2) Пігменти, основу яких складають довгі поліізопреноїдні ланцюги (каротиноїди).

Більшість каротиноїдів побудована на основі конденсації 8 ізопреноїдних залишків. У деяких каротиноїдів поліізопреноїдний ланцюг відкритий і не містить циклічних угруповань. Такі каротиноїди називаються аліфатичними. Здебільшого на одному або обох кінцях ланцюга розташовано по ароматичному (арильні) або 3-іононовому кільцю (аліцикличні). Виділяють також каротиноїди, що не містять у молекулі кисню, і кисневмісні каротиноїди – ксантофіли.

Найрізноманітніший склад каротиноїдних пігментів у пурпурних бактерій (понад 50 каротиноїдів). У клітинах більшості пурпурних бактерій містяться тільки аліфатичні каротиноїди, багато з яких належить до групи ксантофілів. Деякі пурпурні сіркобактерії містять арильний моноциклічний каротиноїд окенон, а у двох видів несірчаних пурпурних бактерій виявлена невелика кількість 3-каротину, аліциклічного каротиноїду, поширеного в ціанобактерій і фотосинтезуючих еукаріотичних організмів. Набір і кількість окремих каротиноїдів визначають колір пурпурних бактерій (пурпурно-фіолетовий, червоний, рожевий, коричневий, жовтий). Основні каротиноїди зелених сіркобактерій — арильні з 1 або 2 ароматичними кільцями.

Каротиноїдні пігменти поглинають світло довжиною 400-550 нм. Ці пігменти, як і хлорофіл, локалізовані в мембранах і нековалентно зв’язані з мембранними білками. Окрім участі у фотосинтезі, ці пігменти задіяні в рецепції світла при фототаксисі, здійснюють захисну функцію від УФ і токсичних ефектів синглетного кисню.

Серед червоних пігментів дріжджів виділяють пульхеримін, що містить комплексно-зв’язане залізо. Пігмент продігіозин Serratia marcescens містить 3 пірольні кільця. До азахінонів належить індигоїдин – нерозчинний синій пігмент, що виділяється в середовище Pseudomonas indigofera, Corynebacterium insidiosum, Anthrobacter atrocyaneus. Багато пігментів, що виділяються водними бактеріями, належать до похідних феназину – піоціанін, феназин-1-карбонова кислота, оксихлорорафін.

5. Структура генетичного апарату прокаріот.Генетичний матеріал прокаріот, як і еукаріот, представлений ДНК, але існують істотні відмінності в його структурній організації. У прокаріот ДНК – менш компактне утворення, що займає певну ділянку в цитоплазмі та не відокремлене від неї мембраною – нуклеоїдом.

При електронно-мікроскопічному спостереженні видно, що нуклеоїд, незважаючи на відсутність ядерної мембрани, досить чітко відмежований від цитоплазми і займає в ній, як правило, центральну ділянку. Вся генетична інформація прокаріот міститься в одній молекулі ДНК, що має форму ковалентно замкненого кільця й отримала назву бактеріальної хромосоми. Довжина молекули в розгорненому вигляді може складати більше 1 мм, тобто майже в 1000 разів перевищувати довжину клітини (довжина у кишечної палички 3 мкм, а довжини плазміди 1,3 мкм). Лінійні хромосоми виявлені у Streptomyces, Borrelia. Спеціальні дослідження показали, що хромосоми прокаріот – високовпорядкована структура, яка має константу седиментації 1300-2000S для вільної і 3200-7000S для пов'язаної з мембраною форми. В обох випадках частина ДНК у цій структурі представлена системою з 20-100 петель, що незалежно суперспіралізують за участю молекули РНК. ДРК прокаріот щільно упакована і малодоступна для дії ферментів (РНК-полімерази). Тому транскрипція можлива не в основній масі ДНК, а лише на поверхні нуклеоїду.

