Генетика микроорганизмов

Биологами XIX - начала ХХ века бактерии расценивались как примитивные организмы с точки зрения клеточной организации, считались крайним пределом жизни. Авторитетный немецкий ученый Кон писал, что бактерии «мельчайшие» и «простейшие» из всех живых форм образуют пограничную линию жизни, за пределами этих форм жизни не существует.

Однако, по мере развития науки была создана более совершенная микроскопическая техника и новые методы исследования. Применение современных методов исследований при изучении бактериальной клетки - электролитная и фазовоконтрастная микроскопия, дифференцированное центрифугирование, применение изотопов - позволили выявить отдельные клеточные структуры и выяснить их биологическую роль.

Бактериальная клетка имеет сложное строго упорядоченное строение. С анатомической точки зрения бактерия морфологически дифференцирована. В ней различают основные и временные структуры. К основным компонентам клетки относят клеточную стенку, цитоплазмотическую мембрану, цитоплазму с рибосомами, различные включения, нуклеоид. Эти структуры встречаются только на определенных стадиях развития бактерий.

Клеточная стенка - прочная, упругая структура, располагающаяся между цитоплазмотической мембраной и капсулой, а у бескапсульных видов бактерий - это внешняя оболочка клетки. клеточная стенка - тонкая бесцветная структура, она не видима в обыкновенный микроскоп без специальной обработки. Клеточная стенка придает бактериям постоянную форму и представляет собой скелет клетки. Ее можно рассматривать при световой микроскопии только у крупных форм бактерий. Например, у серобактерии Beggiatoa mirabilis стенка отчетливо видна и имеет двухконтурное строение. Стенку бактериальной клетки можно рассмотреть при плазмолизе в затемненном поле зрения микроскопа. Клеточной стенки не имеют микоплазмы и L-формы бактерий, для всех остальных прокариот она является обязательной структурой. Стенка клетки составляет в среднем 20 % сухого веса бактерий, толщина ее может достигать до 50 нм и более. Клеточная оболочка выполняет жизненно необходимые функции: защищает бактерию от повреждающих факторов внешней среды, осмотического шока, участвует в обмене веществ и в процессе деления клетки, содержит поверхностные антигены и специфические рецепторы для фагов, осуществляет транспортирование метаболитов. Оболочка бактерии полупроницаема, что обеспечивает избирательное проникновение питательных веществ в клетку из внешней среды. Опорный полимер клеточной стенки называется пептидогликаном (синонимы: мукопептид, муреин - от латинского murus - стенка) образует сетчатую структуру ковалентно связан тейховыми кислотами (от греческого teichos - стенка). При исследовании ультратонких срезов клеточной стенки было установлено, что она равномерно прилегает к подлежащим структурам, пронизана порами, благодаря которым осуществляется поступление различных веществ в клетку и, наоборот. Полученные фотограммы показали, что клеточная стенка характеризуется не одинаковой электроннооптической плотностью, т. е. обладает слоистостью. Стенка обрамляет бактерию, ее толщина и плотность одинаковы по всему периметру микробной клетки. На долю клеточной стенки приходится от 5 до 50 % сухих веществ клетки.

При изучении анатомии микроорганизмов с помощью светового микроскопа возникла необходимость в их окраске. Эта необходимость была реализована Х. Грамом, который в 1884 году предложил метод окраски, названный его именем и широко используемый для дифференцирования бактерий и в наше время. По отношению к окраске по Граму, все микроорганизмы подразделяются на две группы: грамположительные (грампозитивные) и грамотрицательные (грамнегативные). Сущность метода заключается в том, что грамположительные бактерии прочно связывают комплекс генцианвиолета и йода, который не обесцвечивается этанолом и не воспринимает дополнительный краситель фуксин, оставаясь окрашенными в сине-фиолетовый цвет. У грамотрицательных бактерий, упомянутый комплекс, вымывается из тела бактерий этанолом и они окрашиваются при обработке фуксином в красный цвет (цвет фуксина).

Такое окрашивание прокариот по Граму объясняется специфическим химическим составом и строением их клеточной стенки. Клеточная стенка грамположительных бактерий массивная, толстая (20-100 нм), плотно прилегает к цитоплазмотической мембране, большая часть ее химического состава представлена пептидогликаном (40-90 %), который связан с тейховыми кислотами. Стенка грамположительных микроорганизмов содержит в небольшом количестве полисахариды, липиды, белки. Структурные микрофибриллы пептидогликана сшиты прочно, компактно, поры в нем узкие и поэтому фиолетовый комплекс не вымывается, бактерии окрашиваются в сине-фиолетовый цвет.

