Основные этапы развития микробиологии и иммунологии. Работы Пастера, Коха и их значение для развития микробиологии и иммунологии
|
|
Скачать 2.07 Mb.
|
|
Дыхание микроорганизмов. Значение окислительно-восстановительного потенциала (rH2) среды и методы его измерения. Способы культивирования анаэробов. ^ Путем дыхания микроорганизмы добывают энергию. Дыхание- биологический процесс переноса электронов через дыхательную цепь от доноров к акцепторам с образованием АТФ. В зависимости от того, что является конечным акцептором электронов, выделяют аэробное и анаэробное дыхание. При аэробном дыхании конечным акцептором электронов является молекулярный кислород (О2), при анаэробном- связанный кислород ( -NO3 , =SO4, =SO3). ^ --Аэробы:680 ккал, образуется Н2О2, О2; облигатные (строгие - на воздухе – 21% О2, напр. туберкулез, холерн. вибрион, или микроэрофильные – 2% О2) и факультативные (ОВП 10-40) --Анаэробы: меньшее кол-во энергии, по типу брожения, О2 не исп, уксусно-кислое или спиртовое брожение; факультативные, облигатные (строгие – ОВП 10 RH2, аэротолерантные – толерантны к О2) В процессе аэробного дыхания образуются токсические продукты окисления (H2O2- перекись водорода, -О2 - свободные кислородные радикалы), от которых защищают специфические ферменты, прежде всего каталаза, пероксидаза, пероксиддисмутаза. У анаэробов эти ферменты отсутствуют, также как и система регуляции окислительно- восстановительного потенциала (rH2). Основные методы создания анаэробных условий для культивирования микроорганизмов. 1.Физический- откачивание воздуха, введение специальной газовой безкислородной смеси (чаще- N2- 85%, CO2- 10%, H2- 5%). 2.Химический- применяют химические поглотители кислорода. например сернистая кислота 3.Биологический- совместное культивирование строгих аэробов и анаэробов (аэробы поглощают кислород и создают условия для размножения анаэробов). 4.Смешанный- используют несколько разных подходов. Существует ряд приемов, обеспечивающих более подходящие условия для анаэробов- предварительное кипячение питательных сред, посев в глубокий столбик агара, заливка сред вазелиновым маслом для сокращения доступа кислорода, использование герметически закрывающихся флаконов и пробирок, шприцев и лабораторной посуды с инертным газом, использование плотно закрывающихся эксикаторов с горящей свечой. Используются специальные приборы для создания анаэробных условий- анаэростаты. О Измерение RH2: электрометрический способ – потенциометры; колориметрический- редокс-индикаторы меняют увет при его изменении. ОВП - потенциал, обусл или составляющий сумму всех о-в процессов, р-ий, имеющих место в ткани, среде и т.д Он снижается если есть кровь, т. е. улучшаютя условия для анаэробов, онилюбят, когда отрицательные, т е плохо когда в гное кровь
Рост и размножение микроорганизмов. Бактериальные клетки размножаются в результате деления. Основные стадии размножения микробов в жидкой среде в стационарных условиях: - лаг- фаза (начальная стадия адаптации с медленным темпом прирости биомассы бактерий); - экспоненциальная (геометрического роста) фаза с резким ростом численности популяции микроорганизмов (2 в степеии n); - стационарная фаза (фаза равновесия размножения и гибели микробных клеток); - стадия гибели - уменьшение численности популяции в связи с уменьшением и отсутствием условий для размножения микроорганизмов (дефицит питательных веществ, изменение рH, rH2, концентрации ионов и других условий культивирования). Данная динамика характерна для периодических культур с постепенным истощением запаса питательных веществ и накоплением метаболитов. Если в питательной среде создают условия для поддержания микробной популяции в экспоненциальной фазе- это хемостатные (непрерывные) культуры. Характер роста бактерий на плотных и жидких питательных средах: сплошной рост, образование колоний, осадок, пленка, помутнение. ^ 1.Использование всех необходимых для соответствующих микробов питательных компонентов. 2.