65. Лизогения и лизогенное состояние клеток

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФАГА С БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКОЙ

К клеточной стенке бактерий фаги прикрепляются концевыми нитями отростков. Затем оболочка бактерии растворяется с помощью фермента лизоцима, белковый чехол хвостового отростка сокращается и через канал хвостового отростка нуклеиновая кислота вводится (впрыскивается) в цитоплазму клетки. После проникновения нуклеиновой кислоты внутрь клетки бактерии следует Си-фаза, или фаза смены информации. В этот период фаговые частицы не обнаруживаются, однако в клетке развиваются процессы, обусловленные фаговым геномом. Начинается синтез иРНК и ранних белков, необходимых для синтеза ДНК фага и других структурных компонентов зрелого фага. Синтез ДНК фага осуществляется с помощью клеточной ДНК-поли-меразы и сопровождается полным распадом ДНК бактерии и ее утилизацией. Если ДНК бактерии не хватает, фаговая ДНК синтезируется из компонентов среды. ДНК фага можно обнаружить в клетке через 8—9 мин после заражения. С 9-й минуты начинают синтезироваться специфичные фаговые белки. На последнем

этапе взаимодействия фага с бактерией происходит самосборка фаговых частиц, которая состоит в необратимом объединении фаговой ДНК и сформировавшейся белковой оболочки. После этого происходит лизис бактерии и зрелые фаги выходят в окружающую среду. Полный цикл развития фага составляет 30— 90 мин. За этот период образуется 200 и более фаговых частиц, которые способны заражать новые клетки.

По характеру взаимодействия с клеткой бактерии бактериофаги делятся на вирулентные и умеренные. Вирулентные фаги всегда лизируют клетку бактерии. Умеренные фаги могут вызвать лизис клетки бактерии, но могут перейти и в неинфекционную форму. В этом случае молекула ДНК фага прикрепляется к ДНК бактерии и передается с нею дочерним клеткам. Фаг, существующий в такой форме, называется профагом. Сравнительно недавно стало известно, что включение вирусной ДНК в бактериальную происходит путем кроссинговера между хромосомами бактерии и вируса. Хромосома вируса принимает кольцевую форму и прикрепляется к определенному локусу хромосомы бактерии. Затем хромосомы бактерии и вируса разрываются, концы их соединяются крест-накрест и профаг оказывается включенным в хромосому клетки хозяина. В этом случае профаг является как бы частью ДНК бактерии и вместе с ней реплицируется. Клетки бактерии, имеющие в своей хромосоме профаг, называются лизо-генными, а явление совместного существования ДНК бактерии и профага называется лизогенией.

Профаг может сосуществовать с бактериальной клеткой длительное время, но при определенных условиях может отделиться от ДНК бактерии, перейти в вирулентную форму и вызвать лизис бактериальной клетки с помощью фермента лизоцима. Освобождение хромосомы вируса происходит один раз приблизительно на 10 000 делений лизогенной бактерии. РНК-вирусы, так же как и ДНК-вирусы, могут вызывать лизогенное состояние клеток бактерий. Установлено, что на РНК вируса может синтезироваться комплементарная ей ДНК. На ней синтезируется вторая цепь ДНК. Таким образом, образуется полноценная молекула ДНК, способная соединиться с ДНК клетки хозяина. В качестве провируса эта ДНК может передаваться потомству, и вызываемая данным вирусом болезнь может стать как бы наследственной. Наличие профага в составе бактериальной хромосомы не мешает репликации ДНК бактерии. Однако гены профага, встроенные в ДНК клетки, не транскрибируются. Это связано с образованием в клетке бактерии репрессора — низкомолекулярного белка, блокирующего считывание наследственной информации, записанной в фаговой ДНК. Умеренные фаги могут быть дефектными, т. е. не способными к образованию зрелых фаговых частиц. Такие фаги осуществляют трансдукцию и используются в генной инженерии.

61. Обмен генетической информацией у прокариот

67. Строение бактерий и вирусов

68.Понятие о профаге и лизогении у бактерий

СТРОЕНИЕ И РАЗМНОЖЕНИЕ БАКТЕРИЙ

Химический состав клеток бактерий в основном такой же, как и клеток высокоорганизованных организмов. Клетки бактерий окружены оболочкой, внутри которой находятся цитоплазма, ядерный аппарат, рибосомы, ферменты и другие включения. В отличие от клеток эукариот у них отсутствуют митохондрии, аппарат Гольджи и эндоплазматическая сеть. В центральной части цитоплазмы бактерий расположены ядерный аппарат — нуклеоид и плазмиды. Ядро прокариот называется нуклеоидом потому, что оно в отличие от эукариот не изолировано от цито-плазмы мембраной и представлено одной очень длинной молекулой ДНК (хромосомой). Хромосома бактерии Е. coli включает около 5-Ю6 пар оснований, имеет относительную молекулярную массу 3-Ю9 Д. В хромосоме кишечной палочки ДНК замкнута в кольцо и состоит из дискретно расположенных генов. Длина вытянутой молекулы ДНК в расправленном состоянии достигает 1 мм, что значительно превышает среднюю длину самой бактерии. ДНК бактерий по своему строению не отличается от ДНК высших организмов.

