Prokarióták genetikája - Absztrakt, 1. oldal
1. Prokarióta sejtek szervezése. A prokarióta szaporítása.
2. A prokarióta genomikája.
3. Vírusok. A vírusok genomikája. A vírusok sokfélesége és életciklusa. Rekombináció különböző víruscsoportokban.
4. Rekombináció prokariótákban: transzformáció, konjugáció, transzdukció.
1. Prokarióta sejtek szervezése. Prokarióták szaporodása
A prokarióta olyan szervezet, amelyben a sejtekben nincs kialakult mag. A kernel a nucleoid (azaz "a maghoz hasonlóan") működik; a nucleus ellenében a nukleoidnak nincs saját héja.
Az eubaktériumok egyik képviselője az E. coli (Escherichia coli). Az E. coli a humán vastagbél tartalma, valamint az egyéb állatok belseje lényeges részét képezi. Ezek a baktériumok néhány vitamint termelnek, és megakadályozzák a patogén baktériumok kialakulását. Az Escherichia coli egyes formái azonban a belek - bélgyulladás gyulladását okozzák. Az E. coli az emberi testen kívül is megtalálható: vízben és talajban. A bélbaktérium széles körben használatos a biotechnológiában.
A prokarioták általános jellemzői
A prokarióták teste általában egy sejtből áll. A prokarióta sejtek mérete 0,1-0,15 mikron (mikoplazma) és 30 mikron közötti vagy ennél nagyobb. A legtöbb baktériumnak 0,2-10 mikron méretűnek kell lennie. Az elválasztó sejtek hiányos divergenciájával azonban fonalas, gyarmati és polinukleoid formák (bacteroides) jelennek meg. Prokarióta sejtekben, és nincs állandó dvumembrannye odnomembrannye organellumok: mitokondriumok és a plasztidok, endoplazmatikus retikulum, Golgi-apparátusban és ezek származékai. Funkcióik a plazma membránok mesoszómái - hajtások. A fotoautotróf prokarióták citoplazmájában különböző membránszerkezetek vannak, amelyeken fotoszintetikus reakciók fordulnak elő. Néha bakteriális kromatográfiáknak nevezik őket. A prokarioták sejtfalának specifikus anyaga egér, azonban néhány prokariótában nincs egér. A sejtfal fölött gyakran van nyálkahártya. A membrán és a sejtfal közötti tér protontartalékként szolgál a fotoszintézis és az aerob légzés számára. A mozgó baktériumok flagella, amelyek flagellin fehérjékre épülnek.
In vivo, a sejtfal hiányában mutáns mutánsok nem életképesek. Ezért ezeket a mutánsokat széles körben használják a biotechnológiában, mivel nem léteznek a laboratóriumi körülmények között (ez a genetikai biztonság egyik szempontja).
A prokarióta sejtek szerkezetének specifitása lehetővé teszi számunkra, hogy megkülönböztessük a prokariótákat az élő természet különálló szuperkindájaként (vagy uralomként). Vizsgált mintegy 3000 faj prokarióta szervezetek: eubaktériumot archeákat, spirocheták, rickettsiát, mycoplasma, myxobacteria, aktinomicéta, cianobaktériumok és szervezetek bizonytalan szisztematikus helyzetbe. Ezek a fajok, amelyeket a laboratóriumban termesztenek. Vannak azonban prokarióták, amelyeket nem izolálnak tiszta kultúrák formájában. Ezért a valódi fajok sokfélesége elérheti a 10, 100 ezer fajt, és talán még sok más.
A prokarioták biológiai sokféleségének felmérésére metagenomikai módszereket alkalmaznak. A metagenomika a mikroorganizmusok szisztematikájának felosztása, amely nem az egyes biológiai fajok, hanem a mikrobenocenózisok (mikroorganizmusok közösségei) elosztása alapján történik.
A prokarioták ökológiáját az anyagcsere típusai határozzák meg. A szabadon élő heterotróf prokarióta (sztrotrofák) teljes mértékben ellátniuk kell az összes szükséges anyaggal. Az ilyen szervezeteket prototrófnak nevezik. Azonban mutációk (beleértve a kiterjesztett DNS-helyek delécióit is, a genom 15% -os veszteségét az E. coliban) auxotróf biotípusok jelennek meg. Például a leukin auxotrófok önmagukban nem képesek leucin szintetizálni, a biotinnal szemben alkalmazott auxotrófok pedig nem képesek biotint szintetizálni. A kettős és többszörös auxotrófok két vagy több szükséges szerves anyag beszerzését igénylik kívülről.
