Функции днк в бактериальной клетке

В отличие от эукариот бактерии не имеют оформленного ядра, однако их ДНК не разбросана по всей клетке, а сосредоточена в компактной структуре, которую называют нуклеоидом. В функциональном отношении он представляет собой функциональный аналог ядерного аппарата.

Что такое нуклеоид

Нуклеоид бактерий — это область в их клетках, содержащая структурированный генетический материал. В отличие от ядра эукариот она не отделена мембраной от остального клеточного содержимого и не имеет постоянной формы. Несмотря на это генетический аппарат бактерий четко отграничен от цитоплазмы.

Сам термин означает "подобный ядру" или "ядерная область". Впервые эту структуру обнаружил в 1890 г. зоолог Отто Бючли, но ее отличия от генетического аппарата эукариот были выявлены аж в начале 1950-х годов благодаря технологии электронной микроскопии. Название "нуклеоид" соответствует понятию "бактериальная хромосома", если последняя содержится в клетке в единственном экземпляре.

Нуклеоид не включает в себя плазмиды, которые являются внехромосомными элементами бактериального генома.

Особенности нуклеоида бактерий

Обычно нуклеоид занимает центральный участок бактериальной клетки и ориентирован вдоль ее оси. Объем этого компактного образования не превышает 0,5 мкм 3 , а молекулярная масса варьирует от 1×10 9 до 3×10 9 дальтон. В определенных точках нуклеоид связан с клеточной мембраной.

В состав нуклеоида бактерий входят три компонента:

  • ДНК.
  • Структурные и регуляторные белки.
  • РНК.

ДНК имеет хромосомную организацию, отличную от эукариотической. Чаще всего нуклеоид бактерий содержит одну хромосому или несколько ее копий (при активном росте их количество достигает 8 и более). Этот показатель варьирует в зависимости от вида и стадии жизненного цикла микроорганизма. Некоторые бактерии имеют несколько хромосом с разным набором генов.

В центре нуклеоида ДНК укомплектована достаточно плотно. Эта зона недоступна для рибосом, ферментов репликации и транскрипции. Напротив, дезоксирибонуклеиновые петли периферической области нуклеоида напрямую контактируют с цитоплазмой и представляют собой активные участки бактериального генома.

Количество белкового компонента в нуклеоиде бактерий не превышает 10 %, что примерно в 5 раз меньше, чем в хроматине эукариот. Большая часть белков ассоциирована с ДНК и участвует в ее структурировании. РНК представляет собой продукт транскрипции бактериальных генов, которая осуществляется на периферии нуклеоида.

Генетический аппарат бактерий является динамическим образованием, способным менять свою форму и структурную конформацию. В нем отсутствуют характерные для ядра эукариотической клетки ядрышки и митотический аппарат.

Бактериальная хромосома

В большинстве случаев хромосомы нуклеоида бактерий имеют замкнутую кольцевую форму. Значительно реже встречаются линейные хромосомы. В любом случае эти структуры состоят из одной молекулы ДНК, которая содержит набор генов, необходимых для выживания бактерии.

Хромосомная ДНК укомплектована в виде суперспирализованных петель. Количество петель на хромосому варьирует от 12 до 80. Каждая хромосома является полноценным репликоном, так как при удвоении ДНК копируется целиком. Начинается этот процесс всегда из точки начала репликации (OriC), которая прикреплена к плазматической мембране.

Суммарная длина молекулы ДНК в хромосоме на несколько порядков превышает размеры бактерии, поэтому возникает необходимость в ее упаковке, но при сохранении функциональной активности.

В хроматине эукариот эти задачи выполняют основные белки — гистоны. Нуклеоид бактерий имеет в своем составе ДНК-связывающие белки, которые отвечают за структурную организацию генетического материала, а также влияют на экспрессию генов и репликацию ДНК.

К нуклеоид-ассоциированым белкам относятся:

  • гистоноподобные белки HU, H-NS, FIS и IHF;
  • топоизомеразы;
  • белки семейства SMC.

Последние 2 группы оказывают наибольшее влияние на суперспирализацию генетического материала.

Нейтрализация отрицательных зарядов хромосомной ДНК осуществляется за счет полиаминов и ионов магния.

Читайте также:  Пермиксон инструкция по применению цена отзывы

Биологическая роль нуклеоида

В первую очередь нуклеоид необходим бактериям для того, чтобы хранить и передавать наследственную информацию, а также реализовывать ее на уровне клеточного синтеза. Иными словами, биологическая роль этого образования такая же, как у ДНК.

