ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ
Способность живых организмов сохранять определен ные признаки на протяжении многих поколений называет ся наследственностью. В процессе изучения наследственности оказалось, что каждое последующее поколение под влиянием различных факторов может приобре тать признаки, отличающие их от предыдущих поколений. Это свойство называется измен чивостью. Таким образом, наследственность и изменчивость тесно связаны между собой. Наука, изучающая наследственность и изменчивость живых организмов, называется генетикой (от греч. genos — рождение). Генетика — наука о наследственности и изменчивости. Наследственность характеризует сохранение постоянства свойств вида в поколении, т. е. воспроизведение себе подобных. Изменчивость — различия в свойствах между особями одного вида.
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. Исследования генетики микроорганизмов показали, что у них роль носителя генетической информации играет ДНК (у некоторых вирусов РНК). 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 тимин 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 генотипом 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.
Изменения морфологических, культуральных, биохимических и других свойств микроорганизмов, возникающие под действием внешних факторов, взаимосвязаны. Например, изменения морфологических свойств сопровождаются обычно изменениями физиологических особенностей клетки. В процессе изучения изменчивости микроорганизмов была обнаружена особая форма изменчивости — диссоциация. Этот вид изменчивости был описан П. де Крюи и Дж. Аркрайтом и выражается в том, что при посеве некоторых культур на плотные питательные среды происходит разделе ние колоний на два типа: гладкие, круглые, блестящие колонии с ров ными краями —S форма (от англ. smooth — гладкий), и плоские, непро зрачные колонии неправильной формы, с неровными краями — R форма (от англ. rough— шероховатый). Существуют также переходные формы: М формы (слизистые) и g формы (карликовые). Колонии, относящиеся к гладкой S форме, могут при определенных ус ловиях переходить в R форму и обратно, однако переход R формы в S форму происходит труднее. Диссоциация наблюдается у ряда бактерий, в частности у возбудителей сибирской язвы, чумы и др.
Характеристика S и R форм колоний S форма Колонии гладкие, блестящие, правильной выпуклой "формы При росте в бульоне — равномерная муть У подвижных бактерий имеются жгутики У капсульных бактерий имеется капсула Биохимически активны Болезнетворны Выделяются чаще в остром периоде заболевания R форма Колонии неправильной формы, мутные, шероховатые Растут в бульоне в виде осадка У подвижных бактерий жгутики могут отсутствовать Капсулы отсутствуют Биохимические свойства выражены слабо Большинство бактерий менее болезнетворны Выделяются обычно при хронической форме заболевания
Болезнетворные бактерии чаще бывают в S форме. Исключением яв ляются возбудители туберкулеза, чумы, сибирской язвы, у которых бо лезнетворной является. R форма Изменения, возникающие в бактериальных клетках могут быть ненаследуемые — фенотипическая изменчивость и наследуемые — генотипическая изменчивость.
ИЗМЕНЧИВОСТЬ микро. ОРГАНИЗМОВ Изменчивость – это универсальное свойство живых организмов приобретать новые признаки под действием среды (как внешней, так и внутренней). Различают два вида изменчивости: фенотипическую (модификационная) и генотипическую.
фенотипическую (модификационная) Фенотипическая изменчивость – это изменение организмов под действием факторов среды и эти изменения не наследуются. Эта изменчивость не затрагивает гены организма, наследственный материал не изменяется. Модификационная изменчивость признака может быть очень велика, но она всегда контролируется генотипом организма. Границы фенотипической изменчивости, контролируемые генотипом организма, называют нормой реакции. Широкая норма реакции приводит к повышению выживаемости. Интенсивность модификационной изменчивости можно регулировать. Модификационная изменчивость направлена. К статистическим закономерностям модификационной изменчивости относятся вариационный ряд изменчивости признака и вариационная кривая. Вариационный ряд представляет ряд вариант, (есть значений признака) расположенных в порядке убывания или возрастания (например: если собрать листья с одного и того же дерева и расположить их по мере увеличения длины листовой пластинки, то получается вариационный ряд изменчивости данного признака).
Вариационная кривая – это графическое изображение зависимости между размахом изменчивости признака и частотой встречаемости отдельных вариант данного признака. Наиболее типичный показатель признака – это его средняя величина, то есть среднее арифметическое вариационного ряда. Различают следующие виды фенотипической изменчивости: модификации, морфозы и фенокопии. Модификации – это ненаследственные изменения генотипа, которые возникают под действием фактора среды, носят адаптивный характер и чаще всего обратимы (например: увеличение эритроцитов в крови при недостатке кислорода). Морфозы – это ненаследственные изменения фенотипа, которые возникают под действием экстремальных факторов среды, не носят адаптивный характер и необратимы (например: ожоги, шрамы). Фенокопии – это ненаследственное изменение генотипа, которое напоминает наследственные заболевания (увеличение щитовидной железы на территории, где в воде или земле не хватает йода).
