реферат найти Наследственность и изменчивость микроорганизмов

Законы изменчивости и передачи наследственных признаков микробами изучает генетика.

В 1944 г. на модели пневмококков было показано, что веществом, ответственным за хранение наследственной информации, является ДНК. В 1953 г. расшифрована структура ДНК и раскрыт генетический код кишечной палочки.

В зависимости от формы реализации изменчивости ее подразделяют на: а) ненаследственную (модификационнуто) и б) наследственную. Возможные варианты изменчивости микроорганизмов представлены на рис. 9.1.

Рис. 9.1.Изменчивость микроорганизмов

Ненаследственные (модификационные) формы изменчивости обусловлены неоднородностью условий развития микробов. Модификация — это приспособительные (адаптивные) реакции на внешние раздражители, которые регулярно повторяются в нормальных условиях существования микроба. В процессе жизнедеятельности при изменении условий существования микроорганизмы изменяют свои морфологические, культуральные, ферментативные и биологические признаки. Эти изменения могут быть длительными, но они обратимы и не затрагивают генетические структуры клетки.

Изменение морфологических признаков. Микроорганизмы обладают полиморфизмом — способностью изменять в известных пределах свою форму. В результате ответных реакций бактерий на физические и химические изменения питательной среды образуются различные по форме и размеру клетки: гигантские, раздутые, шарообразные, колбовидные или нитевидные. Такие изменения морфологии бактерий связаны с нарушениями синтеза клеточной стенки или регуляции клеточного деления. Изменчивости подвержен и ряд других свойств бактерий: образование жгутиков, ресничек, спор, капсул.

Изменение культуральных свойств. Культуры одного и того же микроорганизма могут различаться между собой по форме колоний. При посеве на твердую питательную среду образуются колонии двух типов: гладкие (S — smooth) и шероховатые (R — rough) формы. Между ними существуют переходные О-формы. Такого рода изменчивость называется диссоциацией. При диссоциации происходят изменения внешних признаков и обмена веществ микроба.

Изменение ферментативных свойств. В результате изменений условий существования микробов у них могут активироваться одни ферменты и угнетаться другие. Это адаптационные ферменты, которые работают только тогда, когда для реализации их действия есть субстрат. При отсутствии субстрата фермент не проявляет своей активности.

Изменение биологических свойств. У патогенных микроорганизмов под влиянием различных факторов изменяется степень их болезнетворное™ (вирулентности) для макроорганизма. В начале эпидемии вирулентность возбудителей высока, а к концу эпидемии она снижается. Возбудители, выделенные из больного организма, имеют высокую степень вирулентности. При хранении микробов на искусственных питательных средах их вирулентность снижается. Возбудители, выделенные из организма больного с острой лучевой болезнью, отличаются от исходных (до облучения) форм повышенной ферментативной активностью, вирулентностью и устойчивостью к действию антибиотиков.

Наследственная изменчивость у микроорганизмов осуществляется в результате изменения генетических структур. Она передается по наследству дочерним клеткам.

Веществом, ответственным за хранение наследственной информации, является ДНК — двойная полинуклеотидная цепочка. В состав нуклеотида входят азотистые основания: пурины (аденин — А, гуанин — Г) и пиримидины (тимин — Т, цитозин — Ц), сахар (де- зоксирибоза — Д, фосфатная группа — Ф). Они объединены в более сложные соединения — полинуклеотиды. Соединение между двумя цепочками ДНК обеспечивается водородными связями между парами: аденин — тимидин и гуанин — цитозин. Цепи как бы намотаны на внутренний «цилиндр» из пар: А — Т;Г — Ц;Т — А; Ц — Г (рис. 9.2). В отличие от ДНК РНК состоит из одной цепочки, в состав которой входит вместо тимидна — урацил, а вместо дезок- сирибозы — рибоза.

Рис. 9.2.Строение фрагмента двойной цепочки ДНК микроорганизма

В последовательности нуклеотидов ДНК закодирована наследственная информация о структуре молекулы белка микроба.

Единицей наследственности является ген, представляющий собой участок ДНК. Комплекс всех генов микроба называется геномом. Он состоит из ряда генов, способных к самостоятельному воспроизведению самих себя (репликация). Репликонами являются бактериальные хромосомы и плазмиды (внехромосомные элементы наследственности). Бактериальная хромосома организована в виде двунитевой молекулы ДНК кольцевой формы. Ее размер у прокариотов колеблется от 3 • 10⁸ до 2,5 • 10⁹ пар нуклеотидов.

Внехромосомные элементы наследственности — это плазмиды. Они состоят из замкнутых колец ДНК. Их размеры колеблются в пределах от 10³до 10⁶пар нуклеотидов. Количество плазмид в бактериальной клетке колеблется в пределах от 1 до 200. Плазмиды могут свободно находиться в цитоплазме клетки или встраиваться (интегрироваться) в хромосому. Плазмиды, встроенные в хромосому, функционируют вместе с ней как единый репликон.

