Лекция: Основу наследственного аппарата бактерий, как и всех других организмов, составляет ДНК (у РНК-содержащих вирусов — РНК).
Наряду сэтим наследственный аппарат бактерий и возможности его изучения имеют ряд особенностей:
бактерии — гаплоидные организмы, т. е. они имеют 1 хромосому. В связи с этим при наследовании признаков отсутствует явление доминантности;
•бактерии обладают высокой скоростью размножения, в связи счем за короткий промежуток времени (сутки) сменяется несколько десятков поколений бактерий. Это дает возможность изучать огромные по численности популяции и достаточно легко выявлять даже редкие по частоте мутации. Наследственный аппарат бактерий представлен хромосомой. У бактерий она одна. Если и встречаются клетки с 2, 4 хромосомами, то они одинаковые.
Хромосома бактерий — это молекула ДНК. Длина этой молекулы достигает 1,0 мм и, чтобы «уместиться» в бактериальной клетке, она не линейная, как у эукариотов, а суперспирализо-вана в петли и свернута в кольцо. Это кольцо в одной точке прикреплено к цитоплазматической мембране. На бактериальной хромосоме располагаются отдельные гены. У кишечной палочки, например, их более 2 тыс.
2. Генотип (геном) бактерий представлен не только хромосомными генами. Функциональными единицами генома бактерий, кроме хромосомных генов, являются:
• IS-последовательности;
• транспозоны;
• плазмиды.
IS-последовательности — короткие фрагменты ДНК. Они не несут структурных (кодирующих тот или иной белок) генов, а содержат только гены, ответственные за транспозицию (способность IS-последовательностей перемещаться по хромосоме и встраиваться в различные ее участки). IS-последовательности одинаковы у разных бактерий. Транспозоны — это молекулы ДНК, более крупные, чем IS-последовательности. Помимо генов, ответственных за транспозицию, они содержат и структурный ген, кодирующий тот или иной признак.
Транспозоны легко перемещаются по хромосоме. Их положение сказывается на экспрессии как их собственных структурных генов, так и соседних хромосомных. Транспозоны могут существовать и вне хромосомы, автономно, но неспособны к автономной репликации.
Плазмиды — кольцевые суперспиралевидные молекулы ДНК. Их молекулярная масса колеблется в широких пределах и может быть в сотни раз больше, чем у транспозонов.
Плазмиды содержат структурные гены, наделяющие бактериальную клетку разными, весьма важными для нее свойствами:
• R-плазмиды — лекарственной устойчивостью;
• Col-плазмиды — способностью синтезировать колицины;
• F-плазмиды — передавать генетическую информацию;
• Шу-плазмиды — синтезировать гемолизин;
• Тох-плазмиды — синтезировать токсин;
• плазмиды биодеградации — разрушать тот или иной субстрат и т. д.
Плазмиды могут быть интегрированы в хромосому (в отличие от IS-последовательностей и транспозонов, встраиваются в строго определенные участки), а могут существовать автономно. В этом.случае они обладают способностью к автономной репликации, и именно поэтому в клетке может быть 2, 4, 8 копий такой плазмиды.
Многие плазмиды имеют в своем составе гены трансмиссивности и способны передаваться от одной клетки к другой при конъюгации (обмене генетической информацией). Такие плазмиды называются трансмиссивными.
3. Наличие F-плазмиды (фактор фертилъности, половой фактор)
придает бактериям функции донора, и такие клетки способны передавать свою генетическую информацию другим, F-клеткам. Можно сказать, что наличие F-плазмиды является фенотипиче-ским выражением (проявлением) пола у бактерий: с F-плазмидой связана не только донорская функция, но и некоторые другие фенотипические признаки — наличие F-пилей (половых ресничек) и чувствительность к L-фагам. С помощью F-ресничек устанавливается контакт между донорскими и реципиентными клетками. Через их канал и передается донорская ДНК при рекомбинации. На половых ресничках расположены рецепторы для мужских fj-фагов. F-клетки не имеют таких рецепторов и нечувствительны к таким фагам.
4. У бактерий различают 2 вида изменчивости — фенотипическую и генотипическую.
