Нуклеоид. От функционална гледна точка наследственият материал се намира като еквивалент на ядрото, наричан още нуклеоид, свободно в клетката. Наследственият материал на бактерията, ДНК, има вид на въжена стълба. Това се намира в клетка в
22. януари 2004 г. в 11:20 ч. Primar.sme.sk
Нуклеоид
От функционална гледна точка наследственият материал се намира като еквивалент на ядрото, наричан още нуклеоид, свободно в клетката. Наследственият материал на бактерията, ДНК, има вид на въжена стълба. Това се намира в клетката под формата на навит винт (спирала). Само чрез тези завои ДНК, развита около 500 пъти по-дълго от самата бактерия, се вписва в клетъчното тяло.
ДНК молекулата се състои от две взаимно допълващи се вериги, които са съставени от по-малки единици, нуклеотиди. Основната структура на нуклеотида се състои от дезоксирибоза (захарна молекула), ортофосфат и органична основа. Съществуват общо четири органични основи, тимидин (T), аденин (A), цитозин (C) и гуанин (G). За опростяване в публикации, описващи генетичния код на животно, се използват само съкращенията на ядрените основи - T, A, C, G. Протеините, т.е. протеините, са кодирани по определен ред от тези четири различни нуклеотида.
Този принцип на кодиране на информацията е еднакъв за клетките на всички живи същества, включително човека. Така че това е универсален код. Нуклеотидите могат да бъдат свързани чрез водородни връзки, а именно аденозин с тимидин, от една страна, и цитозин с гуанин, от друга. Това поражда типичната структура на ДНК въжена стълба. Съотношението на броя базови двойки аденозин и тимидин, както и гуанин и цитозин е постоянно за всеки бактериален вид. Следователно този коефициент може да се използва за съставяне на систематична бактерия, когато е специална черта.
Плазмиди
При някои бактерии, в допълнение към хромозомата, която е наследен материал на бактерията, в клетката съществуват една или повече други ДНК молекули. Това са плазмиди. Те се срещат или поотделно, или под формата на много копия. Бактериите са напълно независими от хромозомата във всяко отношение. Те не са от съществено значение за клетъчната функция и размножаването. Те обаче са от особено значение за медицината.
Разпознаваме патогенни, резистентни и метаболитни плазмиди. Съществуват обаче и плазмиди, които комбинират повече или всички свойства на споменатите групи. Патогенните плазмиди съдържат генетичен код, който е отговорен за болестотворните свойства на бактерията. Това включва напр. отрови (токсини), вещества, които увреждат червените кръвни клетки или специални капсули, които позволяват на бактериите да бъдат по-устойчиви на химиотерапевтици. Някои бактерии придобиват резистентност към химиотерапевтици. Тези съпротивления не се кодират предимно от бактериалния нуклеоид, а от устойчиви плазмиди. Има и бактерии, които са устойчиви на няколко вещества. Впоследствие се споменават множество резистентни плазмиди. Метаболитните плазмиди могат да кодират свойства, които засягат бактериалния метаболизъм.
ДНК репликация
Размножаването на бактерия чрез разделяне на клетка също изисква умножаването на нейния генетичен материал. Процесът, необходим за това, се нарича репликация. За тази цел спиралната ДНК губи своята спираловидна форма и двете нишки се отдръпват, както в части от цип. Мястото, където се отваря ДНК, се нарича място на иницииране. Допълнителни нуклеотиди са прикрепени към всяка половина на веригата от клетъчния ензим ДНК полимераза. Това създава две ДНК.
Транскрипция
Синтезът, т.е. производството на пептид, специален протеин, изисква редица междинни етапи в клетката. Мястото на производство на протеини е рибозомата, която свързва аминокиселините в пептид в правилния ред. "План за изграждане" на протеин е участък от ДНК, който се състои от поредица от нуклеотиди, подредени по специфичен начин. Този участък от ДНК, който съдържа „плана за изграждане“ на протеин, се нарича ген. Самата рибозома не може да направи нищо с ДНК. Нуждае се от много повече, за да „транскрибира“ гена, който е отговорен за кодирането на този протеин в ДНК. Тази "транскрипция" се нарича Messenger рибонуклеинова киселина (mRNA). Следвайки модела на ДНК, иРНК се произвежда от ензима ДНК-зависима РНК полимераза. РНК полимеразата започва своята транскрипция на определено място в ДНК, при промотора. Този процес на производство на иРНК се нарича транскрипция.
Превод
Само три нуклеотида върху ДНК кодират аминокиселина. Тези три нуклеотида, които кодират аминокиселина, се наричат триплет или кодон. Аминокиселината е най-малкият елемент, който изгражда протеин. Редът на аминокиселините в протеина определя по-късните му свойства.
Пълните протеинови молекули са изградени от отделни аминокиселини в рибозомите. Рецептата за събиране на протеини носи иРНК, която преди това е „транскрибирана“ от ДНК. Този процес се нарича превод. Освен това за транслация е необходима трансферна РНК (tRNA). От една страна, той предава комплементарен антикодон на иРНК кодона.
От друга страна, аминокиселината, кодирана от кодона, е прикрепена към тРНК. В рибозомата тРНК се свързва с аминокиселинното място на иРНК. След това пептидната връзка се свързва с предходната аминокиселина чрез рибозома. Така от аминокиселинната верига се образува завършена протеинова молекула.
Генна регулация
Всяка клетка се нуждае от различни протеини. Те обаче не са необходими по всяко време и в каквото и да е количество, тъй като тяхната нужда зависи от клетъчния цикъл и условията на околната среда. За да се регулира производството на протеини, в бактериалната клетка има механизми за включване и изключване на производството на протеин. Кодовете за ензимите, необходими за определен метаболитен етап, се намират директно един зад друг в ДНК. Регионът, наричан още оперон, който съдържа кода на тези ензими, е ограничен от две характерни секции. Тук операторът отбелязва началото, а терминаторът - края на тази област.
Освен това в непосредствена близост до оператора има раздел, наречен промоутър. Тук се действа на РНК полимераза, за да се инициира производството на иРНК. Дейността на оперона се контролира от контролера. Този регулаторен ген кодира регулаторен протеин, който може да се свърже с оператор. Чрез свързване на регулаторен протеин (репресор), иРНК не може да се свърже и синтезът на ензимите се нарушава. Регулаторният протеин може да се включва и изключва по своята функция. За тази цел ефекторите могат да повлияят на репресорната активност. Разграничаваме два възможни механизма:
Индукционна система
Чрез свързване на ефектора с репресора той се изключва. Следователно, той не може да се свърже с оператора. Следователно протеиновият синтез протича непрекъснато.
Репресивна система
Чрез свързване на ефектора с репресора той се включва. Репресорът се свързва с оперона и по този начин предотвратява прилепването на иРНК полимеразата. Синтезът на протеини е спрян.
Този модел на генетична регулация е разработен през 1961 г. от учените Франсоа Джейкъб и Жак Моно (Нобелова награда за медицина 1965).
Мутации
Поради външни влияния, но също и спонтанно, части от генетичния материал на ДНК могат да се променят и да дадат на съответните клетки нови свойства. Тези мутации не се контролират. Дали определена мутирала клетка е придобила ново свойство, което позволява по-добро оцеляване, се определя от селекцията. Нови, придобити от мутанти свойства, които представляват предимство, подобряват оцеляването на бактерията и бактерията има селекционно предимство.
Изтриване
Тук се губят две до хиляда нуклеотиди.
Точкова мутация
Промените засягат само един нуклеотид. Или единият се изпуска, или се добавя, или един нуклеотид се заменя с друг нуклеотид. За разлика от изтриването, този процес също може да бъде обратим.
Проста мутация
При този тип единична мутация в генния сайт може да доведе до ново свойство, което отваря предимство на селекция за въпросната клетка.
Множествена мутация
Тук се случват мутации в последователни поколения. Само всички мутации умело позволяват ново свойство.
Процесите на бактериални мутации играят специална роля в медицината, тъй като те произвеждат бактерии, чиито мутирали нови свойства им дават например устойчивост на химиотерапевтици. Мутациите обаче са редки. В допълнение към бактериалните мутации на ядрото, мутации могат да се появят и в плазмидите. В краен случай може дори да има пълна загуба на всички плазмиди. Това свойство, както всяка друга мутация, може да бъде наследено по-долу. Предимството на селекцията за клетка може да бъде, че клетките без плазмид се размножават по-бързо, тъй като енергията, необходима за разпространение на плазмидите, може да бъде спестена.
Мутагени
Мутациите обикновено възникват спонтанно. Съществуват обаче някои външни фактори, които причиняват или могат да насърчат мутацията. Мутагенните фактори могат да реагират директно с наследствен материал или да индуцират мутации непряко, чрез действието на вътреклетъчните продукти на реакцията. Подходящи мутагени са ултравиолетовите лъчи с максимална ДНК чувствителност от 260 nm или йонизирани лъчи, като алфа лъчението действа мутагенно по-силно от бета и гама лъчението. Също така чужди наследствени материали, метаболитни продукти на паразити, вируси и много химикали, o.i. винка алкалоид, т.е. отровна отрова или химиотерапевтици за рак, се вземат под внимание като мутагени.
Парасексуалност
Животинските клетки смесват своя наследствен материал в сексуални процеси след редукционно делене (мейоза) и нова комбинация (кариогамия). За разлика от тях, бактериите се размножават чрез напречно делене, гамети (гамети) не се появяват. Независимо от това, съществуват механизми, които позволяват асексуален обмен на наследствен материал между клетките в рамките на клетки от едно поколение.
Трансформация
Някои бактерии могат да приемат ДНК на друга бактерия в клетка. Там една част от тази ДНК е включена в ДНК веригата на бактерията реципиент (рекомбинация). Така промененият бактериален геном се предава след ДНК редупликация (умножаване на ДНК) в напречно сечение. Въз основа на това всички бактерии след това имат нови свойства, определени от получената ДНК. Този механизъм се използва и в генната технология. Там плазмидите на бактериите се използват като "пратеници".
Трансдукция
Бактериофагите са вируси, специализирани в бактериите. Обикновено бактериите заразяват клетка и вграждат собствената си ДНК в ДНК на своя гостоприемник. Ако ДНК на гостоприемника се умножи, фаговата ДНК също се умножава. Клетката произвежда и фагови компоненти. Ако от отделни части се образуват нови фаги, те разтварят (лизират) клетъчната стена, освобождават и атакуват нови бактерии. По време на тези процеси части от бактериалната ДНК (донор) или бактериални плазмиди могат да бъдат съвместно включени във фага. Способността на клетъчния лизис се губи, но не и способността за бактериална инфекция. След инфекция на нова бактерия (реципиент), ДНК фрагмент от фага се вкарва в бактериалната ДНК след рекомбинация. Това даде на бактериите ново свойство. Ако плазмид навлезе във фаговата клетка, не е необходима рекомбинация. Говори се и за генерализирана трансдукция. При специализирана трансдукция, бактериалната хромозома се включва вместо фаговата хромозома. Тези фаги също губят способността за бактериолиза, но не и своята заразност.
Конюгация
Взаимовръзката на две бактерии, за да образува плазмен мост, през който хромозома (или част от нея) може да премине от донорска клетка към реципиентна клетка (= донор или рецептор) и да се рекомбинира с локалната хромозома.
Следваща тема
Бактериални култури и бактериален растеж