lekcii_po_mikrobiologii0 / Л-5 изменчивость

1. ИЗМЕНЧИВОСТЬ У БАКТЕРИЙ

Исследователи, стоявшие у истоков бактериологии, столкнулись с разнообразием видов бактерий и кажущейся возможностью метаморфоз, взаимопревращений одних бактерий в другие создали учение о плеоморфизме, которое утверждало, что бактерии обладают огромной биологической пластичностью и способны по необходимости принимать любую из множества морфологических форм и физиологических функций.

Однако, метод получения чистых культур, разработанный Кохом, показал, что до него все бактериологи, включая Пастера, работали со смешанными культурами. Возникло противоположное направление – мономорфизм, отрицавшее изменчивость у бактерий, оно просуществовало около 50 лет.

В пору бурного расцвета генетики многоклеточных организмов – в 20-30-е годы, учения о наследственности и изменчивости бактерий не существовало. Наблюдавшиеся иногда изменения свойств бактерий в чистых культурах исследователи связывали с адаптацией к определенной питательной среде или виду хозяина с возможностью к последующей реадаптации, т.е. к возврату исходного признака.

Наблюдая изменчивость у микроорганизмов, исследователь оперирует понятием «признак». У микроорганизмов признаки можно подразделить на:

Морфологические (размер, форма, наличие жгутиков и капсул).

Биохимические (способность расщеплять сахара, синтезировать аминокислоты).

Антигенные признаки.

Биологические (патогенность, тропность).

Резистентность к лекарственным веществам.

Все признаки являются следствием комплекса биохимических реакций, контролируемых ферментами.

Наличие 膆††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††ент, т.е. генотипическая изменчивость.

Фенотипическая изменчивость.

Или ненаследственная, модификационная.

Причины изменчивости – влияние внешних факторов (биологических, химических, физических), блокирующих на время нормальную работу фермента. Примеры: если в питательную среду добавить пенициллин, то он блокирует фермент транспептидазу, тормозится образование клеточной стенки, образуется L-форма бактерий, совсем не похожая на исходную. Если такую культуру пересеять на среду без пенициллина – морфология восстановится.

Особенно ярко фенотипическая изменчивость проявляется в старых культурах микроорганизмов после длительного культивирования без пересева – меняется форма, размеры бактерий, их способность воспринимать краситель (тинкториальные свойства). Пример: в старых культурах стафилококк становится Гр-, кишечная палочка принимает кокковидную форму, дифтерийная палочка образует нитевидные, кокковидные дрожжеподобное формы. Под воздействием лекарственных веществ меняется форма колоний, их цвет. При добавлении в питательную среду небольшой концентрации этилового спирта у бактерий подавляется образование жгутиков. Однако, при восстановлении нормальных условий культивирования все исходные признаки восстанавливаются. Таким образом, модификации не затрагивают генотип и, следовательно, не передаются по наследству.

Модификации – это адаптивные реакции на изменение условий внешней среды.

Наследственная изменчивость. Генотипическая изменчивость.

Обусловлена изменениями, происшедшими в ДНК. В основе наследственной изменчивости лежат 2 процесса:

Мутации – наследуемые изменения последовательности азотистых оснований ДНК.

Рекомбинации – обмен участками ДНК между бактериями, одна из которых является донором, а другая – реципиентом.

Мутации.

Изменения последовательности азотистых оснований в ДНК.

Виды:

Выпадение (делеция) или вставка (инсерция) одного или нескольких оснований со сдвигом рамки считывания.

Замена пар оснований (транзиция) – без сдвига рамки (пурин на пурин, пиримидин на пиримидин).

Дупликация.

Дислокация.

Инверсия.

Причины мутации:

Внутренние. Мутации, обусловленные внутренними ошибками, называют спонтанными, их частота 1/10000000 азотистых оснований.

ошибки ДНК-полимеразы – 1 ошибка на 10 тысяч прочитанных нуклеотидов (1/10000).

Недостаточность механизма репарации, т.е. исправления ошибок. Система ферментов репараз в норме исправляет почти все ошибки ДНК-полимеразы.

Внешние, обусловлены воздействием внешних факторов, физических и химических, повышают вероятность частоты мутаций в десятки и сотни тысяч раз. Излучения, соли азотистой кислоты, акридиновые красители – эти факторы называют мутагенными, а вещества – мутагенами. Такой вид мутаций называется индуцированными.

Мутации могут быть летальными, сублетальными и нейтральными. Популяции микробов содержат многие миллиарды особей, среди которых имеются клетки с различными нейтральными мутациями, т.е. никак себя не проявляют.Однако при воздействии селективного фактора, например антибиотика, ранее нейтральные мутации становятся жизненно необходимыми, полезными, поэтому в новых условиях выживают и размножаются только те особи, которые имеют определенные мутации. Устойчивые к стрептомицину бактерии имели точковую мутацию в гене одного из рибосомальных белков. В исходной популяции этот признак остается нейтральным. Но если воздействовать на культуру стрептомицином, то выживают и размножаются потомки этих мутантов, остальные погибнут.

Таким образом, используя для лечения антибиотики, особенно в неправильных дозировках, человек сам селекционирует штаммы бактерий с лекарственной устойчивостью.

Классификация мутаций.

По происхождению:

Спонтанные.

