1.4.2 Мутации

Мутации (лат. mutation – перемена, изменение) – внезапные стойкие наследственные изменения, возникающие в результате нарушения последовательности одной или более пар азотистых оснований в молекуле ДНК и приводящие к появлению новых признаков.

По происхождению различают спонтанные и индуцированные мутации. Спонтанные мутации возникают самопроизвольно в любой популяции бактерий без видимого внешнего воздействия. Они служат основным источником естественной изменчивости бактерий и лежат в основе их эволюции. Индуцированные мутации могут возникать под воздействием определенного мутагенного фактора. Мутагенные факторы могут быть биологической, химической и физической природы, например, вирусы бактерий, перемещающиеся генетические элементы, азотистая кислота, нитрозосоединения, акридиновые красители, ионизирующее и ультрафиолетовое излучения. По проявлению изменяющихся признаков различают мутации морфологические, физиологические, биохимические. Морфологические мутации сопровождаются утратой морфологических элементов (жгутиков, капсулы, клеточной стенки). Биохимические мутанты подразделяются на ауксотрофные и ферментативные.

Ауксотрофные бактерии – это клетки, потерявшие способность самостоятельно синтезировать аминокислоты, пурины, пиримидины, витамины и другие факторы роста; ферментативные мутанты частично или полностью дефектные по одному или нескольким метаболизирующим ферментам и поэтому дефектные к восприятию субстрата.

По количеству мутировавших генов и характеру изменений в первичной структуре ДНК различают генные и хромосомные мутации. Генные мутации затрагивают только один ген. Они чаще всего являются точковыми и представляют собой выпадение, вставку или замену пары оснований. Замены оснований могут приводить к изменению смысла генетической информации (миссенс-мутации), когда вместо одной аминокислоты кодируется другая, к образованию бессмысленных кодов (нонсенс-мутации), которые не несут информации о синтезе какой-либо аминокислоты. Хромосомные мутации распространяются на несколько генов. Эти мутации возникают в результате выпадения участка хромосомы (делеция), либо поворота участка ДНК на 180⁰ (инверсия), либо повторения какого-нибудь фрагмента ДНК (дупликация).

Диссоциация (лат. dissociation – разделение) – это разделение однородной популяции бактерий по культуральным свойствам на типы, отличающиеся от исходной популяции внешним видом и структурой колоний, а также стойкими изменениями некоторых биологических признаков. Эти изменения не затрагивают основные таксономические признаки вида. Таким образом, диссоциация – внутривидовая изменчивость. Она может возникать спонтанно и может быть вызвана искусственно.

1.4.3 Плазмиды бактерий

Плазмиды – это внехромосомные генетические детерминанты. В химическом отношении плазмиды представляют собой молекулы ДНК, содержащие до 400 тыс. нуклеотидных пар. В бактериальной клетке они существуют в основном в виде сверхспиральных молекул (очень устойчивая конфигурация), в виде двухцепочных открытых кольцевых молекул (их называют релаксированными, или ослабленными, они менее стойкие), а также в виде двухцепочной линейной молекулы (молекулы нестойкие). Важнейшие свойства плазмид: автономность, способность к самостоятельной репликации, регуляция своих функций, трансмиссивность.

Репликация плазмид – это их размножение, т.е. регулярное увеличение количества копий той или иной плазмиды, и равномерное распределение образовавшихся копий между потомством делящейся бактериальной клетки. Плазмиды существуют автономно (обособленно от хромосом). В этом состоянии они способны к бесконечно долгому поддержанию и воспроизведению. Такая способность плазмид связана с тем, что их репликация осуществляется самостоятельно и независимо от размножения бактерий. Плазмиды обладают также способностью к саморегуляции своей репликации независимо от механизмов, которые регулируют размножение бактериальных хромосом.

Существуют также эписомы (греч. ehi – над, сверх, soma – тело) – это плазмиды, способные объединяться с хромосомой. Процесс объединения плазмиды с хромосомой называется включением в хромосому, или интеграцией, обратный процесс – исключением. Примером эписом является умеренный фаг у лизогенных бактерий, половой фактор. В интегрированном состоянии плазмиды ведут себя подобно хромосомным генам. Плазмиды могут существовать в клетке либо в автономном состоянии, либо в интегрированном состоянии. Эти состояния исключают друг друга. Плазмиды могут переходить из одного состояния в другое.

