Генетика микроорганизмов

Министерство  сельского хозяйства Российской Федерации

 

 

Алтайский государственный аграрный университет

Факультет ветеринарной медицины

 

 

 

 

Реферат

 

 

 

 

По  Микробиологии

 

 

 

 

 

На тему: Генетика микроорганизмов

 

 

 

 

 

 

Проверил: Черных М.Н.

 

Подготовила: Усольцева. К

516 (1)группы

 

 

 

 

 

Барнаул 2012 г.

 

 

Оглавление

 

1. Введение
2. Генетика и история ее развития
3. Строение  бактерий и вирусов
4. Способы передачи наследственной информации
5. Генотипическая изменчивость
6. Заключение

Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Геологией доказано, что возраст  Земли составляет 4,5-4,6 млрд лет. По мнению ученых, около 3,8 млрд лет тому назад жизнь стала основным фактором круговорота углерода на планете. Первыми появились организмы, которые современная наука называет прокариотами. Это одноклеточные существа, по сравнению с многоклеточными организмами, отличающиеся простотой строения и функций. К ним относят бактерий и сине-зеленые водоросли. С эволюцией названных микро-существ, связывают появление механизма фотосинтеза и организмов эукариотического типа.

Представителей  живой природы условно можно  разделить на существа, относящиеся  к макро- и микромиру. К макромиру относятся животные всех видов: птицы, насекомые, гельминты и т. д., к микромиру – бактерии, вирусы, рикетсии, микоплазмы, грибы, простейшие, прионы, нуклеиновые кислоты (инфекционные ДНК и РНК). Бактерии, грибы, простейшие являются одноклеточными представителями микромира и к ним применим термин «микроорганизмы», так как они представляют собой самостоятельные, способные к автономному существованию организмы.

Вирусы, прионы, нуклеиновые кислоты (инфекционные ДНК и РНК), не являются организмами в полном смысле этого слова в связи с тем, что не имеют органелл, не обладают собственным метаболизмом, используют для своей жизнедеятельности ресурсы клеток животных, человека, растений.

Объединяющим термином для всех форм микромира является термин «микробы».

На нашей  планете обитает огромное количество микробов, исчисляемое астрономическими цифрами. В процессе своей жизнедеятельности  микробы оказывают существенное влияние на неживую и живую  природу. Известно, что бактерии обеспечивают круговорот веществ и энергии  в природе, плодородие почв, поддержание  газового состава и т. д.

Многие  микробы болезнетворные для человека, животных, птиц, насекомых, растений.

Мир микробов изучает микробиология – наука  о микробах. Она делится на ряд  отделов и дисциплин.

Вследствие  процесса дифференциации, постепенного обособления узких областей изучения и познания микробов родилась генетика микроорганизмов – наука, изучающая  их наследственность и изменчивость.

Необходимо  отметить, что учебная программа  для высших учебных заведений  по специальности «Ветеринарная  медицина» мало уделяет внимания вопросам изучения генетики микроорганизмов. В учебниках по микробиологии  и иммунологии, а также в учебниках  по генетике недостаточно всесторонне  и полно освещены аспекты генетики микробов.

Микробная клетка является своего рода биофабрикой, синтезирующей огромное число биологически активных соединений. Она продуцирует более 2500 белков, ферментов, полисахаридов, липидов, витаминов и других веществ. В этой связи в производственных условиях применяют актиномицеты и грибы для получения антибиотиков, дрожжи – кормового белка, бациллы – для синтеза ферментов, клостридии – для сбраживания сахаров в ацетон, этанол, молочно-кислые бактерии – в пищевой промышленности и т. д.

Из многих патогенных микроорганизмов селекционированы штаммы, предназначенные для изготовления вакцин, гипериммунных сывороток, иммуноглобулинов, диагностических препаратов. Многие микробы используют для получения рекомбинантных штаммов – продуцентов гармонов, интерферонов, иммуностимуляторов.

Сознательное, целенаправленное и эффективное  использование микробов для практических нужд в ветеринарии, медицине и других областях человеческой деятельности немыслимо  без знаний их генетики.

 

1. Генетика и история ее развития

Генетика (от греч. genesis – происхождение) – наука о наследственности и изменчивости организмов.

