ зависит от:

- Пола. Мужской пол имеет меньше активных генов, чем женский, вследствие инертности Y-хромосомы. Например женский пол чувствителен к никотину, стрихнину, снотворному, но резистентен к алкоголю.

- Возраста. Новорожденные более чувствительны к лекарственным веществам, чем взрослые. При внутрибрюшном введении новорожденным крольчатам гексабарбитала 75мг/кг приводит к глубокому сну, а затем к гибели. У 10-дневных крольчат сон 1-2 часа, и гибнут 50%. У 16-дневных крольчат – сон 10-20 минут. Взрослые кроли не засыпают. Такие лекарственные вещества, как ацетилхолин, адреналин, никотин у старых животных вызывают реакцию в 3-10 раз выше, чем у молодых.

- Смены дня и ночи. Так морфин, амфетамин наиболее активны в ночное время, а никотинамид – днем. У мышей токсичность этилового спирта вечером и ночью выше, чем утром и днем. Ритмическая деятельность организма полностью зависит от генетического контроля и действия желез внутренней секреции.

- Факторов внешней среды. Температура, свет, радиационный режим, способ содержания (групповой, одиночно), режим кормления, атмосферное давление… Воздействие рентгеновскими лучами снижает действие лекарственных веществ. Одиночное содержание приводит к увеличению активности ферментов, вследствие чего продолжительность сна значительно уменьшается.

Молекулярная биология, изучающая фундаментальные основы жизни, является в значительной степени детищем микробиологии. В качестве основных объектов изучения в ней используют вирусы и бактерии, а основное направление- молекулярная генетика основана на генетике бактерий и фагов.

Бактерии- удобный материал для генетики. Их отличает:

- относительная простота генома (сопокупности нуклеотидов хромосом);

- гаплоидность (один набор генов), исключающая доминантность признаков;

- различные интегрированные в хромосомы и обособленные фрагменты ДНК;

- половая дифференциация в виде донорских и реципиентных клеток;

- легкость культивирования, быстрота накопления биомасс.

Общие представления о генетике.

Ген- уникальная структурная единица наследственности, носитель и хранитель жизни. Он имеет три фундаментальные функции.

1.Непрерывность наследственности- обеспечивается механизмом репликации ДНК.

2.Управление структурами и функциями организма - обеспечивается с помощью единого генетического кода из четырех оснований (А- аденин, Т- тимин, Г- гуанин, Ц- цитозин). Код триплетный, поскольку кодон- функциональная единица, кодирующая аминокислоту, состоит из трех оснований (букв).

3.Эволюция организмов- благодаря мутациям и генетическим рекомбинациям.

В узкоспециальном плане ген чаще всего представляет структурную единицу ДНК, расположение кодонов в которой детерминирует первичную структуру соответствующей полипептидной цепи (белка). Хромосома состоит из особых функциональных единиц- оперонов.

Основные этапы развития (усложнения) генетической системы можно представить в виде следующей схемы:

кодон à ген à оперон à геном вирусов и плазмид à хромосома прокариот (нуклеоид) à хромосомы эукариот (ядро).

Генетический материал бактерий.

1.Ядерные структуры бактерий- хроматиновые тельца или нуклеоиды (хромосомная ДНК). У бактерий одна замкнутая кольцевидная хромосома (до 4 тысяч отдельных генов). Бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы (репликация ДНК) сопровождается делением клетки. Вегетативная репликация хромосомной (и плазмидной) ДНК обусловливает передачу генетической информации по вертикали- от родительской клетки- к дочерней. Передача генетической информации по горизонтали осуществляется различными механизмами- в результате конъюгации, трансдукции, трансформации, сексдукции.

2.Внехромосомные молекулы ДНК представлены плазмидами, мигрирующими генетическими элементами- транспозонами и инсервационными (вставочными) или IS- последовательностями.

Плазмиды- экстрахромосомный генетический материал (ДНК), более просто устроенные по сравнению с вирусами организмы, наделяющие бактерии дополнительными полезными свойствами. По молекулярной массе плазмиды значительно меньше хромосомной ДНК, содержат от 40 до 50 генов.

