Шпаргалки для студентов

готовимся к сессии

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта

Шпаргалки по микробиологии. Часть 2 - Оперонный принцип организации генов у бактерий.

Индекс материала
Шпаргалки по микробиологии. Часть 2
Мембранная структура бактериальных клеток
Взаимодействие микроорганизмов с высшими растениями.
Антибиотики. Природа действия
Типы микроскопии и использование.
Способы генетического обмена у бактерий.
Хемолитотрофы
Молочнокислое брожение
Получение накопительных культур.
Оперонный принцип организации генов у бактерий.
Органоиды движения. Типы движения.
Псевдомонады
Распространение в природе. Использование человеком.
Факторы физической природы.
Бактериофаги.
Бактериальная трансдукция.
Патогены высших животных
Анаэробное дыхание
Конкуренция микроорганизмов. Бактериоцины.
Формы и взаимодействия между микрорганизмами.
Явления рестрикции и модификации.
Фототрофные бактерии. Фотосинтетический аппарат.
Типы трансдукции
Спирохеты.
Биогеохимическая деятельность микроорганизмов.
Компетентность. Получение компетентных культур.
Рикеттсии и хламидии.
Все страницы


Оперонный принцип организации генов у бактерий.

 

Этот тип регуляции был открыт благодаря исследованиям Ф. Жакоба и Ж. Моно, которые пытались выяснить, каким образом бактериальные клетки реагируют на изменение условий окружающей среды. В частности, изучался синтез фермента а-галактозидазы у бактерий E. coli. Если бактерии E. coli выращивать на среде с глюкозой, то а-галактозидаза не синтезируется. Если клетки перенести в среду с лактозой, то содержание фермента а-галактозидазы, участвующего в расщеплении лактозы, увеличивается в 1000 раз. Такая активация транскрипции называется индукцией. Одновременно с а-галактозидазой индуцируется синтез еще двух ферментов: а-галактозидпермеазы, обеспечивающей транспорт лактозы внутрь клетки через цитоплазматическую мембрану, и а-галактозидтрансацетилазы. Установлено, что дефект в любом из трех генов, ответственных за синтез одного из этих ферментов, приводит к неспособности утилизировать лактозу.

Опероном называют группу функционально связанных между собой генов. Белки, кодируемые генами одного оперона, – это, как правило, ферменты, катализирующие разные этапы одного метаболического пути. Транскрипция генов оперона ведет к синтезу одной общей молекулы иРНК.

Lac-оперон состоит из кодирующей области, представленной тремя структурными генами, ответственными за синтез ферментов; а также из промоторно-операторной области. Оператор представляет собой небольшой участок ДНК, граничащий с первым структурным геном. С оператором может связываться белок-репрессор, блокируя инициацию (начало) транскрипции. Промотор – это небольшой участок ДНК перед оператором. Он служит местом связывания ДНК-зависимой РНК-полимеразы (транскриптазы) и от него начинается транскрипция ДНК. Оператор и промотор в некоторой степени перекрываются.

Транскрипционная активность входящих в оперон генов регулируется специальным геном-регулятором, или регуляторным геном (ген R), который может располагаться рядом со структурными генами или на некотором расстоянии от них. Ген R кодирует синтез специфического белка-репрессора. Репрессор – аллостерический белок, имеющий два центра связывания: один центр узнает оператор, другой – взаимодействует с эффектором или индуктором.

Различают опероны индуцибельные и репрессибельные. Индуцибельные опероны ответственны за катаболизм лактозы, арабинозы, галактозы и других углеводов. В основе индукции синтеза ферментов лактозного оперона лежит механизм негативной, или отрицательной, регуляции. В отсутствие лактозы

молекула репрессора, активная в свободном состоянии, связывается с оператором, закрывая при этом промотор, что препятствует связыванию с ним РНК-полимеразы и началу транскрипции структурных генов. При наличии в среде внешнего индуктора лактоза транспортируется с помощью а-галактозидпермеазы внутрь клетки и с помощью фермента а-галактозидазы превращается в аллолактозу, которая действует как внутренний индуктор. Аллолактоза связывается с репрессором, который при этом претерпевает конформационное изменение, уменьшающее его сродство к ДНК оператора, и в результате репрессор отсоединяется от lac-оператора.