Генотипическая изменчивость при генотипической изменчивости происходит изменение наследственного материала и, обычно, эти изменения наследуются. Это основа разнообразия живых организмов. Различают два вида генотипической изменчивости: мутационная и комбинативная. Комбинативная изменчивость основывается на возникновении новых комбинаций генов родителей. При комбинативной изменчивости в результате слияния родительских гамет возникают новые комбинации генов, однако сами гены и хромосомы остаются неизменными (пример: каждый новый организм является новый комбинацией генов родителей). Механизмы комбинативной изменчивости: 1) независимое расхождение хромосом в анафазу І мейоза. 2) Кроссенговер 3) Случайное слияние гамет 4) Случайный подбор родительских пар
Мутационная изменчивость в основе этой изменчивости лежит изменение структуры гена, хромосомы или изменения числа хромосом. Мутация – это спонтанное изменение генетического материала. Мутации возникают под действием мутагенных факторов: А) физических (радиация, температура, электромагнитное излучение); Б) химических (вещества, которые вызывают отравление организма: алкоголь, никотин, колхицин, формалин); В) биологических (вирусы, бактерии). Различают несколько классификаций мутаций. Классификация 1. Мутации бывают полезные, вредные и нейтральные. Полезные мутации: мутации, которые приводят к повышенной устойчивости организма (устойчивость тараканов к ядохимикатам). Вредные мутации: глухота, дальтонизм. Нейтральные мутации: мутации никак не отражаются на жизнеспособности организма (цвет глаз, группа крови). Классификация 2. Мутации бывают соматические и генеративные. Соматические (чаще всего они не наследуются) возникают в соматических клетках и затрагивают лишь часть тела. Они будут наследоваться следующим поколениям при вегетативном размножении. Генеративные (они наследуются, т. к. происходят в половых клетках): эти мутации происходят в половых клетках. Генеративные мутации делятся на ядерные и внеядерные (или митохондриальные).
болезнь Дауна
Классификация 3. По характеру изменений в генотипе мутации подразделяются на генные, хромосомные, геномные. Генные мутации (точковые) не видны в микроскоп, связаны с изменением структуры гена (генные мутации изменяют последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК и ген перестаёт работать). Эти мутации происходят в результате потери нуклеотида, вставки нуклеотида, замены одного нуклеотида другим. Эти мутации могут приводить к генным болезням: дальтонизм, гемофилия. Таким образом, генные мутации приводят к появлению новых признаков. Хромосомные мутации связаны с изменением структуры хромосом. Может произойти делеция – потеря участка хромосомы, дупликация – удвоение участка хромосомы, инверсия – поворот участка хромосомы на 1800, транслокация – это перенос части или целой хромосомы на другую хромосому. Причиной этого может быть разрыв хроматид и их восстановление в новых сочетаниях. Геномные мутации приводят к изменению числа хромосом. Различают анеуплоидию и полиплоидию. Анеуплоидия связана с изменением числа хромосом на несколько хромосом (1, 2, 3): А) моносомия общая формула 2 n 1 (45, Х 0), болезнь – синдром Шерешевского Тернера. Б) трисомия общая формула 2 n+1 (47, ХХХ или 47, ХХУ) болезнь – синдром Клайнфельтра. В) полисомия
Синдром Клайнфельтера болезнь Реклингхаузена Синдром Эдвардса Мальчик 6 лет
Мутации имеют ряд свойств: 1. Возникают внезапно, и мутировать может любая часть организма, т. е. они не направлены. 2. Чаще бывают рецессивными, реже – доминантными. 3. Могут быть вредными, полезными, нейтральными. 4. Передаются из поколения в поколение. 5. Вызываются внешними и внутренними факторами. 6. Представляют собой стойкие изменения наследственного материала. 7. Это качественные изменения, которые, как правило, не образуют непрерывного ряда вокруг средней величины признака. 8. Могут повторяться. 9. Мутации являются и элементарным эволюционным материалом и не направляющим элементарным эволюционным фактором. 10. Мутационный процесс – источник резерва наследственной изменчивости популяций. Сходство между комбинативной и мутационной изменчивостью заключается в том, что в обоих случаях потомство получает набор генов каждого из родителей. Мутационная изменчивость является одним из главных факторов эволюционного процесса. В результате мутаций могут возникать полезные признаки, которые под действием естественного отбора дадут начало новым видам и подвидам.
Генетические рекомбинации. Трансформация. Клет ки, которые способны воспринять ДНК другой клетки в процессе трансформации, называются компетентными. Состояние компетентности часто совпадает с логарифмиче ской фазой роста. Трансдукция — это перенос генетической информа ции (ДНК) от бактерии донора к бактерии реципиенту при участии бактериофага. Трансдуцирующими свойствами обладают в основном умеренные фаги. Размножаясь в бактериальной клетке, фаги включают в состав своей ДНК часть бактериальной ДНК и передают ее реци пиенту.
Различают три типа трансдукции: общую, специфи ческую и абортивную. 1. Общая трансдукция — это передача различных генов, локализованных на разных участках бактериальной хромосомы. При этом бактерии доноры могут передать реципиенту разнообразные признаки и свойства— способность образовывать новые ферменты, устойчивость к лекарственным препаратам и т. д. 2. Специфическая трансдукция — это передача фагом только некоторых специфических генов, локализо ванных на специальных участках бактериальной хромосо мы. В этом случае передаются только определенные • признаки и свойства. 3. Абортивная трансдукция — перенос фагом ка кого то одного фрагмента хромосомы донора. Обычно этот фрагмент не включается в хромосому клетки реципи ента, а циркулирует в цитоплазме. При делении клетки реципиента этот фрагмент передается только одной из двух дочерних клеток, а второй клетке достается неизме ненная хромосома реципиента. С помощью трансдуцирующих фагов можно передать от одной клетки другой целый ряд свойств, таких как способность образовывать токсин, споры, жгутики, проду цировать дополнительные ферменты, устойчивость к ле карственным препаратам и т. д.
Конъюгация — это передача генетического матери ала от одной бактерии к другой при непосредственном контакте клеток. Клетки, передающие генетический мате риал, называются донорами, воспринимающие его — реципиентами. Этот процесс носит односторонний характер — от клетки донора к клетке реципиента. Бактерии содержит гены, ответственные за образова ние донора обозначаются F+ (мужской тип), а бактерии реципиента — F — (женский тип). При тесном сближении клеток F+ и F между ними возникает цитоплазматический мостик. Образование мостика контро лируется фактором F (от англ. Fertility— плодовитость). Этот фактор половых ворсинок (sex pili). Функцию донора могут выполнять только те клетки, которые содержат фактор F. Клетки реципиента лишены этого фактора. При скрещива нии фактор Р передается клеткой донора реципиенту. Получив фактор F, женская клетка сама становится донором (F+). Процесс конъюгации можно прервать механическим способом, например встряхиванием. В этом случае реципи ент получает неполную информацию, заключенную в ДНК. Перенос генетической информации путем конъюгации лучше всего изучен у энтеробактерий. Конъюгация, как и другие виды рекомбинации, может осуществляться не только между бактериями одного и того же вида, но и между бактериями разных видов. В этих случаях рекомбинация называется межви довой.
ПЛАЗМИДЫ Плазмиды — это сравнительно небольшие внехромо сомные молекулы ДНК бактериальной клетки. Они распо ложены 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 изме нений, передающихся по наследству, например способ ность образовывать токсин (см. трансдукцию). F фактор, находящийся в автономном состоянии и принимающий участие в процессе конъюгации (см. конъ югацию). R фактор, придающий клетке устойчивость к лекар ственным препаратам (впервые R фактор был выделен из кишечной палочки, затем из шигелл). Исследования пока зали, что К фактор может быть удален из клетки, что вообще характерно для плазмид. К фактор обладает внутривидовой, межвидовой и даже межродовой трансмиссивностью, что может явиться при чиной формирования трудно диагностируемых атипичных штаммов.
Бактериоциногенные факторы (col факторы), которые впервые были обнаружены в культуре кишечной палочки (E. coli), в связи с чем названы колицинами. В дальней шем они были выявлены и у других бактерий: холерного вибриона — вибриоцины, стафилококков — стафилоцины и др. Соl фактор — это маленькая автономная плазмида, ко торая детерминирует синтез белковых веществ, способ ных вызывать гибель бактерий собственного вида или близкородственного. Бактериоцины адсорбируются на по верхности 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 (обра ботка бактерий УФ лучами) количество колицинпродуцйрующих клеток увеличивается.
Скачать презентацию ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ Способность живых организмов сохранять определен
Генетика микроорганизмов.ppt