Прокариоты как объект молекулярно-генетических исследований

Большая часть микроорганизмов представляют собой одноклеточные формы с большим диапазоном размеров. В среднем линейные размеры бактерий лежат в пределах 0,5-3,0 мкм. Самые мелкие бактерии группы микоплазм имеют диаметр клеток 0,1-0,15 мкм, т. е. размер, близкий к теоретическому пределу клеточного уровня организации жизни. Диаметр клеток нитчатой бактерии Beggiatoa alba равен 50 мкм, а длина клетки спирохеты достигает 250 мкм.

Химическая и ультраструктурная организация клетки прокариот имеет ряд особенностей. Внешний липопротеидный слой протопласта бактерий называется цитоплазматической мембраной (ЦПМ). Структуры, расположенные снаружи от ЦПМ (клеточная стенка, капсула, жгутики, ворсинки), называют поверхностными структурами. В клеточную оболочку входят все слои, располагающиеся с внешней стороны от ЦПМ. Протопласт состоит из ЦПМ и цитоплазмы. Генетический аппарат прокариот представлен двойной замкнутой нитью ДНК (бактериальная хромосома = нуклеоид), не отделенной от цитоплазмы мембраной. Гистоны и митотический аппарат отсутствуют, нет нитронов. Отсутствуют органеллы, свойственные эукариотам — хлоропласты, митохондрии. Кольцо ДНК закреплено в одной точке на внутренней стороне клеточной мембраны. Деление нуклеоида происходит после репликации нити ДНК, при этом расхождение дочерних нуклеоидов обеспечивается ростом клеточной мембраны. Нуклеоид представляет собой тонкую, неправильную, фибриллярную сеть из ДНК, часть располагающуюся параллельно осевой линии клетки. ДНК-связывающей структурой выступает мезосома.

Г. А. Заварзин (2001) рассматривает прокариотную клетку как систему, состоящую из взаимодействующих подсистем. Схематически они выглядят следующим образом:

1. Геном — хромосома, содержащая генетическую информацию для собственной репликации за счет азотистых оснований и, во-вторых, информацию для синтеза белка.

2. Аппарат синтеза — это рибосома, представляющая РНК-содержащий аппарат синтеза белка из аминокислот-предшественников.

3. Цитозоль — растворимая часть цитоплазмы, включающая сеть метаболических путей с обслуживающими их ферментами.

4. Мембрана включает энергодающий аппарат синтеза АТФ и транспортной системы, осуществляющие взаимодействие клетки с внеклеточной средой.

Благодаря различиям в строении рибосом эубактерии, архебактерии и эукариоты проявляют разную чувствительность к антибиотикам — ингибиторам синтеза белка. Это позволяет применять антибиотики, действующие на эубактерии, для селективного накопления архебактерий.

Помимо хромосомы, у прокариот могут присутствовать небольшие кольцевые молекулы ДНК-плазмиды, которые не являются обязательными для генома данного вида. Они варьируют по размеру и по численности от одной до многих десятков. Плазмиды определяют важнейшие функции клетки: способность к передаче генетического материала, устойчивость к лекарственным препаратам, тяжелым металлам, способность утилизировать токсичные вещества (например, углеводороды, нафталин, толуол, и др.). Благодаря этим свойствам плазмиды являются мощными факторами адаптации микроорганизмов к меняющимся условиям среды. Одна плазмида может содержать до 5 генов устойчивости к различным антибиотикам и переносить эти гены в клетки патогенных бактерий. Распространение устойчивости к различным антибиотикам форм патогенных бактерий, препятствующее лечению инфекционных заболеваний, является одной из самых серьезных проблем современной медицины. Они используются как удобные объекты в генетической инженерии, для изучения молекулярных механизмов важнейших клеточных процессов — репликации ДНК, транскрипции, рекомбинации и т. д.

Согласно правилу Чаргаффа. отношение между азотистыми основаниями в ДНК строго стехиометрические (находятся в кратных отношениях). В то же время число пар Г+Ц и A+T может варьировать. По числу преобладания тех или иных пар различают организмы с высоким или низким молекулярным содержанием ГЦ (ГЦ, моль %), величины которого обычно приводятся для конкретного вида.