Лактозный оперон подвержен также регуляции другого типа – позитивной, или положительной. Дело в том, что РНК-полимераза может связаться с промотором лишь тогда, когда к нему присоединен регуляторный белок БАК (белок, активирующий катаболизм), или САР (catabolite activator protein). Однако БАК может связаться с промотором только в том случае, если в клетке в достаточно высокой концентрации присутствует циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Это было установлено с использованием феномена диауксического роста (или диауксии) – при наличии в среде глюкозы и лактозы клетки бактерий вначале используют глюкозу, а затем после ее полного израсходования

начинают катаболизировать лактозу. Оказалось, что глюкоза репрессирует синтез а-галактозидазы. При наличии в среде глюкозы в клетке резко снижается количество цАМФ. Это явление называют катаболитной репрессией. Оно наблюдается и в тех случаях, когда вместо лактозы используется какой-то другой углевод.

Кроме индуцибельных оперонов, управляющих катаболизмом углеводов, у бактерий имеются и репрессибельные опероны. Это опероны, ответственные за синтез аминокислот аргинина, гистидина и триптофана. Максимальная транскрипция структурных генов этих оперонов достигается только при отсутствии в клетке конечных продуктов или эффекторов этих биосинтетических путей. Такие эффекторы, которыми являются конечные продукты, называют корепрессорами, а соответствующие ре-

гуляторные белки – апорепрессорами. Синтез ферментов репрессибельного оперона включается посредством дерепрессии структурных генов.

Разберем строение триптофанового оперона E. coli. Он состоит их пяти структурных генов, ответственных за синтез пяти ферментов, участвующих в превращении хоризмовой кислоты в триптофан, а также из промоторно-операторной области. Ген-регулятор (trрR) расположен на хромосоме на некотором расстоянии от оперона. Он ответственен за синтез регуляторного белка – апорепрессора, который неактивен в свободном состоянии, не может связываться с оператором и неспособен, таким образом, препятствовать началу транскрипции.

Когда конечный продукт метаболического пути – триптофан – накапливается выше определенного уровня, взаимодействует с апорепрессором и активирует его. Активированный апорепрессор (апорепрессор + корепрессор) присоединяется к оператору и подавляет транскрипцию структурных генов триптофанового оперона. Синтез триптофана прекращается.

Отсутствие активированного репрессора вызывает примерно 70-кратное увеличение актов инициации транскрипции. Для того чтобы понизить уровень транскрипции в присутствии триптофана в еще большей степени, в клетках бактерий E. coli имеется дополнительный механизм регуляции транскрипции, который называется аттенуацией, в осуществлении его принимает участие продукт

гена trpL. В условиях избытка триптофана только одна из десяти молекул РНК-полимеразы, начавшая транскрибирование с промотора, взаимодействует со структурными генами и продолжает транскрипцию. Таким образом, действие аттенуатора проявляется в терминации транскрипции, а сам процесс аттенуации классифицируется как регулируемая терминация транскрипции.

Аттенуация зависит не от самой аминокислоты, а от образования триптофанил-тРНК, т. е. активи-

рованной аминокислоты, присоединенной к транспортной РНК. При уменьшении внутриклеточной концентрации триптофана сначала осуществляется дерепрессия. Это значит, что образуется возможность связывания молекул РНК-полимеразы с промотором Trp-оперона. При более глубоком голодании снижается уровень триптофанил-тРНК и возникают условия для преодоления аттенуатора.

Таким образом, и в случае индукции путем негативной регуляции (Lac-оперон), и в случае репрессии синтеза ферментов (Тrp-оперон) взаимодействие репрессора с оператором приводит к подавлению транскрипции соответствующих структурных генов. Различие заключается в том, что при индукции путем негативной регуляции эффектор (индуктор), взаимодействуя с репрессором, понижает сродство репрессора к оператору, а в случае репрессии эффектор (корепрессор) повышает это сродство.

  1. Микоплазмы.

это очень мелкие прокариотические организмы, полностью лишенные клеточных стенок. Клетки ограничены только цитоплазматической мембраной и не способны к синтезу пептидогликана и его предшественников. В связи с этим для них характерен ярко выраженный плеоморфизм. Размножаются различными способами: бинарным делением; фрагментацией крупных тел и нитей, сопровождающейся освобождением большого числа кокковидных форм; почкованием.

