Наследственность и изменчивость микроорганизмов реферат

Обновлено: 02.07.2024

Геологией доказано, что возраст Земли составляет 4,5-4,6 млрд лет. По мнению ученых, около 3,8 млрд лет тому назад жизнь стала основным фактором круговорота углерода на планете. Первыми появились организмы, которые современная наука называет прокариотами. Это одноклеточные существа, по сравнению с многоклеточными организмами, отличающиеся простотой строения и функций. К ним относят бактерий и сине-зеленые водоросли. С эволюцией названных микро-существ, связывают появление механизма фотосинтеза и организмов эукариотического типа.

Содержание

1. Введение
2. Генетика и история ее развития
3. Строение бактерий и вирусов
4. Способы передачи наследственной информации
5. Генотипическая изменчивость
6. Заключение
Литература

Работа состоит из 1 файл

Микробиология ген микроорган.docx

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Алтайский государственный аграрный университет

Факультет ветеринарной медицины

На тему: Генетика микроорганизмов

Проверил: Черных М.Н.

Подготовила: Усольцева. К

Введение
Генетика и история ее развития
Строение бактерий и вирусов
Способы передачи наследственной информации
Генотипическая изменчивость
Заключение

Вирусы, прионы, нуклеиновые кислоты (инфекционные ДНК и РНК), не являются организмами в полном смысле этого слова в связи с тем, что не имеют органелл, не обладают собственным метаболизмом, используют для своей жизнедеятельности ресурсы клеток животных, человека, растений.

На нашей планете обитает огромное количество микробов, исчисляемое астрономическими цифрами. В процессе своей жизнедеятельности микробы оказывают существенное влияние на неживую и живую природу. Известно, что бактерии обеспечивают круговорот веществ и энергии в природе, плодородие почв, поддержание газового состава и т. д.

Многие микробы болезнетворные для человека, животных, птиц, насекомых, растений.

Мир микробов изучает микробиология – наука о микробах. Она делится на ряд отделов и дисциплин.

Вследствие процесса дифференциации, постепенного обособления узких областей изучения и познания микробов родилась генетика микроорганизмов – наука, изучающая их наследственность и изменчивость.

Микробная клетка является своего рода биофабрикой, синтезирующей огромное число биологически активных соединений. Она продуцирует более 2500 белков, ферментов, полисахаридов, липидов, витаминов и других веществ. В этой связи в производственных условиях применяют актиномицеты и грибы для получения антибиотиков, дрожжи – кормового белка, бациллы – для синтеза ферментов, клостридии – для сбраживания сахаров в ацетон, этанол, молочно-кислые бактерии – в пищевой промышленности и т. д.

Из многих патогенных микроорганизмов селекционированы штаммы, предназначенные для изготовления вакцин, гипериммунных сывороток, иммуноглобулинов, диагностических препаратов. Многие микробы используют для получения рекомбинантных штаммов – продуцентов гармонов, интерферонов, иммуностимуляторов.

Сознательное, целенаправленное и эффективное использование микробов для практических нужд в ветеринарии, медицине и других областях человеческой деятельности немыслимо без знаний их генетики.

1. Генетика и история ее развития

Генетика (от греч. genesis – происхождение) – наука о наследственности и изменчивости организмов.

Основоположником генетики является Иоганн Грегар Мендель (1822-1884). Официальной датой рождения генетики считают 1900-й год, когда были переоткрыты закономерности наследственности, впервые установленные Г. Менделем.

Название науки о наследственности и изменчивости было дано английским генетиком В. Бэтсоном в 1906 году.

Американский генетик А.Корнберг искусственно создал вирусную частицу и осуществил синтез ДНК (1957-1958).

М. Мезельсон и Ф. Сталь (1958) показали, что синтез ДНК происходит в клетках на расходящихся нитях двойной спирали.

М. Ниренберг, Г. Маттеи, С. Очоа и Ф. Крик (1961-1962) расшифровали код наследственности и состав нуклеиновых триплетов для всех 20 аминокислот, из которых строятся белковые молекулы. В это же время французские ученые Ф. Жакоб и Ж. Моно разработали общую теорию регуляции белкового синтеза. Они предложили схему генетического контроля синтеза ферментов у бактерий.

В 1969 году Г. Корана осуществил синтез гена клетки дрожжевого грибка, а Д. Бэквитс с сотрудниками выделил ген бета-галоктозидазы из кишечной палочки.

В настоящее время генетика является одной из ведущих наук современной биологии. Для генетики характерно влияние на ее развитие принципов и методов исследования других наук и возрастающая связь со многими биологическими науками. В тоже время в самой генетике идет усиливающийся процесс дифференциации отдельных узких направлений исследований в самостоятельные науки. Так, наряду с общей генетикой возникли: цитогенетика, генетика популяций, биохимическая генетика, генетика человека, ветеринарная генетика, генетика вирусов, математическая генетика, генетика микроорганизмов и т. д.

Генетика микроорганизмов – это наука о наследственности микроорганизмов, их наследуемой и не наследуемой изменчивости. Необходимо отметить, что общая генетика явилась важной основой для развития молекулярной биологии, а генетика микроорганизмов явилась базой для изучения многих вопросов наследственности и изменчивости, т. е. для развития самой генетики. Еще раз необходимо подчеркнуть, что микробы (бактерии, вирусы, грибы, простейшие) явились удобной моделью для проведения генетических исследований. Микробы были использованы как наиболее подходящий объект для изучения природы генетического материала, его организации и функционирования в связи со следующими их особенностями.