Другие функции нуклеоида бактерий включают:

  • локализацию и компактизацию генетического материала;
  • функциональную упаковку ДНК;
  • регуляцию метаболизма.

Структурирование ДНК не только позволяет молекуле уместиться в микроскопической клетке, но и создает условия для нормального протекания процессов репликации и транскрипции.

Особенности молекулярной организации нуклеоида создают условия для контроля клеточного метаболизма путем изменения конформации ДНК. Регуляция происходит за счет выпетливания определенных участков хромосомы в цитоплазму, что делает их доступными для ферментов транскрипции, или наоборот, втягивания внутрь.

Способы обнаружения

Существует 3 способа визуального обнаружения нуклеоида в бактериях:

  • световая микроскопия;
  • фазово-контрастная микроскопия;
  • электронная микроскопия.

В зависимости от способа подготовки препарата и метода исследования нуклеоид может выглядеть по разному.

Световая микроскопия

Для выявления нуклеоида при помощи светового микроскопа бактерии предварительно окрашивают таким образом, чтобы нуклеоид имел цвет, отличный от остального клеточного содержимого, — иначе эта структура не будет видна. Также обязательна фиксация бактерий на предметном стекле (при этом микроорганизмы погибают).

Через объектив светового микроскопа нуклеоид выглядит как бобовидное образование с четкими границами, которое занимает центральную часть клетки.

Методы окраски

В большинстве случаев для визуализации нуклеоида методом световой микроскопии используют следующие способы окраски бактерий:

  • по Романовскому-Гимзе;
  • метод Фельгена.

При окрашивании по Романовскому-Гимзе бактерии предварительно фиксируются на предметном стекле метиловым спиртом, а затем в течение 10-20 минут пропитываются красителем из равной смеси азура, эонина и метиленового синего, растворенных в метаноле. В результате нуклеоид становится фиолетовым, а цитоплазма – бледно-розовой. Перед микроскопией краска сливается, а препарат промывается дистиллятом и высушивается.

В методе Фельгена применяется слабо кислотный гидролиз. В результате освобожденная дезоксирибоза переходит в альдегидную форму и взаимодействует с фуксинсернистой кислотой реактива Шиффа. В итоге нуклеоид становится красным, а цитоплазма приобретает синий цвет.

Фазово-контрастная микроскопия

Фазово-контрастная микроскопия имеет большее разрешение, чем световая. Этот метод не требует фиксации и окраски препарата, — наблюдение происходит за живыми бактериями. Нуклеоид в таких клетках выглядит как светлая овальная область на фоне темной цитоплазмы. Более эффективным метод можно сделать, применив флюоресцентные красители.

Выявление нуклеоида при помощи электронного микроскопа

Существует 2 способа подготовки препарата для исследования нуклеоида под электронным микроскопом:

  • ультратонкий срез;
  • срез замороженной бактерии.

На электронных микрофотографиях ультратонкого среза бактерии нуклеоид имеет вид состоящей из тонких нитей плотной сетчатой структуры, которая выглядит светлее окружающей цитоплазмы.

На срезе замороженной бактерии после иммуноокрашивания нуклеоид выглядит как кораллоподобная структура с плотной сердцевиной и тонкими проникающими в цитоплазму выступами.

На электронных фотографиях нуклеоид бактерий чаще всего занимает центральную часть клетки и имеет меньший объем, нежели в живой клетке. Это связано с воздействием химических реактивов, используемых для фиксации препарата.

Что ты хочешь узнать?

Ответ

Проверено экспертом

1. Бактериальная наследственная информация носит название нуклеоида,располагается в центре клетки и представляет собой кольцевую молекулу ДНК.

2. У некоторых бактерий появляюся только зачатки полового процесса,поэтому полноценным половым размножением считать это всё-таки нельзя. Половой процесс заключается в следующем: две бактерии конъюгируют,то есть максимально близко подходят друг к другу,между ними образовывается канал,через который организмы обмениваются частью молекулы ДНК,тем самым превнося новую генетическую информацию в свой генотип.

3. В отличие от растений,бактерий образуют споры не для размножения,а в случае воздействия неблагоприятных условий окружающей среды — сильной жары,сильного холода,нехватки воды и т.д.,поэтому функция бактериальных спор заключается именно в защите и обеспечении выживаемости.

