Генетика микроорганизмов

  Содержание

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

      Введение.

     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).

      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;

 R-форма, Шероховатые.

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- дезоксирибонуклеозидтрифосфатов 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.

     Каждый  ген представлен определенным участком молекул ДНК. Специфическая информация, содержащая в гене, определяется последовательностью  оснований в цепи ДНК. «Алфавит», с помощью которого записана эта  информация ДНК, включает четыре «буквы»  основания : аденин «А», гуанин «G», тимин «Т» и цитозин «С». В мРНК тимин заменен урацилом «U».

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

           Аминокислоты соединяются  в полипептидную цепь в порядке, определяемом триплетами мРНК. В этом процессе участвуют мРНК,   рибосомы, транспортные РНК, ряд ферментов и другие факторы. Соединение аминокислот происходит на рибосомах. К мРНК обычно присоединяется несколько рибосом, так что на одной и той же матрице одновременно синтезируется несколько полипептидных цепей. Такой комплекс одной мРНК  с рибосомами называется полисомами.   В результате нуклеотидная последовательность ДНК представляет собой закодированную «инструкцию», определяющую структуруспецифического белка.Таким образом, процесс биосинтеза белка происходит в два этапа: первый из ДНК в мРНК –называется транскрипцией(переписыванием);

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.