Кроме нуклеоида в цитоплазме большинства бактерий содержатся так называемые внехромосомные факторы, получившие название плазмид. Плазмиды представляют собой кольцевые молекулы ДНК, обладают свойствами репликона — могут реплицироваться с помощью ферментов клетки бактерии независимо от основной хромосомы. Плазмида включает последовательность из одного или нескольких генов. У некоторых видов бактерий обнаружены факторы резистентности к лекарственным веществам — R-факторы. К другому типу плазмид относятся колициногенные факторы. Колициногены включают гены, которые обусловливают синтез особых белковых веществ — колицинов. Колицины даже в низких концентрациях способны убивать бактерий того же вида, не имеющих соответствующего колициногена. Клетки, включающие колициноген, иммунны к соответствующему коли-цину. Плазмиды реплицируются в цитоплазме автономно и передаются при делении дочерним клеткам.

При размножении клетки бактерии наиболее ответственным является процесс воспроизведения нуклеоида. В нуклеоиде ДНК суперспирализована и плотно уложена. Электронно-микроскопи-' ческое исследование показало, что один конец ДНК прикреплен к клеточной мембране. Связь с клеточной мембраной, по-видимому, необходима как для процесса репликации ДНК, так и для четкого разделения вновь образовавшихся дочерних молекул ДНК. Репликация ДНК у микроорганизмов происходит так же, как и у высших организмов, — полуконсервативным способом. В репликации участвуют ферменты гДНК-полимеразы. Непрерывная репликация в направлении 5->3' идет только на одной из комплементарных цепей. Она называется лидирующей. На второй цепи г (запаздывающей) синтез ДНК идет также в направлении 5'-»3', но на коротких фрагментах Оказаки. Каждый фрагмент инициируется коротким полирибонуклеотидом. Эти РНК служат затравкой для дальнейшего роста цепи ДНК. Затем РНК удаляется, брешь заполняется при помощи ДНК-полймеразы и фрагменты Оказаки соединяются при помощи ферментов лигаз.

К моменту завершения цикла репликации ДНК точки прикрепления дочерних ДНК отодвигаются благодаря активному росту участка бактериальной мембраны между ними. В результа-

те сложного комплекса процессов образуется межклеточная перегородка. В период репликации ДНК и образования перегородки клетка непрерывно растет, идет формирование рибосом и других соединений. На определенной стадии дочерние клетки отделяются друг от друга. Каждая дочерняя клетка имеет такой же набор генетической информации, какой был в исходной бактериальной клетке.

СТРОЕНИЕ И РАЗМНОЖЕНИЕ ВИРУСОВ

Вирусы относятся к микроорганизмам, хотя резко отличаются от всех известных клеточных форм жизни. Частицы вирусов очень малы (от 20 до 450 нм). С помощью электронного микроскопа обнаружено, что они имеют палочковидную, шарообразную, а в большинстве случаев многогранную форму. Строение частицы вируса намного проще, чем клетки любого организма. Вирусная частица содержит одну из нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), которая окружена белковой оболочкой (капсидом). Геном вирусов представлен одной из возможных форм нуклеиновых кислот: двухцепочной или одноцепочной ДНК, одноце-почной или двухцепочной РНК. Молекулярная масса вирусных нуклеиновых кислот колеблется в широких пределах: у ДНК-со-держащих вирусов от 1,5-106 до 1,6-10*, у РНК-содержащих вирусов от 1,6-106 до 9,0-106. Молекулы нуклеиновых кислот могут быть линейными и кольцевыми.

Вирусы репродуцируются только внутри клетки какого-то организма и используют для этого ее ферментные системы и другие необходимые компоненты. Круг хозяев для определенного вируса может быть ограничен. Вирусы могут инфицировать одноклеточные микроорганизмы — микоплазмы, бактерии и водоросли, а также клетки высших растений и животных.