У бактерий имеется одна хромосома и поэтому оценка генетических изменений возможна уже в первом поколении клеток.

Важным преимуществом микроорганизмов является высокая скорость размножения их, простое химическое строение, простота культивирования и возможность при этом изменений условий выращивания клеток, высокая частота мутаций, способности к комбинированной и мутационной изменчивости.

Благодаря использованию в генетических исследованиях микроорганизмов, генетика была обогащена рядом выдающихся открытий: установлена химическая природа наследственного материала, решена проблема генетического кода ДЖ. Уотсон, Ф. Крик,1953), изучена структура гена (Бензер, 1955), расшифрован способ репликации ДНК (М. Мезельсон, Ф. Сталь, 1958), установлены механизм мутаций и репликаций, выявлено наличие информационной РНК и т. д. Достижения в области генетики микроорганизмов явились основой для создания генной инженерии – важнейшей прикладной отрасли во многих сферах человеческой деятельности.

В 70-х годах 17 века Марчелло Мальпиги описал микроскопическое строение некоторых тканей растений.

Антони ван Левенгук с помощью микроскопа открыл неведомый таинственный мир микроорганизмов (1969).

В 1715 году Х.Г. Гертель впервые использовал зеркало для микроскопии изучаемых объектов, а спустя полтора столетия Э. Аббе создал систему осветительных линз для микроскопа.

В 1781 г. Ф. Фонтана первый увидел и зарисовал животные клетки с их ядрами. В первой половине 19 века Ян Пуркинье усовершенствовал микроскопическую технику, что позволило ему описать клеточное ядро.

Во второй половине XIX века Э. Брюкке (1861) обосновал представление о клетке как элементарном организма. В 1874 г. Ж. Карнуа положил начало цитологии как науке о строении, функции и происхождении клеток.

В. Флемминг описал митоз (1879-1882), О. Гертвич и Э. Страсбургер высказали гипотезу о том, что наследственные признаки заключены в ядре.

В начале 20 века Р. Гаррисон и А. Кадрель разработали методы культивирования клеток.

3. Строение бактерий и вирусов

Бактерии – это микроскопические организмы, характеризующиеся примитивным строением. Размеры клеток колеблются от 0,2 до 10 мкм. Нуклеотид большинства бактерий содержит одну замкнутую в кольцо молекулу ДНК, которая является носителем наследственных свойств клетки.

Капсулы и слизистые слои

Капсулы и слизистые слои – это слизистые или клейкие выделения некоторых бактерий; такие выделения хорошо видны после негативного контрастирования (когда окрашивают не препарат, а фон)

Капсула представляет собой относительно толстое и компактное образование, а слизистый слой немного рыхлее. В некоторых случаях слизь служит для формирования колоний из отдельных клеток. И капсула и слизистые слои служат дополнительной защитой клеток.

Так, например инкапсулированные штаммы пневмококков свободно размножаются в организме человека и вызывают воспаление лёгких, а некапсулированные штаммы легко атакуются и уничтожаются фагоцитами и поэтому совершенно безвредны

Клеточная стенка придаёт клетке определённую форму и жёсткость. Как и у растений, клеточная стенка препятствует осмотическому набуханию и разрыву клеток, когда они, как это часто случается, попадают в гипотоническую среду. Вода, другие малые молекулы, и разные ионы легко проникают через маленькие поры в клеточной стенке, но через них не проходят крупные молекулы белков и нуклеиновых кислот. Кроме того, клеточная стенка обладает антигенными свойствами, которые ей придают содержащие в ней белки и полисахариды.

По строению клеточной стенки бактерий можно разделить на 3 группы. Одни окрашиваются по Грамму, поэтому их называют грамположительными, а другие обесцвечиваются при отмывке красителя, и поэтому их называют грамотрицательными. В клеточной стенке и тех и других есть особая жёсткая решётка, состоящая из муреина.

Молекула муреина представляет собой правильную сеть из параллельно расположенных полисахаридных цепей, сшитых друг с другом короткими цепями пептидов. Таким образом, каждая клетка окружена сетевидным мешком, составленным всего из одной молекулы

У грамположительных бактерий, например у Lactobacillus, в муреиновую сетку встроены другие вещества, главным образом полисахариды и белки. Так вокруг клетки создаётся сравнительно толстая и жёсткая упаковка. У грамотрицательных бактерий скажем у Escherichia coli или у Azotobacter, клеточная стенка гораздо тоньше, но устроена она гораздо сложнее. Муреиновый слой этих бактерий покрыт мягким и гладким слоем липидов. Это защищает их от лизоцима. Лизоцим обнаружен в слюне, в слезах и других биологических жидкостях, а также в белке куриного яйца. Он катализирует гидролиз определённых связей между остатками углеводов и таким образом расщепляет полисахаридную основу муреина. Клеточная стенка разрывается, и, если клетка находиться в гипотоническом растворе, происходит её лизис (клетка осмотически набухает и лопается). Липидный слой придаёт клетке устойчивость к пенициллину. Этот антибиотик препятствует образованию сшивок в клеточной стенке грамположительных бактерий, что делает растущие клетки более чувствительными к осмотическому шоку.

Генетика- наука о наследственности и изменчивости организмов. Целью генетики является изучение и анализ законов передачи наследственных признаков от поколения к поколению, а также выяснение механизмов, обеспечивающих наследование на всех уровнях организации живых существ (особь, клетка).