Оптимальные температура, рН, rH2, концентрация ионов, степень насыщения кислородом, газовый состав и давление. Микроорганизмы культивируют на питательных средах при оптимальной температуре в термостатах, обеспечивающих условия инкубации. ^ оптимуму роста выделяют три основные группы микроорганизмов. 1.Психрофилы- растут при температурах ниже +20 градусов Цельсия. 2.Мезофилы- растут в диапозоне температур от 20 до 45 градусов (часто оптимум- при 37 градусах С). 3.Термофилы- растут при температурах выше плюс 45 градусов. ^ По консистенции выделяют жидкие, плотные (1,5- 3% агара) и полужидкие (0,3- 0,7 % агара) среды. Агар- полисахарид сложного состава из морских водорослей, основной отвердитель для плотных (твердых) сред. В качестве универсального источника углерода и азота применяют пептоны- продукты ферментации белков пепсином, различные гидролизаты- мясной, рыбный, казеиновый, дрожжевой и др. ^ среды разделяют на ряд групп: - универсальные (простые), пригодные для различных нетребовательных микроорганизмов (мясо- пептонный бульон- МПБ, мясо- пептонный агар- МПА); - специальные- среды для микроорганизмов, не растущих на универсальных средах (среда Мак- Коя на туляремию, среда Левенштейна- Иенсена для возбудителя туберкулеза); - дифференциально- диагностические- для дифференциации микроорганизмов по ферментативной активности и культуральным свойствам ( среды Эндо, Плоскирева, Левина, Гисса); - селективные (элективные)- для выделения определенных видов микроорганизмов и подавления роста сопутствующих- пептонная вода, селенитовая среда, среда Мюллера. ^ среды делят на естественные, полусинтетические и синтетические. При глубинном культивировании микроорганизмы развиваются во всем объеме жидкой питательной среды. Так как подавляющее большинство продуцентов ферментов — строгие аэробы, среду интенсивно аэрируют. В микроорганизмах протекают два связанных процесса — синтез биомассы и синтез ферментов. Питательные среды. Для глубинного культивирования используют жидкие среды, содержащие твердые компоненты. ^ характеризуется несменяемостью питательной среды в ферментере, состав которой в процессе развития постепенно изменяется. Процесс протекает по-стадийно: в ферментер набирают питательную среду и задают посевной материал; после размножения микроорганизмов и накопления продуктов их обмена зрелую культуру выгружают, а все оборудование, коммуникации и запорные устройства промывают, а затем стерилизуют паром. проточный способ культивирования микроорганизмов более совершенен. Суть его заключается в том, что микробная популяция развивается в проточной питательной среде.
Методы воздействия на микроорганизмы по виду использованного фактора можно разделить на физические и химические, по характеру воздействия- на неизбирательные (обеззараживание- дезинфекция, стерилизация) и избирательные (химиотерапевтические). Физические методы. 1.Термическая обработка- прокаливание, кипячение, пастеризация, автоклавирование. 2.Облучение- ультрафиолетовое, гамма- и рентгеновское, микроволновое. 3.Фильтрование (оптимально- бактериологические фильтры с диаметром пор около 200 нм). Химические методы. 1.Неспецифического действия- дезинфектанты (обработка помещений и др., антисектики- обработка живых тканей). Среди них- препараты йода и хлора, спирты, альдегиды, кислоты и щелочи, соли тяжелых металлов, катионные детергенты, фенолы, окислители, природные препараты- деготь, ихтиол, хлорофиллипт. 2.Избирательно подавляющие жизнедеятельность микроорганизмов- антибиотики и химиотерапевтические препараты. Эре антибиотикотерапии предшествовал период разработки антимикробных химиопрепаратов. Некоторые вехи: в 1891г. Д.А.Романовский сформулировал основные принципы химиотерапии инфекционных болезней, предложил хинин для лечения малярии, П.