Генетика микроорганизмов

Слайд 3

План занятия
1.Характеристика генетического аппарата бактерий
2.Виды внехромосомного генетического материала бактерий
3.Виды изменчивости бактерий
4.Механизмы

передачи генетической информации у бактерий

Слайд 4

Характеристика генетического аппарата бактерий
ДНК несёт наследственную функцию в бактериальной клетке. Состоит

из двух полинуклеотидных цепочек, которые в свою очередь, состоят из азотистого основания, сахара дезоксирибозы* и фосфатной группы

*В нуклеиновых кислотах сахар представлен пентозой. В РНК пентоза является рибозой, а в ДНК – дезоксирибозой. Они состоят из пяти атомов углерода и определённого числа атомов Н и О. Четыре атома углерода и один атом кислорода образуют пятичленное кольцо, а пятый атом углерода включен в группу НО–СН2.

Слайд 5

Пуриновые и пиримидиновые основания, входящие в состав молекул нуклеиновых кислот:
К первому

атому углерода в молекуле пентозы присоединятся одно из азотистых оснований. Они представлены четырьмя типами: двумя пуринами – аденином (А) и гуанином (Г) и двумя пиримидинами – цитозином (Ц) и тимином (Т). В молекулах РНК встречаются нуклеотиды, содержащие ещё одно пиримидиновое основание – урацил (У). Обозначения нуклеотидов - символами латинского алфавита: аденин, тимин, цитозин, гуанин и урацил обозначают буквами A, T, C, G и U, соответственно. В РНК среди оснований нет тимина, он заменен на урацил.

Слайд 6

Пиримидины (цитозин, тимин и урацил) содержат шестичленные кольца из двух атомов

азота и четырех атомов углерода. Все эти атомы имеют свои номера – от 1 до 6. Цитозин отличается от тимина группами, присоединенным к углеродам в положениях 2 и 6.
Пурины (аденин и гуанин) – это сложные гетероциклические соединения, состоящие из двух конденсированных гетероциклов: пиримидина и имидазола. В целом пурины содержат четыре атома азота и пять атомов углерода. Атомы в этой молекуле нумеруют от 1 до 9. Аденин отличается от гуанина по группам в положениях 2 и 6.
Соединение одного из пуринов (А или Г) или пиримидинов (Ц или Т) с остатком сахара образует нуклеозид. После присоединения к нуклеозиду фосфатной группы возникает нуклеотид, содержащий основание, сахар и фосфатную группу. Фосфатная группа присоединяется к нуклеозиду, заменяя в дезоксирибозе группу ОН– в положении 5′

Слайд 7

Соединение нуклеотидов в макромолекулу нуклеиновой кислоты происходит путем взаимодействия фосфата одного

нуклеотида с гидроксилом пентозы другого нуклеотида. В результате взаимодействия между двумя нуклеотидами возникает фосфодиэфирная связь .
Эти фосфодиэфирные связи между сахаром и фосфатом определяют «скелет» молекулы ДНК. В результате образуется полинуклеотидная цепь.
Сборка полинуклеотидной цепи осуществляется при участии фермента ДНК-полимеразы. Полимераза обеспечивает присоединение фосфатной группы следующего нуклеотида к гидроксильной группе, стоящей в положении 3' предыдущего нуклеотида.
Благодаря этой особенности полимеразы, наращивание полинуклеотидной цепи происходит только на одном конце – там, где находится свободный гидроксил в положении 3'. Начало цепи всегда несет фосфатную группу в положении 5'.

Слайд 8

Последовательность нуклеотидов в цепи молекулы является первичной структурой молекулы ДНК.
Соединение цепей

