Рекомбинация у прокариот. Трансформация. Конъюгация. Трансдукция. Особенности построения генетических карт у прокариот.
Генетическая рекомбинация
Генотипическая изменчивость прокариот наблюдается в результате рекомбинации генетт-го материала за счет частичного объединения геномов двух клеток и проявляется в фенотипе бактерий. К рекомбинативной изменчивости генетт-го материала прокариот приводят трансформация, трансдукция и конъюгация.
В отличие от эукариот, у которых при половом процессе происходит образование истинной зиготы, объединяющей генетт.материал обоих родителей, у прокариот при всех трех вышеуказанных процессах наблюдается лишь частичный перенос генет-го материала из клетки-донора в клетку-реципиент, что приводит к обр-ию неполноценной зиготы – мерозиготы . Т.о., прокариотная клетка-реципиент становится частично диплоидной, сохраняя в основном генотип клетки-реципиента и приобретая лишь отдельные свойства клетки-донора.
Ответственность за рекомбинации несут специальные гены клетки-реципиента, получившие название rec-генов
. Механизм рекомбинаций включает ряд последовательных стадий:
1) разрыв нитей ДНК клетки-реципиента;
2) встраивание фрагментов ДНК, привнесенных из клетки-донора в геном клетки-реципиента;
3) репликация рекомбинативной ДНК, дающей начало потомству клеток с измененным геномом.
Доказательства вышеуказанного механизма рекомбинации были экспериментально получены при изучении процесса конъюгации кишечной палочки (E.coli) с использованием меченных по фосфору (Р 32) клеток-доноров.
Трансформация (от лат.– преобразование) – изменение генома и свойств бактерий в рез-те переноса информации при проникновении фрагмента свободной ДНК из среды в кл-ку. При трансформации не требуется непосредственного контакта м/у клеткой-донором и клеткой-реципиентом. Источником трансформирующей ДНК может служить свежеубитая культура бактерий или чистые препараты ДНК, экстрагированной из нее.
Явление трансформации у бактерий впервые наблюдал Ф. Гриффитс в 1928 г. Он обнаружил, что при совместном ведении в организм мышей убитого вирулентного капсульного пневмококка S-типа с живым авирулентным бескапсульным пневмококком R-типа все животные погибают. При этом из крови погибших мышей наряду с бескапсульными пневмококками R-типа выделяются вирулентные капсульные пневмококки S-типа. Гриффитс не сумел объяснить явление трансформации. Лишь в 1944 г. О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти выделили трансформирующее вещество из убитых клеток капсульных пневмококков и показали, что им является ДНК, чувствительная к ДНК-полимеразе.
Процесс трансформации проходит в несколько этапов
:
1) адсорбция трансформирующей ДНК на поверхности компетентной клетки-реципиента;
2) ферментативное расщепление трансформирующей ДНК с образованием фрагментов со средней молекулярной массой (4-5)·10 6 ;
3) проникновение фрагментов ДНК в клетку-реципиент, сопровождающееся деградацией одной из цепей ДНК и образованием одноцепочечных фрагментов;
4) интеграция – включение фрагментов трансформирующей ДНК в ДНК клетки-реципиента путем генетт-го обмена;
5) экспрессия – интенсивное размножение трансформированных клеток, потомство которых будет иметь измененный ген в молекуле ДНК.
Трансформирующий фрагмент ДНК обычно соответствует 0,3% бактериальной хромосомы, или примерно 15 генам. В клетку-реципиент проникает очень малый фрагмент ДНК, что обуславливает трансформацию только одного признака и редко двух. Путем трансформации из одной клетки в другую могут быть перенесены такие признаки бактерий, как устойчивость к лекарств.препаратам, способность к синтезу капсульных полисахаридов, ферментов, определенных метаболитов и т.д. При трансформации не происходит добавления качественно нового наследственного признака, наблюдается лишь замена одного признака другим.
Трансдукция заключается в переносе генетт-го материала из клетки-донора в клетку-реципиент умеренным бактериофагом. Явление трансдукции в 1952 г. открыли Н. Циндер и Дж. Ледерберг на примере двух штаммов сальмонелл.