Эрлих в 1906г. предложил принцип химической вариации. Синтезированы производные мышьяка сальварсан и неосальварсан, предложен химиотерапевтический индекс. Круг химиопрепаратов постепенно расширялся. В 1932г. открыты подходы к созданию сульфаниламидных препаратов. Однако поистинне революционное значение имело открытие антибиотиков. Одним из универсальных механизмов антогонизма микроорганизмов является синтез антибиотиков, которые тормозят рост и размножение микроорганизмов (бактериостатическое действие) или убивают их (бактерицидное действие). Антибиотики- вещества, которые могут быть получены из микроорганизмов, растений, животных тканей и синтетическим путем, обладающие выраженной биологической активностью в отношении микроорганизмов. Таких веществ известно несколько тысяч, однако реально используют значительно меньше. Существует ряд требований к антибиотикам, существенно ограничивающих их терапевтическое применение: - эффективность в низких концентрациях; - стабильность в организме и в различных условиях хранения; - низкая токсичность или ее отсутствие; - выраженный бактериостатический и (или) бактерицидный эффект; - отсутствие выраженных побочных эффектов; - отсутствие иммунодепрессивного воздействия. Первыми открытыми антибиотиками были пенициллин (Флеминг) и стрептомицин (Ваксман). ^ . По происхождению антибиотики могут быть: - бактериального (полимиксин, грамицидин); - актиномицетного (стрептомицин, левомицетин, эритромицин); - грибкового (пенициллин); - растительного (рафанин, фитонциды); - животного происхождения (интерфероны, лизоцим). Больше всего известно антибиотиков актиномицетного происхождения. Актиномицеты- преимущественно почвенные микроорганизмы. В условиях большого количества и разнообразия почвенных микроорганизмов их антогонизм, в том числе с помощью выработки антибиотиков- один из механизмов их выживания. ^ : - действующие преимущественно на грамположительную микрофлору- пенициллин, эритромицин; - действующие преимущественно на грамотрицательную микрофлору- полимиксин; - широкого спектра действия ( на грам-плюс и грам-минус флору)- стрептомицин, неомицин; - противогрибковые- нистатин, амфотеррицин, леварин, низорал; - противотуберкулезные- стрептомицин, канамицин; - противоопухолевые- рифампицин; - противовирусные- интерферон, зовиракс, ацикловир. ^ - ингибиторы синтеза пептикогликана клеточной стенки ( пенициллин, цефалоспорин, ванкомицин, ристомицин). Действуют на имеющих клеточную стенку растущие бактерии, не действуют на L- формы, покоящиеся формы бактерий; - ингибиторы синтеза белка (стрептомицин, левомицетин, тетрациклин); - ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот, пуринов и аминокислот (налидиксовая кислота, рифампицин); - ингибиторы синтеза мембраны и цитоплазматической мембраны грибов (нистатин, полимиксин). №^ Бурное развитие антибиотикотерапия получила после открытия пенициллина Флемингом в 1929 году, и разработки метода его извлечения из культуральной жидкости гриба Penicillum notatum. Английский бактериолог Александр Флеминг (1881 - 1955) в свой рядовой рабочий день обратил внимание на необычную картину: на поверхности чашки Петри с питательной для микробов средой, там где размножились случайно попавшие из воздуха сырой лаборатории ученого плесневые грибы пенициллиум нотатум, колонии специально выращенных гноеродных кокков исчезли. Вскоре ученый установил, что эти грибы способны уничтожать не только стафилококки, но и стрептококки, а также палочки дифтерии и сибирской язвы. В историю медицины З.В. Ермольева вошла как создатель первого отечественного пенициллина. Начатые в руководимой ею лаборатории в начале сороковых годов исследования по проблеме антибиотиков вскоре были успешно завершены. В 1943 г. Фармакологический комитет разрешил медицинское применение пенициллина, а в октябре 1944 г. первые партии пенициллина уже поступили в госпитали. Пенициллин применяют при стафилококковых, стрептококковых, менингококковых поражениях, анаэробной инфекции, гонорее, сифилисе, сибирской язве и других заболеваниях. Пенициллин избирательно тормозит синтез полимеров клеточной стенки бактерий, угнетает активность фермента, катализирующего образование связи между пентапептидами муреинов, что ведет к нарушению синтеза клеточной стенки и гибели бактерий вследствие осмотического шока.