Строение и состав грамотрицательных микроорганизмов характеризуется некоторыми особенностями. Клеточная стенка у грамнегативных бактерий тоньше, чем у грамположительных и составляет 14-17 нм. Она состоит из двух слоев: внешнего и внутреннего. Внутренний слой представлен пептидогликаном, который в виде тонкой (2 нм) непрерывной сетки опоясывает клетку. Пептидогликан у грамотрицательных бактерий составляет 1-10 %, микрофибриллы его сшиты менее прочно, чем у грамположительных бактерий, поры шире и поэтому комплекс генцианвиолета и йода вымывается из стенки этанолом, микроорганизмы окрашиваются в красный цвет (цвет дополнительного красителя - фуксина). Внешний слой содержит фосфолипиды, монополисахариды, липопротеин и белки. Липополисахарид (ЛПС) клеточных стенок грамотрицательных бактерий, токсичный для животных, получил название эндотоксина. Тейховые кислоты у грамотрицательных бактерий не обнаружены. Промежуток между клеточной стенкой и цитоплазмотической мембраной получил название периплазматического пространства, в котором содержатся ферменты.

Под влиянием лизоцима, пенициллина и других соединений синтез клеточной стенки нарушается и образуются клетки с измененной формой: протопласты - бактерии полностью лишенные клеточной стенки и сферопласты - бактерии с частично разрушенной клеточной стенкой. Протопласты и сферопласты имеют сферическую форму и в 3-10 раз крупнее исходных клеток. В условиях повышенного осмотического давления они могут расти и даже размножаться, а в обычных условиях наступает их лизис и гибель. При снятии ингибирующего фактора протопласты и сферопласты могут реверсировать в исходную форму, иногда трансформируются в L-формы бактерий. L-формы бактерий были выделены в 1935 году в институте Листера. Образуются они в результате воздействия на бактерии различного рода L-трансформирующих агентов (антибиотиков, аминокислот, ультрофиолетовых лучей, рентгенизлучения и т. д.). Это бактерии частично или полностью утратившие способность синтезировать пептидогликан клеточной стенки. По сравнению с протопластами и сферопластами они более устойчивы и обладают способностью к репродукции. Возбудители многих инфекционных болезней могут образовывать L-формы.

Цитоплазмотическая мембрана (плазмолемма) - полупроницаемая, трехслойная многопротеидная структура клетки, отграничивающая цитоплазму от клеточной стенки. Это обязательный компонент клетки, составляющий 8-15 % ее сухого вещества. При разрушении цитоплазмотической мембраны клетка гибнет. В химическом отношении мембрана представляет собой белково-липидный комплекс, состоящий из белков (50-70 %) и липидов (15-50 %). Цитоплазматическая мембрана выполняет важные функции в жизнедеятельности клетки. Она является осмотическим барьером клетки, участвует в процессах метаболизма, роста клетки, осуществляет избирательный перенос молекул органических и не органических веществ и т. д. В процессе роста клетки цитоплазматическая мембрана образует инвагинаты - выпячивания, которые получили название мезосом. Мезосомы хорошо выражены у грамположительных бактерий, хуже у грамотрицательных и совсем плохо у риккетсий и микоплазм. Мезосомы, связанные с нуклеоидом бактерии называются нуклеосомами. Они принимают участие в кариопинезе и кариокенезе микробной клетки. Значение мезосом окончательно не выяснено. Предполагают, что они принимают активное участие в процессе дыхания бактерий, поэтому их по аналогии сравнивают с митохондриями. Возможно, мезосомы выполняют структурную функцию и разделяя клетку на отдельные участки способствуют упорядоченности протекания обменных процессов.

Цитоплазма клетки представляет собой полужидкую массу, занимает основной объем бактерии, содержащий до 90 % воды. Состоит она из гомогенной фракции, называемой цитозолем, включающим структурные элементы - рибосомы, внутрицитоплазмотические мембраны, различного типа образования, нуклеоид. Кроме того в цитоплазме наличествуют растворимые компоненты РНК, вещества субстрата, ферменты, продукты метаболизма.

Цитоплазма образует внутреннюю среду клетки, которая объединяет все внутриклеточные структуры и обеспечивает взаимодействие их между собой.

Важнейший структурный компонент клетки проплазмотического типа - нуклеоид, который является аналогом ядра у эукариот. Он свободно располагается в цитоплазме, в центральной зоне клетки, представляет собой замкнутую в кольцо и плотно уложенную на подобие клубка двухнитчатую ДНК. Нуклеоид в отличае от четко оформленного ядра эукариот не имеет ядерной оболочки, ядрышков, основных белков (гистонов). Несмотря на это, считают, что нуклеоид - дифференцированная структура. В зависимости от функционального состояния клетки нуклеоид может быть дискретным и состоять из отдельных фрагментов. Дискретность его объясняется делением клетки и репликацией молекулы ДНК. ДНК нуклеоида является носителем генетической информации бактериальной клетки. При световой микроскопии нуклеоид может быть выявлен в результате окраски бактерий специальными методами (по Фельгену, по Романоскому-Гимзе). Кроме нуклеоида в клетках многих видов прокариот обнаружены внехромосомальные факторы наследственности - плазмиды, которые представляют собой молекулы ДНК, способные к автономной репликацией.