Хромосоми більшості прокаріот мають молекулярну масу в межах 1-3x109 Да. У групі мікоплазм генетичний матеріал представлений молекулами, що мають найменшу для клітинних організмів кількість ДНК (0,4–0,8x109), а найбільший вміст ДНК виявлений у нитчастих ціанобактерій (8,5x109). Хоча кожна прокаріотична клітина містить 1 хромосому, часто в культурі мікроорганізмів і за дії на них певних чинників кількість ДНК на клітину може складати 3, 4, 8 і більше хромосом.

ДНК прокаріот побудована так само, як і еукаріот. У клітинах більшості прокаріот не виявлено гістонів, тому нейтралізація зарядів здійснюється взаємодією ДНК із поліамінами (сперміном і спермідином), а також з іонами Mg2+. Останнім часом у деяких архебактерій і ціанобактерій виявлені гістони і гістоноподобні білки, пов’язані з ДНК (гістоноподібні білки – HU і HNS). Вміст пар основ А+Т і Г+Ц у молекулі ДНК постійний для цього виду організму і слугує важливою діагностичною ознакою. У прокаріот мольна частка ГЦ у ДНК коливається в дуже широких межах: від 23 до 75%.

Поділ молекули ДНК (реплікація) відбувається за напівконсервативним механізмом і в нормі завжди передує поділу клітини. За допомогою електронного мікроскопа встановлено, що реплікація ДНК починається в точці прикріплення кільцевої хромосоми до ЦПМ, де локалізований ферментативний апарат, відповідальний за реплікацію. Часто контакт ДНК із ЦПМ здійснюється за допомогою мезосом. Реплікація, що почалася в точці прикріплення, йде потім у двох протилежних напрямах, утворюючи характерні для кільцевої хромосоми проміжні структури. Дочірні хромосоми залишаються прикріпленими до мембрани. Реплікація молекул ДНК відбувається паралельно із синтезом мембрани в ділянці контакту ДНК з ЦПМ. Це приводить до розділення дочірніх молекул ДНК і оформлення відособлених хромосом.

Суперспіралізовані петлі, що відповідають неактивним ділянкам ДНК, знаходяться в центрі нуклеоїду. На його периферії розташовуються деспіралізовані ділянки, на яких відбувається синтез інформаційної РНК (іРНК) При цьому, оскільки в бактерій процеси транскрипції та трансляції йдуть одночасно, одна і та ж молекула іРНК може бути пов’язана з ДНК і рибосомами (пряме спряження процесів транскрипції та трансляції – важлива відмінність прокаріот і еукаріот).

У багатьох бактерій виявлені позахромосомні генетичні елементи: плазміди, помірні фаги і мігруючі елементи (транспозони і IS-елементи - insertion sequences). Для плазмід характерне стабільне існування в нехромосомному стані. Транспозони і IS-елементи входять, як правило, до складу хромосом, але здатні переходити з хромосоми у плазміду, тому також можуть бути віднесені до нехромосомних генетичних елементів.

Вивчення позахромосомних генетичних елементів показало, що загальний об’єм ДНК, що входить до їх складу, перевищує об’єм геному кожної особини. Вважають, що в бактеріальній хромосомі локалізована генетична інформація, необхідна для існування конкретного виду бактерій у певному діапазоні умов зовнішнього середовища. Особливість генетичної інформації, що міститься в позахромосомних елементах – її необов’язковість для життєдіяльності бактерій. Проте вони розширюють можливості існування бактеріального виду, забезпечують обмін генетичним матеріалом і відіграють певну роль в еволюції прокаріот.

Кількість плазмідної ДНК у клітині складає не більше кількох відсотків від клітинного геному, а кількість плазмід коливається від 1 до 38. Плазміди – це лінійні або кільцеві ковалентно замкнені молекули ДНК, що містять від 1500 до 40000 пар нуклеотидів. Нещодавно виявлені лінійні плазміди у Streptomyces, Borrelia, Rhodococcus – вони мають великі розміри, їх важко відрізнити від хромосоми. Більшість плазмід складаються з трьох груп генів (або модулей):

- ділянки ДНК, відповідальної за автономну реплікацію плазміди;

- системи генів, що забезпечують можливість перенесення плазмід з однієї клітини в іншу;

- генів, що визначають властивості, корисні для клітини-господаря.

