Стадии репликации днк:

1. Разрезание молекулы ДНК с помощью фермента рестриктазы.

2. Раскручивание цепей ДНК с участием изомеразы и их разделение хеликазами с образованием репликаторной вилки.

3. Стабилизация однонитевых участков ДНК ДНК-связывающим белком.

4. Каждая из спиралей становиться матрицей, на которой достраивается молекула ДНК по закону комплементарности пар оснований:

• особенность репликации ДНК является необходимость в затравке – коротких фрагментов РНК, которые синтезируются с помощью ДНК-праймазы;

• репликация ДНК осуществляется с помощью фермента ДНК-полимеразы, которая осуществляет синтез ДНК только в направлении 5' → 3', а поскольку цепи ДНК антипараллельны репликация происходит своеобразно: на одной из матричной цепи («ведущей») синтез ДНК идет непрерывно, а на другой («отстающей») цепи ДНК-полимераза должна возвращаться, чтобы наращивать нить тоже в направлении 5' → 3', поэтому репликация идет прерывисто, короткими фрагментами (≈1-2 тыс. пар нуклеотидов, названные по имени открывшего их ученого фрагментами Оказаки) – участок РНК-затравки вырезается с помощью эндонуклеазы и заменяется сегментами Оказаки, сшивании их с матричной ДНК присходит с помощью лигаз.

5. Суперспирализация вновь синтезированных нитей ДНК с участием топоизомеразы.

6. Ревизия ДНК-полимеразой вновь синтезированных фрагментов ДНК (для исключения ошибочного включения нуклеотидов).

Внехромосомные факторы наследственности.

Внехромосомные факторы наследственности входят в состав многих микроорганизмов, особенно бактерий. Они представлены плазмидами и мигрирующими элементами – Is- последовательностями, транспозонами (Tn), конъюгативными транспозонами (CTn), интегронами (In), генными островами (ГО) и бактериофагами, которые являются молекулами ДНК, отличающиеся друг от друга молекулярной массой, объемом закодированной в них информации, способностью к самостоятельной репликации и другими признаками. Они не являются жизненно важными для бактериальной клетки элементами, поскольку не несут информации о синтезе ферментов, участвующих в пластическом или энергетическом метаболизме, но они могут передавать бактериям определенные селективные преимущества, например резистентность к антибиотикам.

Плазмиды – это автономные кольцевые молекулы двунитевой ДНК с молекулярной массой меньше, чем у нуклеоида (размеры варьируют от 1,5 до 200 mD=10³-10⁶ пар нуклеотидов), способные к саморепликации.

Спонтанная/индуцированная утрата плазмид называется элиминацией.

Особенности:

• саморегулируемая репликация;

• явление поверхностного исключения (не позволяют проникать в клетку, уже содержащую плазмиду, другой родственной ей плазмиде);

• явление несовместимости (две близкородственные плазмиды не могут стабильно сосуществовать в одной клетке);

• контроль числа копий плазмиды на хромосому клетки (реализуется собственными плазмидными генами репликации);

• контроль стабильного сохранения плазмид в клетке;

• контроль равномерного распределения дочерних плазмид в дочерние бактериальные клетки;

• способность к самопереносу у конъюгативных плазмид;

• способность к мобилизации на перенос у неконъюгативных плазмид (способность к передаче только в присутствии трансмиссивных плазмид, используя их аппарат конъюгации);

• способность наделять клетку дополнительными важными для нее биологическими свойствами, способствующими выживанию бактерий.

Функции:

• регуляторная (компенсируют нарушения метаболизма ДНК бактериальной клетки, регулируют саморепликацию, контролируют самоперенос или мобилизацию на самоперенос и другие функции самой плазмиды);

• кодирующая (внесение в бактериальную клетку новой информации, наделяя ее дополнительными свойствами).

Классификация плазмид:

• По молекулярной массе:

• крупные (1-2 на клетку);

• мелкие (до 30).

• По способности передаваться от одной клетки к другой:

• конъюгативные (трансмиссивные);

• неконъюгативные (мобилизуемые).

• По совместимости в одной клетке:

• совместимые;

• несовместимые (близкородственные).

• По фенотипическому проявлению признака:

• криптические (скрытые);

• некриптические.

• По детерминированному признаку:

• R-плазмиды (от англ. resistance – противодействие, содержат гены – r-гены, ответственные за устойчивость к лекарственным препаратам).