Содержание

Введение…………………………………………………2
Изменчивость основных признаков микроорганизмов……………………………………….3
Материальные основы наследственности……………………………………..4
Синтез белка………………………………………….5
Генетический код…………………………………..6
Индивидуальный рост и бесполое размножение клеток………………………………….7
Формы изменчивости микроорганизмов………………………………………..8
Плазмиды……………………………………………….13
Генная инженерия………………………………….14
Список литературы……………………………..15

Вложенные файлы: 1 файл

Реферат. генетика микроорганизмов.docx

Содержание

Введение…………………………………………………2
Изменчивость основных признаков микроорганизмов……………………………………… .3
Материальные основы наследственности…………………………………… ..4
Синтез белка………………………………………….5
Генетический код…………………………………..6
Индивидуальныйрост и бесполое размножение клеток………………………………….7
Формы изменчивости микроорганизмов……………………………………… ..8
Плазмиды……………………………………………….13
Генная инженерия………………………………….14
Список литературы……………………………..15

Введение.

Под наследственностью мы понимаем свойство живых организмов воспроизводить одни и те же или сходные морфологические свойства в ряду поколений благодаря передаче материальных задатков от родителей потомкам.

Наследственность неразрывно связана с другими свойствами живой материи – размножением и изменчивостью. Учение о наследственности и изменчивости организмов было основано Ч. Дарвином в 1859 г., который доказал, что все существующие на Земле виды животных и растений произошли путем изменчивости из немногих или какой-нибудь одной формы. Эволюция, по Дарвину, идет путем естественного отбора ненаправленных случайных изменений.

Основные законы генетики были открыты и сформулированы чешским естествоиспытателем Г. Менделем, затем более подробно изучены Т.Морганом, А.Вейсманом, Н.И. Вавиловым и др.

Изменчивость основных признаков микроорганизмов.

Изучение изменчивости основных видов микроорганизмов началось с первых лет зарождения микробиологии- с исследований Л.Пастера, показавшего возможность ослабить вирулентные свойства у микроорганизмов при воздействии различных факторов- физических, биологических, химических. Однако на ранних этапах этих исследований основное внимание было уделено изменчивости основных признаков.

Изменение морфологических признаков. Под влиянием химических, физических, биологических агентов у многих микроорганизмов наблюдается изменение формы и величины бактерий. Например, при добавлении стрептомицина к питательной среде клетки сальмонелл значительно удлиняются. При длительном росте бактерий в одной и той же среде возникает полиморфизм, обусловленный влиянием накопившихся в ней продуктов жизнедеятельности.

Культуральные изменения. Одной из форм культуральнной изменчивости является феномен диссоциации, т.Е. разъединение популяции бактерий и возникновение S- и R-форм. При посеве на пластинки МПА в чашках Петри чистой культуры микроорганизма образуются колонии двух основных типов:

S- форма, гладкие;

Между этими формами имеются и переходные М- и О- формы (слизистая и переходная).

По современным представлениям, в основе диссоциации лежат мутации, спонтанно возникающие в естественной среде и в условиях культивирования на искусственных питательных средах .

Изменчивость ферментативных (биохимических) свойств. Бактерии каждого вида имеют определенный набор ферментов, благодаря которым усваивают различные питательные вещества. Они вырабатываются на определенных питательных субстратах и предопределены генотипом. В геноме бактерий всегда имеются запасные возможности, т.е. гены, определяющие выработку адаптивных ферментов. Адаптивные ферменты позволяют микробам приспосабливаться к определенным условиям существования.

Материальные основы наследственности.

Основной генетической структурой прокариотной клетки является хромосома, представляющая собой громадную молекулу ДНК в виде двойной спирали, замкнутой в кольцо. Она является носителем генетической информации. Состоит из функционально неоднородных генетических детерминант- генов, которые располагаются линейно вдоль хромосомы. Схема, отражающая расположение генов на хромосоме, называется генетической картой. Бактерии, как и все прокариоты, гаплоидны. Т.е. генетический материал у них представлен одним набором генов. Функциональная единица наследственности- ген. Все свойства организма определяется его генами. Ген может существовать в виде ряда структурных форм, или аллелей. Совокупность аллелей всех генов клетки составляет ее генотип. В генах записана информация относительно всех свойств. Гены определяют особенности клеточных компонентов, их структуру и функцию.
Основу наследственного аппарата бактерий, как и всех других организмов, составляет ДНК (у РНК-содержащих вирусов — РНК).
Наряду с этим 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 с чем 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.

Синтез белка.

Перед делением клетки происходит идентичная редупликация, или репликация генов. Этот процесс объясняют, исходя из модели структуры ДНК, предложенной Уотсоном и Криком, из механизма удвоения ДНК. Две цепи двойной спирали ДНК комплементарны друг другу. На каждой цепи из структурных элементов ДНК- дезоксирибонуклеозидтрифосфато в синтезируется новая цепь; при этом с каждым из оснований спаривается комплиментарное ему основание, так что каждая из двух новых цепей опять-таки будет комплементарна родительской цепи. Эта точная репликация ДНК гарантирует сохранение генетической информации. ДНК, будучи носителем наследственной информации, тем не менее сама не служит матрицей для синтеза полипептидов. Биосинтез белков происходит на рибосомах, которые непосредственно с ДНК не соприкасаются. Передачу записанной в ДНК информации к местам синтеза белка осуществляет матричная, или информационная, рибонуклеиновая кислота (мРНК, или иРНК). Она состоит из одной цепи и очень напоминает одиночную цепь ДНК с тем отличием, что тимин ДНК в РНК заменен урацилом. мРНК синтезируется на одной из цепей ДНК, причем механизм этого процесса сходен с механизмом репликации ДНК. Таким образом, при синтезе мРНК просто копируется нуклеотидная последовательность ДНК. Этот процесс называют транскрипцией(переписыванием).