Антибиотики тормозят рост и размножение микроорганизмов (бактериостатическое действие) или убивают их (бактерицидное действие). Антибиотики- вещества, которые могут быть получены из микроорганизмов, растений, животных тканей и синтетическим путем, обладающие выраженной биологической активностью в отношении микроорганизмов. Таких веществ известно несколько тысяч, однако реально используют значительно меньше. Существует ряд требований к антибиотикам, существенно ограничивающих их терапевтическое применение: - эффективность в низких концентрациях; - стабильность в организме и в различных условиях хранения; - низкая токсичность или ее отсутствие; - выраженный бактериостатический и (или) бактерицидный эффект; - отсутствие выраженных побочных эффектов; - отсутствие иммунодепрессивного воздействия. Первыми открытыми антибиотиками были пенициллин (Флеминг) и стрептомицин (Ваксман). ^ . По происхождению антибиотики могут быть: - бактериального (полимиксин, грамицидин); - актиномицетного (стрептомицин, левомицетин, эритромицин); - грибкового (пенициллин); - растительного (рафанин, фитонциды); - животного происхождения (интерфероны, лизоцим). Больше всего известно антибиотиков актиномицетного происхождения. Актиномицеты- преимущественно почвенные микроорганизмы. В условиях большого количества и разнообразия почвенных микроорганизмов их антогонизм, в том числе с помощью выработки антибиотиков- один из механизмов их выживания. ^ : - действующие преимущественно на грамположительную микрофлору- пенициллин, эритромицин; - действующие преимущественно на грамотрицательную микрофлору- полимиксин; - широкого спектра действия ( на грам-плюс и грам-минус флору)- стрептомицин, неомицин; - противогрибковые- нистатин, амфотеррицин, леварин, низорал; - противотуберкулезные- стрептомицин, канамицин; - противоопухолевые- рифампицин; - противовирусные- интерферон, зовиракс, ацикловир. ^ - ингибиторы синтеза пептикогликана клеточной стенки ( пенициллин, цефалоспорин, ванкомицин, ристомицин). Действуют на имеющих клеточную стенку растущие бактерии, не действуют на L- формы, покоящиеся формы бактерий; - ингибиторы синтеза белка (стрептомицин, левомицетин, тетрациклин); - ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот, пуринов и аминокислот (налидиксовая кислота, рифампицин); - ингибиторы синтеза мембраны и цитоплазматической мембраны грибов (нистатин, полимиксин). ^ Для макроорганизма: - токсическое действие; - дисбактериозы; - аллергические реакции; - иммунодепрессивное действие; - эндотоксический шок. ^ - формирование атипичных форм микробов; - формирование антибиотикорезистентных и антибиотикозависимых форм микроорганизмов. Основными методами определения антибиотикочувствительности бактерий in vitro является метод серийных разведений, диффузии в агар (бумажных дисков), определение способности к продукции бета- лактамазы, in vivo- на модели безмикробных животных, определение концентрации антибиотиков в крови и моче. ^ с применением стандартных дисков, пропитанных различными антибиотиками в определенных концентрациях (зависят от терапевтической дозы и соотвествуют рекомендациям ВОЗ). Основан на использовании стандартных питательных сред, дисков и методов. Оценка результатов связана с существованием зависимости между размером зоны подавления роста исследуемых культур вокруг дисков и значениями минимальных подавляющих концентраций (МПК)соответствующих антибиотиков (чувствительностью микроорганизмов). Имеются специальные таблицы для оценки результатов, в соответствии с которыми культуры определяют как чувствительные, умеренно устойчивые и устойчивые (резистентные) к тестируемому антибиотику. ^ антибиотиков позволяет более точно определить МПК, однако из-за громоздкости применяется реже. Бета- лактамазный тест (определение способности к образованию бета- лактамаз) чаще определяют методом дисков с нитроцефином - цефалоспорином, изменяющим окраску дисков при гидролизе. Положительный тест свидетельствует о резистентности бактерий ко всем бета- лактамаза- чувствительным пенициллинам. Существует ряд причин, обусловливающих различную чувствительность микроорганизмов к антибиотикам in vitro и in vivo. На антимикробную активность in vitro влияют многие факторы, в том числе : - рН среды; - компоненты среды; - концентрация микроорганизмов; - условия и время культивирования. На антимикробную активность препаратов in vivo также влияют различные факторы, из которых необходимо отметить: - фармакодинамику препарата в организме (скорость всасывания, выведения, расщепления и т.д.); - локализацию микробов в организме (особенно внутриклеточную локализацию).