Відмінна особливість плазмід – здатність до автономної реплікації, тому мінімальна кількість ДНК, яка може бути названа плазмідою, – це фрагмент, що забезпечує автономну реплікацію плазмідної ДНК у клітині як єдиного цілого.

Про присутність плазмід у бактеріальній клітині свідчить стійкість до окремих лікарських препаратів, синтез речовин антибіотичної природи, здатність до перенесення генів при кон’югації, використовувати деякі цукри або забезпечувати деградацію ряду речовин.

Плазміди виконують 2 функції:

- регуляторну – компенсують порушення ДНК клітини. При інтеграції плазміди до складу пошкодженого бактеріального геному не здатного до реплікації, його функція відновлюється за рахунок плазмідного реплікону;

- кодуючи – внесення у клітину нової інформації.

Відомо більше 20 типів плазмід:

- F – статевий фактор, масою 6х106 Да. Контролює синтез статевих ворсинок. Передається при кон’югації в клітину-реципієнта;

- R – велика кількість, визначають стійкість до лікарських засобів. Передача їх від одних бактерій до інших призвела до широкого розповсюдження серед патогенних й умовно-патогенних бактерій, що ускладнює хіміотерапію. Кодують – str – аміноглікозидаденінтрансферазу, cat – левоміцетинацетил-трансферазу, kan – аміноглікозидфосфотрансферазу (продукти модифікують відповідні антибіотики шляхом аденілюванння, ацетилювання, фосфорилювання), bla – β-лактамазу, tet – порушують проникність мембран. Складають з 2 частин – r і tra-оперон;

- плазміди патогенності – контролюють вірулентні властивості бактерій і токсиноутворення;

- бактеріоциногенні – бактеріоцини вбивають бактерій того ж виду чи близьких – коліцини, пестіцини, вібріоцини, стафілоцини. Існує 25 типів коліцинів – речовин білкової природи, що розрізняються за фізико-хімічними, антигенними властивостями, здатністю адсорбуватися на певних поверхнях бактеріальної клітини, механізмом дії – Col E1 (прототип більшості плазмід, що використовуються в генній інженерії – підвищують проникність мембран), Col E2 (викликають деградацію ДНК), Col E3 (викликають деградацію рРНК);

- плазміди, що кодують ендонуклеази і метилтрансферази – здійснюють захист від фагової інфекції та чужеродної ДНК;

- Ті-плазміда (500 т.п.н.) Agrobacterium tumerfaciens індукує утворення пухлин;

- плазміди біодеградації – несуть інформацію про утилізацію цукрів, білків, найрізноманітніших речовин (псевдомонади утилізують октан, декан, ароматичні вуглеводні, хлоровмісні сполуки), кодують усі ферменти такого шляху деградації або лише частину з них – метабіоз різних мікроорганізмів.

Мігруючі елементи представлені транспозонами і IS-елементами. Це лінійні молекули двониткової ДНК, розміри яких коливаються від 200 до 6000 пар нуклеотидів. Відмінна особливість мігруючих елементів – нездатність до автономної реплікації. Мігруючі елементи можуть вбудовуватися в різні ділянки бактеріальної хромосоми або мігрувати з бактеріальної хромосоми на плазміду; їх реплікація здійснюється під контролем тих же механізмів, що й у відповідної хромосоми або плазміди. IS-елементи містять лише інформацію необхідну для їх перенесення всередину клітини. Транспозони побудовані складніше: в них вміщені деякі гени, що не причетні до процесу транспозиції (наприклад, гени стійкості до антибіотиків, іонів важких металів та інших інгібіторів). Поділяються на 2 класи:

• І-клас – містять на кінцях IS-елементи;

• ІІ-клас – переміщуються за допомогою реплікативного механізму з утворенням проміжного продукту коінтеграту.