К органоидам клетки относят рибосомы - сферической формы рибонуклеиновые частицы диаметром 15-20 нм. Клетка прокариотического типа может содержать от 5 до 20 тысяч рибосом. Рибосома состоит из малой и большой субъединиц, обладающих по Свербергу константами сидиментации от 30 и 50 S, соответственно. Одна молекула матричной РНК обычно объединяет несколько рибосом наподобие бус, нанизанных на нить. Такие объединения рибосом называют полисомами. Рибосомы обладают высокой синтезирующей активностью, они синтезируют необходимые для жизнедеятельности микробной клетки белки.

В цитоплазме бактерий ваыявлены различного рода включения, которые бывают твердыми, жидкими и газообразными. Они представляют собой запасные питательные вещества (полисахариды, липиды, отложения серы и др.) и продукты обмена веществ.

Капсула - слизистая структура, толщиной более 0,2 мкм, связанная с клеточной стенкой и четко отграниченная от окружающей среды. Она выявляется при световой микроскопии в случае окрашивания бактерий специальными методами (по Ольту, Михину, Бурри-Гинсу). Многие бактерии образуют микрокапсулу - слизистое образование менее 0,2 мкм, выявленное только при электронной микроскопии или же химическими и иммунохимическими методами. Капсула не является обязательной структурой клетки, утрата ее не вызывает гибели бактерии. От капсулы необходимо отличать слизь - мукоидные экзополисахариды. Слизистые вещества откладываются на поверхности клетки, часто превосходя ее диаметр и не имеет четких границ.

Вещество капсул прокариот состоит в основном из гомо- или гетерополисахарид. У некоторых бактерий (например, лейконостока) в капсулу заключено несколько микробных клеток. Заключенные в одну капсулу бактерии представляют собой скопления называемые зоогелями.

Капсула выполняет важные биологические функции. В ней локализуются капсульные антигены, определяющие вирулентность, специфичность и иммуногенность бактерий. Капсула защищает микробную клетку от механических воздействий, высыхания, заражения фагами, токсических веществ, фагоцитоза. У некоторых видов бактерий, в том числе и патогенных, способствует прикреплению клеток к субстрату.

Жгутики являются органоидами движения бактерий. Они представляют собой тонкие, длинные, нитевидные структуры, состоящие из белка флагеллина (от латинского flagellum - жгутик). Этот белок обладает антигенной специфичностью. Длина жгутиков превышает длину бактериальной клетки в несколько раз и составляет 3-12 мкм, а толщина 12-20 нм. Жгутики прикреплены к цитоплазмотической мембране и клеточной стенке специальными дисками. Выявляют жгутики с помощью электронной микроскопии или же в световом микроскопе, но после обработки препаратов специальными методами. Жгутики не являются жизненноважными структурами клетки. Количество жгутиков различно у различных видов бактерий (от 1 до 50) и места их локализации тоже различны, но стабильны для каждого вида. В зависимости от локализации жгутиков различают: монотрихи - бактерии с одним полярно расположенным жгутиком; амфитирихи - бактерии с двумя полярно расположенными жгутиками, или по пучку жгутиков на каждом конце; лофотрихи - бактерии с пучком жгутиков на одном конце клетки; перитрихи - бактерии с множеством жгутиков, располагающихся по всему периметру клетки. Бактерии не имеющие жгутиков называются атрихиями. Жгутики типичны для плавающих палочковидных и извитых форм и в виде исключения встречаются у кокков. Монотрихи и лофотрихи движутся со скоростью 50 мкм в секунду. Обычно бактерии движутся беспорядочно. Под влиянием факторов внешней среды бактерии способны к направленным формам движения - таксисам. Таксис может быть положительным и отрицательным. Различают хемотаксис - обусловлен разницей концентрации химических веществ в среде, аэротаксис - кислорода, фототаксис - интенсивности освещения, магнитотаксис - характеризуется способностью микроорганизмов ориентироваться в магнитном поле.

Пили (ворсинки) - нитевидные образования более короткие, чем жгутики. Длина их достигает от 0,3 до 10 мкм, толщина 3-10 нм. Пили берут начало от цитоплазмотической мембраны, они обнаружены у подвижных и не подвижных форм микроорганизмов. Выявить их можно только с помощью электронной микроскопии. На поверхности бактериальной клетки может быть от 1-2 до нескольких десятков, сотен и даже тысяч пилей. Пили состоят из белка пилина, они обладают антигенной активностью.

Различают пили общего типа и половые. Первые ответственны за адгезию, т. е. прикрепление бактерий к поражаемой клетке, питание, водно-солевой обмен, слипание бактерий в агломераты, вторые - передачу наследственного материала (ДНК) от донора к реципиенту. У одного и того же вида бактерий могут быть пили обоих типов.