Принципы рациональной антибиотикотерапии Микробиологический принцип. Антибиотики следует применять только по показаниям, когда заболевание вызвано микроорганизмами, в отношении которых существуют эффективные препараты. Для их подбора необходимо до назначения лечения взять у больного материал для исследования, выде- ' лить чистую культуру возбудителя и определить его чувствительность к антибиотикам. Чувствительность к антибиотикам, или антибиотикограмму, определяют с помощью методов разведения и диффузии (к ним относится метод бумажных дисков). Методы разведения являются более чувствительными: с их помощью выясняют, какой антибиотик эффективен по отношению к данному микроорганизму, и определяют его необходимое количество . минимальную подавляющую концентрацию (МПК). Фармакологический принцип. При назначении антибиотика необходимо определить правильную дозировку препарата, необходимые интервалы между введением лекарственного средства, продолжительность антибиотикотерапии, методы введения. Следует знать фармакокинетику препарата, возможности сочетания различных лекарственных средств. Как правило, лечение инфекционных болезней производится с помощью одного антибиотика (моноантибиотикотерапия). При заболеваниях с длительным течением (подострый септический эндокардит, туберкулез и др.) для предупреждения формирования антибиотикорезистентности применяют комбинированную анти- биотикотерапию. Клинический принцип. При назначении антибиотиков учитывают общее состояние больных, возраст, пол, состояние иммунной системы, сопутствующие заболевания, наличие беременности. Эпидемиологический принцип. При подборе антибиотика необходимо знать, к каким антибиотикам устойчивы микроорганизмы в среде, окружающей больного (отделение, больница, географический регион). Распространенность устойчивости к данному антибиотику не остается постоянной, а изменяется в зависимости от того, насколько широко используется антибиотик. Фармацевтический принцип. Необходимо учитывать срок годности и условия хранения препарата, так как при его длительном и неправильной хранении образуются токсичные продукты деградации.
Изменчивость у бактерий может быть ненаследуемой (модификационной) и генотипической (мутации, рекомбинации). Ненаследственная (средовая, модификационная) изменчивость обусловлена влиянием внутри- и внеклеточных факторов на проявление генотипа. При устранении фактора, вызвавшего модификацию, данные изменения исчезают. Временные, наследственно не закрепленные изменения, возникающие как адаптивные реакции бактерий на изменения окружающей среды, называются модификациями (чаще - морфологические и биохимические модификации). После устранения причины бактерии реверсируют к исходному фенотипу. Стандартное проявление модификации- распределение однородной популяции на две или более двух типов- диссоциация. Пример- характер роста на питательных средах: S- (гладкие) колонии, R- (шероховатые) колонии, M- (мукоидные, слизистые) колонии, D- (карликовые) колонии. Диссоциация протекает обычно в направлении S R. Диссоциация сопровождается изменениями биохимических, морфологических, антигенных и вирулентных свойств возбудителей. Одной из форм мутаций является диссоциация (от лат. dissociatio . расщепление) . возникновение в популяции микроорганизмов особей, отличающихся от исходных микроорганизмов внешним видом и структурой колоний, так называемых S-и R-форм (от англ, smooth . гладкий, rough . шероховатый). S-формы колоний . круглые, влажные, с блестящей гладкой поверхностью, ровными краями; R-формы образуют колонии неправильной формы, непрозрачные, сухие с зазубренными краями и неровной шероховатой поверхностью. Различному внешнему виду колоний соответствует ряд свойств. Чаще S-формы более вирулентны, клетки имеют нормальную морфологию, биохимически "более активны, обычно выделяются в остром периоде заболевания; у капсульных видов хорошо развиты капсулы, у подвижных видов имеются жгутики. Гладкие (S) и шероховатые (R) колонии являются крайними формами диссоциации, между которыми могут встречаться переходные формы. Диссоциация рассматривается как явление генетической природы, связанное с хромосомными мутациями генов, контролирующих синтез липополисахаридов клеточной стенки бактерий. Диссоциация известна у многих видов. Обычно она выявляется в стареющих культурах. Диссоциация возникает и в природных условиях (у патогенных микроорганизмов в живом организме). Большинство микроорганизмов имеет полноценные свойства, находясь в S-форме, однако существуют исключения: для ми-кобактерий туберкулеза, бацилл сибирской язвы и возбудителя чумы нормальной является R-форма колоний.