Обусловленная R-плазмидами лекарственная устойчивость связана:

• с изменением проницаемости поверхностных структур бактериальной клетки для антибиотиков;

• с синтезом ферментов, разрушающих или модифицирующих антибиотики (β- лактамазы, ацетилирование хлорамфеникола).

• Плазмиды патогенности – Ent и Hly (содержат tox-гены, ответственные за синтез токсинов – энтеротоксинов и гемолизинов соответственно);

• Бактериоциногенные плазмиды (например, Col-плазмида у E. coli содержат гены, ответственные за синтез бактериоцинов).

Бактериоцины – антибиотические вещества белковой природы, синтезируемые бактериями и подавляющие рост и размножение близкородственных микроорганизмов, не лизирую последних. Синтез бактерицинов является для клетки-продуцента летальным, но потенциальные бактерии- продуценты, не продуцирующие их в данный момент, устойчивы к воздействию бактериоцинов. Обозначение бактериоцина определяется видовым название микроорганизма-продуцента:

Бактерия-продуцент	Бактериоцин
E. coli	колицин
St. aureus	стафилоцин
Y. pestis	пестицин
Kl. pneumoniae	пневмоцин

В отличии от других плазмид, факторы бактериоциногенности реже интегрируются в хромосому, редко элиминируются, многие не обладают конъюгативностью.

• F-плазмида (половой фактор/фактор фертильности, содержит гены, контролирующие конъюгацию).

Варианты F-плазмид:

Состояние F-плазмиды в клетке	Обозначение бактериалной клетки
в автономном состоянии	F+-донор
в интегрированном в хромосому	Hfr-донор
в автономном состоянии с фрагментами хромосомной ДНК	F'-донор
отсутствует в клетке	F–-реципиент

• Плазмиды биодеградации (несут информацию об утилизации некоторых органических соединений, которые бактерии используют в качестве источников углеводов и энергии, например урологические штаммы E. coli содержат плазмиду гидролизации мочевины).

Мигрирующие генетические элементы – отдельные участки ДНК, способные осуществлять собственный перенос (транспозицию) внутри генома. Их транспозиция связана со способностью кодировать специфический фермент рекомбинации – транспозазу. В настоящее время к мигрирующим элементам относят: Is-элементы, транспозоны (Tn), конъюгативные транспозоны (CTn), интегроны (In), генные острова (ГО) и бактериофаги.

Транспозоны (Tn-элементы) – нуклеотидные посдедовательности, включающие 2000-20500 пар нуклеотидов. Состав – фрагмент ДНК (специфический, несущий гены) и два концевых Is- элемента. Могут находиться в свободном состоянии в виде кольцевой молекулы.

Особенности:

• не способны к самостоятельной репликации (воспроизведению), только в составе хромосом;

• несут генетическую информацию, необходимую для транспозиции (перемещение);

• каждый транспозон содержит гены, привносящие важные для бактерий характеристики (устойчивость к антибиотикам, токсинообразование и т.д.);

• содержат гены, определяющие фенотипические признаки (легче выявить). Функции:

• способны к перемещению с одного репликона (хромосомная ДНК) на другой (плазмиды, хромосома другой бактерии, бактериофаг) и наоборот: при включении в ДНК вызывают дупликации, а при перемещении – делеции и инверсии;

• регуляторная;

• кодирующая.

Is-элементы (от англ. insertion – вставка, sequenc – последовательность) – вставочные (инсерционные) последовательности, величиной до 1500 (800-1400) пар оснований.

Особенности:

• самостоятельно не реплицируются;

• не кодируют распознаваемых фенотипических признаков;

• содержат гены, обеспечивающие их перемещение из одного участка ДНК в другой (транспозицию).

Функции:

• регуляция активности генов бактериальной клетки;

• индукция мутаций типа делеции (выпадение нуклеотидов) или инверсии (поворот участка ДНК на 180⁰) при перемещении и дупликации (повтор участка ДНК) при встраивании в хромосому;

• координация взаимодействий плазмид, транспозонов и профагов (между собой и бактериальной хромосомой).

Бактериофаги (умеренные и дефектные) – мигрирующие генетические элементы, могут захватывать участки ДНК и переносить от одной бактериальной клетки к другой, вызывая ее лизогенизацию (приобретение новых свойств).