Транскрипция.Каждый ген ДНК является матрицей для синтеза молекулы иРНК, которая точно транскрибирует (переписывает) порядок расположения нуклеотидов в гене. Считывание наследственной информации начинается с определенного участка ДНК, который называется промотором. Промотор расположен перед геном и включает около 80 нуклеотидов. У вирусов и бактерий этот участок включает около 10 нуклеотидов (один виток спирали). В 1978 г. Было обнаружено, что у эукариот в последовательности нуклеотидов ДНК имеются отрезки, не содержащие информации, которые были названы интронами. Участки ДНК, несущие информацию, называются экзонами. При считывании с определенного участка ДНК(гена) сначала образуется транскрипт всей последовательности, а затем происходит процесс созревания иРНК, называемый процессингом.

Трансляция. В период трансляции происходит реализация генетической информации в процессе синтеза белковой молекулы определенной структуры. Трансляция подразделяется на три стадии: Инициации, элонгации и терминации.

Инициация. В этот период рибосома сначала представлена двумя отдельными субчастицами, так как для начала процесса необходима рибосома диссоциированная.

Элонгация. В стадию элонгации в аминоацильный центр рибосомы строго в соответствии с кодоном иРНК поступает вторая нагруженная тРНК, которая своим антикодоном соединяется с этим комплементарным кодоном.

Происходит последовательное присоединение аминокислот к полипептидной цепи в строгом соответствии с последовательностью кодонов на иРНК.

Терминация. После того ,как в аминоацильный центр рибосомы поступит терминирующий кодон иРНК ( УАА, УАГ или УГА), к нему присоединится один из белковых факторов терминации и блокируется дальнейшая элонгация цепи.

Генетический код.

Специфичность ферментных белков, синтез которых контролируют гены, определяется последовательностью аминокислот в полипептидных цепях. Каждая аминокислота определяется группой из трех соседних нуклеотидов- триплетов, или кодоном.

Второй из мРНК в белок- называется трансляцией(переводом.)

Индивидуальный рост и бесполое размножение клеток

Отношение поверхность/объём у бактериальных клеток очень велико. Это способствует быстрому поглощению питательных веществ из окружающей среды за счёт диффузии и активного транспорта. В благоприятных условиях бактерии растут очень быстро. Рост зависит прежде всего от температуры и р.-Н. среды, доступности питательных веществ и концентрации ионов. Облигатным аэробам обязательно нужен ещё и кислород, а облигальным анаэробам нужно чтобы его совсем не было.

Достигнув определённых размеров, бактерии переходят к бесполому размножению (бинарному делению), т.е. начинают делиться с образованием 2-х дочерних клеток. Переход к делению диктуется отношением объёма ядра к объёму цитоплазмы. Перед клеточным делением происходит репликация ДНК, во время которой мезосомы удерживают геном в определённом положении. Мезосомы могут прикрепляться и к новым перегородкам между дочерними клетками а каким-то образом участвовать в синтезе веществ клеточной стенки. У самых быстрорастущих бактерий деление происходит каждые 20 мин.; интервал между делениями называется временем генерации.

Формы изменчивости микроорганизмов.

У бактерий различают фенотипическую , или модификационную( ненаследственную), и генотипическую( наследственную) изменчивости.

Фенотипическая изменчивость. Проявление наследуемых морфологических признаков и физиологических процессов у индивидуумов называется фенотипом. Сходные по генотипу , микроорганизмы могут существенно различаться по фенотипу, т.е. по способу проявления наследственных признаков.Фенотипические различия между микроорганизмами, одинаковыми по генотипу, называются модификациями. Модификации, как правило, существуют до тех пор, пока действует вызвавший их специфическийфактор внешней среды; они не передаются потомкам и не наследуются ими. Эта адаптивная реакция на внешние раздражители. Следовательно, роль фенотипических изменений сводится к обеспечению выживаемости микробных популяций в изменившихся условиях среды. Фенотипические изменения выражаются в изменении формы и размера бактерии, биохимической бактерии иряда других свойств.

Генотипическая изменчивость. Изменениям подвержен так же и генотип. Генотипическая изменчивость играет большую роль в эволюции организмов: если бы клетки не обладали способностью к изменению генотипа, то любое неблагоприятное изменение условий среды привело бы к вымиранию вида. Например, появление в культуре бактериофага вызвало бы полную гибель ее, если бы гены, определяющие фагочувствительность, не подвергались изменениям и клетки в силу этого не приобрели свойство фагорезистентности.

В основе генотипической изменчивости лежат мутации и рекомбинации. Они происходят в структуре ДНК-генетическом аппарате клетки- и проявляются в стабильности изменений каких-либо свойств.

Мутации. Под мутацией понимают внезапные, скачкообразные изменения наследственных свойств. Основу этого явления составляют качественные или количественные изменения последовательности нуклеотидов в ДНК, которые могут возникать при жизнедеятельности бактерий под влиянием эндогенных факторов или при действии химических и физических мутагенов. Бактерии с измененными признаками называются мутантами. Различают спонтанные и индуцированные мутации.

Организация генетического материала у бактерий. Генотип и фенотип

Основой материальной наследственности бактерий является ДНК. По сравнению с эукариотическим геном бактериальный ген проще - это молекула ДНК, заключенная в кольцо, прикрепленое к одной из мезосом. В отличие от парных хромосом эукариот, бактерии имеют одну хромосому, то есть гаплоидный набор генов, поэтому у них нет доминирующего явления.

