Вопросы для самоконтроля

1. Что относится к объектам биотехнологии?

2. Почему в биотехнологии применяется так много разных биологических объектов?

3. Что представляют собой поверхностные и внутренние структуры бактерий? Каковы их функции?

4. Каковы особенности грамположительных и грамотрицательных бактерий?

5. В чем отличие нуклеоида прокариот от ядра эукариот?

6. Актиномицеты: особенности строения, роль в биотехнологическом процессе.

7. Мицелиальные грибы: особенности строения, значение в природе и биотехнологическом производстве.

8. Дайте характеристику дрожжам. Их значение.

9. Каковы особенности строения водорослей? Каково их значение для биотехнологической промышленности?

10. Вирусы: систематическое положение, особенности строения и роль в биотехнологическом процессе.

11. Каковы принципы подбора объектов для биотехнологической промышленности? Критерии, предъявляемые к продуцентам.

4. Основы генетики микроорганизмов

Непрерывность существования и историческое развитие живой природы обусловлены двумя фундаментальными свойствами жизни: наследственностью и изменчивостью. Наследственность – это сохранение специфических структурных и функциональных свойств организмов, т.е. постоянство признаков на протяжении многих поколений.

Главным носителем генетической информации является дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), расположенная в ядрах эукариот и нуклеоиде прокариот (рис. 23).

Рис. 23. Структура ДНК

Молекулы ДНК имеют вид длинных двойных цепей полимеров – полинуклеотидов, состоящих из мономеров – нуклеотидов. Каждый нуклеотид включает одно из четырех азотистых оснований – аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) или тимин (Т), одну молекулу пентозы (пятиуглеродный сахар) и одну молекулу фосфорной кислоты. Обычно молекула ДНК состоит из двух комплементарных нитей, которые образуют двойную спираль. При этом аденин одной нити находится в паре с тимином другой (стабилизируется двумя водородными связями), а гуанин аналогично связан с цитозином (тремя водородными связями). Последовательность азотистых оснований в молекуле ДНК несет информацию, необходимую для синтеза белков.

В бактериальной клетке ДНК имеет форму нити, замкнутой в виде кольца – бактериальная хромосома. У эукариот генетический материал ядра клетки сосредоточен в хромосомах. Они состоят из хроматина, который содержит около 40% ДНК, 40% гистонов, около 20% негистоновых хромосомных белков и немного РНК.

Бактериальная хромосома, как и хромосомы всех живых организмов, имеет отдельные участки – гены, дискретно расположенные и несущие генетическую информацию относительно всех признаков, присущих клетке. Ген – главный фактор, отвечающий за наследственные свойства микроорганизмов.

Генетический материал микроорганизмов может содержаться не только в хромосоме, но и во внехромосомных структурах – плазмидах, расположенных автономно в цитоплазме или в интегрированном с хромосомой состоянии. Хромосома и плазмида способны к автономному самокопированию – репликации, поэтому их называют репликонами.

Репликация

Репликация(удвоение) ДНК осуществляется на основе комплементарности, так как каждая из двух новых цепей тоже является комплементарной родительской цепи. При репликации ДНК цепи разделяются и каждое пуриновое и пиримидиновое основание притягивает к себе комплементарный свободный нуклеотид и удерживает его с помощью водородных связей. Затем нуклеотиды сшиваются вместе за счет образования фосфодиэфирных связей между соседними остатками дезоксирибозы, образуя новую полинуклеотидную молекулу. В результате образуются две молекулы ДНК, состоящие из одной родительской и одной вновь синтезированной цепи (рис. 24).

ДНК бактерий и многих вирусов представляет собой кольцевую молекулу, она реплицируется, оставаясь в кольцевой форме. При этом репликация происходит в двух направлениях, т.е. образуются две репликативные вилки. Обе вилки возникают в одной точке и удаляются от нее в обоих направлениях одновременно, пока снова не встретятся в одной точке. В этой точке два полностью синтезированных дочерних полинуклеотидных кольца разделяются.

Рис. 24. Синтез комплементарной цепи ДНК

Репликация ДНК – сложный процесс, требующий большого числа ферментов. Например, с помощью фермента геликазы, разрывающего водородные связи, двойная спираль ДНК расплетается в точках начала репликации. Однако основную роль играет ДНК-полимераза, которая последовательно присоединяет новые звенья к растущей полинуклеотидной цепи в соответствии с принципом комплементарности и катализирует образование фосфодиэфирных связей.

У бактерий репликация ДНК начинается в особой точке – точке начала (сайт инициации) репликации. В ДНК эукариот существует несколько таких сайтов, и репликация может начинаться в каждом из них. Образующиеся сегменты эукариотической ДНК сшиваются друг с другом с помощью особых ферментов.