Их объединение в одно царство жизни с вирусами связано с наличием ряда общих свойств- отсутствием собственных систем мобилизации энергии и синтеза белка, саморепликацией генома, абсолютным внутриклеточным паразитизмом.

Их выделение в отдельный класс определяется существенными отличиями от вирусов.

1.Среда их обитания- только бактерии (среди вирусов , кроме вирусов бактерий- бактериофагов имеются вирусы растений и животных).

2.Плазмиды сосуществуют с бактериями, наделяя их дополнительными свойствами. У вирусов эти свойства могут быть только у умеренных фагов при лизогении бактерий, чаще же всего вирусы вызывают отрицательный последствия, лизис клеток.

3.Геном представлен двунитевой ДНК.

4.Плазмиды представляют собой “голые” геномы, не имеющие никакой оболочки, их репликация не требует синтеза структурных белков и процессов самосборки.

Плазмиды могут распространяться по вертикали (при клеточном делении) и по горизонтали, прежде всего путем конъюгационного переноса. В зависимости от наличия или отсутствия механизма самопереноса (его контролируют гены tra- оперона) выделяют конъюгативные и неконъюгативные плазмиды. Плазмиды могут встраиваться в хромосому бактерий- интегративные плазмиды или находиться в виде отдельной структуры- автономные плазмиды ( эписомы).

Классификация и биологическая роль плазмид.

Функциональная классификация плазмид основана на свойствах, которыми они наделяют бактерии. Среди них- способность продуцировать экзотоксины и ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам, синтез бактериоцинов.

Основные категории плазмид.

1.F- плазмиды - донорские функции, индуцируют деление (от fertility - плодовитость). Интегрированные F - плазмиды- Hfr- плазмиды (высокой частоты рекомбинаций).

2.R- плазмиды (resistance) - устойчивость к лекарственным препаратам.

3.Col- плазмиды- синтез колицинов (бактериоцинов)- факторов конкуренции близкородственных бактерий (антогонизм). На этом свойстве основано колицинотипирование штаммов.

4.Hly- плазмиды- синтез гемолизинов.

5.Ent- плазмиды- синтез энтеротоксинов.

6.Tox- плазмиды- токсинообразование.

Близкородственные плазмиды не способны стабильно сосуществовать, что позволило объединить их по степени родства в Inc- группы (incompatibility- несовместимость).

Биологическая роль плазмид многообразна, в том числе:

- контроль генетического обмена бактерий;

- контроль синтеза факторов патогенности;

- совершенствование защиты бактерий.

Бактерии для плазмид- среда обитания, плазмиды для них- переносимые между ними дополнительные геномы с наборами генов, благоприятствующих сохранению бактерий в природе.

Мигрирующие генетические элементы - отдельные участки ДНК, способные определять свой перенос между хромосомами или хромосомой и плазмидой с помощью фермента рекомбинации транспозазы. Простейшим их типом являются инсерционные последовательности (IS- элементы) или вставочные элементы, несущие только один ген транспозазы, с помощью которой IS- элементы могут встраиваться в различные участки хромосомы. Их функции- координация взаимодействия плазмид, умеренных фагов, транспозонов и генофора для обеспечения репродукции, регуляция активности генов, индукция мутаций. Величина IS- элементов не превышает 1500 пар оснований.

Транспозоны (Tn- элементы) включают до 25 тысяч пар нуклеотидов, содержат фрагмент ДНК, несущий специфические гены, и два Is- элемента. Каждый транспозон содержит гены, привносящие важные для бактерии характеристики, как и плазмиды (множественная устойчивость к антибиотикам, токсинообразование и т.д.). Транспозоны- самоинтегрирующиеся фрагменты ДНК, могут встраиваться и перемещаться среди хромосом, плазмид, умеренных фагов, т.е. обладают потенциальной способностью распространяться среди различных видов бактерий.

Понятие о генотипе и фенотипе.

Генотип- вся совокупность имеющихся у организма генов.

Фенотип- совокупность реализованных (т.е. внешних) генетически детерминированных признаков, т.е. индивидуальное (в определенных условиях внешней среды) проявление генотипа. При изменении условий существования фенотип бактерий изменяется при сохранении генотипа.