Индуцированные (химическими, физическими, биологическими факторами)

По уровню:

На молекулярном уровне – замена пар оснований, выпадение или всьавка пар оснований.

На генном и геномном уровне – делеция, инверсия, дупликация, дислокация.

На клеточном уровне – с приобретением признака, с утратой признака (прямые и обратные).

На уровне популяций.

По функции:

Летельные

Сублетальные

Нейтральные

По фенотипу:

Морфологические

Функциональные (резистегтность, ауксотрофность.

Рекомбинации.

Наследственная изменчивость, обусловленная обменом участками ДНК между микроорганизмами, один из которых является донором, а другой – реципиентом.

Виды рекомбинаций:

Трансформация.

Конъюгация.

Трансдукция.

Трансформация – превращение. В 1928 Фредерик Гриффит проводит эксперименты по заражению мышей пневмококом, который вызывает у животных острую инфекцию с летальным исходом в течение суток. Основным фактором патогенности у пневмококка является полисахаридная капсула. Благодаря ей пневмококк защищен от фагоцитоза и быстро размножается в крови. Капсула пневмококка построена из полимера, в котором чередуются гшлюкоза и глюкуроноавя кислота. Глюкуроновая кислота образуется из уридиндифосфат-диглюкозы с помощью фнрмента уридиндифосфатглюкоза-дегидрогеназа (УДФГ-днгидрогеназа). Капсульная форма пневмококка образует на плотной питательной среде гладкие блестящие колонии(smooth) , бескапсульные мутанты – шероховатые колонии (rough). S-форма пневмококка является патогенной для животных.

Гриффит с помощью нагревания убивает культуру S-формы пневмококка, смешивает ее с живой культурой R-формы и заражает животных. Мыши гибнут, из внутренних органов выделяется патогенная культура S-формы пневмококка. Природа такой транформации оставалась неизвестной в течение 25 лет. Через 16 лет после открытия Гриффитом транформации в 1944г Эвери, МакЛеон и МакКорти пытаются выделить трансформирующий агент из убитой культуры S-формы пневмокка. Они получают отдельные фракции белка, полисахаридов, РНК, ДНК и каждую фракцию смешивают с живой культурой R-формы, повторяя эксперимент Гриффита. Эффект трансформации удается воспроизвести с фракцией ДНК. Однако их вывод о том, что носителем наследственной информации является ДНК, не поддержан научным сообществом, т.к. в то время считается, что носителем генетической информации является белок (ошибка Вильштеттера). Окончательно механизм трансформации был расшифрован после открытия ДНК Уотсоном и Криком.

Мезанизм Трансформации.

Трансформация – это передача участка ДНК от донора к реципиенту и из раствора без посредника. К поглощению ДНК способны не все, а только подготовленные «компетентные» клетки. Сосотояние компетентности вызывает специальный белок – ФК, который накапливается в среде при определенных условиях. Стадии трансформации:

Адсорбция 2-хцепочечного франмента ДНК донора к поверхности компетентной клетки.

Связывание ДНК донора с ФК, раскручивание ДНК.

Проникновение ДНК внутрь клетки (у Гр+ проникает 1 нить ДНК, у Гр- обе нити).

Рекомбинация ДНК донора с гомогенным участком ДНК реципиента.

С помощью рекомбинации передается небольшая группа генов (от 1 до5)

Конъюгация. Процесс передачи генетической информации от клетки донора к клетке реципиенту с помощью плазмид называют конъюгацией. Конъюгация у бактерий открыта в 1946 Лезенбургом и Тейтумом. В 1952 Хейс и Лезенберг показали, что перенос информации происходит в одном направлении от клетки, зараженной плазмидой (F+) к незараженной (F-).

F+ плазмида представляет собой кольцевую молекулу ДНК, включающую 22 гена, среди которых имеются гены, обеспечивающие синтез Fпили и групп tra-генов, обеспечивающие конъюгативную передачу плазмид. Tra-гены объединены в т.н. сегмент RTF (resistance transfer factor).

Механизм передачи поазмиды. Синтез F-пили, образование конъюгационного мостика, перенос одной нити плазмиды в клетку-донор, репликация плазмиды, замыкание в кольцо.

Открытие Hfr-плазмид – встроенных в хромосому бактериальной клетки – Кавали, 1950, Хейс, 1953. Окончательная расшифровка механизма конъюгации Врльшаи и Якоб, 1957. Плазмида Hfr способна переносить в клетку-реципиент всю цепь ДНК донораза 100 минут. На основании этого эксперимента была построена генетическая карта кишечной палочки.

Виды плазмид:

Плазмиды резистентности.R-плазмиды.

Плазмиды бактериоциногенности (col) – продукция антибиотиков.

Плазмиды вирулентности (Ent) токсины.HLY гемолизин.

Плазмиды метаболичесокй активности.

По механизму распространения:

Конъюгативные – содержат tra-перон

Неконъюгативные – утратившие tra-оперон.

Трансдукция.

Перенос фрагмента ДНК донора реципиенту (Цингер, 1951, Ледербери) умеренным дефектным бактерифагом.

Неспецифическая трансдукция – бактериофаг встраивается в любой участок ДНК бактерии и переносит случайный признак.

Специфическая – переносятся только специфические гены. Гены gal и bio.