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.
Генотипическая изменчивость затрагивает генотип. В ее основе лежат мутации и рекомбинации.
Мутации бактерий принципиально не отличаются от мутаций эукариотических клеток. Особенностью мутаций у бактерий является относительная легкость их выявления, так как имеется возможность работать с большими по численности популяциями бактерий. По происхождению мутаиии могут быть:
• спонтанными;
• индуцированными. По протяженности:
• точечными;
• генными;
• хромосомными. По направленности:
— прямыми;
— обратными.
Рекомбинации (обмен генетическим материалом) у бактерий отличаются от рекомбинаций у эукариот:
• у бактерий имеется несколько механизмов рекомбинаций;
• при рекомбинациях у бактерий образуется не зигота, как у эукариот, а мерозигота (несет полностью генетическую информацию реципиента и часть генетической информации донора в виде дополнения);
• у бактериальной клетки-рекомбината изменяется не только качество, но и количество генетической информации. Трансформация— это обмен генетической информацией у бактерий путем введения в бактериальную клетку-реципиент готового препарата ДНК (специально приготовленного или непосредственно выделенного из клетки-до нора). Чаще всего передача генетической информации происходит при культивировании реципиента на питательной среде, содержащей ДНК донора. Для восприятия донорской ДНК при трансформации клетка-реципиент должна находиться в определенном физиологическом состоянии (компетентности), которое достигается специальными методами обработки бактериальной популяции.
При трансформации передаются единичные (чаще 1) признаки. Трансформация является самым объективным свидетельством связи ДНК или ее фрагментов с тем или иным фенотипическим признаком, поскольку в реципиентную клетку вводится чистый препарат ДНК.
Трансдукция — обмен генетической информацией у бактерий путем передачи ее от донора к реципиенту с помощью умеренных (трансдуцирующих) бактериофагов.
Трансдуцирующие фаги могут переносить 1 или более генов (признаков). Трансдукиия бывает:
• специфической — переносится всегда один и тот же ген;
• неспецифической — передаются разные гены.
Это связано с локализацией трансдуиируюших фагов в геноме донора:
• в случае специфической трансдукции они располагаются всегда в одном месте хромосомы;
• при неспецифической их локализация непостоянна. Конъюгация — обмен генетической информацией у бактерий путем передачи ее от донора к реципиенту при их прямом контакте. После образования между донором и реципиентом конъюга-ционного мостика одна нить ДНК-донора поступает по нему в клетку-реципиент. Чем дольше контакт, тем большая часть донорской ДНК может быть передана реципиенту.
Основываясь на прерывании конъюгации через определенные промежутки времени, можно определить порядок расположения генов на хромосоме бактерий — построить хромосомные карты бактерий (произвести картирование бактерий).
Донорской функцией обладают F+-клетки.
21 Молекулярно-генетические методы исследования (молекулярная гибридизация, полимеразная цепная реакция): определение, материал для исследования, этапы проведения, области применения.
I. Молекулярная гибридизация — процесс, в котором одноцепочечная НК исследуемого микроорганизма (мишень) при взаимодействии с комплементарным фрагментом НК., включающей метку (зонд), образует двухцепочечный комплекс.
Назначение метода: выявление степени сходства различных ДНК.
Применяется для идентификации микроорганизмов, особенно тех, которые трудно и медленно растут (микоплазмы. хламидии. вирусы )
Материал для исследования:
гной; кровь; отделяемое из уретры: моча, испражнении, биопунктаты тканей и органов: объекты окружающей среды (вода, почта).
Методы гибридизации:
— в растворе,
— на фильтре,
— на стекле.
Зонд — это двухцепочечные или одноцепочечные фрагменты ДНК меченые затонной, флюорисцентной или ферментной.
II. ПЦР (полимеразная цепная реакция) — что способ быстрого получения множественных копий специфической последовательности ДНК бактерий, грибов, вирусов до количества, достаточного для идентификации другими молекулярно-биологическими методами Назначение:
• индикация микроорганизмов в объектах внешней среды, пищевых продуктов, материале от больных,
• идентификация микроорганизмов.