Természetes körülmények között az auxotroph mutánsok csak a hiányzó anyagok jelenlétében létezhetnek a külső környezetben (például a commensalizmusba vagy a parazitizmusba való átmenetben). Az auxotrófokat széles körben használják a biotechnológiában, mert nem léteznek a laboratóriumi körülmények között (ez a genetikai biztonság egyik szempontja).
Természetes körülmények között a prokarióta egy populációból (egy faj genetikai heterogén csoportjait) és különböző fajokból álló közösségeket (mikrobocenózist) alkot. Ezután lehetséges a protokoll működésének jelensége: a mutáns-auxotróf képes pótolni a szükséges anyagok hiányát az anyag prototrófjaival való kölcsönhatás következtében.
A prokarióta aszkétás (vegetatív) reprodukciója a sejtek elosztásával történik, amit zúzásnak neveznek. Bizonyos prokariótákban (actinomycetes) az aszkémiás szaporodás spórák (conidia) segítségével következik be.
Amikor a baktériumok mesterséges körülmények között szaporodnak (a tápközeg korlátozott térfogatában), 4 szakaszt vagy fázist különítenek el a kultúra kifejlesztésében.
1 fázis - log fázis. A baktériumok száma nagyon lassan növekszik (néha még csökken is). A baktériumok ugyanúgy új környezetet fejlesztenek ki.
A 2. fázis az exponenciális növekedés fázisa. A baktériumok száma növekszik a lavinákban, a geometriai progresszióban.
3. fázis - állófázis. A baktériumok száma stabilizálódott.
4 fázis - a halál fázisa. A baktériumok száma kezd csökkenni, és hamarosan nem marad aktív baktériumok. Az állófázis és az extinction fázis jelenléte a tápanyagok koncentrációjának és a káros metabolikus termékek felhalmozódásának csökkenésével jár.
Egyes fajokban a szexuális folyamat (konjugáció) ismert. Konjugált állapotban az egyik sejt továbbítja a genetikai információt egy másik sejtbe. Az egyének száma nem növekszik. A genetikai információ átadása vírusokkal (transzdukcióval) történhet, vagy DNS-sel közvetlenül a membránon keresztül (transzformáció).
2. A prokarióta genomikája
(E. coli Escherichia coli példáján)
Az E. coli genom alapja a gyűrű DNS-molekulák: prokarióta kromoszómák és plazmidok.
Sok DNS-molekula két összekapcsolt alrendszert alkot: a kromoszómát és a plazmidot.
A prokarióta genom kromoszóma alrendszere
Az alapja alrendszer prokarióta kromoszomális genomjának prokarióta (bakteriális) kromoszóma (genofor), része a nukleoid - nukleáris-szerű szerkezet. A morfológiában a nucleoid a karfiol virágzatához hasonlít és a citoplazma körülbelül 30% -át foglalja el.
A bakteriális kromoszóma egy gyűrűs, kettős hélix DNS, amelynek jobb vége van, amelyet másodlagos hélixbe hajtanak. A kromoszóma másodlagos struktúráját hisztonszerű (bázikus) fehérjék és RNS segítségével tartjuk fenn. A bakteriális kromoszóma kapcsolódási pontja a mezoszómához (plasmalemma fold) a DNS-replikáció kiindulási pontja (ezt a pontot OriC-helynek hívják). A bakteriális kromoszóma megduplázódik a sejtosztódás előtt. A DNS-replikáció az OriC-helytől két irányba megy, és a TerC-ponton ér véget. A replikációval reprodukálható DNS-molekulákat replikonoknak nevezik.
Prokarióta kromoszómákban az OriC-helyek száma növelhető, például a Bacillus subtilis bacillusában legalább kettő.
A prokarióta kromoszóma hossza több millió nukleotidpár (mn); például az MG1655 E. coli törzs prokarióta kromoszómájának DNS minimális hossza 4639221 bp (a fizikai hossza körülbelül 1,5 mm).
A különböző prokariótákban a genom mérete 0,5 és 6 mn között változik:
Az E. coli prokarióta kromoszómájának DNS-jének körülbelül 11% -át "nem kódoló" (nem fordított) szekvenciákkal reprezentáljuk. A DNS fennmaradó 89% -a átíródik vagy átíródik az RNS képződésével. Körülbelül 75% a DNS transzkripciós egységek (promoter DNS-szegmens a terminátor) tartalmaz 1 gént (általában gének „housekeeping” gént is, amely fenntartásához szükséges sejt aktivitás), a fennmaradó 25% képviseli operonok (E. coli genom tartalmaz 600 ... 700 operon).