По механизму взаимодействия с бактериальной клеткой фаги подразделяются на вирулентные и умеренные. Вирулентные фаги, проникая в клетку, обусловливают формирование новых фагов и лизис бактерий. Заражение клеток умеренными фагами не всегда сопровождается лизисом бактерий, часть их выживает и становится лизогенными. В лизогенных бактериях ДНК-фага включается в ДНК-клетки и умеренный фаг превращается в профаг, утрачивая при этом способность лизировать бактериальную клетку. Профаг ведет себя как часть бактериальной хромосомы и репродуцируется в ее составе в течение ряда поколений. Освобождение умеренных фагов из клеток лизогенных бактерий происходит спонтанно либо под действием лизогенных бактерий происходит спонтанно либо под действием индуцированных агентов – ультрафиолетовых лучей, ионизирующей радиации и химических мутагенов.
В процессе репродукции некоторых умеренных фагов небольшой фрагмент бактериальной хромосомы, включается в геном фага. Трансдуцирующий фаг переносит фрагмент ДНК предыдущего хозяина в новую чувствительную к нему бактериальную клетку. Т.о., бактериальная клетка-реципиент становится частичной зиготой.
У бактерий различают 3 типа трансдукции : специализированную, общую и абортивную.
Специализированная - в геном фага включаются строго определенные гены ДНК бактерии-донора, расположенные на хромосоме бактерии непосредственно рядом с профагом. Прилегающие к профагу гены выщепляются из бактер-ой хромосомы, а часть генов профага остается в ее составе. Освобождающиеся из клетки-донора трансдуцирующие дефектные фаги вызывают лизогенезацию клетки-реципиента. ДНК дефектного фага включается в состав хромосомы клетки-реципиента, привнося в нее и гены бактерии-донора.
Общая - отличается от специализ-ой тем, что в состав ДНК фага включается любой фрагмент ДНК бактерии-донора. Т.о., при общей трансдукции трансдуцирующие фаги переносят из хромосомы бактерии-донора любые гены, контролирующие различные признаки, в клетку бактерии-реципиента.
Абортивная - фрагмент хромосомы клетки-донора, привнесенный трансдуцирующим фагом в клетку-реципиент, не включается в ее хромосому, а локализуется в цитоплазме и при делении клетки-реципиента передается только одной из образующихся клеток.
Трансдукция в эксперименте показана на кишечных бактериях, псевдомонадах, стафилококках, бациллах и актиномицетах. Трансдукция определяет появление разновидностей бактерий с новыми свойствами, устойчивость к лекарственным препаратам, синтез ферментов, аминокислот и др.
В экспериментах по генной инженерии трансдукция открывает не только широкие возможности межвидовой гибридизации бактерий, но и возможность получения гибридов среди разных групп прокариот.
Конъюгация происходит при непосредственном контакте бактер-ых кл-ок и предусматривает направленный перенос генетт-го материала из клетки-донора в клетку-реципиент. Феномен конъюгации в 1946 г. описали Дж. Ледерберг и Э. Тейтум на примере кишеч.палочки (E.coli) штамма К 12 .
Способность бактерий к конъюгации связана с наличием у них полового F-фактора, относящегося к числу конъюгативных плазмид. Клетки, несущие F-фактор, обозначаются F + ; клетки, лишенные F-фактора, - F ¯ . F-фактор (F-плазмида) в клетках F + обычно находится в изолированном состоянии от бактериальной хр-мы и является цитоплазматической структурой. Бактер-ые клетки, содержащие F-фактор, отличаются от остальных клеток рядом свойств: измененным поверхностным зарядом и способностью синтезировать дополнительные поверхностные структуры F-пили.
Процесс конъюгации начинается с прикрепления конца F-пили клетки-донора к клетке-реципиенту. В теч.неск-их минут клетка-донор и клетка-реципиент сближаются, возможно, за счет сокращения F-пили и вступают в непосредственный контакт. Ч/з цитоплазматический мостик по каналу F-пили, менее чем за 5 мин, происходит передача полового F-фактора, независимо от бактериальной хромосомы, из цитоплазмы клетки-донора F + в цитоплазму клетки-реципиента F ¯ . При этом клетка-донор не теряет своей донорной способности, так как в ней остаются копии F-фактора.