Изменчивость у бактерий может быть ненаследуемой (модификационной) и генотипической (мутации, рекомбинации).

Временные, наследственно не закрепленные изменения, возникающие как адаптивные реакции бактерий на изменения окружающей среды, называются модификациями (чаще - морфологические и биохимические модификации). После устранения причины бактерии реверсируют к исходному фенотипу.

Стандартное проявление модификации- распределение однородной популяции на две или более двух типов- диссоциация. Пример- характер роста на питательных средах: S- (гладкие) колонии, R- (шероховатые) колонии, M- (мукоидные, слизистые) колонии, D- (карликовые) колонии. Диссоциация протекает обычно в направлении Sà R. Диссоциация сопровождается изменениями биохимических, морфологических, антигенных и вирулентных свойств возбудителей.

Мутации- скачкообразные изменения наследственного признака. Могут быть спонтанные и индуцированные, генные (изменения одного гена) и хромосомные (изменения двух или более двух участков хромосомы).

Одновременно у бактерий имеются различные механизмы репарации мутаций, в том числе с использованием ферментов- эндонуклеаз, лигаз, ДНК- полимеразы.

Генетические рекомбинации- изменчивость, связанная с обменом генетической информации. Генетические рекомбинации могут осуществляться путем трансформации, трансдукции, конъюгации, слияния протопластов.

1.Трансформация- захват и поглощение фрагментов чужой ДНК и образование на этой основе рекомбинанта.

2.Трансдукция- перенос генетического материала фагами (умеренными фагами- специфическая трансдукция).

3.Конъюгация- при непосредственном контакте клеток. Контролируется tra (transfer) опероном. Главную роль играют конъюгативные F- плазмиды.

Геном вирусов содержит или РНК, или ДНК (РНК- и ДНК- вирусы соответственно). Выделяют позитивную (+) РНК, обладающую матричной активностью и соответственно- инфекционными свойствами, и негативную ( - ) РНК, не проявляющую инфекционные свойства, которая для воспроизводства толжна транскрибироваться (превращаться) в +РНК. Механизмы репродукции различных вирусов очень сложные и существенно отличаются. Основные их схематические варианты представлены ниже.

1. вирионная (матричная) +РНК à комплементарная -РНК (в рибосомах) à вирионная +РНК.

2. - РНК à вирусная (информационная) +РНК à - РНК (формируется на геноме зараженной клетки).

3. однонитевая ДНК: +ДНК à +ДНК -ДНК à +ДНК -ДНК +ДНК à +ДНК.

4. ретровирусная однонитевая РНК: РНК à ДНК (провирус) à РНК.

5. двунитевая ДНК: разделение нитей ДНК и формирование на каждой комплементарной нити ДНК.

Генофонд вирусов создается и пополняется из четырех основных источников:

двух внутренних (мутации, рекомбинации) и двух внешних (включение в геном генетического материала клетки хозяина, поток генов из других вирусных популяций).

Комплементация- функциональное взаимодействие двух дефектных вирусов, способствующее их репликации и горизонтальной передаче.

Фенотипическое смешивание- при заражении клетки близкородственными вирусами с образованием вирионов с гибридными капсидами, кодируемыми геномами двух вирусов.

Популяционная изменчивость вирусов связана с двумя разнонаправленными процессами - мутациями и селекцией, связанными с внешней средой как индуктором мутаций и фактором стабилизирующего отбора. Гетерогенность вирусных популяций- адаптационный генетический механизм, способствующий пластичности (устойчивости, приспособляемости) популяций, фактор эволюции и сохранения видов во внешней среде.

Генофонд вирусных популяций сохраняется за счет нескольких механизмов:

- восстановления изменчивости за счет мутаций;

- резервирующих механизмов (возможность перехода любых, даже негативных мутаций в следующую генерацию)- комплементация, рекомбинация;

- буферных механизмов (образование дефектных вирусных частиц, иммунных комплексов и др.), способствующие сохранению вируса в изменяющихся внешних условиях.