Микоплазмы, как правило, неподвижны, однако некоторые виды обладают способностью к скользящему движению по поверхностям, покрытым жидкостью. Клетки имеющие форму спиральных нитей, обнаруживают подвижность вращательного, изгибательного и поступательного типов. Покоящиеся стадии неизвестны.

Отсутствие клеточной стенки обусловливает еще одну отличитель – их нечувствительность к антибиотикам, специфически действующим на бактериальную стенку (пенициллину,

ампициллину, цефалоспорину и др.).

• на искусственных бесклеточных средах разной степени сложности (от простых минеральных до сложных органических). Большинство видов нуждается для роста в стеринах и жирных кислотах;

• только внутри организма-хозяина, откуда их можно выделить с использованием культуры клеток.

Получающие энергию за счет окисления или сбраживания органических соединений, а также за счет окисления неорганических соединений (железа, марганца). Описаны микоплазмы, являющиеся

строгими аэробами, хотя большинство из них – факультативные анаэробы. Некоторые микоплазмы – облигатные анаэробы, погибающие в присутствии минимального количества минерального кислорода.

Микоплазмы могут быть сапрофитными, паразитическими и патогенными.Факторы вирулентности микоплазм: экзо-, так и эндотоксины; пероксид водорода, нейраминидазу, кислые фосфатазы, уреазу.

Первая фаза микоплазменной инфекции основана на способности микоплазм адсорбироваться на клетках хозяина. Это обусловлено общностью рецепторных участков на мембранах разных видов микоплазм и разных типов клеток макроорганизмов. Проникновение микоплазм в клетки происходит редко, они действуют с поверхности клетки. Конечный эффект может выражаться в развитии либо острой инфекции, либо скрытой ее форме – изменяются метаболизм и функции поражаемых клеток, нарушается нормальное деление, вызываются хромосомные изменения.

Основными факторами патогенности фитопатогенных микоплазм являются токсины, пероксид водорода, аммиак, ферменты (нуклеазы, протеазы, уреаза и т. д.). Также одним из факторов патогенности принято считать их конкуренцию с клеткой-хозяином за отдельные субстраты энергетического и белкового обменов. Микоплазмы вызывают такие заболевания, как столбуры (недоразвитость верхушки, усиление ветвления, курчавость листьев, разрастание чашелистиков, позеленение лепестков, увядание и т. п.); желтухи (удлинение междоузлий и пожелтение листьев); «ведьмины метлы» (чрезмерное разрастание побегов, недоразвитость верхушек); вырождения. Бледно-зеленая карликовость пшеницы, «ведьмины метлы» картофеля, столбур томатов.

Если микоплазмы, поражающие человека и животных, распространяются от особи к особи посредством прямых контактов, а у птиц, кроме того, и через яйца, то фитопатогенные микоплазмы являются типичными трансмиссивными патогенами. Для их распространения обязательно нужен переносчик. Основную роль в распространении микоплазмозов растений играют насекомые, цикадки.

Семейство Mycoplasmataceae представлено двумя родами: Mycoplasma и Ureaplasma. Различия между ними состоят в том, что бактерии рода Ureaplasma обладают уреазной активностью. Все представители

данного семейства являются хемоорганогетеротрофами, характеризующимися высокими потребностями в питательных веществах (особенно в холестерине или близких стеринах). Энергетический метаболизм ферментативного или окислительного типа. Использование глюкозы происходит по гликолитическому пути. Большинство представителей данного семейства является высокоспециализированными паразитами человека, животных, насекомых и расте-

ний. Mycoplasma pneumoniae – возбудитель острых респираторных заболеваний и пневмоний у человека. Бактерии видов Mycoplasma hominis и Ureaplasma urealyticum – возбудители воспалительных заболеваний мочеполовой системы.

В состав семейства Acholeplasmataceae входит один род – Acholeplasma. Менее требовательны к составу питательных сред. К ахолеплазмам относятся свободноживущие сапрофитные бактерии и паразиты млекопитающих и птиц. Acholeplasma laidlawii, относящиеся к сапрофитным микоплазмам.