Среди популяции клеток F + имеются бактерии, способные при конъюгации передавать не F-фактор, а фрагмент бактериальной хромосомы. Эти клетки бактерий и образованные ими штаммы обозначаются Hfr (high frequency of recombination), что означает бактерии с высокой частотой рекомбинации. Рекомбинации м/у кл-ми Hfr и кл-ми F ¯ происходят в тысячу раз чаще, чем между клетками F + и F ¯ . Отличие клеток Hfr от клеток F + заключается в том, что половой F-фактор у них включён в бактериальную хромосому. Во время конъюгации в клетке-доноре Hfr идет процесс репликации ДНК. При этом одна из реплицирующихся цепей ДНК ч/з конъюгационный мостик проникает в клетку-реципиент F ¯ , вторая остается в клетке-доноре Hfr, затем каждая из этих цепей достраивается комплементарной нитью. Конъюгационный мостик непрочен, он легко разрывается, поэтому из клетки-донора Hfr в клетку-реципиент F ¯ передается не вся хромосома, а лишь ее фрагмент.
М/у перенесенным из клетки Hfr фрагментом хромосомы и гомологичным участком хромосомы клетки F ¯ происходит генет-ий обмен. В результате часть донорной ДНК встраивается в ДНК реципиента, а соответствующая часть реципиентной ДНК исключается из нее. Эффективность включения донорной ДНК в хромосому реципиента высока и составляет примерно 0,5.
Конъюгацию прокариот не следует отождествлять с половым процессом эукариот, т.к.при конъюгации в клетку F ¯ передается только часть генет-го материала клетки F + , в результате чего образуется неполноценная мерозигота. Основу последней составляет геном клетки-реципиента с привнесенной частью генома клетки-донора.
Наряду со стабильностью и точностью наследственных свойств генетический аппарат прокариот характеризуется изменчивостью, которая проявляется в форме мутаций и рекомбинаций.
Спонтанные мутации прокариот следует считать начальным видом изменчивости, возникшим параллельно началу функционирования их ДНК как генетической структуры. Возможно, что на протяжении миллионов лет мутации были единственным механизмом изменчивости прокариот.
Скачком в эволюции прокариот явилось появление рекомбинативной изменчивости, заключающейся в частичном объединении генет-ой информации двух прокариотных клеток донора и реципиента. Т.о. возник новый дополнительный материал для естеств.отбора, ускоряющий процесс эволюции. Из трех вышерассмотренных рекомбинативных процессов наиболее совершенным является конъюгация, т.к.она обеспечивает более полный обмен генетической информации м/у двумя клетками. Известны случаи, когда при длительной конъюгации (90 мин) двух клеток E.coli наблюдается вхождение всей хромосомы клетки-донора в клетку-реципиент.
Эффективность генет-их рекомбинаций оказывается высокой только для близкородственных бактерий, имеющих родство в пределах вида.
Особенности построения генетических карт у прокариот
Для построения генетт.карт у прокариот используется явление конъюгации – переноса генетт-го материала из одной клетки в другую с помощью спец.кольцевых молекул ДНК (плазмид, в частности, с помощью F–плазмиды).
Вероятность переноса определенного гена в клетку–реципиент зависит от его удаления от F–плазмидной ДНК, а точнее, от точки О, в которой начинается репликация F–плазмидной ДНК. Чем больше время конъюгации, тем выше вероятность переноса данного гена. Это дает возможность составить генетическую карту бактерий в минутах конъюгации. Например, у кишечной палочки ген thr (оперон из трех генов, контролирующих биосинтез треонина) находится в нулевой точке (то есть непосредственно рядом с F–плазмидной ДНК), ген lac переносится через 8 мин, ген recE – через 30 мин, ген argR – через 70 мин и т.д.