Споры (эндоспоры) - это особая форма покоящихся клеток, характеризующаяся резким снижением уровня метаболизма и высокой резистентностью. Споры образуются при неблагоприятных условиях существования бактерий. Внутри одной клетки образуется одна спора. Спорообразование наблюдается при дефиците питательных веществ, изменении рН, недостатке С, N, Р, высушивании, накоплении в окружающей клетку среде продуктов метаболизма и т. д. Споры характеризуются репрессией генома, анаболизмом, малым содержанием воды в цитоплазме, повышением концентрации катионов кальция, появление дипиколиновой кислоты.

Споры в поле зрения светового микроскопа имеют вид овальных, сильно преломляющих свет образований размером 0,8-1,5 мкм. Бактерии у которых размер споры не превышает диаметр клетки называются бациллами, а у которых превышает - клостридиями. Спора в клетке может располагаться центрально, ближе к концу - субтерминально, на конце бактерии - терминально. Строение споры сложное, но однотипное у разных видов бактерий. Центральная часть споры называется спороплазмой, в состав ее входят нуклеиновые кислоты, белки и дипиколиновая кислота. В спороплазме располагаются нуклеоид, рибосомы и нечетко выраженные мембранные структуры. Спороплазму обрамляет цитоплазмотическая мембрана, за которой следует зачаточный пептидогликановый слой, затем располагается массивный слой коры или иначе кортекса. На поверхности кортекса имеется наружная мембрана. Снаружи спора одета многослойной оболочкой, которая вместе со специфическими элементами споры и дипиколинатом кальция обуславливают ее устойчивость. Основное назначение спор - сохранение бактерий в неблагополучных условиях внешней среды. Споры устойчивы к действию высоких температур, химических веществ, могут длительное время существовать в покоящемся состоянии десятками и даже сотнями лет.

генетика наследственность биотехнология

7. Химический состав и структура вирусов

Вирусы являются внутриклеточными паразитами человека, животных, растений, бактерий, грибов и других живых существ. Вирусы представляют собой внеклеточные формы жизни, имеющие собственный геном и обладающие способностью к самовоспроизведению лишь в клетках более высокоорганизованных существ. Они существуют в двух формах: внеклеточной (покоящейся) и внутриклеточной (размножающейся, репродуцирующейся) или вегетативной. Внеклеточные формы обозначают термином «вирусная частица», «вирусный корпускул», а внутриклеточные формы - термином «комплекс вирус-клетка».

Все вирусы подразделяют на две группы: простые и сложные. Простые вирусы содержат нуклеиновую кислоту и несколько кодируемых ею полипептидов. Сложные вирусы состоят из нуклеиновой кислоты, липидов и углеводов, которые имеют клеточное происхождение, т. е. у большинства вирусов не кодируются вирусным геномом. В исключительных случаях в вирион включаются клеточные нуклеиновые кислоты или полипептиды.

В состав вирусов входят нуклеиновые кислоты и белки. Белки и нуклеиновые кислоты неразрывно связаны между собой. Синтез белков не возможет без нуклеиновых кислот, а синтез кислот - без активного участия белков, ферментов. Известно, что нуклеиновые кислоты и белки состоят из С, О, Н, N, P, S. геном вируса представлен ДНК или РНК. По строению генома зрелые вирусные частицы подразделяют на следующие группы:

Вирусы, геном которых - одноцепочная молекула РНК, обладающая матричной активностью;

Вирусы, геном которых - одноцепочная РНК не обладающая матричной активностью;

Вирусы с одноцепочной фрагментированной РНК, не обладающей матричной активностью;

Вирусы, геном которых состоит из нескольких молекул РНК, обладающих матричной активностью;

Вирусы с двухцепочной фрагментированной РНК;

Вирусы с линейной одноцепочной ДНК;

Вирусы с двухцепочной циркулярной ДНК;

Вирусы с двухцепочной линейной инфекционной ДНК;

Вирусы с двухцепочной линейной неинфекционной ДНК.

По нуклеотидному составу ДНК вирусов беспозвоночных животных более разнообразна, чем ДНК позвоночных. Нуклеиновые кислоты вирионов в большинстве случаев имеют вирусное, а не клеточное происхождение. Инфекционность вирусов связана с нуклеиновой кислотой, а не с белком, входящим в их состав. Это было доказано немецкими учеными Г. Шраммом и А. Гирером (1956). Нуклеиновые кислоты являются хранителем всей генетической информации вируса. Их химический состав и структура принципиально не отличаются от нуклеиновых кислот более высокоорганизованных существ (бактерий, простейших, животных). Большую часть вирусной частицы составляют белки в состав которых входят те же аминокислоты, что и белки других организмов. Вирусный белок представлен в основном полипептидами одного-трех типов. Белки на поверхности вирусной частицы представляют собой антигены, ответственные за образование антител у инфицированных животных. Основная часть белков - это белки, синтезированные в восприимчивой клетке по информации генома вируса. В редких случаях возможно включение белков инфицированной клетки в липопротеидные оболочки и сердцевину некоторых вирусов (вирус птичьего миелобластоза, икосаэдрические вирусы).