Помимо хромосомы, бактерии имеют внехромосомные генетические элементы - плазмиды. Это молекулы ДНК, которые либо находятся вне хромосомы, в автономном состоянии, в форме колец, прикрепленных к мезосомам, либо встроены в хромосому (интегрированное состояние). Плазмиды дают бактериям дополнительные наследственные признаки, но они не обязательны. Плазмида может быть удалена (элиминирована) из бактерии, что не влияет на ее жизнеспособность.

В настоящее время известно более 20 видов плазмид в бактериях. Некоторые из них:

F-плазмида, фактор фертильности (лат. Fertilis - плодовитый) или половой фактор, определяет способность бактерий образовывать половые ворсинки и конъюгировать.

R-плазмиды определяют устойчивость бактерий к лекарствам. Перенос R плазмид из одной бактерии в другую приводит к быстрому распространению устойчивых к лекарствам бактерий.

Col плазмиды кодируют синтез бактериоцинов, антибактериальных веществ, которые вызывают гибель других бактерий того же или родственного вида. Впервые они были обнаружены в Escherichia coH, отсюда и их название - колицины. Известны бактериоцины стафилококков (стафилоцины), чумные палочки (пестицины) и другие бактерии. Наличие бактериоциногенной плазмиды дает бактериям селективные преимущества в биоценозах. Это может быть положительным для человеческого организма, если колицины кишечной палочки вредны для патогенных энтеробактерий, и отрицательным, если бактериоцины продуцируются патогенными микробами.

Ent-плазмиды определяют выработку энтеротоксина. H1y плазмида - гемолитическая активность.

Дополнительными генетическими элементами являются также профаги - геномы умеренных фагов, которые при интеграции в хромосому бактерии могут придавать ей определенные свойства. Например, токсины, кодирующие образование экзотоксинов коринебактерий, дифтерии, клостридий, ботулизма и т. д.

Фенотип представляет собой целый комплекс микробных свойств, проявление генотипа в определенных, специфических условиях существования.

Генотип - это потенциальная способность клетки, а фенотип - их явное проявление.

Гены, ответственные за синтез соединения, обозначены строчными латинскими буквами в соответствии с названием соединения, например, в присутствии гена, кодирующего синтез лейцина, ieu +, в отсутствие - leu-. Гены, ответственные за устойчивость к лекарствам, бактериофагам, ядам, обозначены буквой g (лат. Resistentia) и чувствительны к букве s (лат. Sensitiv - чувствительны). Например, чувствительность к стрептомицину обозначена как str 5 , резистентность str r . Фенотип бактерий обозначен теми же знаками, но заглавными буквами: Leu +, Leir, Str 1 , Str 8 соответственно.

Изменчивость микроорганизмов

Наследственность - это способность сохранять постоянство специфических свойств организма на протяжении нескольких поколений, то есть способность воспроизводить себе подобных.

Изменчивость - это разница в свойствах между особями одного и того же вида. Различают наследственную и ненаследственную изменчивость.

Ненаследственная или фенотипическая изменчивость (модификации) не влияет на геном микроба, не наследуется. Модификации происходят в ответ на изменение условий окружающей среды. Когда фактор, вызывающий изменение, устраняется, изменение исчезает. Например, кишечная палочка только в присутствии лактозы продуцирует ферменты, которые расщепляют этот углевод. Стафилококки образуют фермент, который разрушает пенициллин только в присутствии этого антибиотика. Примером модификаций является образование L-форм бактерий под действием пенициллина и возврат к его первоначальной форме после прекращения его действия.

Наследственные или генотипические изменения возникают в результате изменений в самом геноме. Изменение генома может происходить в результате мутаций или рекомбинаций.

Мутации (лат. Mutatio - изменение) - это изменение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, которое приводит к появлению или утрате признака. Этим признаком может быть способность синтезировать какую-либо аминокислоту или резистентность к антибиотику.

Мутации могут быть спонтанными или индуцированными по происхождению. Индуцированные мутации были получены экспериментально под воздействием мутагенов: радиации, некоторых химических веществ. Спонтанные мутации возникают под влиянием естественных факторов. Частота спонтанных мутаций невелика, в среднем 1 на 10 миллионов.

Образовавшиеся микробы называются мутантами. Если получающаяся мутация полезна для микроба и создает преимущества для него в определенных условиях окружающей среды, то мутанты выживают и дают начало многим потомствам. Если мутация не создает выгоды, мутанты погибают.

Мутации микроорганизмов могут иметь большое практическое значение. Были получены мутантные штаммы грибов и актиномицетов, которые являются продуцентами антибиотиков во много раз более активными, чем исходные культуры. Штаммы вакцин могут быть получены от мутантов с пониженной вирулентностью для получения живых вакцин.

Диссоциация бактерий (лат. Dissociatio - расщепление) является одним из проявлений мутаций. В популяции микроорганизмов появляются особи, которые растут при высеве на твердую питательную среду в виде гладких S-форм и шероховатых R-форм колоний (англ, smooth - гладкий, rough - шероховатый). S-образные колонии округлые, влажные, с гладкой блестящей поверхностью, с ровными краями. R-образные колонии неправильной формы, сухие, с неровными краями и шероховатой поверхностью.