4. Мезосомы — это складки клеточной мембраны бактериальной клетки. В настоящее время функция их ещё не совсем определена,но считается,что они участвуют в делении клетки и образовании спор,синтезируют энергию и служат местом прикрепления нуклеоида.

Читайте также:  Половая жизнь женщины

Долгое время ученые всего мира вели жаркие дискуссии относительно того, какой структурой в клетке бактерий обладает молекула ДНК, и где содержится вся наследственная информация. Произведя множество опытов, они все же пришли к выводу, что генетический код зашифрован в молекулах ДНК. Но в отличие от многоклеточных организмов их структура имеет свои особенности.

Главная структурная единица всего живого

Колоссальное многообразие животного мира на планете поражает воображение. Нет такого уголка на Земле, где не существовали бы маленькие и большие существа. Жаркие пески пустынь, холодные льды Арктики, глубоководные впадины океанов – их можно встретить повсюду. Но, как ни странно звучит, все они имеют общую структурную единицу – клетку.

У одноклеточных все функциональные элементы организма помещены в одну-единственную клетку. К их числу принадлежат:

  • бактерии;
  • ряд грибов:
  • простейшие;
  • сине-зеленые водоросли.

Остальные организмы имеют многоклеточную структуру. Клетки четко взаимодействуют между собой и формируют внутренние органы, соединительные ткани или структуры. Например, в человеческом организме их насчитывается более 3 тысяч миллиардов. Благодаря их слаженной работе человек жизнеспособен.

Размер клеточек очень мал и составляет меньше 1 мм. Впервые обнаружить тот факт, что организмы имеют клеточное строение, удалось 300 лет назад. Изобретение первого микроскопа значительно упростило изучение структурных единиц.

Живая клетка, несмотря на свои микроскопические размеры, имеет сложное строение:

Отличительной чертой бактериальной клетки является то, что у нее нет четко оформленного ядра. Поэтому бактерии и сине-зеленые водоросли относятся к отдельному классу прокариотов.

Секретная генетическая информация

Вся наследственная информация закодирована в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). Именно в ней содержится инструкция, определяющая рост, деление и функциональность клеток. Например, несмотря на очень маленькие размеры, для бактерий характерно достаточное разнообразие форм:

  • шаровидная;
  • палочковидная;
  • изогнутая;
  • закручена в тройную спираль.

И благодаря генетической информации, заключенной в спирали ДНК, дочерние клетки будут принимать форму материнской. Природа так методично отработала механизм размножения, что практически нет сбоев. В процессе деления образуется дочерняя спираль, которая идентична по своей хромосомной структуре материнской. Процесс этот называется репликацией.

Возможность размножаться – это ведущее свойство клетки. Чтобы качественно выполнять возложенную на нее функцию, она должна иметь достаточно сложное строение. На деле так оно и есть – каждая молекула содержит в себе более 1000 различных соединений.

В процессе деления простые молекулы превращаются в сложные молекулярные комбинации, используя энергию при питании. Бактерии получают свою долю энергетического заряда от расщепления органических веществ, а растения – неорганических.

Внутри молекул химические реакции происходят сами по себе достаточно медленно. Поэтому, чтобы живые организмы на Земле не прекратили свое существование, молекулы оснащены специальными катализаторами (ферментами). К сожалению, универсального фермента нет, и каждый отвечает только за проведение определенной химической реакции.

Бактериальные особенности шифрования

Основное скопление спиралей ДНК у бактерий находится в большой кольцевой молекуле. Называется она бактериальной хромосомой.

Но, кроме того, бактериальная клетка снабжена немалым количеством очень мелких кольцевых молекул ДНК под названием плазмиды. Они способны не только размножаться, но и передаваться другим микробам. Лучше всего изучены современной наукой плазмиды, которые несут информацию об устойчивости к медикаментам. В частности, информация о невосприимчивости микроорганизмов к тем или иным антибиотикам помогает разрабатывать действенные лекарственные препараты.

Молекула ДНК – двойная спираль. Это полимер, который представляет собой две спирально закрученные между собой цепи, объединенные водородными связями. Звенья цепи состоят из более простых соединений:

  • азотистого основания;
  • сахара дезоксирибозы;
  • остатка фосфорной кислоты.