Белки вирусов подразделяют на белки капсида, сердцевины, оболочки и ферментативные белки. Помимо белков в липопротеидной оболочки обнаружены липиды и углеводы. Углеводы преимущественно содержаться в гликопротеидных пепломерах на поверхности вирусной частицы.

В составе вирусов обнаружены минеральные вещества К, Na, Ca, Mg, Fe. Они участвуют в формировании связей белка с нуклеиновой кислотой.

Белки вирусов выполняют защитную (защищают от неблагополучного воздействия окружающей среды) и адресную (имеют рецепторы к определенной чувствительной клетке) функции. Кроме этого белки вирусов облегчают проникновение их в восприимчивую клетку.

Функции нуклеиновых кислот вирусов заключаются в следующем. Они программируют наследственность вирусов, участвуют в синтезе белка, отвечают за инфекционные свойства вирусных частиц.

Отдельная вирусная частица получила название вирион. Белковая оболочка вириона называется капсидом. Капсиды состоят из поверхностных белковых субъединиц, которые в свою очередь образованы белковыми молекулами. Различают следующие уровни сложности строения капсида. Первый уровень - отдельные полипептиды (химические единицы), второй - капсомеры (морфологические единицы), которые состоят из одной или нескольких белковых молекул, третий - пепломеры (молекулы, которые образуют выступы на липопротеидной оболочке вириона).

Для вирусов характерны два типа симметрии строения капсида: кубический и спиральный. Вирусы с кубическим типом симметрии называются изометрическими. Все известные ДНК-содержащие вирусы животных обладают изометрическими капсидами. Кристаллографические данные свидетельствуют о трех типах фигур с кубическим типом симметрии: тетраэдр, октаэдр и икосаэдр. Икосаэдрическая симметрия для вирусов предпочтительнее, так как этот тип симметрии наиболее экономичен.

Вирусы со спиральным типом симметрии строения капсида характеризуются тем, что капсид у них построен из одинаковых, спирально расположенных белковых субъединиц (капсомеров).

Бактериофаги (вирусы бактерий) в структурном отношении представляют собой сочетание двух типов симметрии: кубический и спиральной. Головка их представляет собой кубическую структуру, а отросток - спиралевидную.

Характер взаимодействия между нуклеиновой кислотой и капсомерами у вирусов с различным типом симметрии строения капсида различается. У вирусов со спиральным типом строения капсида белковые субъединицы тесно взаимодействуют с нуклеиновой кислотой. У икосоэдрических вирусов максимально выраженного регулярного взаимодействия между каждой белковой субъединицей и нуклеиновой кислотой не существует.

8. Материальные основы наследственности

Ядро клетки впервые подробно описал Р. Броун (1831), после чего оно стало предметом исследований многих биологов. Было установлено, что ядро является важнейшим органоидом клетки, обеспечивающим его жизнедеятельность. В процессе изучения клетки выяснилось, что жизнедеятельный цикл ее состоит из двух периодов: интерфазы (периода между двумя делениями) и деления. Во время деления клетки в ее ядре были обнаружены хорошо окрашивающиеся основными красителями тельца, которые впервые наблюдал в 1890 году немецкий ученый В. Вальдейтер и назвал их хромосомами (от греческого chroma - цвет, soma - тело).

По мере развития цитологии была установлена решающая роль в наследственности ядра клетки, а точнее локализованных в нем хромосом. Многими экспериментаторами доказано, что хромосомы являются структурами выполняющими роль материальных носителей наследственности. В хромосомах расположены единицы наследственности - гены.

Строение и функции хромосом. Хромосомы - структуры ядра клеток сложноорганизованные в морфологическом отношении, обеспечивающие передачу наследственной информации, способные к самовоспроизведению своих свойств в ряду поколений.

Хромосомы были обнаружены видными цитологами Флеммингом (1882) и Страсбургером (1884). Название им предложено Вальдейером (1888).

Морфологию хромосом обычно изучают в период метафазы, когда тело их хорошо сформированно и на нем рельефно выделяются структурные элементы. Хромосомы хорошо окрашиваются основными красителями - гамотоксином, фуксином,сафранином и другими.

Каждый вид растений и животных имеет определенное, постоянное число хромосом, которое содержится во всех клетках организма. Число хромосом является характерным видовым признаком, и его используют как критерий для определения систематического положения видов растений и животных.

Число хромосом не зависит от величины и массы животного или растения, а также уровня их организации.

Например, у человека 46 хромосом, у мыши - 40, шимпанзе - 48, лошади - 66, коровы - 60, таракана - 48, папоротника - 500, ржи - 14, а у некоторых споровых растений и простейших достигает сотен и даже тысяч. Количество хромосом, содержащихся во всех клетках тела любого организма диплоидное ( от греческого diploos - двойной, eidos - подобный). Диплоидное число хромосом обращается в результате слияния двух половых клеток, в которых из количество одиночное (гаплоидное). Гаплоидный набор хромосом обозначают буквой n, диплоидный - 2n. Диплоидный набор представлен парами, т. е. любой хромосоме в нем соответствует такая же по величине и форме хромосома. Такие парные (аналогичные) хромосомы называют гомологичными (от греческого homologos - согласный). Хромосомылюбой клетки различаются между собой по величине и форме. Размеры и формы хромосом у любого вида постоянны, что позволяет их различить и даже нумеровать.