Мутации (от лат. mutatio . изменение) - наследуемые изменения в генотипе, не связанные с явлениями рекомбинаций. Мутации определяются изменениями последовательности нуклеотидов. Мутации- скачкообразные изменения наследственного признака. Могут быть спонтанные и индуцированные, генные (изменения одного гена) и хромосомные (изменения двух или более двух участков хромосомы). Изменения последовательности нуклеотидов в ДНК могут быть следствием разных процессов: ошибка при репликации, выпадение участков (делеция), перемещение отдельного участка относительно другого (транслокация) и др. Мутации у бактерий обнаруживаются по изменению любого известного признака микроорганизма (например, способность синтезировать аминокислоту, чувствительность к антимикробным препаратам и др.). Существуют различные типы мутаций. По происхождению мутации могут быть спонтанными или индуцированными. Первые возникают без вмешательства экспериментатора, вторые . в результате воздействия мутагенов на бактериальную популяцию, т. е. физических, химических или биологических факторов, способных вызывать мутацию. К мутагенам относятся различные виды радиации, температура, ряд химических соединений (нитраты, нитриты, бромурацил, 2-аминопурин, нитрозогуанидин и др.). Индуцированные мутации робусловлены физическими, химическими и биологическими факторами окружающей среды. К физическим мутагенам относят УФ-лучи, ионизирующие излучения, магнитные поля, температуру. Эффект УФ-лучей зависит от длины волны, различных видов излучений – от дозы. Среди химических мутагенов – органические пероксиды, алкилирующие соединения, азотная кислота, антибиотики и др. Биологические мутагены – фаги, антибиотики. Под влиянием мутагенов частота мутаций возрастает в тысячи раз. Мутации подразделяют на прямые и обратные, если речь идет о направлении мутационного изменения. Мутации, возникающие в геноме ²дикого типа⌡ у бактерий в естественных условиях обитания, называются прямыми. Образовавшиеся особи являются мутантами. Мутации, завершающиеся возвратом от мутантного типа к дикому, называются обратными, или реверсией. Особи, возникшие в результате обратных мутаций, называются ревертантами. В настоящее время отдельные реверсии и лежащие в их основе механизмы изучены лишь у бактерий и вирусов. Предполагается достаточно универсальный характер этих процессов. Реверсии возникают под действием тех же факторов окружающей среды, которые вызывают появление прямых мутаций. Реверсия может быть ²истинной⌡ в результате восстановления первоначального состояния мутантного гена; если она происходит за счет дополнительной мутации, то называется супрессорной мутацией. Большинство происходящих в ДНК изменений приводит к вредным мутациям либо вызывает гибель микроорганизмов. Поэтому все клетки имеют особые механизмы реконструкции, исправления повреждений, называемые репарационными.
Наследственная (генотипическая) изменчивость, связанная с мутациями, . мутационная изменчивость. Основу мутации составляют изменения последовательности нуклеотидов в ДНК, полная или частичная их утрата, т. е. происходит структурная перестройка генов, проявляющаяся фенотипически в виде измененного признака. Наследственная изменчивость, связанная с рекомбинациями, называется рекомбинационной изменчивостью. 5.1. Рекомбинации у бактерий Рекомбинация (ре + лат. combinatio . соединение) . возникновение новых последовательностей ДНК в результате разрывов и последующих восстановлений ее молекул. В итоге таких изменений ДНК бактерий появляются так называемые рекомбинан-тные штаммы, или рекомбинанты. Процесс рекомбинации у бактерий имеет некоторые отличия, связанные с особенностями их генетического аппарата, форм генетического обмена. Именно на микробных объектах были открыты формы переноса генетического материала - - трансформация, трансдукция, конъюгация, неизвестные классической генетике, с помощью которых изучаются молекулярные механизмы генетических рекомбинаций.