Если молекулу ДНК развернуть, то ее длина будет по величине превосходить бактериальную клетку в 1000 раз. В течение длительного промежутка времени считалось, что у бактериальной спирали ДНК нет четкой организации, и все нити хаотично сплетены в большой клубок. Но научные эксперименты показали, что на самом деле бактериальные хромосомы имеют четко упорядоченное устройство. Иначе процесс репликации и последующее рассредоточение хромосом по дочерним клеткам были бы невозможны.

Читайте также:  Папиллома шейки матки фото у женщин

Защитная система «стоп-вирус»

Казалось бы, нет злоумышленников, которые могут атаковать такую крошку, как бактерия. Нет врага, способного поселиться внутри одноклеточного организма. Оказывается, есть. И называется он вирусом.

Этот инфекционный агент не имеет оформленной клеточной структуры и может вести активную жизнедеятельность только внутри живых клеток. В том числе и внутри бактерий.

Внедрение вируса происходит следующим образом. Он прикрепляется к бактериальной мембране, пробивает ее и впрыскивает в середину свою ДНК.

Тщательные научные эксперименты показали, что пробить клеточную оболочку для вируса не составляет никакого труда благодаря своеобразному буру. Он представляет собой белковое копье с наконечником из иона железа.

Нуклеиновая кислота, впрыснутая вирусом, молниеносно распространяется по всему микроорганизму. Вирусные частички очень быстро разрушают его. И если бы отсутствовал защитный механизм, то бактерия очень быстро погибла.

«Малыши» выработали свою охранную систему, которая называется бактериальным иммунитетом. С ее помощью микроорганизм фиксирует все данные касательно вирусов. Впоследствии он использует ее для обороны от атакующих противников.

Бактериальная хромосома имеет четкую последовательность спирали ДНК, где определенные участки попеременно повторяются. Если иммунная защита обнаруживает присутствие в клетке чужеродной ДНК, то включается механизм уничтожения пришельца. Разрушение вражеского компонента происходит с помощью особого белкового комплекса.

Всякая система может иногда давать сбои. Нет исключений и у иммунной защиты бактерий. Иногда ДНК вируса повреждает спираль ДНК микроба, и возникает так называемое аутоиммунное заболевание. Справедливости ради следует отметить, что такие инциденты достаточно редки и являются скорее исключением из правил.

Вездесущие микроорганизмы в генной инженерии

Генная инженерия только начинает внедряться в нашу реальность. Тем не менее уже достигнуты достаточно ощутимые результаты, которые качественно улучшают человеческую жизнь. Например, синтетическим путем получен такой жизненно важный препарат, как инсулин.

Не остались в стороне от научно-технического прогресса и крошки-бактерии. Дело в том, что основная часть работы проводилась именно на спиралях ДНК этих микроорганизмов.

В бактериях наследственная информация накапливалась в течение миллиардов лет. В переданных из поколения в поколение данных практически нет изменений. Бактериальные плазмиды можно перенести из одной молекулы в другую, не исказив исходных данных. Так, гены, отвечающие за устойчивость к антибиотикам, при внедрении в микрофлору кишечника значительно увеличивают ее жизнеспособность в неблагоприятных условиях.

Одним из феноменальных достижений генной инженерии стал синтез противовирусного препарата «Интерферон». Человеческий организм выделяет этот белок при попадании в него вирусной инфекции. Но при осложненном течении заболевания естественного интерферона может быть недостаточно. И тогда на помощь человеку придет синтезированная форма препарата.

Запустить «Интерферон» в массовое производство помогли именно бактерии. Посудите сами: из одного литра бактериальной культуры получается такое количество препарата, на которое бы потребовались тысячи литров человеческой крови.

Разработки генных инженеров идут дальше. Уже проводятся работы по конструированию генов, носящих противоопухолевый код. Генная терапия применяется при лечении наследственных заболеваний.

Не обделили своим вниманием ученые и сельское хозяйство. Проводятся работы по созданию новых кормовых культур, которые, например, увеличивают надои молока. Разработана вакцина, которая не дает возможности вирусу герпеса атаковать поголовье домашнего скота и свести на нет все усилия животноводов.

И во многом своими достижениями человек обязан крошечным бактериям. Невидимые помощники оказывают неоценимую услугу человечеству в борьбе с такими подлинными трагедиями, как недостаток пищи или заболевания, калечащие и уничтожающие людей.

Образование высшее филологическое. В копирайтинге с 2012 г., также занимаюсь редактированием/размещением статей. Увлечения — психология и кулинария.

Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock detector