Процесс диссоциации, то есть расщепления особей в популяции, обычно протекает в одном направлении: от S- до R-формы, иногда через промежуточные формы. У большинства видов бактерий S-формы вирулентны. Исключение составляют возбудители, чума, сибирская язва, туберкулез.

Генетическая рекомбинация

Генетическая рекомбинация - (лат. recombinatio - перестановка) в бактериях - это передача генетического материала (ДНК) из донорской клетки в реципиентную клетку, в результате чего рекомбинанты приобретают новые свойства.

Известны три типа генетической рекомбинации: трансформация, трансдукция, конъюгация.

Трансформация (лат. Transformatio - трансформация) - перенос ДНК в виде свободного растворимого материала, высвобождаемого из донорской клетки в клетку реципиента. В этом случае рекомбинация происходит, если ДНК донора и реципиента связаны друг с другом, и может происходить обмен их собственными гомологичными областями и ДНК, проникшей извне. Феномен трансформации был впервые обнаружен Ф. Гриффите в 1928 году. Он представил живого, а не вирулентного бескрылого

штамм пневмококковой борозды и одновременно убитый штамм вирулентной пневмококковой капсулы. Мыши погибли, и из их крови была выделена живая культура вирулентного капсульного пневмококка. Сам Гриффите полагал, что трансформация произошла благодаря поглощения невирулентным пневмококком капсульного вещества вирулентного штамма. Позже в 1944 г. Мистер О. Эйвери К. Мак Леод и М. Мак-Карти доказали, что трансформирующим веществом является ДНК, которая является носителем генетической информации. Крючок был первым, кто доказал роль ДНК как материального субстрата. близнец

Трансдукция (лат transductio - перенос) - перенос ДНК от донорской бактерии к реципиентной бактерии с использованием бактериофага. Неспецифическая трансдукция, специфическая и абортивная, варьирует.

При неспецифической трансдукции любой донорский фрагмент ДНК может быть перенесен. В этом случае донорская ДНК попадает в головку бактериофага без проникновения в его геном. Фрагмент донорской ДНК, доставляемый бактериофагом, может быть включен в хромосому реципиента. Таким образом, бактериофаг в этом случае является только носителем ДНК, сама ДНК фага не участвует в образовании рекомбинантных

В случае специфической трансдукции гены донорной хромосомы заменяют некоторые гены бактериофага. В клетке реципиента фаговая ДНК вместе с фрагментом донорной хромосомы включается в строго определенные области хромосомы реципиента в виде профага. Получатель становится лизогенным и приобретает новые свойства

Трансдукция называется абортивной, если фрагмент ДНК, введенный бактериофагом, не рекомбинирует с хромосомой реципиента, но остается в цитоплазме и может кодировать синтез некоторого вещества, но не реплицируется во время деления, передается только одной из двух дочерних клеток, а потом утрачивается.

Если фактор F включен в хромосому, то бактерии способны переносить фрагменты хромосомы и называются клетками Hfr (англ, high frequency of recombination - высокая частота рекомбинации). Во время конъюгации хромосома разрывается в месте расположения F-фактора и реплицируется, кроме того, одна нить ДНК переносится в клетку-реципиент, а копия остается в донорской клетке. Фактор F включен в хромосому в определенном разделе, поэтому передача отдельных генов хромосомы завершается в строго определенное время. Таким образом, прерывая процесс конъюгации через разные промежутки времени путем встряхивания суспензии бактерий, мы можем выяснить,

какие символы передаются за это время. Это позволяет построить карту хромосомы, то есть последовательность расположения генов в хромосоме. Перенос всей хромосомы может длиться до 100 минут. Коэффициент F передается последним.

Особенности генетики вирусов

Модификации Ненаследуемые изменения во многих вирусах являются результатом включения липидов и углеводных клеток-хозяев в их внешнюю оболочку, в которой размножается вирус.

Мутации. Спонтанные мутации возникают в результате ошибок в репликации генома вируса. Индуцированные мутации происходят под влиянием мутагенов. Некоторые из них (азотистая кислота) влияют на внеклеточный вирион, другие (акридин, аналоги азотистых оснований) влияют на процесс репликации вирусной нуклеиновой кислоты в клетке. Мутанты отличаются от исходных вирусов по структуре и размеру бляшек, которые они образуют в культуре клеток, антигенам и чувствительности к температуре.

Рекомбинации. При одновременной паразитизации двух вирусов в одной клетке-хозяине возможен обмен генетическим материалом между ними. В результате генетической рекомбинации происходит обмен участками HK между разными вирусами, и образуются рекомбинанты, обладающие генами двух исходных вирусов. Вирус гриппа имеет геном, состоящий из восьми фрагментов РНК. При одновременной репродукции в одной клетке двух разных вирусов гриппа между ними может происходить обмен генами. Образовавшинеся рекомби-нанты будут представлять собой новый тип вируса гриппа.

При одновременной паразитизации двух типов вируса в одной клетке во время образования зрелых вирионов возможно фенотипическое смешивание, когда геном одного вируса заполнен капсидом другого вируса (феномен транскапсидирования). Так, например, есть случаи, когда геном вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) включен в белковый капсид другого вируса. В результате такой вирус приобретает способность заражать типы клеток, которые нечувствительны к исходному вирусу.

Практическая значимость изучения генетики микробов

При микробиологической диагностике инфекционных заболеваний возникают трудности при определении типа атипичных микробов, например, бактерий дизентерии, не агглютинирующихся сыворотками. Для их идентификации должны быть использованы другие методы.

Методами направленной мутации и селекции получены живые вакцины, с успехом применяющиеся для профилактики инфекционных болезней.