На теле хромосомы всегда имеется первичная перетяжка, разделяющая ее на два плеча. Расположение этой перетяжки всегда постоянно и по этому признаку хромосомы делят на три типа: равноплечие (метацентрические), неравнопелчие ( субметацентрические), разноплечие (акроцентрические). У равноплечих центромера делит хромосому на два плеча равной или почти равной длины, у неравноплечих - не равные плечи, у разноплечих - одно плечо очень короткое. Первичную перетяжку иначе называют кинетической. В месте первичной перетяжки располагается центромера (от латинского - центр, meros - часть). Центромера - плотное сферическое тельце, управляющее движениями хромосомы в митозе. В месте нахождения центромеры хромосома тоньше.

Цитологами обнаружены хромосомы, которые имеют вторичную перетяжку, не выполняющую кинетических функций. Эта перетяжка обычно расположена у конца хромосомы, отделяя от нее участок под названием спутник, который соединяется с телом хромосомы тонкой нитью. Наличие спутников впервые установил С.Г. Навашин (1912). Полагают, что спутники имеют отношение к образованию ядрышка.

В слюнных железах некоторых видов насекомых обнаружены гигантские или политенные хромосомы, которые по форме напоминают длинные ленты и в сотни разпревосходят по величине метафазные хромосомы. Необычную величину этих хромосом связывают с энергичной секреторной деятельностью слюнных желез.

Необходимо отметить, что форма и величина хромосом, могут изменятся в ходе онтогенеза, под влиянием внешних условий, экспериментальных воздействий.

Каждый вид организма имеет только присущий ему набор хромосом, получивший название кариотипа (от греческого karyon - ядро и hypos - отпечаток). Этим термином обозначают совокупность хромосом клетки организма и характерных для них признаков (число, величина, форма, расположение центромера и т. д.).

Кариотип можно представить в виде схемы, диаграммы или рисунка, называют идиограммой.

Более тонкое строение хромосом было изучено с применением метода электронной микроскопии. Установлено, что хромосома состоит из двух перевитых продольных половинок, названных хромотидами. Хроматиды состоят из одной или нескольких нуклеопротеидных нитей, которые были названы хромонемами (Вейдовский, 1912). Хроменемы являются постоянными субъединицами хромосом. Обычно хромонемы закручены в спираль. Известны спирали двух типов - паранемические и плектонемические. Первые характерны тем, что их компоненты могут разъединятся без предварительного раскручивания, вторые - разъединяются только после предварительного раскручивания, так как их компоненты тесно переплетены друг с другом.. Хромонемы имеют утолщения, которые названы хромомерами, впервые обнаруженные Бальбиони (1876). Считают, что хромомеры представляют собой плотно спирализованный участок хромонемы.

Свойства хромосом, обеспечивающих передачу наследственных признаков, определяются их химическим составом. Использование при изучении химического состава хромосом цитохимических, биохимических и других методов позволило установить, что общий состав хромосом представлен в основном ДНК и РНК. В комплексе с основным белком ДНК составляет около 90 % массы хромосом и около 10 % приходится на долю РНК в состоянии с кислым белком (рибонуклеопротеид - РНП) и негистонными белками. Роме этого в хромосомах обнаружено незначительное количество Fe, Zn, Ca, Mg. Каждая хромосома имеет постоянное количество ДНК, что весьма важно, так как эта кислота несет генетическую информацию. ДНК хромосом всегда связана с основными белками (гистонами), образуя дезоксирибонуклеопротеид (ДНП). Гистоны являются ядерными белками с высоким содержанием основных аминокислот (лизина и аргинина), что придает им основные свойства. Кроме этого они содержат почти полный набор аминокислот. Ядро клеток организма одного вида имеет одинаковые гистоны. Эти белки во многом определяют структурную организацию и функционирование хромосом. Они влияют на характер спирализации хромосом и выполняют роль репрессоров по отношению к генам. Количество РНК в хромосомах более изменчиво, чем ДНК и зависит от принадлежности клеток к различным тканям. Считают, что содержание РНК в хромосомах зависит от функционального состояния их и интенсивности процессов метаболизма в клетке.

Заключительная роль в функционировании хромосом принадлежит Са и Мg. При удалении этих веществ, хромосомы утрачивали целостность и фрагментировались, что является свидетельством участия Са и Мg в соединении молекулы ДНК. К тому же, катионам Мg принадлежит важная роль в активации ферментов.

Хромосомы, взаимодействуя с внехромосомными механизмами, обеспечивают хранение генетической информации, использование ее для создания и поддержания клеточной организации, регуляцию свертывания закодированной информации, удвоение материала наследственности и передачу его материнской клеткой дочерним.