друг с другом осуществляется водородными связями между комплементарными азотистыми основаниями: аденина с тимином и гуанина с цитозином. То есть в нуктеиновых кислотах количество аденина равно количеству тимина: А=Т или А/Т=1; количество цитозина равно количеству гуанина: Г=Ц или Г/Ц =1. Эти количественные соотношения азотистых оснований в ДНК стали называть правилом Чаргаффа.
В соответствии с моделью Дж. Уотсона и Ф. Крика молекула ДНК состоит из двух длинных комплементарных полинуклеотидных цепей, закрученных в правильную двойную спираль.
Скелетная основа полинуклеотидных цепей содержит правильно чередующиеся сахара и фосфаты, связанные ковалентными связями. Две углеводно-фосфатные цепи расположены на внешней стороне молекулы ДНК, в то время как азотистые основания находятся внутри ее, перпендикулярно оси спирали. Эти цепи соединяются друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями, формируя вторичную структуру ДНК. Аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи. Между гуанином и цитозином образуются три водородные связи.
Такое соединение азотистых оснований обеспечивает прочную связь двух цепей и сохранение равного расстояния между ними на всем протяжении и называется комплементарностью. Комплементарность – это пространственная взаимодополняемость молекул или их частей, приводящая к образованию водородных связей. Комплементарность каждой отдельной пары оснований создаёт комплементарность двух полинуклеотидных цепей в целом.

Слайд 9

Причиной спаривания именно пуринов с пиримидинами является то, что пара из

двух пуринов была бы слишком велика, а пара из двух пиримидинов – слишком мала для укладки в правильную спираль молекулы ДНК. Водородные связи, возникающие между пуринами и пиримидинами, удерживают комплементарные полинуклеотидные цепи в системе единой молекулы. Поскольку каждый остаток фосфорной кислоты удерживается фосфодиэфирными связями с 5'-углеродом одного остатка сахара и 3'-углеродом другого остатка сахара, молекулы нуклеиновой кислоты обладают полярностью, которая условно обозначается как направление 5' → 3'. В молекулах ДНК две полинуклеотидные цепи имеют противоположное направление в отношении связей 5'–3' и 3'–5', т.е. они антипараллельны.

Слайд 10

Ковалентные связи между атомами в углеводно-фосфатной цепи полинуклеотида имеют определённую пространственную

ориентацию, обусловленную так называемыми торсионными углами вращения химических связей. В результате этой пространственной ориентации ковалентных связей в обоих углеводно-фосфатных антипараллельных цепях полинукеоидов, вся молекула ДНК закручивается в правозавитковую спираль. Эта двойная полинуклеотидная спираль является третичной структурой молекулы ДНК.

Слайд 11

NB!
Таким образом, в структурной организации молекулы ДНК выделяют три уровня:
–

первичную структуру – последовательность нуклеотидов в полинуклеотидной цепи,
– вторичную структуру – две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями,
– третичную структуру – трехмерную спираль с определёнными пространственными характеристиками
Двунитевое состояние молекул ДНК обеспечивает им большую химическую устойчивость при метаболических процессах в клетке.
Важнейшая биологическая функция ДНК — генетическая, т.е. хранение и передача наследуемых признаков.

Слайд 12

https://youtu.be/LdKdjhhMAWY - видео, рекомендованное к просмотру

Слайд 13

Наследственная информация у бактерий хранится в форме проследовательности нуклеотидов в ДНК,

которые определяют последовательность аминокислот в белке.
Каждому белку соответствует определенный ген – дискретный участок ДНК, отличающийся специфичной последовательностью нуклеотидов.
Гены подразделяются на структурные гены, гены-регуляторы и гены-операторы. В структурных генах закодирована информация о первичном строении контролируемого ими белка, т.е. о последовательности расположения аминокислот, входящих в состав белка. Гены-регуляторы контролируют синтез белков-репрессоров, подавляющих функцию структурных генов, а гены-операторы выполняют роль посредников между генами регуляторами и структурными генами.
Геном – совокупность всех генов.
Внешнее проявление генома – фенотип. Фенотип формируется на основе генотипа, опосредованного рядом факторов внешней среды, иными словами - фенотип представляет собой сумму признаков, определяемых генотипом, реализованных в конкретных условиях внешней среды.

Слайд 14

Гены обозначают строчными начальными буквами названия синтезируемого под их контролем соединения

(например, his – гистидиновый ген, arg – аргининовый ген, lac и mal – гены, контролирующие расщепление coответственно лактозы мальтозы).
Фенотип бактерий обозначается теми же символами, что и генотип, но первая буква прописная (His , Arg , Lac и др.)
Бактериальный геном состоит из генетических элементов, способных к самостоятельной репликации – репликонов. (Репликон — молекула или участок ДНК или РНК, реплицирующийся из одной точки начала репликации.) Репликонами являются бактериальная хромосома и плазмиды. Геном бактерии гаплоидный.

