3. Основні поняття генетики мікроорганізмів

Перед тим, як перейти до характеристики механізмів мінливості бактерій, доцільно згадати деякі основні поняття загальної генетики, відомі з курсу біології. Ми лише уточнимо ці поняття стосовно до генетики мікроорганізмів.

Основне поняття генетики — поняття про ген.

Ген — функціональна і структурна одиниця генотипу (ділянка молекули нуклеїнової кислоти), що контролює синтез одного поліпептидного ланцюга.

Підкреслимо, що матеріальну основу спадковості мікроорганізмів, як і у всіх живих істот, складають нуклеїнові кислоти. В мікроорганізмів геном може бути представлений не лише ДНК, але й, у деяких вірусів, РНК. Тому ми говоримо про молекулу нуклеїнової кислоти в загальному вигляді. Еволюційне поняття “ген” йшло від формули “один ген — одна ознака” до “один ген — один білок” і “один ген — один поліпептидний ланцюг”. Багато функціонально активних білків складаються з декількох поліпептидних ланцюгів, причому синтез кожної з них може управлятися різними генами. Наприклад, для синтезу імуноглобуліну може бути потрібна робота трьох груп генів.

Генотип — система самовідтворюючих структур (генів), що контролюють обмін речовин і здійснюють передачу ознак у ряді поколінь. У цьому визначенні підкреслюється функція генотипу.

Фенотип — комбінація ознак в конкретних умовах існування. У фенотипі проявляється лише частина ознак, закладених в генотипі, тому потенційні можливості генотипу завжди ширші фенотипічного прояву ознак.

Необхідно відмітити, що генетика мікроорганізмів — популяційна генетика. Генетика мікроорганізмів вивчає звичайно не властивості окремих особин, а властивості популяції мікроорганізмів. Це пов’язано не стільки із складністю вивчення властивостей окремих мікроорганізмів, оскільки з тим, що мікробні популяції завжди гетерогенні і містять мікроорганізми, які іноді суттєво відрізняються за рядом ознак. Швидке розмноження мікроорганізмів, гаплоїдність генів, відсутність надійних механізмів стабілізації генетичного матеріалу ведуть до швидкої мінливості мікробів, тому навіть клонові культури невдовзі стають гетерогенними.

Ген виконує дві функції — автокаталітичну (самовідтворення для збереження ознак у ряді поколінь) і гетерокаталітичну (керування обміном речовин через керування біосинтезом білків ферментів).

Автокаталіз здійснюються шляхом реплікації нуклеїнових кислот. Якщо геном представлений двоспіральною ДНК (у більшості мікроорганізмів), то реплікація йде за відомими напівконсервативним типом: молекула ДНК роздвоюється на дві спіралі і відбувається добудова відсутньої комплементарної спіралі за допомогою ДНК-полімерази, відкритої А.Корнбергом у E. coli. В результаті утворюються дві дочірні молекули ДНК, одна з яких містить одну материнську і одну знову синтезовану дочірню нитки ДНК. Віруси можуть містити односпіральну РНК, у цьому випадку спочатку відбувається утворення реплікативної двоспіральної молекули РНК в результаті добудови комплементарної нитки РНК, а потім вже йде синтез молекул РНК вірусу. У випадку двоспіральності РНК або односпіральності ДНК у деяких вірусів реплікації відбуваються аналогічно. У будь-якому випадку за рахунок дотримання принципу комплементарності відбувається точне копіювання структури геному і збереження генів у ряді поколінь.

Гетерокаталіз реалізується через перенос спадкової інформації від гена на структуру поліпептидного ланцюга. Зміст генетичної інформації — визначення порядку включення амінокислотних замісників у пептидний ланцюг записана у вигляді генетичного коду в молекулі ДНК або РНК.

Генетичний код:

1.Триплетний (одну амінокислоту кодують три нуклеотиди), що доведено під час вивчення потрійних мутантів фагів (вірусів, бактерій). Наприклад, перший відкритий триплет — УУУ кодує включення фенілаланіну.

2. Той, що не перекривається (нуклеотид, що входить до одного триплету, не може брати участь в утворенні наступного триплету).

3.Той, що не має ком (триплети нічим не розділяються, випадіння одного нуклеотиду робить беззмістовною наступну інформацію, але при випадінні повністю одного триплету зміст інформації може не згубитися, лише в цьому місці буде відсутньою одна амінокислота).

4.Вироджений (одну амінокислоту можуть кодувати кілька різних триплетів, що забезпечує велику стійкість генетичного кода, не всяка зміна триплету змінює зміст інформації).

Перенесення спадкової інформації йде згідно з формулою Ф.Кріка: ДНК  РНК  білок.

До цієї формули тепер додано процес зворотньої транскрипції — побудова ДНК-ової копії РНК за допомогою РНК-залежної ДНК-полімерази, відкритої у онкогенних вірусів Г.Теміним у 1970 році. Процес транскрипції (побудова інформаційної РНК) і трансляції (реалізації генетичної інформації у структурі пептидного ланцюга) вам відомий.

Регуляція біосинтезу білка здійснюється також генетично, за принципом зворотного зв’язку.

Генетичний матеріал поділяється на оперони, що включають гени-регулятори, гени-оператори і структурні гени. Ген – регулятор несе інформацію про синтез регуляторного білка – репресора, здатного пригнічувати функціонування структурних генів за рахунок сполучення з геном-оператором (промотором), якщо він не з’єднаний з субстратом. При появі субстрату (наприклад — лактози), білок – репресор сполучається з ним і в такому стані не здатний репресувати гени, структурні гени депресуються і йде синтез ферментів, необхідних для розщеплення субстрату. Якщо оперон управляє ферментами, які забезпечують синтез, а не розщеплення будь-якої речовини, то білок – репресор пригнічує ген – оператор лише тоді, коли він сполучений з цією речовиною (вони знаходиться у надлишку). Теорія генної регуляції біосинтезу білка була створена французькими мікробіологами з Інституту Пастера Ф. Жакобсом і Ж. Моно при вивченні лактозного оперону E. сoli.

Виходячи з такого процесу регуляції біосинтезу зрозуміло, що частина генів може знаходитися у репресованому стані, а функціонують лише гени, які забезпечують необхідні метаболічні процеси в даних умовах.