Тема: Генетика микроорганизмов 1. Конъюгация, трансдукция, трансформация. 2. Изменчивость микроорганизмов. 3. Использование достижений генетики бактерий.
Наследственный аппарат бактерий имеет 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. 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 суперспирализована 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. Функциональными единицами генома бактерий, кроме хромосомных генов, являются: IS-последовательности; транспозоны; плазмиды. IS-последовательности (англ. insertion - вставка, sequence - последовательность)- 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). ISпоследовательности одинаковы у разных видов 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 (Tn-элементы) состоят из 2000 -25 000 пар нуклеотидов, содержат фрагмент ДНК, несущий специфические гены, и два концевых ISэлемента. Каждый транспозон обычно содержит гены, привносящие важные для бактерии характеристики типа множественной устойчивости к антибактериальным агентам. В общем, для транспозонов характерны те же гены, что и для плазмид (гены устойчивости к антибиотикам, токсинообразования, дополнительных ферментов метаболизма). 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,
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; Тох-плазмиды - синтезировать токсин; Плазмиды биодеградации - разрушать тот или иной субстрат и т. д. Плазмиды могут быть интегрированы в хромосому (в отличие от ISпоследовательностей 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.
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 (кратковре менные модификации) исло поколений. ч 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 мутации 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.
Конъюгация У бактерий - способ переноса генетического материала от одной бактериальной клетки к другой. При этом две бактерии соединяются тонким мостиком, через который из одной клетки (донора) в другую (реципиент) переходит отрезок нити дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Наследственные свойства реципиента изменяются в соответствии с количеством генетической информации, заключённой в переданном кусочке ДНК.
Конъюгация Конъюгация (от лат. conjugatio - соединение), парасексуальный процесс - однонаправленный перенос части генетического материала (плазмид, бактериальной хромосомы) при непосредственном контакте двух бактериальных клеток. Открыт в 1946 году Дж. Ледербергом и Э. Тайтемом. Имеет большое значение в природе, поскольку способствует обмену полезными признаками при отсутствии истинного полового процесса. Из всех процессов горизонтального переноса генов конъюгация позволяет передавать наибольшее количество генетической информации.
Конъюгация - обмен генетической информацией у бактерий путем передачи ее от донора к реципиенту при их прямом контакте. После образования между донором и реципиентом конъюгационного 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.
Трансдукция Эстер Ледерберг удалось выделить бактериофаг лямбда, ДНК вирус, из Escherichia coli K 12 в 1950 году. Собственно открытие трансдукции связано с именем Джошуа Ледерберга. В 1952 году они совместно с Нортоном Циндером обнаружили общую трансдукцию. В 1953 Ледербергом и др. было показано существование абортивной трансдукции, в 1956 - специфической.
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.
Рис. 2. Трансдукция 1 - бактерия - донор (В+), 2 - фаг, 3 - размножение, 4 - адсорбция, 5 - бактерия - реципиент (В-), 6 - бактерия – реципиент с новым свойством.
Трансформация - это обмен генетической информацией у бактерий путем введения в бактериальную клетку реципиент готового препарата ДНК (специально приготовленного или непосредственно выделенного из клетки-донора). Чаще всего передача генетической информации происходит при культивировании реципиента на питательной среде, содержащей ДНК донора. Для восприятия донорской ДНК при трансформации клеткареципиент должна находиться в определенном физиологическом состоянии (компетентности), которое достигается специальными методами обработки бактериальной популяции или возникает спонтанно. 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.
Рис. 3. Трансформация капсульный штамм бактерии (1) при посеве дает рост (6). После кипячения этой культуры рост отсутствует (7). Аналогичен результат такого опыта с бескапсульным штаммом (4 -рост +, 8 -рост -). Объединение в одну емкость экстракта касульного (1) и живой культуры бескапсульного (3) штаммов с последующим высевом дает рост капсульного штамма (5).