6. Зміна генетичного матеріалу. Для вивчення мінливості бактерій доцільно згадати терміни генотип і фенотип. Генотипом, або геномом, називають сукупність усіх генів, властивих певному організму, тобто його генетичну конституцію. Під фенотипом розуміють сукупність ознак, властивих певному організму.

Зміни бактеріальних клітин можна розділити на два типи:

І. Виявляються в переважної більшості особин у популяції під час зміни зовнішніх умов і спостерігаються доти, поки діє чинник, що викликав ці зміни. Такий тип мінливості отримав назву неспадкової, або модифікаційної. Модифікація – зміна, що відбувається на рівні фенотипу і не торкається клітинного генотипу. Реакція клітини на зміну зовнішніх умов приводить до появи нових ознак, властивостей, які не виявлялися в початковій культурі. Модифікація – результат пластичності клітинного метаболізму, що приводить до фенотипічного прояву „мовчазних” генів. Існує кілька типів модифікаційних змін. Найвідоміші адаптивні модифікації, наприклад, адаптація Е. coli до лактози як нового субстрату (1). У ряді бактерій виявлена універсальна адаптивна реакція у відповідь на різні стресові дії (високі та низькі температури, різкий зсув pH), що проявляється в інтенсивному синтезі групи схожих білків – білків теплового чи холодового шоку (2). Синтез бактеріями ферментів деградації та зміни антибіотиків (3), утворення L-форм (4) та S- і R-модифікації – приклади неспадкової мінливості. Адаптивні модифікації розширюють можливості організму до виживання та розмноження в широкому діапазоні умов зовнішнього середовища. Біохімічною основою їх слугує синтез індуцибельних ферментів.

ІІ. Ознаки, які спочатку виникають як рідкісні події в популяції особин (з частотою 1 на 104—1011 клітин). Якщо змінені особини мають перевагу перед незміненими (наприклад, підвищена швидкість росту, інтенсивна життєздатність), вони поступово нагромаджуються в популяції та витісняють початкові особини. Ці зміни передаються з покоління в покоління. Такий тип мінливості отримав назву спадкової. Спадкові зміни можна поділити на зміни, що виникають у результаті мутацій і рекомбінацій генетичного матеріалу.

Стрибкоподібні зміни в генетичному матеріалі клітини, що приводять до появи нових ознак, називаються мутаціями. Спонтанні мутації виникають у популяції особин завжди, часто без видимого впливу на популяцію. Підвищувати частоту мутацій або індукувати їх можуть фізичні, хімічні та біологічні чинники. Мутації, незалежно від того, мають вони спонтанне походження чи індуковані мутагеном, можна поділити на мутації, що полягають у зміні одного нуклеотиду (точкові мутації) і мутації, при яких спостерігається зміна ділянки молекули ДНК розміром більше одного нуклеотиду.

У результаті рекомбінації генетичного матеріалу відбувається часткове об’єднання геномів двох кліток. Відомі три основні способи, що приводять до рекомбінації генетичного матеріалу прокаріот:

І) При кон’югації, для якої необхідний безпосередній контакт між бактеріальними клітинами, здійснюється направлене перенесення генетичного матеріалу від клітини-донора в клітину-реципієнта. Як правило, в клітину-реципієнта переноситься тільки частина генетичного матеріалу донора, внаслідок чого утворюється неповна зигота, або мерозигота з частиною геному донора і повним геномом реципієнта. Ділянки перенесеної від донора ДНК знаходять гомологічні ділянки в молекулі ДНК реципієнта, між якими відбувається генетичний обмін. Процес виявлений Д.Ледербергом і Е.Тейтумом у 1946 р. під час дослідженні E. сoli. Звичайно клітини E. сoli синтезують усі необхідні їм амінокислоти, якщо в середовищі міститься достатньо глюкози і неорганічних солей. Експерименти проводили з двома групами мутантних штамів (утворилися за дії УФ): мутантами, не здатними синтезувати біотин і метіонін і мутантами, не здатними синтезувати треонін і лейцин. При цьому використовували поживне середовище, що не містило жодного з означених факторів росту. У середовище вносили по 10 клітин кожного штаму. Отримано кілька сотень колоній, в яких були всі гени, необхідні для утворення 4-х факторів. Донорська здатність клітин визначається генами, що знаходяться в невеликій кільцевій молекулі ДНК, яку називають статевим фактором – F-фактором (плазміда). Вони кодують білок специфічних F-пілей. F-пілі полегшують контакт клітин одна з одною. При кон’югації один із ланцюгів ДНК F-фактору може проникати через статеву фімбрію з клітини-донора (F+) у клітину-реципієнт (F-). У клітині-донорі зберігається F-фактор, який реплікується в ній, поки у клітині-реципієнті синтезується її власна копія. Так поступово вся популяція клітин стає F+-клітинами.