* В процессе генетического переноса участвуют бактерия-реципиент и бактерия-донор. Степень участия их неравномерна: в ре-ципиентную клетку попадает лишь фрагмент экзогенной ДНК бактерии-донора, который взаимодействует с цельной хромосомой реципиента, в результате чего происходит частичное перераспределение (рекомбинация) генетического материала с образованием рекомбинанта. Все этапы рекомбинации у бактерий обеспечиваются соответствующими ферментами: рестриктазами, лигазами и др. У бактерий различают три типа рекомбинаций: общую, ²незаконную⌡ и сайт-специфическую. Общая, или гомологичная, классическая, рекомбинация происходит, если в структуре взаимодействующей ДНК имеются гомологичные участки (от греч. homologia . соответствие). Так называемая ²незаконная⌡ рекомбинация для своего осуществления не требует значительной гомологии ДНК взаимодействующих структур. для интеграции с негомологичными участками репликонов. Транспозоны - - более сложные генетические структуры ДНК, І которые содержат в своем составе IS-элементы и дополнительные гены (например, гены лекарственной устойчивости и др). Подвижные генетические элементы вызывают повреждение или инактивацию генов, слияние репликонов, распространение re- j нов среди бактерий. Общая рекомбинация наиболее эффективна при внутривидо- ] вом генетическом обмене, ²незаконная⌡ рекомбинация играет важную роль не только в пределах отдельных видов, но и между бактериями различных видов и родов. Третьей разновидностью рекомбинации является так называемая сайт-специфическая рекомбинация (от англ, seit . местоположение, участок), для осуществления которой необходи- | мы строго определенные последовательности ДНК и специаль- '< ные ферменты. Сайт-специфическая рекомбинация происходит в I менее протяженных участках генома (в пределах 10.20 пар нук-леотидов), например при включении профага в строго ограниченные участки (сайты) хромосомы. Наиболее изучены три типа передачи ДНК, отличающиеся I друг от друга способом ее транспортировки: трансформация, 1 трансдукция, конъюгация (рис. 5.1). 5.1.1. Трансформация Трансформация (от лат. transformatio . превращение) заключается в том, что ДНК, выделенная из бактерий в свободной растворимой форме, передается бактерии-реципиенту. При трансформации рекомбинация происходит, если ДНК бактерий род- I ственны друг другу. В этом случае возможен обмен гомологичных участков собственной и проникшей извне ДНК. Впервые І явление трансформации описал Ф. Гриффите (1928). Он вводил ] мышам живой невирулентный бескапсульный R-штамм пневмо- і кокка и одновременно убитый вирулентный капсульный S-штамм І пневмококка. Из крови погибших мышей был выделен вирулентный пневмококк, имеющий капсулу убитого S-штамма пневмококка. Таким образом, убитый S-штамм пневмококка передал наследственную способность капсулообразования R-штамму пневмококка. О. Звери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти (1944) доказали, что трансформирующим агентом в этом случае является ДНК. Путем трансформации могут быть перенесены различные признаки: капсулообразование, устойчивость к антибиотикам, синтез ферментов. Изучение бактериальной трансформации позволило установить роль ДНК как материального субстрата наследственности. При изучении генетической трансформации у бактерий были разработаны методы экстракции и очистки ДНК, биохимические и биофизические методы ее анализа. 5.1.2. Трансдукция Трансдукция (от лат. transductio . перенос, перемещение) . передача ДНК от бактерии- донора к бактерии-реципиенту при участии бактериофага. Различают неспецифическую (общую) трансдукцию, при которой возможен перенос любого фрагмента ДНК донора, и специфическую . перенос определенного фрагмента ДНК донора только в определенные участки ДНК реципиента. Неспецифическая трансдукция обусловлена включением ДНК донора в головку фага дополнительно к геному фага или вместо генома фага (дефектные фаги). Специфическая трансдукция обусловлена замещением некоторых генов фага генами хромосомы клетки-донора. Фаговая ДНК, несущая фрагменты хромосомы клетки-донора, включается в строго определенные участки хромосомы клетки-реципиента. Таким образом, привносятся новые гены и ДНК фага в виде профага репродуцируется вместе с хромосомой, т.е. этот процесс сопровождается лизоге-нией. Если фрагмент ДНК, переносимый фагом, не вступает в рекомбинацию с хромосомой реципиента и не реплицируется, но с него считывается информация о синтезе соответствующего продукта, такая трансдукция называется абортивной, 5.1.3. Конъюгация Конъюгация (от лат. conjugatio . соединение) описана Дж. Ле-дербергом и Э. Татумом (1946), работавшими с мутантами кишечной палочки. Конъюгация бактерий состоит в переходе генетического материала (ДНК) из клетки-донора (²мужской⌡) в клетку-реципиент (²женскую⌡) при контакте 'клеток между собой. Мужская клетка содержит F-фактор, или половой фактор (от англ, fertility . плодовитость), который контролирует синтез так называемых половых пилей, или F-пилей. Клетки, не содержащие F-фактора, являются женскими; при получении F-фактора .