Свойства клеток колоний S – и R- форм S-форма R-форма Колонии шероховатые, непрозрачные с неровными краями, часто морщинистые Жгутики часто отсутствуют Капсулы или слизистый слой отсутствует Биохимически менее активны Слабовирулентные или авирулентные Неполноценны в антигенном отношении Слабочувствительны к фагу Взвесь быстро оседает, осадок крошковидный, клетки полиморфные Колонии прозрачные, с гладкой блестящей поверхностью, круглые, с ровными краями, выпуклые Подвижные виды имеют жгутики У капсульных видов хорошо видна капсула или слизистый слой Биохимически более активны У патогенных видов выражены вирулентные свойства Полноценны в антигенном отношении Чувствительны к фагу Взвесь клеток в физиологическом растворе гомогенная, стойкая, клетки нормальных размеров
Комбинативные изменения.
Появляются в результате трансформации и конъюгации. Трансформация - это процесс переноса участка генетического материала ДНК, содержащего одну пару нуклеотидов, отклетки-донорак клеткерецептору.
Впроцессе трансформации различают 5 стадий:
1)Адсорбция трансформирующей ДНК на поверхности микробной клетки;
2)Проникновение ДНК в клетку-реципиент;
3)Спаривание внедрившейся ДНК с хромосомными структурами клетки;
4)Включение участка ДНК клетки-донорав хромосомные структурыклетки-реципиента;
5)Дальнейшее изменение нуклеотида в ходе последующих делений. Оптимальная температура трансформации 29-32ͦС.
Трансдукция- это изменение, при котором генетический материал отклетки-доноракклетке-реципиентупереносит трансдуцирующий (умеренный) фаг, т.е. фаг, не вызывающий ее разрушения.
Различают три типа трансдукции:
1)Общая (неспецифическая), может происходить перенос различных или нескольких признаков одновременно.
2)Специфическая, характеризуется переносом только определѐнного признака.
3)Абортивная, участок ДНК клетки-донора,перенесенный фагом вклетку-реципиента,не включается в ее геном.
Конъюгация - форма полового процесса, при котором происходит соединение мужской и женской микробных клеток и обмен между ними ядерным веществом.
При этом генетический материал клетки-донорапереходит в клеткуреципиент. После рекомбинации и деления клетки образуются формы с признаками конъюгирующих клеток.
Таким образом, все три формы комбинативной изменчивости (трансформация, трансдукция, конъюгация) различны по форме, но одинаковы по существу. При трансформации участок ДНК клетки-доноравходит вклетку-реципиент,при трансдукции эту роль выполняет фаг, а при конъюгации перенос генетической информации осуществляется через цитоплазматический мостик (пили).
Риккетсии
Грамотрицательные микробы. По формекороткие палочки или кокки. Риккетсии имеют клеточную стенку, которая сходна с клеточной стенкой грамотрицательных бактерий.
Относят к истинным бактериям. Прокариоты.
Нитрификация.
Продукты гниения белков и разложения мочевиныаммиак и аммиачные соли – могут быть непосредственно усвоены растениями, но они обычно превращаются в нитратысоли азотной кислоты.
В первой фазе нитрификации аммиак окисляется до азотной кислоты по схеме
DG = -662кДж/моль.
Процесс нитрификации проходит в несколько стадий, при этом образуется ряд промежуточных продуктов: гидроксиламин, нитроксил и др.
Во второй фазе азотистая кислота окисляется до азотной:
DG= -201кДж/моль.
Первая и вторая фаза единого процесса нитрификации вызываются разными возбудителями. С.Н. Виноградский объединил их в три рода:
1)Nitrosomonas. Имеют форму палочек, грамотрицательные, подвижные, снабжены одним жгутиком, спор не образуют. Широко распространены в почве и отличаются друг от друга формой и размерами.
2)Nitrosocystis. Способен образовывать зооглеи (кокковые формы микробов, окружающей капсулой)
3)Nitrosospira. Они разделяется на два вида. Бактерии обоих видов имеют правильную спиральную форму. Наряду со спирально закрученными нитями у старых культур встречаются короткие палочки и кокки.
Впоследнее время выделено еще два рода микробов, вызывающих первую фазу нитрификации.