ІІ) Трансформація бактерій полягає в перенесенні ДНК, виділеної з одних клітин в інші. Для трансформації не потрібен безпосередній контакт між двома клітинами. Здатність ДНК проникати в клітину-реципієнта залежить як від природи самої ДНК, так і від фізіологічного стану клітини-реципієнта. Трансформуючими ДНК можуть бути тільки високомолекулярні дволанцюгові фрагменти, при цьому проникати в бактеріальну клітку може ДНК, виділена з різних біологічних джерел, але включатися в геном – тільки ДНК із певним ступенем гомологічності. Після того, як екзогенний фрагмент ДНК, що проник у клітину, знайшов гомологічний фрагмент ДНК реципієнта, між ними відбувається генетичний обмін аналогічний останньому етапу кон’югації.

Відкрита у 1928 р. Ф. Грифітсом у дослідах з авірулентним безкапсульним штамом пневмокока, який набув вірулентності. Відомі колонії пневмококів двох типів – шорсткі – R, гладкі – S. R-штами непатогенні й не утворюють капсулу. Грифітс виявив: якщо мишам ввести живі R-клітини і мертві S-клітини, то миші гинуть через кілька днів, а у крові виявляються живі S-клітини. Він зробив висновок, що з мертвих S вивільняється фактор, який надає R здатність утворювати капсулу і попереджати їх руйнування в організмі господаря. Під час трансформації з клітини-донора виходить невеликий фрагмент ДНК, який активно поглинається клітиною-реципієнтом і включається до складу її ДНК, заміщуючи у ній схожий, але неідентичний фрагмент.

ІІІ) Трансдукція – перенесення генів із однієї бактеріальної клітини в іншу за допомогою фагів. Цей вид генетичного обміну відкритий Н.Ціндером і Дж.Ледербергом у 1951 році. Розрізняють:

• неспецифічну трансдукцію – у процесі репродукції в момент збирання фагових частин в їх головку разом із фаговою ДНК може проникнути будь-який фрагмент ДНК бактерії-донора (наприклад, гени, що контролюють синтез амінокислот, пуринів, піримідинів, стійкості до антибіотиків). Перенесений фагом фрагмент ДНК бактерії-донора може включатися в гомологічну ділянку ДНК клітини-реципієнта шляхом рекомбінації;

• специфічну трансдукцію – характеризується здатністю фага переносити певні гени від бактерії-донора до бактерії-реципієнта. Це пов’язано з тим, що утворення трансдукуючого фага відбувається шляхом вилучення профага з бактеріальної хромосоми разом із генами, розміщеними на хромосомі клітини-донора поряд із профагом (наприклад, фаг λ переносить гени gal чи bio);

• абортивну трансдукцію – перенесений фагом фрагмент ДНК бактерії-донора не включається в хромосому бактерії-реципієнта, а розміщується в її цитоплазмі і може там функціонувати.

Усі відомі способи передачі генетичної інформації за допомогою плазмід створюють величезні можливості для інтенсивних генетичних обмінів між клітинами різних бактерій. Плазмідам і іншим позахромосомним генетичним елементам належить основна роль у передачі генетичної інформації "по горизонталі". Можна припустити, що в природі будь-яка генетична інформація може бути перенесена у клітину прокаріот, якщо не прямо, то через посередників.