Основоположником  генетики является Иоганн Грегар Мендель (1822-1884). Официальной датой рождения генетики считают 1900-й год, когда были переоткрыты закономерности наследственности, впервые установленные Г. Менделем.

Название  науки о наследственности и изменчивости было дано английским генетиком В. Бэтсоном в 1906 году.

 

Американский  генетик А.Корнберг искусственно создал вирусную частицу и осуществил синтез ДНК (1957-1958).

М. Мезельсон и Ф. Сталь (1958) показали, что синтез ДНК происходит в клетках на расходящихся нитях двойной спирали.

М. Ниренберг, Г. Маттеи, С. Очоа и Ф. Крик (1961-1962) расшифровали код наследственности и состав нуклеиновых триплетов для всех 20 аминокислот, из которых строятся белковые молекулы. В это же время французские ученые Ф. Жакоб и Ж. Моно разработали общую теорию регуляции белкового синтеза. Они предложили схему генетического контроля синтеза ферментов у бактерий.

В 1969 году Г. Корана осуществил синтез гена клетки дрожжевого грибка, а Д. Бэквитс с сотрудниками выделил ген бета-галоктозидазы из кишечной палочки.

В настоящее  время генетика является одной из ведущих наук современной биологии. Для генетики характерно влияние  на ее развитие принципов и методов  исследования других наук и возрастающая связь со многими биологическими науками. В тоже время в самой  генетике идет усиливающийся процесс  дифференциации отдельных узких  направлений исследований в самостоятельные  науки. Так, наряду с общей генетикой возникли: цитогенетика, генетика популяций, биохимическая генетика, генетика человека, ветеринарная генетика, генетика вирусов, математическая генетика, генетика микроорганизмов и т. д.

Генетика  микроорганизмов – это наука  о наследственности микроорганизмов, их наследуемой и не наследуемой  изменчивости. Необходимо отметить, что  общая генетика явилась важной основой  для развития молекулярной биологии, а генетика микроорганизмов явилась  базой для изучения многих вопросов наследственности и изменчивости, т. е. для развития самой генетики. Еще  раз необходимо подчеркнуть, что  микробы (бактерии, вирусы, грибы, простейшие) явились удобной моделью для  проведения генетических исследований. Микробы были использованы как наиболее подходящий объект для изучения природы  генетического материала, его организации  и функционирования в связи со следующими их особенностями.

У бактерий имеется одна хромосома и поэтому  оценка генетических изменений возможна уже в первом поколении клеток.

Важным  преимуществом микроорганизмов  является высокая скорость размножения  их, простое химическое строение, простота культивирования и возможность  при этом изменений условий выращивания  клеток, высокая частота мутаций, способности к комбинированной  и мутационной изменчивости.

Благодаря использованию в генетических исследованиях  микроорганизмов, генетика была обогащена  рядом выдающихся открытий: установлена  химическая природа наследственного  материала, решена проблема генетического  кода ДЖ. Уотсон, Ф. Крик,1953), изучена  структура гена (Бензер, 1955), расшифрован способ репликации ДНК (М. Мезельсон, Ф. Сталь, 1958), установлены механизм мутаций и репликаций, выявлено наличие информационной РНК и т. д. Достижения в области генетики микроорганизмов явились основой для создания генной инженерии – важнейшей прикладной отрасли во многих сферах человеческой деятельности.

Развитие  генетики микроорганизмов тесно  связано с развитием цитологии, а развитие и становление цитологии  с созданием и усовершенствованием  оптических устройств, позволяющих  рассмотреть и изучить клетки. В 1609-1610 г.г. Галилео Галилей сконструировал первый микроскоп. Сконструированный и усовершенствованный им микроскоп давал увеличение в 35-40 раз. И. Фабер дал прибору название «микроскоп».

В 1665 году Роберт Гук, благодаря изменению  микроскопа, увидел в пробке ячейки, которые он назвал «клетками».

В 70-х  годах 17 века Марчелло Мальпиги описал микроскопическое строение некоторых тканей растений.

Антони  ван Левенгук с помощью микроскопа открыл неведомый таинственный мир микроорганизмов (1969).

В 1715 году Х.Г. Гертель впервые использовал зеркало для микроскопии изучаемых объектов, а спустя полтора столетия Э. Аббе создал систему осветительных линз для микроскопа.