Нитрифицирующие бактерии отрицательно относятся к органическим веществам. Сильная чувствительность нитрифицирующих микробов к органическим веществам отмечается в растворах; в почве этого не наблюдается, т.к. в ней водорастворимых веществ в значительных количествах никогда не бывает.
На процессы окисления аммиака влияют не только микробы, но и их ферменты. Кроме органического вещества на нитрификацию оказывает влияние концентрация аммиака. Его действие на культуру резко проявляется в условиях жидких сред. В почве же аммиак находится адсорбированном состоянии и не может оказывать угнетающего действия. Поэтому нитробактер сразу же окисляет азотистую кислоту в азотную.
На процесс нитрификации положительно сказывается присутствие кислорода. В обрабатываемых почвах процесс нитрификации протекает более интенсивно.
Генетические рекомбинации – перераспределение генетического материала родителей в потомстве, обусловливающее комбинативную изменчивость организмов. Они происходят при участии ферментов в пределах отдельных генов.
Конъюгация – перенос генетического материала из клетки-донора в клетку реципиента при тесном контакте. Донорами генетического материала являются клетки, несущие F-плазмиду. Бактериальные клетки, не имеющие F-плазмиды, являются реципиентами.
Первым этапом конъюгации является прикрепление клетки донора к реципиенту с помощью половых ворсинок. Между клетками образуется конъюгационный мостик, через который из клетки-донора в клетку-реципиент передается F-плазмида.
Если F-плазмида встроена в хромосому бактерии, происходит разрыв одной нити ДНК при участии эндонуклеазы. Проксимальный конец ДНК через конъюгационный мостик проникает в клетку-реципиент и сразу же достраивается до двунитевой структуры. Оставшаяся в клетке донора нить является матрицей для синтеза второй нити.
Трансформация – непосредственная передача генетического материала донора реципиентной клетке. Трансформация эффективно происходит только между бактериями одного вида, имеющими разный генотип.
Клетки, способные принимать донорскую ДНК, называются компетентными. Состояние компетентности возникает в период роста клетки и совпадает с концом логарифмической фазы.
Трансформирующей активностью обладают двунитевые фрагменты ДНК с молекулярной массой не менее 0,5-1х10 6
Процесс трансформации состоит из фаз:
1) адсорбция ДНК донора на клетке-реципиенте,
2) проникновение ДНК внутрь клетки-реципиента с последующей деспирализацией,
3) соединение одной нити ДНК с гомологичным участком хромосомы реципиента.
Трансдукция – передача генетического материала от одной бактерии к другой при помощи фагов. Различают:
1) неспецифическую трансдукцию – когда в клетку–реципиент вместе с фаговой ДНК переносится любой ген донора. Перенесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора способен включаться в гомологичную область ДНК клетки-реципиента путем рекомбинации. Трансдуцирующий фаг является только переносчиком генетического материала от одних бактерий к другим, а сама фаговая ДНК не участвует в образовании рекомбинантов,
2) специфическую трансдукцию – фаг переносит специфические гены от бактерии-донора к бактерии-реципиенту. При взаимодействии трансдуцирующих фагов с клетками реципиентного штамма происходит включение гена бактерии-донора вместе с ДНК дефектного фага в хромосому бактерии-реципиента.
3) абортивную – когда принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии-донора не включается в хромосому бактерии-реципиента, а располагается в ее цитоплазме и может в таком виде функционировать. Во время деления бактериальной клетки-рекомбинанта принесенный фрагмент ДНК донора передается только одной из дочерних клеток и со временем исчезает.
Тема 6: Учение об инфекции. Химиотерапевтические препараты. Антибиотики.
Вопросы для самоподготовки :
1. Инфекция. Условия возникновения и пути передачи возбудителя.
2. Формы инфекции и их характеристика.
3. Периоды инфекционной болезни.
4. Характеристика бактериальных токсинов.
5. Антибиотики: классификация, применение, осложнения при приеме антибиотиков.
6. Методы определения чувствительности микроорганизмов к антибиотикам.
7. Важнейшие группы химиотерапевтических препаратов и механизмы их действия.
