Мікроби і навколишнє середовище. Генетика і мінливість мікроорганізмів. Бактерофаги, антибіотики

— вивчити структуру бактеріофагів;

Вплив антибіотиків на мінливість мікроорганізмів. Побічна дія антибіотиків і методи її подолання. Антибіотикограма, її практичне застосування. Противірусні хіміотерапевтичні препарати. Антисептики.

Поняття про генотипову і фенотипову мінливість, її практичне використання

Наука про закони спадковості називається генетикою. Генетика бактерій — це розділ загальної генетики, який вивчає закономірності спадковості і мінливості у бактерій. Спадковість— це відтворення у нащадків ознак предків, зумовлене передачею генетичної інформації. Спадковість має дві властивості: консервативність — збереження нащадками спадкових особливостей протягом багатьох поколінь, і мінливість — здатність нащадків набувати ознак, які їх відрізняють від попередніх поколінь.

Функціональною одиницею спадковості є ген. Ген— це ділянка молекули ДНК (інколи РНК), у якій зашифрована послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюжку, що контролює певну ознаку організму.

За хімічною структурою ДНК і РНК — це полімери, які складаються з численних (десятки і сотні тисяч) мономерів-нуклеотидів. Кожний нуклеотид складається з трьох компонентів: вуглеводу, фосфату й азотистої основи. Молекули ДНК містять вуглевод дезоксирибозу, а молекули РНК — рибозу. У кожній молекулі нуклеїнової кислоти окремі нуклеотиди різняться між собою тільки за характером основ, два інших компоненти — фосфат і вуглевод — однакові. У складі нуклеїнової кислоти єчотири типи азотистих основ: у ДНК — аденін, гуанін, цитозин і тимін, у РНК — аденін, гуанін, цитозин і урацил. ДНК кодує синтез білків. Під час поділу клітини вона подвоюється і переходить у дочірні клітини. Так передається інформація про структуру білків у спадок. Процес подвоєння ДНК називається реплікацією. Під час реплікації нитки ДНК розходяться, а із цитоплазми до кожної нитки добудовуються нуклеотиди і утворюють новий ланцюг ДНК. Цей процес відбувається під впливом ферменту ДНК-полімерази. Посередником у передачі спадкової інформації виступає матрична РНК, яка синтезується за участі ферменту ДНК-залежної РНК-полімерази (транскриптази) на молекулі ДНК за законом комплементарності. Цей процес називається транскрипцією. У молекулі матричної РНК зашифрована послідовність амінокислот білкових молекул, які синтезуються на рибосомі. Білки, що синтезуються в клітині, відповідають будові, яку задає геном клітини. Цей процес називається трансляцією . Збільшення довжини молекули білка на рибосомі називається елонгацією.

Оскільки у ретровірусів РНК є матрицею для синтезу ДНК, то в процесі передачі спадкової інформації на РНК спочатку синтезується ДНК (цей процес відбувається під впливом ферменту ревертази — зворотної транскриптази), а далі все відбувається за законом загальної біології. Цей процес можна виразити так:

РНК

-► ДНК

-► Матрична РНК

-►Білок

Зворотна транскрипція

Транскрипція

Трансляція

Виділяють такі особливості генетики бактерій:

1. Гени бактерій організовані в одну молекулу ДНК, яку нази­вають хромосомою.Хромосома у бактерій розміщена вільно у цитоплазмі і не відокремлена від неї мембранами, але пов'язана з певними рецепторами на цитоплазматичній мемб­рані клітини. Оскільки довжина хромосоми набагато переви­щує довжину бактеріальної клітини (довжина палички Е. соїі становить 1,5—З.Омкм, а довжина її хромосоми — 1,2мм), то вона перебуває у суперспіралізованій формі.

2. Вміст ДНК у бактерій непостійний, за сприятливих умов може збільшуватися у декілька (4—8) разів. Біологічне значення цього явища полягає в тому, що під час збільшення ДНК утворюється декілька копій генів, зростає кількість рибосом, збільшується швидкість біосинтезу клітинних структур, а отже, і швидкість розмноження — одна з головних умов збереження виду у природі.

3. Передача генетичної інформації відбувається не тільки по вертикалі (від материнської клітини до дочірньої), а й по горизонталі (від клітини до клітини).

4. Носіями спадковості у бактерій є не тільки ті гени, що містяться у хромосомі, а й ті, що містяться у позахромосомних молекулах ДНК: плазмідах, транспозонах, інсерційних послідовностях.

Повний набір генів бактеріальної клітини становить її геном (генотип). Бактеріальна хромосома має два типи генів: структурні гени (цистрони) і гени-регулятори. Гени-цистрони кодують структуру молекул білків, які синтезуються в клітині (ферментів, токсинів та ін.). Унаслідок зміни структурного гена синтезується білок зі зміненими властивостями. Гени-регулятори регулюють активність структур-них генів. Робота генів спрямована на здійснення життєвого циклу клітини. Оскільки він включає безліч біохімічних реакцій, тісно пов'язаних між собою, то це вимагає добре узгодженої у часі роботи генів. Така узгодженість можлива лише за умови чіткого керування ними.

Основною структурно-функціональною одиницею хромосоми є оперон. Це група структурних генів (цистронів), які фізично з'єднані один з одним і з геном-операто-ром. Ген-оператор контролює вираження всієї групи цистронів, що входять в один оперон, тобто він здатний "включати" і "виключати" трансляцію (читання) генетичної інформації з генів-цистронів. Оперон (структурні гени і ген-оператор) перебуває під контролем гена-регулятора, який кодує синтез білка-репресора. Ген-регулятор контролює один або декілька оперонів. До складу оперона входить промотор. Промотор — це ділянка ДНК, з якою взаємодіє РНК-полімераза і з якої починається синтез матричної РНК. У складі оперонів можуть бути й інші регуля-торні елементи.

Сукупність усіх ознак і властивостей організмів, що формуються в процесі індивідуального розвитку внаслідок реалізації геному, називається фенотипом. Зміна навколишнього середовища спричинює зміни метаболізму мікроорганізмів, а інколи і зміну генетичних структур, що призводить до зміни їх властивостей, тобто умови навколишнього середовища сприяють експресії (прояву) генів або пригні-ченню їх функції.

Причинами мінливості можуть бути фізичні, хімічні і біологічні фактори навколишнього середовища: різні види випромінювання, магнітні поля, низька або висока температура, недостатність вологи, поживних речовин, солі літію, хіміоте-рапевтичні препарати, антибіотики, фаги тощо.

Під час культивування мікроорганізмів у лабораторних умовах причиною мінливості мікроорганізмів може бути тривале вирощування їх на несприятливих поживних середовищах або пасаж в організмі несприйнятливих тварин. У разі відновлення оптимальних умов культивування мікроорганізмів, пасажів на сприятливих поживних середовищах і зараження сприйнятливих тварин втрачені ознаки відновлюються.

Мікроорганізми здатні змінювати морфологічні, тинкторіальні, культуральні, біохімічні, біологічні й інші ознаки.