В 1781 г. Ф. Фонтана первый увидел и зарисовал  животные клетки с их ядрами. В первой половине 19 века Ян Пуркинье усовершенствовал микроскопическую технику, что позволило ему описать клеточное ядро.

Он впервые  употребил термин «протоплазма». Р. Браун описал ядро как постоянную структуру клетки и предложил  термин «nucleus» - «ядро».

Во второй половине XIX века Э. Брюкке (1861) обосновал представление о клетке как элементарном организма. В 1874 г. Ж. Карнуа положил начало цитологии как науке о строении, функции и происхождении клеток.

В. Флемминг описал митоз (1879-1882), О. Гертвич и Э. Страсбургер высказали гипотезу о том, что наследственные признаки заключены в ядре.

В начале 20 века Р. Гаррисон и А. Кадрель разработали методы культивирования клеток.

В 1928-1931 года Е. Руска, М. Кнолль и Б. Боррие сконструировали электронный микроскоп, применение которого позволило открыть неизвестные структуры клетки.

 

3. Строение  бактерий  и вирусов

 

 

Бактерии

Бактерии  – это микроскопические организмы, характеризующиеся примитивным  строением. Размеры клеток колеблются от 0,2 до 10 мкм. Нуклеотид большинства  бактерий содержит одну замкнутую в  кольцо молекулу ДНК, которая является носителем наследственных свойств клетки.

Капсулы и слизистые слои

Капсулы и  слизистые слои – это слизистые  или клейкие выделения некоторых  бактерий; такие выделения хорошо видны после негативного контрастирования (когда окрашивают не препарат, а  фон)

Капсула представляет собой относительно толстое и  компактное образование, а слизистый  слой немного рыхлее. В некоторых  случаях слизь служит для формирования колоний из отдельных клеток. И  капсула и слизистые слои служат дополнительной защитой клеток.

Так, например инкапсулированные штаммы пневмококков свободно размножаются в организме  человека и вызывают воспаление лёгких, а некапсулированные штаммы легко атакуются и уничтожаются фагоцитами и поэтому совершенно безвредны

Клеточная стенка

Клеточная стенка придаёт клетке определённую форму и жёсткость. Как и у  растений, клеточная стенка препятствует осмотическому набуханию и разрыву  клеток, когда они, как это часто  случается, попадают в гипотоническую среду. Вода, другие малые молекулы, и разные ионы легко проникают  через маленькие поры в клеточной  стенке, но через них не проходят крупные молекулы белков  и нуклеиновых  кислот. Кроме того, клеточная стенка обладает антигенными свойствами, которые  ей придают содержащие в ней белки  и полисахариды.

По строению клеточной стенки бактерий можно  разделить на 3 группы. Одни окрашиваются по Грамму, поэтому их называют грамположительными, а другие обесцвечиваются при  отмывке красителя, и поэтому  их называют грамотрицательными. В  клеточной стенке и тех и других есть особая жёсткая решётка, состоящая  из муреина.

 Молекула  муреина представляет собой правильную сеть из параллельно расположенных полисахаридных цепей, сшитых друг с другом короткими цепями пептидов. Таким образом, каждая клетка окружена сетевидным мешком, составленным всего из одной молекулы

У грамположительных  бактерий, например у Lactobacillus, в муреиновую сетку встроены другие вещества, главным образом полисахариды и белки. Так вокруг клетки создаётся сравнительно толстая и жёсткая упаковка. У грамотрицательных бактерий скажем у Escherichia coli или у Azotobacter, клеточная стенка гораздо тоньше, но устроена она гораздо сложнее. Муреиновый слой этих бактерий покрыт мягким и гладким слоем липидов. Это защищает их от лизоцима. Лизоцим обнаружен в слюне, в слезах и других биологических жидкостях, а также в белке куриного яйца. Он катализирует гидролиз определённых связей между остатками углеводов и таким образом расщепляет полисахаридную основу муреина. Клеточная стенка разрывается, и, если клетка находиться в гипотоническом растворе, происходит её лизис (клетка осмотически набухает и лопается). Липидный слой придаёт клетке устойчивость к пенициллину. Этот антибиотик препятствует образованию сшивок в клеточной стенке грамположительных бактерий, что делает растущие клетки более чувствительными к осмотическому шоку.