• генетическое типирование,
• выявление генов вирулентности.
Материал для исследования: тот же.
Основные компоненты:
• исследуемая проба ДНК;
• смесь ДНТФ (дезоксинуклеотидтрифосфат),
• достраивание с помощью ДНК — полимеразы:
• праймеры — синтетические фрагменты ДНК;
• специфический буфер;
• минеральное масло;
• мембрана.
22Экология микроорганизмов. Экологические понятия. Типы экологических связей микроорганизмов. Роль микробов в возникновении и развитии биосферы (концепция микробной доминанты). Распространение микробов в природе.
Экология микроорганизмов — раздел общей экологии, изучающий место обитания микроорганизмов и их взаимоотношения друг с другом, c биогенными и абиогенными
факторами внешней среды.
Понятия из области экологии:
Популяция – совокупность особей того или иного вида, обитающих в определенном биотопе
Биотоп – территориально ограниченный участок с одинаковыми условиями жизни
Биоценоз – совокупность популяций разных видов, обитающих в том или ином биотопе.
Микробиоценоз – совокупность популяций микроорганизмов, обитающих в том или ином биотопе.
Экосистема – система, состоящая из биотопа и биоценоза. Основная единица в экологии.
Биосфера – сумма всех экосистем, живая оболочка планеты.
Характеристика популяций:
Статические показатели:
-Численность
-Плотность
Динамические показатели:
-Рождаемость (прирост в ед. времени)
-Смертность (гибель)
Взаимодействие популяций (экологические связи):
Внутривидовые – направлены на сохранение вида, увеличение его численности и ареала и поэтому носят в основном симбиотический характер
Межвидовые:
1. (00) – взаимодействие, или нейтрализм
2. (0+) – взаимодействие, или комменсализм
3. (0–) – взаимодействие, или аменсализм
4. (++) – взаимодействие:
Мутуализм – не могут существовать друг без друга
Протокооперация – не является остро необходимым
5. (+–) – взаимодействие:
Хищничество
Паразитизм
6. (– –) – взаимодействие, или конкуренция
Основное положение экологии микроорганизмов — концепция о доминировании
микроорганизмов в создании биосферы и её жизнедеятельности (концепция микробной доминанты).
Количество биомассы прокариотов в природных субстратах планеты – 74,5 млрд. т.,
других «живых» организмов – 57,05:
55,0 – растения
0,55 – животные
1,5 – водоросли и простейшие
Экологические среды:
— Гидросфера – водоемы
— Гео(лито)сфера – почва
— Атмосфера – воздух
— Антропогенные среды:
-Жилище
-Одежда
-Продукты
-Химические препараты, в.т. лекарственные и т.д.
23Нормальная микрофлора тела человека, её значение и методы изучения.
Микрофлора тела человека:
— Интегральная часть организма хозяина
— Формируется в организме в процессе его развития
— Основа нормальной микрофлоры – облигатно анаэробные бактерии (более 400 видов)
— Количественный и качественный состав нормальной микрофлоры большинства биотопов специфичен и обладает тенденцией к аутостабилизации
Микрофлора человека:
— Специфические для данного биотопа виды (аутохтонная)
— Виды – иммигранты их других биотопов хозяина (аллохтонная)
— Виды – иммигранты из биотопов среды (заносная микрофлора)
Значение норм. микрофлоры:
Эволюционно сложившиеся отношения человека и его нормальной микрофлоры играют важную роль в функционировании организма:
— Антагонистическая роль (большинство аутохтонных МИО)
— Синтез витаминов группы В и К, рибофлавина, никотиновой кислоты
— Способствует всасыванию ионов кальция, железа и витамина D из кишечника
— Участие в обмене липидов, нейтральных жиров, жирных кислот, разложении желчных кислот
— Активация перистальтики кишечника (участие в отдельных процессах сложного обмена белка с образованием индола, скатола, фенола)
— Участие в детоксикации попадающих ксенобиотиков и образующихся токсических продуктов метаболизма путем биосорбции или трансформации
— Иммунизирующие свойства – способствует организации и созреванию иммунной системы.