Теоретический материал для самоподготовки :
Дата добавления: 2015-09-03 | Просмотры: 888 | Нарушение авторских прав
| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 21 | | | | | | | | | | | |
Процесс образования геномов, содержащих генетический материал от двух родительских форм . У бактерий осуществляется в результате конъюгации, трансформации, трансдукции.
Рекомбинации подразделяют на законные и незаконные. Законная рекомбинация требует наличия протяженных, комплементарных участков ДНК в рекомбинируемых молекулах. Она происходит только между близкородственными видами микроорганизмов.
Незаконная рекомбинация не требует наличия протяженных комплементарных участков ДНК.
Трансформация
- процесс поглощения клеткой организма свободной молекулы ДНК из среды и встраивания её в геном, что приводит к появлению у такой клетки новых для неё наследуемых признаков, характерных для организма-донора ДНК. Клетки, способные воспринимать донор
ную ДНК, называются компетентными. Состояние компетентности непродолжительно. Оно возникает в определенный период роста бактериальной культуры.В состоянии компетентности клеточная стенка бактерий становится проницаемой для высокополимерных фрагментов ДНК. По-видимому, это связано с тем, что трансформируемый фрагмент ДНК связывается с белком, образуя трансформасому, в которой он переносится в бактериальную клетку. Процесс трансформации:
1).Адсорбция ДНК-донора на клетке-реципиенте.
2) проникновение ДНК внутрь клетки-реципиента;
3) соединение ДНК с гомологичным участком хромосомы реципиента с последующей рекомбинацией.
После проникновения внутрь клетки трансформирующая ДНК деспирализуется. Затем происходит физическое включение любой из двух нитей ДНК донора в геном реципиента.
Трансдукция - процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую бактериофагом.
Неспецифическая : трансдуцирующие фаги являются только переносчиком генетического материала от одних бактерий к другим, поскольку сама фагоная ДНК не участвует в образовании рекомбинантов.
Специфическая
: характеризуется способностью фага переносить определенные гены от бактерии-донора к бактерии-
реципиенту.
Абортивная : принесенный фагом фрагмент ДНК бактерии донора не включается в хромосому бактерии реципиента, а располагается в цитоплазме.
Конъюга́ция - однонаправленный перенос части генетического материала при непосредственном контакте двух бактериальных клеток.
Первым этапом является прикрепление клетки-донора к реципиентной клетке с помощью половых ворсинок.Затем между обеими клетками образуется конъюгационный мостик через который из клетки-донора в клетку-реципиент могут передаваться F-фактор и другие плазмиды, находящиеся в цитоплазме бактерии-донора в автономном состоянии.
16) Биотехноло́гия - дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продуктов их жизнедеятельности для решения технологических задач, а также возможности создания живых организмов с необходимыми свойствами методом генной инженерии.
Один из методов получения вакцинных штаммов: метод генной инженерии (инактивация гена, который отвечает за образование факторов вирулентности патогенных микробов).
Н-р,Векторные рекомбинантные вакцины получают методом генной инженерии. Для этого в геном вакцинного штамма встраивают ген (вектор), контролирующий образование антигенов другого возбудителя (чужеродного антигена). Например, в штамм вируса оспенной вакцины встраивают антиген вируса гепатита В(HBs – антиген). Такая векторная вакцина создает иммунитет и против оспы и против гепатита В.
Молекулярные вакцины получают также методом генной инженерии. Так получена вакцина против гепатита В, антигены которого синтезируются клетками дрожжей.
17) Температура – важный фактор, влияющий на жизнедеятельность микроорганизмов. Для микроорганизмов различают минимальную, оптимальную и максимальную температуру. Оптимальная – температура, при которой происходит наиболее интенсивное размножение микробов. Минимальная – температура, ниже которой микроорганизмы не проявляют жизнедеятельности. Максимальная – температура, выше которой наступает гибель микроорганизмов.
Благоприятное действие оптимальной температуры используется при выращивании микроорганизмов с целью лабораторной диагностики, приготовления вакцин и других препаратов.
Тормозящее действие низких температур используется при хранении продуктов и культур микроорганизмов в условиях холодильника. Низкая температура приостанавливает гнилостные и бродильные процессы. Механизм действия низких температур – затормаживание в клетке процессов метаболизма и переход в состояние анабиоза.
Губительное действие высокой температуры (выше максимальной) используетсяпри стерилизации . Механизм действия – денатурация белка (ферментов), повреждение рибосом, нарушение осмотического барьера. Наиболее чувствительны к действию высокой температуры психрофилы и мезофилы. Особую устойчивость проявляют споры бактерий.
Физические методы: стерилизация высокой температурой, Уф облучением, ионизирующим облучением, ультразвуком, фильтрованием через стерильные фильтры.
Пастеризация - частичная стерилизация (споры не погибают), которая проводится при относительно низкой температуре однократно. Пастеризацию проводят при 70-80°С, 5-10 мин или при 50-60°С, 15-30 мин. Пастеризация используется для объектов, теряющих свои качества при высокой температуре.Пастеризацию, например, используют для некоторых пищевых продуктов: молока, вина, пива . При этом не повреждается их товарная ценность, но споры остаются жизнеспособными, поэтому эти продукты нужно хранить на холоде.
Контроль стерилизации.
В связи с распространением в последние годы микроорганизмов, высоко резистентных к действию факторов окружающей среды, ужесточаются способы стерилизации и контроля ее качества.
Для контроля стерилизации используются:
1. Физические методы – максимальные и контактные термометры.
2. Химические вещества как температурные индикаторы. Это порошкообразные вещества со строго определенной температурой плавления: бензонафтол(110°С), антипирин (113°С), резорцин и сера (119°С), бензойная кислота (120°С) . Эти вещества смешивают с небольшим количеством сухой анилиновой краски (фуксин, метиленовый синий) и помещают в запаянные стеклянные трубочки, которые укладывают между стерилизуемыми предметами. Этот метод используют для контроля режима стерилизации в автоклаве . Если температура в автоклаве была достаточной, вещество в трубочке плавится и окрашивается в цвет красителя, который растворяется в этом веществе.
3. Биологические методы – использование термостойкой спорообразующей тест культуры – Bacillus stearothermophilus . Его споры погибают при 121°С за 15 мин при их содержании в 1 мл среды 10 6 клеток. Биологический тест используют для контроля режима стерилизации в печи Пастера . Пробирки с полосками марли, фильтровальной бумаги, с шелковой нитью, зараженные спорами, помещают в шкаф между стерилизуемыми предметами. После стерилизации в пробирку вносят питательный бульон и наблюдают за ростом микроорганизмов.
18) Стерилизация текучим паром.
Метод основан на бактерицидном действии пара (100°С) в отношении только вегетативных клеток.
Аппаратура – автоклав с незавинченной крышкой или аппарат Коха .
Аппарат Коха - это металлический цилиндр с двойным дном, пространство в котором на 2/3 заполнено водой. В крышке – отверстия для термометра и для выхода пара. Наружная стенка облицована материалом, плохо проводящим тепло (линолеум, асбест). Начало стерилизации – время от закипания воды и поступления пара в стерилизационную камеру.
Материал и режим стерилизации.Этим методом стерилизуют материал, который не выдерживает температуру выше 100°С: питательные среды с витаминами, углеводами (среды Гисса, Эндо, Плоскирева, Левина), желатином, молоко.
При 100°С споры не погибают, поэтому стерилизацию проводят несколько раз - дробная стерилизация - 20-30 мин ежедневно в течение 3-х дней.
В промежутках между стерилизациями материал выдерживают при комнатной температуре для того, чтобы проросли споры в вегетативные формы. Они будут погибать при последующем нагревании при 100°С.
Тиндализация и пастеризация.
Тиндализация - метод дробной стерилизации при температуре ниже 100°С. Она используются для стерилизации объектов, которые не выдерживают 100°С: сыворотка, асцитическая жидкость, витамины . Тиндализация проводится в водяной бане при 56°С по 1 часу 5-6 дней.
Похожая информация.