Плазмидам свойственна инфекционность – способность проникать в клетку извне. Многие плазмиды способны переходить от одних бактериальных клеток к другим. Такие плазмиды называются трансмиссивными, или конъюгативными. Благодаря таким плазмидам бактерии способны действовать в качестве генетических доноров, т.е. вступать в конъюгацию с клетками-реципиентами, которые не содержат плазмид, и передавать им не только плазмиды, но и хромосомный генетический материал. Таким образом конъюгативные плазмиды обеспечивают системы скрещивания. Неконъюгативные плазмиды – это те, которые не способны передаваться от одних клеток к другим самостоятельно, и не предают содержащим их клеткам свойства генетических доноров. Они мельче по размерам, обитают в автономном состоянии. Однако они могут быть мобилизованы на перенос от одних клеток к другим конъюгативными плазмидами.

Плазмиды обитают в бактериях многих видов, но не оказывают существенного влияния на их рост и размножение. Однако плазмиды несут гены, которые контролируют ряд очень важных свойств бактерий. Главные группы плазмид: F-плазмиды (несут в себе половой фактор); R-плазмиды (контролируют лекарственную устойчивость бактерий); Col-плазмиды (контролируют синтез кишечными бактериями токсического вещества – колицина). Существует целый ряд других плазмид, контролирующих факторы патогенности бактерий, способности к синтезу отдельных биологически активных веществ, способности к разрушению химических соединений (например, разрушение бензола, нафталина, камфары, салициловой кислоты и др.).

В одной бактериальной клетке может одновременно находиться несколько типов плазмид. Если плазмиды не могут стабильно существовать в одной клетке, то их называют несовместимыми. Несовместимость плазмид обуславливается блокированием репликации одной из них, в результате чего эта плазмида исключается. Совместимость плазмид - это когда каждая плазмида в клетке размножается независимо и сохраняет сторгую автономность одна по отношению к другой.

Плазмиды широко используются в работах по конструированию новых биологически активных молекул ДНК. С помощью плазмид решается целый ряд прикладных проблем. Например, изыскиваются методы преодоления лекарственной устойчивости бактерий – возбудителей инфекционных болезней. Разрабатываются методы лечения наследственных болезней. Решаются вопросы повышения эффективности ряда технологических процессов, лежащих в основе производства биологи чески активных веществ.

Контрольные вопросы: 1. Какие формы бактерий являются наиболее распространенными? 2. Каковы размеры бактериальные клеток? 3. Какие вещества встречаются только в бактериальных клетках и отсутствуют в клетках высших организмов? 4. Какие функции выполняет клеточная стенка бактерий? 5. В чем заключаются различия строения и химического состава грамположительных и грамотрицательных бактерий? 6. В чем отличие нуклеоида бактериальной клетки от ядра эукариотной клетки? 7. Какие существуют типы движения бактерий? 8. Что такое таксис? 9. Можно ли рассматривать образование эндоспор как способ размножения бактерий? 10. Какие можно выделить стадии в процессе образования эндоспор бактерий? 11. Какое положение может занимать спора в бактериальной клетке? 11. Какие факторы обуславливают термоустойчивость спор бактерий? 12. Как происходит прорастание спор бактерий? 13. Как происходит процесс деления бактериальной клетки? 14. От каких факторов зависит скорость размножения бактерий? 15. Какие фазы можно выделить в стационарном культивировании микроорганизмов? 16. В каких фазах кривой роста микроорганизмов прирост биомассы равен нулю? 17. Как осуществляется непрерывное культивирование микроорганизмов? 18. Что такое коэффициент специфичности ДНК? 19. На какие отделы и части подразделяется царство Proicaryotae в девятом издании определителя бактерий Берги? 20. В чем особенности строения и химического составе грибов? 21. Как размножаются микромицеты? 22. Что положено в основу систематики грибов? 23. Какую опасность могут представлять плесневые грибы? 24. В чем особенности строения дрожжевой клетки? 25. Как происходит размножение дрожжей? 26. Какое промышленное применение дрожжей? 27. Чем отличаются вирусы от прокариотных и эукариотных организмов? 28. В каких формах существуют вирусы? 29. Как происходит репродукция вирусов? 30. Как культивируют вирусы? 31. Что положено в основу классификации вирусов? 32. Что такое бактериофаги? 33. Как происходит взаимодействие фага с бактериальной клеткой? 34. Что является предметом изучения генетики бактерий? 35. Что собой представляет бактериальная хромосома? 36. В чем различие генотипической и фенотипической изменчивости бактерий? 37. Как происходит перенос информации в процессах трансформации, конъюгации, трансдукции? 38. Какие бывают мутации бактерий? 39. Что такое плазмиды? 40. Какое практическое значение имеют плазмиды?