К настоящему времени с генетической точки зрения лучше всего изучены вирусы, паразитирующие в бактериях. Их называют бактериофагами. Всюду, где размножаются бактерии, обнаруживаются и паразитирующие в них фаги. Они находятся в кишечнике человека и животных, в сточных водах, почве. Разные фаги имеют различную форму частиц. Наиболее изучены фаги, паразитирующие на штамме В Е. coli (колифаги). Колифаги нумеруются от Т1 до Т7. Фаги Т-четной группы состоят из головки гексагональной формы и хвостового отростка (рис. 22). В головке плотно упакована ДНК, окруженная белковой оболочкой. Хвостовой отросток состоит из полого стержня диаметром около 2,5 нм, окруженного чехлом, способным к сокращению. Один конец стержня прикреплен к головке, другой — к шестиугольной базальной пластинке, от которой отходят короткие зубцы с длинными нитями на концах. У Т-четных фагов ДНК включает примерно 200 тыс. пар нуклеотидов, образующих около 100 генов. Ее Длина 34 мкм, что в сотни раз превышает длину головки. Размер фага с конца хвостового отростка до вершины головки равен около 200 нм, ширина головки 50—60 нм.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФАГА С БАКТЕРИАЛЬНОЙ КЛЕТКОЙ

К клеточной стенке бактерий фаги прикрепляются концевыми нитями отростков. Затем оболочка бактерии растворяется с помощью фермента лизоцима, белковый чехол хвостового отростка сокращается и через канал хвостового отростка нуклеиновая кислота вводится (впрыскивается) в цитоплазму клетки. После проникновения нуклеиновой кислоты внутрь клетки бактерии следует Си-фаза, или фаза смены информации. В этот период фаговые частицы не обнаруживаются, однако в клетке развиваются процессы, обусловленные фаговым геномом. Начинается синтез иРНК и ранних белков, необходимых для синтеза ДНК фага и других структурных компонентов зрелого фага. Синтез ДНК фага осуществляется с помощью клеточной ДНК-поли-меразы и сопровождается полным распадом ДНК бактерии и ее утилизацией. Если ДНК бактерии не хватает, фаговая ДНК синтезируется из компонентов среды. ДНК фага можно обнаружить в клетке через 8—9 мин после заражения. С 9-й минуты начинают синтезироваться специфичные фаговые белки. На последнем этапе взаимодействия фага с бактерией происходит самосборка фаговых частиц, которая состоит в необратимом объединении фаговой ДНК и сформировавшейся белковой оболочки. После этого происходит лизис бактерии и зрелые фаги выходят в окружающую среду. Полный цикл развития фага составляет 30— 90 мин. За этот период образуется 200 и более фаговых частиц, которые способны заражать новые клетки.

По характеру взаимодействия с клеткой бактерии бактериофаги делятся на вирулентные и умеренные. Вирулентные фаги всегда лизируют клетку бактерии. Умеренные фаги могут вызвать лизис клетки бактерии, но могут перейти и в неинфекционную форму. В этом случае молекула ДНК фага прикрепляется к ДНК бактерии и передается с нею дочерним клеткам. Фаг, существующий в такой форме, называется профагом. Сравнительно недавно стало известно, что включение вирусной ДНК в бактериальную происходит путем кроссинговера между хромосомами бактерии и вируса. Хромосома вируса принимает кольцевую форму и прикрепляется к определенному локусу хромосомы бактерии. Затем хромосомы бактерии и вируса разрываются, концы их соединяются крест-накрест и профаг оказывается включенным в хромосому клетки хозяина. В этом случае профаг является как бы частью ДНК бактерии и вместе с ней реплицируется. Клетки бактерий, имеющие в своей хромосоме профаг, называются лизо-генными, а явление совместного существования ДНК бактерии и профага называется лизогенией.

Профаг может сосуществовать с бактериальной клеткой длительное время, но при определенных условиях может отделиться от ДНК бактерии, перейти в вирулентную форму и вызвать лизис бактериальной клетки с помощью фермента лизоцима. Освобождение хромосомы вируса происходит один раз приблизительно на 10 000 делений лизогенной бактерии. РНК-вирусы, так же как и ДНК-вирусы, могут вызывать лизогенное состояние клеток бактерий. Установлено, что на РНК вируса может синтезироваться комплементарная ей ДНК. На ней синтезируется вторая цепь ДНК. Таким образом, образуется полноценная молекула ДНК, способная соединиться с ДНК клетки хозяина. В качестве провируса эта ДНК может передаваться потомству, и вызываемая данным вирусом болезнь может стать как бы наследственной. Наличие профага в составе бактериальной хромосомы не мешает репликации ДНК бактерии. Однако гены профага, встроенные в ДНК клетки, не транскрибируются. Это связано с образованием в клетке бактерии репрессора — низкомолекулярного белка, блокирующего считывание наследственной информации, записанной в фаговой ДНК. Умеренные фаги могут быть дефектными, т. е. не способными к образованию зрелых фаговых частиц. Такие фаги осуществляют трансдукцию и используются в генной инженерии.