ни превращаются в ²мужские⌡ и сами становятся донорами. F-фактор располагается в цитоплазме в виде кольцевой двунитча-той молекулы ДНК, т. е. является плазмидой. Молекула F-фак- тора значительно меньше хромосомы и содержит гены, контролирующие процесс конъюгации, в том числе синтез F-пилей. При конъюгации F-пили соединяют ²мужскую⌡ и ²женскую⌡ клетки, обеспечивая переход ДНК через конъюгационный мое- тик или F-пили. Клетки, содержащие F-фактор в цитоплазме, обозначаются F+; они передают F-фактор клеткам, обозначаемым F" (²женским⌡), не утрачивая донорской способности, так і как оставляют копии F-фактора. Если F-фактор включается в хромосому, то бактерии приобретают способность передавать фрагменты хромосомной ДНК и называются Hfr-клетками (от англ, high frequency of recombination . высокая частота рекомбинаций), т.е. бактериями с высокой частотой рекомбинаций. При конъюгации клеток Hfr и клеток F~ хромосома разрывается и передается с определенного участка (начальной точки) в клет- j ку F", продолжая реплицироваться. Перенос всей хромосомы і может длиться до 100 мин. Переносимая ДНК взаимодействует с ДНК реципиента -происходит гомологичная рекомбинация. Прерывая процесс конъюгации бактерий, можно определять последовательность распо- і ложения генов в хромосоме. Иногда F-фактор может при выходе из хромосомы захватывать небольшую ее часть, образуя так 1 называемый замещенный фактор -- F'. При конъюгации происходит только частичный перенос генетического материала, поэтому ее не следует отождествлять полностью с половым процессом у других организмов. Важными факторами генетической изменчивости являются 1 плазмиды. 5.2. Плазмиды Плазмиды . внехромосомные мобильные генетические структуры бактерий, представляющие собой замкнутые кольца двунитчатой ДНК. По размерам составляют 0,1.5 % ДНК хромосомы. Плазмиды способны автономно копироваться (реплицироваться) и существовать в цитоплазме клетки, поэтому в клетке может быть несколько копий плазмид. Плазмиды могут включаться (интегрировать) в хромосому и реплицироваться вместе с ней. Различают трансмиссивные и нетрансмиссивные плазмиды. Трансмиссивные (конъюгативные) плазмиды могут передаваться из одной бактерии в другую. Термин ²плазмиды⌡ впервые введен американским ученым Дж. Ледербергом (1952) для обозначения полового фактора бактерий. Плазмиды несут гены, не обязательные для клетки- хозяина, придают бактериям дополнительные свойства, которые в определенных условиях окружающей среды обеспечивают их временные преимущества по сравнению с бесплазмидными бактериями. У бактерий различных видов обнаружены R-плазмиды, несущие гены, ответственные за множественную устойчивость к ле- карственным препаратам . антибиотикам, сульфаниламидам и др., F-плазмиды, или половой фактор бактерий, определяющий их способность к конъюгации и образованию половых пилей, Ent-плазмиды, детерминирующие продукцию энтеротоксина. Плазмиды могут определять вирулентность бактерий, напри-мер возбудителей чумы, столбняка, способность почвенных бактерий использовать необычные источники углерода, контролировать синтез белковых антибиотикоподобных веществ . бакте-риоцинов, детерминируемых плазмидами бактериоциногении, и т.д. Существование множества других плазмид у микроорганизмов позволяет полагать, что аналогичные структуры широко распространены у самых разнообразных микроорганизмов. Плазмиды подвержены рекомбинациям, мутациям, могут быть элиминированы (удалены) из бактерий, что, однако, не влияет на их основные свойства. Плазмиды являются удобной моделью для экспериментов по искусственной реконструкции генетического материала, широко используются в генетической инженерии для получения рекомбинантных штаммов (см. главу 6). Благодаря быстрому самокопированию и возможности конъюгаци-онной передачи плазмид внутри вида, между видами или даже родами плазмиды играют важную роль в эволюции бактерий. |
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Похожие:
База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2016
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
allo, dekanat, ansya, kenam
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям