Принцип репликонов и состав генома
В основе генетической организации прокариот лежит фундаментальный принцип — наличие элементов, которые могут удваиваться абсолютно самостоятельно. Любой такой генетический элемент, обладающий способностью к автономной репликации (самовоспроизведению), получил название репликона.
Геном микробной клетки представляет собой совокупность этих репликонов. Генетический аппарат микроорганизма включает в себя два принципиально разных типа элементов:
- Бактериальная хромосома — основной и совершенно необходимый элемент.
- Плазмиды — дополнительные генетические единицы.
Вся наследственная информация микроба записана в ДНК, а именно в строгой последовательности ее нуклеотидов. Эта последовательность служит прямой инструкцией, детерминирующей порядок аминокислот при синтезе белков. Единицей информации выступает ген — дискретный участок ДНК с уникальной последовательностью и числом нуклеотидов, который кодирует один конкретный белок.
Бактериальная хромосома: морфология и топология
Именно бактериальная хромосома выступает основным носителем генетических данных в клетке. Хромосома бактерии молекулярно представляет собой одну двухцепочечную молекулу ДНК.
С точки зрения пространственной формы (топологии), молекула чаще всего замкнута. Классическим примером микроорганизма с кольцевой хромосомой является кишечная палочка (Escherichia coli). Однако существуют и исключения: например, бактерия Borrelia burgdorferi обладает линейной хромосомой.
Количество хромосом также является важным признаком. Обычно бактерия довольствуется единственной хромосомой. Но природа предусмотрела исключения: у микроорганизмов рода Brucella (бруцеллы) и у возбудителя холеры (Vibrio cholerae) обнаруживаются сразу две хромосомы.
Независимо от количества и формы, хромосома всегда несет в себе гаплоидный набор генов. Именно в ней закодированы жизненно важные функции — без них микробная клетка просто не способна существовать. Внутри клетки эта ДНК формирует особую компактную структуру, которая называется нуклеоидом.
Масштабы и генетическая емкость
Масса и длина бактериальной хромосомы — величины, наглядно демонстрирующие эволюционное положение микробов. Молекулярная масса варьирует от $3 \times 10^8$ до $2,5 \times 10^9$ Дальтон.
Если измерять размер генетического материала в парах нуклеотидов (п.н.), то средний показатель составляет порядка $3,2 \times 10^6$ п.н. Для сравнения, у типичного представителя — E. coli — хромосома содержит $5 \times 10^6$ пар нуклеотидов.
Интересно рассмотреть эти цифры в сравнительной характеристике:
- Вирусы: обладают значительно меньшим объемом информации (около $10^3$ п.н.).
- Бактерии: занимают промежуточное положение ($10^6$ п.н.).
- Эукариоты: имеют огромные геномы. Например, дрожжи содержат $10^7$ п.н., а человек — внушительные $3 \times 10^9$ п.н.
Коротко: ответы на вопросы по теме
Что такое нуклеоид и за счет чего обеспечивается его пространственная компактизация?
Нуклеоид представляет собой компактную структуру, которую формирует бактериальная хромосома в клетке, являясь эквивалентом ядра бактериальной клетки.
Какие функции выполняют бактериальные плазмиды?
Бактериальные плазмиды кодируют дополнительные свойства, дающие селективное преимущество бактерии. Они обеспечивают устойчивость к антибиотикам, контролируют способность к конъюгации, отвечают за продукцию бактериоцинов, подавляющих рост конкурентной флоры, а также детерминируют синтез факторов патогенности, таких как энтеротоксины и гемолизины.
Какие классы плазмид выделяют у микроорганизмов?
У микроорганизмов выделяют следующие классы плазмид в зависимости от их функций и свойств: R-плазмиды, обеспечивающие устойчивость к антибиотикам; F-плазмиды, контролирующие способность к конъюгации; Col-плазмиды, отвечающие за продукцию бактериоцинов; плазмиды патогенности, кодирующие факторы вирулентности. По способности к передаче плазмиды подразделяются на трансмиссивные и нетрансмиссивные.
Чем отличается нуклеоид прокариот от ядра эукариот?
Нуклеоид прокариот и ядерный аппарат эукариот имеют фундаментальные отличия по структуре и организации генетического материала.
| Признак | Прокариоты | Эукариоты |
|---|---|---|
| Ядерная оболочка | Отсутствует | Имеется |
| Ядрышко | Отсутствует | Имеется |
| Белки-гистоны | Отсутствуют | Имеются (формируют хроматин) |
| Хромосомы | 1 кольцевая ДНК | 2 и более линейных |
| Локализация | Свободно в цитоплазме | Внутри ядра |
В нуклеоиде также отсутствует компатментализация, а объем генетической информации в тысячи раз меньше.
По какому механизму происходит репликация бактериальной хромосомы?
Репликация бактериальной хромосомы происходит по полуконсервативному механизму с участием ферментативного комплекса. Процесс двунаправленный и начинается со специфического сайта инициации. Хеликаза расплетает двойную спираль, а топоизомераза предотвращает избыточную суперспирализацию. ДНК-полимераза осуществляет синтез новых цепей, при этом для отстающей цепи синтезируются фрагменты Оказаки.
ХВБ: Холерный Вибрион и Бруцелла — исключения с ДВУМЯ хромосомами (вместо стандартной одной).
Вопросы с занятий и экзамена
Что такое ген в микробиологии?
Это дискретный участок ДНК с уникальной нуклеотидной последовательностью, который кодирует определенный белок.
У всех ли бактерий кольцевая молекула ДНК?
Нет, большинство имеет кольцевую хромосому (как E. coli), но существуют исключения, например, Borrelia burgdorferi, у которой хромосома линейная.
Являются ли бактерии диплоидными организмами?
Нет, бактерии имеют гаплоидный набор генов, расположенный в основном носителе информации — бактериальной хромосоме.
Что ещё разобрать по теме
- Механизмы автономной репликации плазмид
- Процесс компактизации ДНК в нуклеоид
- Отличия транскрипции и трансляции у микробов
- Мутации в гаплоидном геноме и их последствия
Разберите тему целиком в курсе «Микробиология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Генетика микробов» и ещё 4 383 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 141 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Генетика микробов»
Бесплатные видеоуроки: микробиологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.