Плазмиды кодируют отдельные функции клетки, которые дают ей преимущества для существования в чрезвычайных условиях. При контакте с антибиотиками плазмиды обеспечивают устойчивость к нему микроба и кодируют образование факторов патогенности микробом. Плазмиды, обеспечивающие устойчивость микроба к антибиотикам или продуцирующие факторы патогенности, имеют большое значение в возникновении госпитальных инфекций.

Свободные плазмиды могут переходить от одной микробной клетки к другой, например от дизентерийного микроба к кишечной палочке, придавая последней признаки патогенности.

Изменения генов и контролируемых ими признаков микроба могут быть следствием мутации или рекомбинации.

Мутации — это стойкие наследственные изменения, вызванные выпадением или добавлением одного (или нескольких) оснований, а также изменением последовательности отдельных нуклеотидов в цепочке ДНК.

Они проявляются изменением морфологии бактериальной клетки, синтеза белка, потребностей в питательных веществах, повышением устойчивости к антибиотикам, снижением или повышением вирулентности микроба. Мутации происходят самопроизвольно (спонтанные) или вызываются внешними воздействиями (индуцированные).

Спонтанные мутации образуются вследствие случайных ошибок в синтезе (репликации) молекулы ДНК или перемещения группы нуклеотидов в цепочке ДНК. Индуцированные мутации вызываются внешними воздействиями химических аналогов пуриновых и пиримидиновых оснований, ионизирующим излучением. Мутации бывают точечными, когда изменяется одна пара нуклеотидов, и протяженными, когда изменению подвергается несколько пар нуклеотидов.

Рекомбинации — это взаимодействие между двумя молекулами ДНК, входящими в состав различных геномов.

Они приводят к образованию рекомбинантной ДНК, сочетающей гены обеих родительских ДНК. В процессе рекомбинации участвуют две микробные клетки: реципиент, воспринимающий генетический материал, и донор, который отдает часть своего генетического материала. В состав рекомбинанта входят в основном гены реципиента с включением одного или нескольких генов донора. Передача генетического материала между бактериями осуществляется тремя возможными способами: конъюгацией, трансдукцией и трансформацией.

Конъюгация — это передача генетического материала от донора реципиенту путем непосредственного контакта клеток. При этом часть молекулы ДНК донора передается другой клетке-реципиенту. К молекуле ДНК реципиента достраивается часть ДНК донора. Образуется новая ДНК — стабильная генетическая структура (рис. 9.3).

Микроб, обладающий этой ДНК, приобретает новые свойства. Способностью передачи генов обладают микробы, имеющие F-фактор (фактор плодовитости). Он существует в виде плазмиды у F-положительной особи (внехромосомный фактор). Наличие

F-фактора контролирует образование контактных пилей, по которым гены переходят от F-положительных к F-отрицательным микробам. Конъюгировать может и сам F-фактор, превращая F-отрицательный микроб в F-положительную особь.

Рис. 93.Конъюгация между микроорганизмами

Трансдукция — это передача бактериальной ДНК при помощи бактериофага (рис. 9.4).

Рис. 9.4.Трансдукция между микроорганизмами

В процессе воспроизводства вируса внутри бактерии фрагмент бактериальной ДНК донорской клетки соединяется с ДНК бактериофага. Этот фрагмент бактериальной ДНК переносится фаговой частицей в другую клетку-реципиент.

С помощью трансдукции можно воспроизвести образование жгутиков, новых ферментов, изменить токсигенность, резистентность к антибиотикам, вирулентность и другие свойства микроба.

Трансформация — это передача ДНК, выделенной из клетки- донора, в клетку-реципиент (рис. 9.5). В естественных условиях трансформация происходит самопроизвольно. В этом случае ДНК из разрушенных клеток захватывается микробами-реципиентами, которые таким образом приобретают новые свойства. Это доказано на модели пневмококков. Оказалось, что контакт между двумя типами пневмококков, обладающих и не обладающих капсулами, приводит у потомков этих клеток к образованию одних только капсульных форм. В этом случае ДНК капсульных форм микробов, попадая в бескапсульные формы, обусловливают синтез капсул у клеток-реципиентов.

Генетика вирусов имеет свои особенности, потому что источником информации может быть как ДНК, так и РНК. Мутации у вирусов могут возникать спонтанно или под влиянием внешних причин.

Они проявляются в изменении антигенной структуры. Последнее свойство максимально выражено у вируса иммунодефицита человека. Между вирусом, заразившим человека, и вирусом, обнаруживаемым в разгар болезни, имеется большая разница в антигенной структуре. Это затрудняет иммунную защиту организма от СПИДа.

Рис. 9.5.Трансформация между микроорганизмами

Генетические рекомбинации наиболее часто встречаются у ДНК- содержащих вирусов. Из РНК-содержащих вирусов они имеют место у вируса гриппа.

Совместное размножение нескольких вирусов в одной клетке может приводить к обмену между ними генетическим материалом.