Слайд 15

Кодирование и расшифровка генетической информации у прокариот и эукариот обнаруживают принципиальное

сходство. Это доказывает, что механизм экспрессии генов, связанный с транскрипцией и последующей трансляцией информации, сложился ещё до того, как были сформированы про- и эукариотический типы клеточной организации. Позже, в процессе дивергентной эволюции про- и эукариот сформировались различия в организации их геномов и экспрессии генов.
Бактериальная хромосома состоит из 1 двуцепочечной молекулы ДНК. Бактериальная хромосома формирует нуклеоид бактериальной клетки. Чаще всего это одна кольцевая молекула ДНК, реже – линейная молекула, или две кольцевых.

Слайд 16

Внехромосомные факторы наследственности бактерий - плазмиды, транспозоны, IS-последовательности и умеренные бактериофаги,

в которых закодированы дополнительные (не основные) признаки.
Плазмиды – двуцепочечные молекулы ДНК размером 103-106 нуклеотидных пар, чаще – кольцевые (иногда линейные). Кодируют не основные функции клетки, но придающие какие-либо преимущества для существования (выживания). Например, плазмиды устойчивости к антибиотикам (R-плазмиды) и т.п. Плазмиды не являются жизненно важными структурами бактериальной клетки. Одним из основных свойств плазмид является способность к автономной репликации.

Слайд 17

Плазмиды бактерий
Функциональная классификация плазмид основана на свойствах, которыми они наделяют бактерии:

1) F-плазмиды. Кодируют пол у бактерий, индуцируют деление. Мужские клетки (F+) содержат F-плазмиду, женские(F—) – не содержат. Мужские клетки выступают в роли донора генетического материала при конъюгации, а женские –реципиента
2) R-плазмиды - устойчивость к лекарственным препаратам
3) Col-плазмиды- синтез колицинов - факторов конкуренции близкородственных бактерий
4) Hly-плазмиды- синтез гемолизинов
5) Ent-плазмиды- синтез энтеротоксинов
6) Tox-плазмиды- токсинообразование
7) плазмиды биодеградации. Кодируют ферменты, с помощью которых бактерии могут утилизировать ксенобиотики.
Потеря клеткой плазмиды не приводит к ее гибели.В одной и той же клетке могут находиться разные плазмиды.
Биологическая роль плазмид:
- контроль генетического обмена бактерий;
- контроль синтеза факторов патогенности;
- совершенствование защиты бактерий.

Плазмиды могут, подобно нуклеоиду, самореплицироваться и поэтому относятся к автономным факторам наследственности в отличие от остальных – неавтономных, которые способны реплицироваться лишь в составе нуклеоида или плазмиды. Кроме того, плазмиды, как и умеренные фаги, могут встраиваться в нуклеоид только в гомологичных участках, в отличие от транспозонов и IS-последовательностей, способных встраиваться в нуклеоид в любых его участках.

Слайд 18

R-плазмиды
R-плазмиды – это плазмиды, детерминирующие множественную лекарственную устойчивость (или резистентность,

откуда и название) бактериальной клетки к антибиотикам; они состоят из генов, детерминирующих такую устойчивость (r-оперон) и F-плазмиды (которая в этом случае носит название RTF-фактора). Механизмы устойчивости бактерий к антибиотикам, обусловленные наличием R-плазмид. R-плазмида может детерминировать:
способность бактериальной клетки инактивировать антибиотик,
способность бактериальной клетки модифицировать антибиотик с потерей последним своей антибактериальной активности,
способность бактериальной клетки снижать проницаемость клеточной стенки для данного антибиотика.