В третье семейство Spiroplasmataceae включены бактерии рода Spiroplasma.

Отличительным признаком является их своеобразная морфология: в стадии роста среди разнообразных форм преобладают спиралевидные нити. На первых этапах развития спироплазмы нуждаются в холестерине. На более поздних этапах развития у них индуцируется синтез каротиноидов, которые в мембранах спироплазм выполняют те же функции, что и холестерин. Спироплазмы являются внутриклеточными паразитами. Выделены из клещей, гемолимфы и кишечника насекомых, из сосудистой жидкости растений, с поверхности цветковых растений. Типовой вид данного рода – Spiroplasma citri – патоген цитрусовых растений, хрена, редьки.

  1. Принципы видовой идентификации.

Определение родовой и видовой принадлежности микроорганизмов основывается на результатах морфологических, физиологических и биохимических тестов. Кроме того, для идентификации некоторых видов микроорганизмов исследуют химический состав и строение клеточной стенки, серологические свойства, чувствительность к фагам и другие особенности клеток. В последние годы благодаря достижениям генетики и молекулярной биологии стало возможным применение новых подходов для идентификации бактерий. Определение возможности генетических скрещиваний, картирование хромосомы микроорганизмов, знание нуклеотидного состава и данные гибридизации нуклеиновых кислот, позволяют судить о филогенетической близости отдельных видов.

В систематике бактерий можно выделить три взаимосвязанных аспекта: первый – это классификация – распределение по группам бактерий со сходными фенотипическими или генетическими характеристиками. Второй – номенклатура – наименование бактерий в соответствии с международными принципами, правилами и рекомендациями. Третий – идентификация – сравнение c 0.425 неизвестных организмов с уже классифицированными бактериями с целью установления их идентичности или наименования неизвестных организмов. Следовательно, систематика стремится расположить множество бактериальных видов в последовательной, ясной и удобной для использования форме.тОсновной единицей в систематике является вид. В микробиологии под видом обычно понимают типовой штамм и все остальные штаммы, считающиеся достаточно сходными с типовым штаммом. Типовой штамм – это штамм, выбранный в качестве постоянного образцатого, что подразумевается под данным видом. Культуры типовых штаммов находятся в различных коллекциях. Исторически сложившийся способ характеристики бактерий заключается в описании как можно

большего числа фенотипических признаков, основанных на морфологии, структуре, культивировании, питании, биохимии, метаболизме, патогенных и антигенных свойствах и экологии. Общепринятой схемы классификации бактерий не существует, но наиболее популярной и широко применяемой является схема, приведенная в «Определителе бактерий Берги». Первое издание его вышло в свет в 1923 году, последнее (9–е) – в 1994 году. Описание бактерий приводится по группам (35), в состав которых включены семейства, роды и виды. Патогенные и условно-патогенные для человека виды входят в достаточно небольшое число групп. При идентификации микроорганизмов следует придерживаться следующих правил: • быть уверенным в чистоте выделенной культуры; • постановку тестов по изучению физиолого-биохимических особенностей проводить не менее, чем в двукратной повторности;

• обязательной является постановка заведомо положительного и заведомо отрицательного контроля.

Исследователь должен выяснить, является ли организм фототрофным, хемоавтотрофным или хемогетеротрофным. Необходимо также знать, является ли он аэробом, анаэробом, микроаэрофилом или факультативным анаэробом, а также определить некоторые морфологические свойства, окраску по Граму, форму клеток, специфические морфологические признаки (наличие спор, капсул и т. д.). Весьма

важными являются три физиологических теста: на наличие каталазы, наличие оксидазы и способности к аэробному или анаэробному катаболизму углеводов. Идентификацию микроорганизма облегчают зна-

ния об особых физиологических свойствах, присущих микроорганизму. Характеристика физиолого-биохимических особенностей микроорганизмов включает описание способности расти на различных питательных средах и вызывать определенные превращения веществ, входящих в состав этих сред. Чаще всего учитывают природу источника углерода и энергии, форму азотсодержащих соединений, отношение к кислороду, ферментативную активность при выращивании в присутствии различных субстратов. В настоящее время разработано множество методических подходов к определению того или иного свойства бактерий, различающихся сложностью постановки. В данном руководстве приведены некоторые наиболее простые тесты, используемые