8.1 Нуклеиновые кислоты - молекулярные носители наследственности

Не зависимо от степени сложности все органические формы содержат белки и нуклеиновые кислоты - биологические полимеры. Белки и нуклеиновые кислоты тесно взаимодействуют в ходе обменных процессов, протекающих в клетке. Они входят в состав хромосом. Собственно, хромосома представляет собой нуклеопротеидную структуру, состоящую из дезоксирибонуклеиновой кислоты, основных белков гистонов, негистоновых белков и небольшого количества рибонуклеиновой кислоты. Белки оказались генетическими производными нуклеиновых кислот. У всех организмов (прокариот и эукариот), за исключением некоторых РНК - содержащих вирусов, молекулярным носителем наследственности является ДНК. Нуклеиновые кислоты были выделены из ядер клеток человека Ф. Мишером (1869), а затем из спермиев лососей. Выделенное вещество он назвал нуклеином (от латинского nucleus - ядро), подчеркнув этим локализацию вещества в ядре клеток.

Было установлено, что ДНК локализована преимущественно в ядре клеток, а РНК находится в ядре и цитоплазме.

Важнейшее свойство клетки - способность к ее самовоспроизведению. Но, кроме ДНК, ни один составной компонент клетки и входящие в ее состав белки такими свойствами не обладают. Способность ДНК к саморепродукции имеет громадное значение в процессе роста, деления и размножения клеток одного и того же организма (печени, мышечной ткани, нервной ткани) содержат в ядрах одинаковое количество ДНК.

Доказательства роли нуклеиновых кислот как носителей наследственности получены на бактериях и вирусах, которые в генетике содержат в качестве модельных организмов. Работы Ф. Гриффитса (1928) послужили основанием доказательства ведущей роли ДНК в наследственности. Ученым в опытах были использованы пневмококки, бактерии, вызывающие воспаление легких и гибель мышей (штамм S бактерии, образующие капсулу) и не вызывающие их гибели (штамм R - бескапсульные бактерии). Ф. Гриффитс заражал мышей смесью живых бескапсульных бактерий R-штамма и убитых нагреванием капсульных пневмококков S-штамма, в результате чего животные заболевали и погибали, а выделенные из их организма пневмококки были как R-, так и S-штаммов. Опыты свидетельствовали о превращении (трансформации) некоторых бескапсульных бактерий R-штамма (не вирулентных) в вирулентные капсульные бактерии S-штамма.

В 1944 году О. Эвери с сотрудниками доказал, что фактором генетической трансформации у пневмококков, задействованных в опытах Ф. Гриффитса, служит ДНК. Доказательства этому были представлены в результате проведения следующих опытов. В питательную среду с бескапсульными штаммами бактерий добавили ДНК, выделенную от капсульных бактерий, в результате чего бескапсульные бактерии превращались в капсульные, т. е. получали эффект трансформации. Трансформация была эффективной даже при разведении ДНК в миллион раз. Эффект трансформации у микроорганизмов был получен по ряду других признаков (чувствительность к антибиотикам, способность синтезировать аминокислоты и т .д )

Известно, что при размножении бактериофагов (вирусов бактерий) они прикрепляются к бактериальной клетке и как шприцем впрыскивают в нее свою внутреннюю нить ДНК, а белковая оболочка остается снаружи бактерии. Нить ДНК самовоспроизводится, все ресу4рсы клетки используются на синтез губительного для нее бактериофага. Клетка бактерии гибнет, а частицы бактериофага выходят наружу и заражают новые клетки. Следовательно молекулы ДНК фага обладают наследственной информацией, необходимой для образования и развития частиц бактериофага.

Ярким свидетельством генетической роли ДНК были эксперименты А. Херши и М. Чейза (1952). Сущность этих опытов заключалась в следующем. Меченые атомы фосфора вводили в ДНК бактериофага, в меченые атомы серы - в его белковую оболочку. Было установлено, что в последующих поколениях бактериофага удавалось обнаружить частицы, меченного фосфора, а не серы, т. е. наследственность бактериофага передается через ДНК, а не через белок.

Создание гибридных вирусов также является доказательством ведущей роли ДНК в наследственности. Нить ДНК и РНК у вирусов окружена белковой оболочкой. Белковая оболочка определенного вида вируса может быть удалена и нити ДНК или РНК приданы белковые вещества от другого вида вируса. Такой гибридный вирус приобретает свойства того вида вируса, от которого взята нуклеиновая кислота.