Слайд 19

Слайд 20

Виды изменчивости бактерий
К фенотипической изменчивости относятся:
Адаптация – приспособление микроорганизмов к новым

условиям среды. В настоящее время это явление объясняется не изменением в микробной клетке, а развитием ранее измененных особей и гибелью неприспособленных. Таким образом, происходит естественный отбор.
Диссоциация – культурная изменчивость, когда, например, из засеянной на плотную среду чистой культуры вырастают резко отличающиеся по морфологической структуре колонии (тип S – гладкие, тип R – шероховатые, тип M – слизистые).
Модификация – изменение микроорганизмов под влиянием условий среды. Изменяются только фенотипические (внешние) признаки (форма, размеры, цвет колоний). Модификация наблюдается в нормальных условиях жизни, это реакция на внешние раздражения, не связанные с нарушением физиологических процессов в организме. Модификационные изменения легко исчезают при устранении условий, их вызвавших.
ИЗМЕНЕНИЯ
-морфологических признаков (формы и величины);
-культуральных признаков (возникновение S- и R-форм);
-биологических свойств (ослабление вирулентных свойств у микроорганизмов при воздействии различных факторов – физических, биологических, химических);
-биохимических свойств (у бактерий имеются гены, определяющие выработку адаптивных ферментов. Кишечная палочка на среде без лактозы не вырабатывает фермент лактазу, а на среде с лактозой начинает вырабатывать).

Слайд 21

Генотипическая изменчивость
Мутации (от лат. mutatio - изменять) - это передаваемые по

наследству структурные изменения генов.
Мутации – внезапные, скачкообразные изменения генов. Процесс мутирования генов приводит к таким изменениям, которые передаются по наследству и сохраняются даже тогда, когда вызвавший их фактор перестает действовать.
Крупные мутации (геномные перестройки) сопровождаются выпадением или изменением относительно крупных участков генома - такие мутации, как правило, необратимы.
Спонтанные мутации могут вызывать благоприятные и неблагоприятные генетические изменения. Примерный уровень спонтанного мутирования — одна мутация на каждые 106-107 клеток. Численная доля мутантов в клеточной популяции для разных признаков различна и может варьировать от 10-4 до 10-11.
Для конкретного гена частота мутирования составляет величину порядка 10-5, а для определённой пары нуклеотидов 10-8. Например, если на среду с антибиотиком посеять миллион бактерий, можно ожидать, что в результате спонтанной мутации одна колония выживет.
Несмотря на то, что уровень мутаций в популяции бактерий для отдельных клеток кажется незначительным, нужно помнить, что популяция бактерий огромна, и они размножаются быстро. Следовательно, уровень мутаций с точки зрения целой популяции довольно значителен. Кроме того, появившиеся спонтанно и устойчивые к действию какого-либо антибиотика мутанты имеют при размножении преимущество по сравнению с «диким» типом бактерий и быстро образуют устойчивую популяцию.
Обратные мутации (реверсии) возвращают спонтанно мутировавшую клетку к исходному генетическому состоянию. Их наблюдают с частотой одна клетка на 107-108 (то есть по меньшей мере в 10 раз реже, чем прямые спонтанные мутации).

Слайд 22

Мутации могут индуцировать следующие события: модификации оснований (изменения отдельных нуклеотидов), вставки

(включение дополнительных оснований), делении (потеря одного основания или группы оснований) и деформации спирали ДНК.
• Модификация оснований включает химическое изменение азотистого основания в кодирующей последовательности, что приводит к изменению кодона. В результате вместо одной аминокислоты кодируется другая либо возникает бессмысленный кодон.
• Вставка либо делеция какого-либо из оснований (аналогов оснований) в ДНК, что вызывает и изменение всех последующих кодонов.
• Деформации спирали ДНК (структурные искажения ) образуются в результате индуцированной УФ-излучением димеризации расположенных близко нуклеотидов (особенно тимина), что нарушает симметрию ДНК и препятствует правильной репликации.