Tipikus prokariótákban (például Escherichia coliban) egy nem osztódó sejtben egy bakteriális kromoszóma van. Ezért a prokarióta általában haploid (haplobionts).
A haploid mindegyik gén által képviselt egyetlen allél, ezért általában nem vonatkozik a prokarióták „erőfölény” és a „recesszív”: bármely allél nyilvánul meg a fenotípus, ha a gén expresszálódik (van érintô öröklés).
A lag fázisban a sejtben egy bakteriális kromoszóma van, de az exponenciális növekedési fázisban a DNS gyorsabban replikálódik, mint a sejtosztódás; akkor a sejtenkénti bakteriális kromoszómák száma 2-re emelkedik. 4. A genetikai készülék ezen állapotát polyhaploiditásnak nevezik.
A sejtek elosztásakor a bakteriális kromoszóma testvérek másolatai egyenletesen oszlanak el a lány sejteken a mesoszóm segítségével.
A prokarióta genom kromoszóma alrendszerének szegregáció mechanizmusa biztosítja a bakteriális kromoszómában található genetikai információ mennyiségének és minőségének teljes megőrzését. Ennek eredményeképpen a tulajdonságok közvetlen örököse van
Például, ha egy populációban normális prokarióták (prototróf, „vad típusú”), az egyik a sejtek van egy mutáció, amely meghatározza a képtelenség, hogy szintetizálja a leucin aminosavat, az összes utód (klón törzs) a sejt nem képes életben maradni leucin nélküli tápközegben (takarít auxotrófia leucin).
A prokarioták genetikailag heterogén populációjából izolálhatók a törzsek (klónok, genetikailag homogén tiszta vonalak), amelyek megtartják az eredeti sejt bakteriális kromoszómájának haplotípusát. Tiszta prokariótákban rekombináció nem fordul elő. Ezért új haplotípusok kialakulása, új funkciók kombinációja. Például stabil biotin és metionin kettős auxotrófok vannak.
Bizonyos esetekben ugyanazt a prokarióta kromoszómát két példányban lehet ábrázolni. Ilyen sejtek (heterogének) hordozhatják az egyik gén domináns és recesszív allélját. Ezután van dialelikus öröklés, például a leucin prototrófiájának normál allele dominál az auxotrófia mutáns alléljében.
A prokarióta genom plazmid alrendszere
A bakteriális kromoszómán kívül a prokarioták genomjának összetétele plazmidokat is tartalmaz, amelyek több ezer bp hosszúságú DNS molekulákat tartalmaznak. Az ilyen méretű plazmidok több tíz gént tartalmaznak. Általában ezek a "luxus gének", amelyek ellenállnak az antibiotikumoknak, a nehézfémeknek, a specifikus toxinokat kódoló anyagoknak, valamint a genetikai anyag konjugációjának és cseréjének génjeivel. A 2, 3 m hosszúságú, legfeljebb 2 fehérjét kódoló kis plazmidok szintén ismertek. Számos baktérium megaplasmiddal rendelkezik, amely egy millió pb hosszúságú, vagyis valamivel kisebb, mint egy bakteriális kromoszóma. Vannak plazmidok, amelyek egy példányban vannak jelen - szinkronban replikálódnak a bakteriális kromoszóma DNS-ével. Más plazmidokat sok példányban reprezentálhatunk, és ezek replikációja a bakteriális kromoszóma replikációjától függetlenül történik. A szabad plazmidok replikációja gyakran a "gördülő gyűrű" elvének megfelelően folytatódik - egy "végtelen" másolatot olvassunk a DNS egyik gyűrűmátrixából.
A plazmidok replikációja szinkronizálható a bakteriális kromoszóma replikációjával, de lehet független is. Ennek megfelelően a plazmidok eloszlása a lány sejtjeinél pontos vagy statisztikai lehet. Pontos szegregáció jellemzi a nagy kis méretű plazmidokat, és a statisztikai szegregáció a kisméretű multicopiás plazmidokra vonatkozik. Az utóbbi esetben egy lánya sejt redundáns (duplikált) genetikai információt kap, és a másik sejt általában elveszítheti bizonyos plazmidgéneket
A prokarióta genom kromoszómális és plazmid alrendszereinek egysége
Egyes plazmidok autonóm és integrált állapotban lehetnek. Az utóbbi esetben a plazmid a bakteriális kromoszómában szerepel az attB bizonyos pontjain. Így ugyanaz a plazmid beilleszthető a kromoszómába, és kiváltható róla.
Ez biztosítja a genetikai információ cseréjét a prokarióta genom különböző alrendszerei között: kromoszómális és plazmid.