Достижения молекулярной генетики используются для современных методов обнаружения микробов: методов индикации нуклеиновых кислот, полимеразной цепной реакции (ПЦР). Полимеразная цепная реакция является высокочувствительной реакцией, поскольку она позволяет увеличить количество копий исследуемой цепи ДНК в сотни тысяч раз за несколько часов. ПЦР может быть использована особенно тогда, когда в исследуемом материале имеется очень малые концентрации возбудителя или трудно выделить чистую культуру, а также при его высокой антигенной изменчивости.

Генная инженерия

Генная инженерия основана на создании рекомбинантных организмов, содержащих гены, встроенных в их хромосому, которые кодируют продукты, необходимые для производства соединений.

Последовательные этапы рекомбинации:

1) получение ДНК. Участки ДНК, то есть гены, кодирующие синтез необходимого вещества, выделяют из хромосомы путем разрезания ферментами (рестриктазами). В некоторых случаях возможно получение небольших генов, подобных естественным, путем химического синтеза;

2) полученный ген (отрезок ДНК) с помощью ферментов (лигаз) соединяют ("сшивают") с другим отрезком ДНК, который будет служить вектором для встраивания гибридного гена в клетку. В качестве вектора можно использовать плазмиды, бактериофаги, вирусы;

3) вектор, несущий встроенный в него ген, встраивается в бактериальную или животную клетку, которая приобретает способность продуцировать не свойственное этой клетке вещество. В качестве таких реципиентов используют клетки Е. coli, P. aeruginosa, дрожжи, вирус осповакцины. Подбирая подходящего реципиента, учитывают выраженность синтеза необходимого вещества. Некоторые штаммы бактерий, получивших чужой ген, способны переключать половину своего потенциала на синтез соединения, кодируемого этим геном. Учитывается также возможность секреции вещества в окружающую среду, возможность культивирования в промышленных масштабах, экологическая безопасность.

Биологические препараты, полученные генной инженерией : интерфероны, интерлейкины, инсулин, гормон роста, вакцина против гепатита В, антигены ВИЧ для диагностики и другие препараты.

Методы генной инженерии перспективны:

- Для получения антигенов с целью диагностики заболеваний, возбудители которых либо не культивируются на питательных средах (сифилис, малярия), либо опасны для культивирования;

- Для получения лекарства, сырье для которых дорогое или дефицитное: интерфероны, инсулин, гормон роста, интерлейкины и другие цитокины, которые регулирующие иммунитет, а также антитела.

У микроорганизмов, как и у других живых существ, наблюдается наследование признаков, свойственных определенному виду. В опытах было показано, что, если содержать бактерии в определенных постоянных условиях, они длительно сохраняют свои свойства. Это говорит о стабильности признаков, присущих каждому виду бактерий. Потомство микробной клетки в основном наследует ее свойства, что позволяет определить, идентифицировать, любой вид микроорганизмов. Однако известно, что у одного и того же вида бактерий возможны отклонения морфологических и физиологических свойств, возникающие под влиянием факторов внешней среды.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Генетика микроорганизмов. Фенотипическая изменчивость микроорганизмов, её формы, примеры.

Генетика - наука о наследственности и изменчивости организмов.

Целью генетики является изучение и анализ законов передачи наследственных признаков от поколения к поколению, а также выяснение механизмов, обеспечивающих наследование на всех уровнях организации живых существ (особь, клетка).

Способность живых организмов сохранять определенные признаки на протяжении многих поколений называется наследственностью.

В процессе изучения наследственности оказалось, что каждое последующее поколение под влиянием различных факторов может приобретать признаки, отличающие их от предыдущих поколений. Это свойство называется изменчивостью. Таким образом наследственность и изменчивость тесно связаны между собой.

Наследственность - способность сохранения постоянства специфических свойств организма на протяжении ряда поколений, то есть способность воспроизводить себе подобных.

Изменчивость - различие в свойствах между особями одного вида. Различают изменчивость наследственную и ненаследственную.

Изучение наследственности и изменчивости у высших организмов связано с большими трудностями из-за большой продолжительности их жизни и немногочисленности потомства.

Удобным объектом для этого изучения являются микроорганизмы, для которых характерен короткий жизненный цикл, быстрое размножение и способность давать многочисленное потомство. Кроме того, они обладают выраженной морфологией, которую можно изучать визуально при помощи светового микроскопа. Микроорганизмы биохимически активны, что легко учитывать при использовании специальных питательных сред.

Способность микроорганизмов изменять свои свойства при воздействии различных факторов (температура, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение и др.) позволяет широко использовать их в качестве модели при изучении наследственности и изменчивости.

Первым объектом генетических исследований была кишечная палочка, которая хорошо культивируется в лабораторных условиях. Важное значение имело также то, что морфологические, культуральные и биохимические свойства этой бактерии хорошо изучены. В дальнейшем объектом генетических исследований стали и другие бактерии, а также вирусы.

Материальной основой наследственности бактерий является ДНК. По сравнению с геномом эукариотов геном бактерий устроен более просто - это молекула ДНК, замкнутая в кольцо, которое прикреплено к одной из мезосом. В отличие от парных хромосом эукариотов, у бактерий одна хромосома, то есть гаплоидный набор генов, поэтому у них нет явления доминантности. Молекула ДНК в бактериях состоит из двух нитей, каждая из которых спирально закручена относительно другой. При делении клетки нитчатая спираль удваивается- каждая из нитей служит как бы шаблоном или матрицей, на которой строится новая нить. При этом каждая нить, возникшая в процессе деления клеток, содержит вновь образовавшуюся двунитчатую молекулу ДНК.

В состав ДНК входят четыре азотистых основания - аденин, гуанин, цитозин и тимин, порядок расположения в цепи у разных организмов определяет их наследственную информацию, закодированную в ДНК.

Функциональной единицей наследственности является ген, который представляет собой участок нити ДНК. В генах записана вся информация, касающаяся свойств клетки

Полный набор генов, которым обладает клетка, называется генотипом. Гены подразделяются на структурные, несущие информацию о конкретных белках, вырабатываемых клеткой, и гены-регуляторы, регулирующие работу структурных генов. Например, клетка вырабатывает те белки, которые необходимы ей в данных условиях, однако при изменении условий гены-регуляторы изменяют свойства клетки, приспосабливая их к новым условиям.

Кроме хромосомы, у бактерий имеются внехромосомные генетические элементы - плазмиды. Это молекулы ДНК, которые или находятся вне хромосомы, в автономном состоянии, в виде колец, прикрепленных к мезосомам, или встроены в хромосому (интегрированное состояние). Плазмиды придают бактерии дополнительные наследственные признаки, но не являются обязательными для нее. Плазмида может быть элиминирована (удалена) из бактерии, что не влияет на ее жизнеспособность.

Плазмиды - это сравнительно небольшие внехромосомные молекулы ДНК бактериальной клетки. Они расположены в цитоплазме и имеют кольцевую структуру. В плазмидах содержится несколько генов, функционирующих независимо от генов, содержащихся в хромосомной ДНК.

Типичным признаком плазмид служит их способность к самостоятельному воспроизведению (репликации).

Они могут также переходить из одной клетки в другую и включать в себя новые гены из окружающей среды.

К числу плазмид относятся :

· Профаги , вызывающие у лизогенной клетки ряд изменений, передающихся по наследству, например способность образовывать токсин.

· F-фактор , находящийся в автономном состоянии и принимающий участие в процессе конъюгации.

· R-фактор , придающий клетке устойчивость к лекарственным препаратам (впервые R-фактор был выделен из кишечной палочки, затем из шигелл). Исследования показали, что R-фактор может быть удален из клетки, что вообще характерно для плазмид. R-фактор обладает внутривидовой, межвидовой и даже межродовой трансмиссивностью, что может явиться причиной формирования трудно диагностируемых атипичных штаммов.

· Бактериоциногенные факторы (col-факторы) , которые впервые были обнаружены в культуре кишечной палочки (Е. coli), в связи с чем названы колицинами. В дальнейшем они были выявлены и у других бактерий: холерного вибриона - вибриоцины, стафилококков - стафилоцины и др. Col-фактор - это маленькая автономная плазмида, которая детерминирует синтез белковых веществ, способных вызывать гибель бактерий собственного вида или близкородственного. Бактериоцины адсорбируются на поверхности чувствительных клеток и вызывают нарушения метаболизма, что приводит клетку к гибели. В естественных условиях только единичные клетки в популяции (1 на 1000) спонтанно продуцируют колицин. Однако при некоторых воздействиях на культуру (обработка бактерий УФ-лучами) количество колицинпродуцирующих клеток увеличивается.

Изменчивость микроорганизмов

Ненаследственная или фенотипическая изменчивость (модификации) не затрагивает геном микроба, не передается по наследству. Модификации возникают в ответ на изменяющиеся условия окружающей среды. Модификация микроорганизмов возникает как ответ клетки на неблагоприятные условия ее существования. Это адаптивная реакция на внешние раздражители. Модификация не сопровождается изменением генотипа, в связи с чем возникшие в клетке изменения по наследству не передаются. При восстановлении оптимальных условий возникшие изменения утрачиваются.

Например, кишечная палочка только в присутствии лактозы продуцирует ферменты, разлагающие этот углевод. Стафилококки образуют фермент, разрушающий пенициллин, только в присутствии этого антибиотика. Примером модификаций является также образование L-форм бактерий под действием пенициллина и возврат к исходной форме после прекращения его действия.

Модификация может касаться разных свойств микроорганизмов - морфологических, культуральных, биохимических и др

Морфологическая модификация выражается в изменениях формы и величины бактерий. Например, при добавлении пенициллина к питательной среде клетки некоторых бактерий удлиняются. Недостаток в среде солей кальция вызывает у палочки сибирской язвы повышенное спорообразование. При повышенной концентрации солей кальция способность образовывать споры утрачивается и т. д. При длительном росте бактерий в одной и той же среде возникает полиморфизм, обусловленный влиянием накопившихся в ней продуктов их жизнедеятельности.

Культуральная модификация состоит в изменении культуральных свойств бактерий при изменении состава питательной среды. Например, при недостатке кислорода у стафилококка утрачивается способность образовывать пигмент. Чудесная палочка при комнатной температуре образует ярко-красный пигмент, но при 37° С способность образовывать этот пигмент утрачивается и т. д.

Биохимическая (ферментативная) модификация . Каждый вид бактерий имеет определенный набор ферментов, благодаря которым они усваивают питательные вещества. Эти ферменты вырабатываются на определенных питательных субстратах и предопределены генотипом.

Таким образом, модификация - это способ приспособления микроорганизма к условиям внешней среды, обеспечивающий им возможность расти и размножаться в измененных условиях. Приобретенные свойства не передаются по наследству, поэтому они не играют роли в эволюции, а способствуют в основном выживанию микробных популяций.

Читайте также: