Генетика микроорганизмов

1.

Основы микробиологии и
иммунологии
1

2. Генетика микроорганизмов

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

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.

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.

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′

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 ДНКполимеразы. 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'.

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.

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.

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.

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.

12.

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

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 геныоператоры. 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.

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.

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.

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.

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.
Плазмиды могут, подобно нуклеоиду, самореплицироваться
Биологическая роль плазмид:
и поэтому относятся к автономным факторам
- контроль генетического обмена бактерий;
наследственности в отличие от остальных – неавтономных,
которые способны реплицироваться лишь в составе
- контроль синтеза факторов патогенности;
нуклеоида или плазмиды. Кроме того, плазмиды, как и
- совершенствование защиты бактерий.
умеренные фаги, могут встраиваться в нуклеоид только в
гомологичных участках, в отличие от транспозонов и ISпоследовательностей, способных встраиваться в нуклеоид в
любых его участках.

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.

19.

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).

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).

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.

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.

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.

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.

26. Механизмы передачи генетической информации

27.

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

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 клеткуреципиент; 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».

29. Практическое значение изменчивости

Еще Пастер искусственным путем получил необратимые изменения у
возбудителей бешенства, сибирской язвы и приготовил вакцины,
предохраняющие от этих заболеваний. В дальнейшем исследования в
области генетики и изменчивости микроорганизмов позволили получить
большое число бактериальных и вирусных штаммов, используемых для
получения вакцин.
Результаты исследования генетики микроорганизмов с успехом были
использованы для выяснения закономерностей наследственности высших
организмов.
Большое научное и практическое значение имеет также новый раздел
генетики - генная инженерия.
Методы генной инженерии позволяют изменять структуру генов и включать в
хромосому бактерий гены других организмов, ответственных за синтез
важных и нужных веществ. В результате микроорганизмы становятся
продуцентами таких веществ, получение которых химическим путем
представляет сложную, или даже невозможную задачу. Этим путем в
настоящее время получают такие медицинские препараты, как инсулин,
интерферон и др. При использовании мутагенных факторов и селекции были
получены мутанты-продуценты антибиотиков, которые в 100-1000 раз
активнее исходных.