Белки являются структурной основой всех клеток, органов и тканей животного организма. В комплексе с другими веществами они образуют различного рода клеточные структуры. Составными элементами молекул любого белка являются 20 аминокислот. Белки различаются между собой по количеству определенных кислот и порядку их расположения в полипептидных цепях. Уместно напомнить аминокислоты, входящие в состав белка: аланин, аргинин, аспарин, аспарогиновая кислота, цистеин, глутаминовая кислота, глктамин, глицин, гистоидин, изолейцин, лейцин, метионин, фенилаланин, пролин, серин, треонин, триптофан, тирозин, валин. Белок представляет собой биологический полимер. Мономерами этого полимера служат аминокислоты, в молекулах которых имеются две группы атомов: аминная группа (NH₂) и кислотная (СООН). Условно обозначая кислоту, например, буквой А мы можем изобразить последовательность аминокислот в каком либо определенном белке: А7-А9-А15-А2-А6……А18. Последовательность аминокислот в молекуле белка определяет его свойства.

Генетический аппарат бактерий представлен молекулой ДНК, которая в виде нуклеотида располагается в центральной части цитоплазмы. У вирусов геном представлен ДНК или же РНК. Молекула ДНК состоит из большого числа нуклеотидов. Каждый нуклеотид представляет собой соединение из фосфата, сахара и азотного основания. В ДНК входит сахар дизоксирибоза, в РНК - рибоза. В молекулу ДНК вирусов и фагов может входить от нескольких тысяч до сотен тысяч нуклеотидов, в ДНК бактерий и простейших до 10 млн., а в ДНК высших организмов до 1 млрд.

Английский ученый Ф. Крик и американский Дж. Уотсон (1953) обосновали представление о ДНК. По их мнению молекула ДНК состоит их двух нитей, спирально закрученных одна вокруг другой. Диаметр двойной спирали ДНК равен 2 нм, а расстояние между витками 3,4 нм. На каждый виток спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Расстояние между азотистыми основаниями составляет 0,34 нм. Ее сравнивают с винтовой лестницей. Если свернутую в спираль ДНК развернуть, то она принимает вид лестницы. Сахар и фосфат составляют основу продольных нитей, «перекладины» состоят из азотистых оснований. Азотистые основания - плотные кольцевидные соединения из атомов С и N (аденин, гуанин, тимин, цитозин). Одни и те же у всех видов организмов. ДНК разных видов различается порядком чередования указанных азотистых оснований. Как известно, в состав белков входят 20 аминокислот. Каждой аминокислоте соответствует определенный триплет, т. е. три азотистых основания. Совокупность всех триплетов получила название генетического кода. Код одинаков у бактерий, вирусов, простейших, животных, человека, так как последовательность чередования триплетов в молекуле ДНК и молекуле определенного белка оказываются единственными во всем органическом мире. В этом единстве строения ДНК - величайшее единство органического мира. Азотистые основания в ДНК двух видов:

Двухкольцевые (пуриновые) - аденин, гуанин - 12 ангстрем;

Однокольцевые (пиримидиновые) - тимин, цитозин - 8 ангстрем.

Азотистые основания нуклеотидов заключены внутри между витками спирали ДНК и соединены водородными связями, которыетребуют строгой парности оснований. А именно, Аденин связывается с Тиамином, Гуанин с Цитазином.

Английский биохимик Э. Чаргафф (1960), а затем советские ученые А.Н. Белозерский и А.С. Спирин показали, что в любой ткани растений и животных, в бактериальной клетке и вирусной частице, содержание молекул аденина равно содержанию молекул тимина, а содержание цитозина - содержанию гуанина. Это правило нуклеотидных отношений

(А + Г/Т + Ц = 1),

содержащее в основе строения всех ДНК получило название по имени автора - правило Чаргоффа. Сумма пуриновых оснований в любой молекуле равна сумме пиримидиновых оснований. Эта закономерность обоснована на большом количестве видов организмов. Она является доказательством того, что внутри спирали ДНК против каждого пуринового основания находится пиримидиновое и, наоборот. Согласно правила Чаргоффа аденин одной цепи ДНК связан только с тимином другой, а гуанин только с цитозином. Пара адение-тимин связана двумя водородными связями, а гуанин-цитозин - тремя. Такая закономерность соединения азотистых оснований называется комплементарностью, а азотистые основания комплементарными, т. е. взаимно дополняющими друг друга. Азотистые основания ориенитрованы к середине спирали. Для хромосом эукариотов характерно линейное строение молекулы ДНК, у прокариотов молекула ДНК замкнута в кольцо.

Комплементарность азотистых оснований в молекуле ДНК составляет главную сущность молекулярных основ наследственности и позволяет понять, как при делении клетки синтезируются тождественные молекулы ДНК.

Перед каждым удвоением хромосом и делением клетки происходит репликация (удвоение) ДНК. Репликацией называют процесс самокопирование молекулы ДНК с соблюдением порядка чередования нуклеотидов, присущего материнским комплементарным нитям.

Спиралевидная двухцепочная ДНК сначала расплетается (раскручивается) вдоль оси, водородные связи между азотистыми основаниями рвутся и цепи расходятся. Затем, к каждой цепи пристраиваются комплементарные азотистые основания и образуются две новые дочерние молекулы ДНК. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называют полуконсервативным.