Слайд 23

Различают несколько видов мутаций:
«Молчащие» мутации (мутации «без изменения смысла», то

есть не вызывающие изменения аминокислотной последовательности белка). Их появление возможно вследствие вырожденности генетического кода. Получившийся в результате мутирования триплет кодирует ту же самую аминокислоту, что и исходный триплет, поэтому синтезируемый белок остаётся без изменений.
Миссенс-мутации (мутации «с изменением смысла») возникают при условии, что изменения кодирующей последовательности приводят к появлению в полипептиде иной аминокислоты. Получающийся изменённый белок может быть функциональным или нефункциональным в зависимости от значимости затронутой мутацией области.
Нонсенс-мутации («антисмысловые», «бессмысленные» мутации) приводят к образованию одного из трёх кодонов-терминаторов (УАГ, УАА, УГА), вызывающих преждевременное окончание синтеза полипептидной цепи. Когда рибосома достигает такого кодона, процесс элонгации полипептидной цепи заканчивается, и высвобождается неполный пептид (вероятно, такое действие терминальных кодонов обусловлено отсутствием тРНК, связывающихся с данными кодонами). Эта мутация приводит либо к синтезу очень коротких нефункциональных белков, либо к полному прекращению синтеза белка.
В клетке существуют механизмы, способные полностью или частично восстанавливать исходную структуру изменённой ДНК. Мутации, вызванные радиацией, химическими веществами и другими факторами, теоретически могли бы привести к вымиранию бактериальной популяции, если бы последняя была лишена способности к репарации ДНК. Совокупность ферментов, катализирующих коррекцию повреждений ДНК, объединяют в так называемые системы репарации, принципиально различающиеся по биохимическим механизмам «залечивания» повреждений.

Слайд 24

Генетическая рекомбинация
Генетические рекомбинации заключаются в объединении и обычно немедленной перетасовке генов,

принадлежащих близкородственным, но генотипически различным организмам.
Генетическая рекомбинация: у бактерий известны 3 способа передачи генетической информации от донорской клетки с одним генотипом реципиенту с другим генотипом. Эта передача осуществляется путем трансформации, трансдукции и конъюгации. В результате генетического обмена между бактериями образуется рекомбинанты т.е. бактерии, обладающие свойством обоих родителей.

Слайд 25

Механизмы передачи генетической информации у бактерий
У прокариот комбинативные изменения проявляются в

результате трансформации, трансдукции, конъюгации. Трансформация – перенос генетической информации от бактерии донора (в форме отдельных фрагментов ее ДНК) в клетку реципиента. Наиболее эффективно трансформация происходит у бактерий одного и того же вида или близкородственных видов. При этом в хромосому реципиента включается только одна нить ДНК донора с образованием молекулярной гетерозиготы. Обычно бактериальная клетка в результате трансформации приобретает одно свойство. С помощью трансформирующей ДНК передаются такие признаки, как капсулообразование, ферментативная активность, устойчивость к ядам, антибиотикам и т.д.

Слайд 26

Механизмы передачи генетической информации

Слайд 27

А. Конъюгация - требует наличия двух типов клеток: доноров (F+), обладающих

F-фактором, и реципиентов (F-), не обладающих им.
Б. Трансформация — генетическое изменение клеток в результате включения в их геном экзогенной ДНК.
В. Трансдукция — перенос бактериофагом в заражаемую клетку фрагментов генетического материала клетки, исходно содержавшей бактериофаг. Трансдуцирующий бактериофаг обычно переносит лишь небольшой фрагмент ДНК хозяина от одной клетки (донор) к другой (реципиент).

Слайд 28

Механизмы передачи генетической информации у бактерий
Трансдукция – перенос генов (фрагментов ДНК)

от донорской клетки бактерии к реципиентной посредством умеренного фага. При трансдукции возможен перенос генов, контролирующих особенности питания бактерий, двигательный аппарат (жгутики) и другие свойства.
Конъюгация – форма полового процесса, при котором происходят соединение мужской и женской микробных клеток и обмен между ними ядерным веществом через цитоплазматический мостик, образующийся между клетками. При этом генетический материал клетки-донора переходит в клетку-реципиент. После рекомбинации и деления клетки образуются формы с признаками конъюгирующих клеток.
Таким образом, все три формы комбинативной изменчивости одинаковы по существу. При трансформации участок ДНК клетки-донора входит в клетку-реципиент; при трансдукции эту роль выполняет фаг, а при конъюгации перенос генетической информации осуществляется через цитоплазмитический мостик (пили). Вследствие генетических рекомбинаций образуются новые бактериальные клетки – рекомбинанты, у которых имеются наследственные признаки обоих «родителей».

Генетика микроорганизмов

Содержание