25.Плазмиды бактерий

Плазмиды – это внехромосомные генетические детерминанты. В химическом отношении плазмиды представляют собой молекулы ДНК, содержащие до 400 тыс. нуклеотидных пар. В бактериальной клетке они существуют в основном в виде двухцепочных ковалентно-закрытых кольцевых молекул, которые еще и скручены – сверхспиральные молекулы. Конфигурация такого типа очень устойчива. Плазмиды существуют также в виде двухцепочных открытых кольцевых молекул (формирование таких молекул обусловлено смыканием лишь одной цепи из двух). Эти молекулы не скручены, их называют релаксированными, или ослабленными, они менее стойкие. Плазмидная ДНК может существовать в клетке и в виде двухцепочной линейной молекулы, такие молекулы нестойкие. Важнейшие свойства плазмид: автономность, способность к самостоятельной репликации, регуляция своих функций, трансмиссивность.

Репликация плазмид – это их размножение, т.е. регулярное увеличение количества копий той или иной плазмиды, и равномерное распределение образовавшихся копий между потомством делящейся бактериальной клетки. Плазмиды существуют автономно (обособленно от хромосом). В этом состоянии они способны к бесконечно долгому поддержанию и воспроизведению. Такая способность плазмид связана с тем, что их репликация осуществляется самостоятельно и независимо от размножения бактерий. Плазмиды обладают также способностью к саморегуляции своей репликации независимо от механизмов, которые регулируют размножение бактериальных хромосом.

Существуют также эписомы (греч. ehi – над, сверх, soma – тело) – это плазмиды, способные объединяться с хромосомой. Процесс объединения плазмиды с хромосомой называется включением в хромосому, или интеграцией, обратный процесс – исключением. Примером эписом является умеренный фаг у лизогенных бактерий, половой фактор. В интегрированном состоянии плазмиды ведут себя подобно хромосомным генам. Плазмиды могут существовать в клетке либо в автономном состоянии, либо в интегрированном состоянии. Эти состояния исключают друг друга. Плазмиды могут переходить из одного состояния в другое.

Плазмидам свойственна инфекционность – способность проникать в клетку извне. Многие плазмиды способны переходить от одних бактериальных клеток к другим. Такие плазмиды называются трансмиссивными, или конъюгативными. Благодаря таким плазмидам бактерии способны действовать в качестве генетических доноров, т.е. вступать в конъюгацию с клетками-реципиентами, которые не содержат плазмид, и передавать им не только плазмиды, но и хромосомный генетический материал. Таким образом конъюгативные плазмиды обеспечивают системы скрещивания. Неконъюгативные плазмиды – это те, которые не способны передаваться от одних клеток к другим самостоятельно. Эти плазмиды не передают содержащим их клеткам свойства генетических доноров. Они мельче по размерам, обитают в автономном состоянии. Но они могут быть мобилизованы на перенос от одних клеток к другим конъюгативными плазмидами.

Плазмиды обитают в бактериях многих видов, но не оказывают существенного влияния на их рост и размножение. Однако плазмиды несут гены, которые контролируют ряд очень важных свойств бактерий. Главные группы плазмид: F-плазмиды (несут в себе половой фактор); R-плазмиды (контролируют лекарственную устойчивость бактерий); Col-плазмиды (контролируют синтез кишечными бактериями токсического вещества – колицина). Существует целый ряд других плазмид, контролирующих факторы патогенности бактерий, способности к синтезу отдельных биологически активных веществ, способности к разрушению химических соединений (например, разрушение бензола, нафталина, камфары, салициловой кислоты и др.).

В одной бактериальной клетке может одновременно находиться несколько типов плазмид. Если плазмиды не могут стабильно существовать в одной клетке, то их называют несовместимыми. Несовместимость плазмид обуславливается блокированием репликации одной из них, в результате чего эта плазмида исключается. Совместимость плазмид - это когда каждая плазмида в клетке размножается независимо и сохраняет сторгую автономность одна по отношению к другой.

Плазмиды широко используются в работах по конструированию новых биологически активных молекул ДНК. С помощью плазмид решается целый ряд прикладных проблем. Например, изыскиваются методы преодоления лекарственной устойчивости бактерий – возбудителей инфекционных болезней. Разрабатываются методы лечения наследственных болезней. Решаются вопросы повышения эффективности ряда технологических процессов, лежащих в основе производства биологи чески активных веществ.

26. Температура. Температура является одним из наиболее мощных факторов, определяющих возможность существования и интенсивность развития микроорганизмов. Жизнь микроорганизмов возможна лишь в определенных температурных условиях. Характерно, что оптимальная температура всегда ближе к максимальной, чем к минимальной. Микроорганизмы, имеющие широкие температурные диапазоны развития, называются эвритермными. Обычно они обитают в условиях, где температура значительно варьирует (почва, вода, воздух). Микроорганизмы, имеющие узкие температурные границы развития, называются стенотермными. Они, как правило, находятся в среде с относительно постоянной температурой (горячие источники, зона вечной мерзлоты). По отношению к температуре микроорганизмы делятся на три группы – психрофилы, мезофилы, термофилы. Мезофилы (греч. meson – средний, phileo – люблю) развиваются в интервале температур от 10⁰С до 50⁰С. Оптимальная температура для них 25-37⁰С. Это наиболее широко распространенная группа микроорганизмов. К ним относятся как сапрофитные микроорганизмы, так и патогенные для человека и теплокровных животных.

Психрофилы (греч. psyhria – холод). Среди них есть облигатные формы, не способные к росту при температуре выше 20⁰С, и факультативные психрофилы. развивающиеся в более широком температурном интервале – от минусовых температур до 30-35⁰С. для них оптимальной является температура 20-25⁰С. Психрофильные микроорганизмы широко распространены в водной среде, в почве холодных областей. Их характерной особенностью является активность ферментов при низких температурах, а также более высокое, по сравнению с другими микроорганизмами, содержание в клеточной мембране ненасыщенных жирных кислот. Поэтому мембраны остаются полужидкими при низких температурах (мембраны с преимущественным содержанием насыщенных жирных кислот при низких температурах становятся твердыми и недействующими). Обязательное условие роста психрофилов при минусовых температурах – нахождение воды в жидком состоянии.

Термофилы (греч. termo – тепло). Энзимы и механизм синтеза белка у термофилов более устойчивы к нагреванию, чем у мезофиллов. Более устойчива к высокой температуре и клеточная мембрана термофильных микроорганизмов. Она богата насыщенными жирными кислотами, образующими сильные гидрофобные связи, что придает липидной мембране устойчивость при высокой температуре.

Группу термофилов делят на четыре подгруппы. Термотолерантные виды растут в пределах от 10 до 55-65⁰С, оптимальная область лежит при 35-40⁰С; основное их отличие от мезофилов – способность расти при повышенных температурах, хотя оптимальные температуры роста для обеих групп находятся на одном уровне; примером таких бактерий является Bacillus subtilis. Факультативные термофилы имеют максимальную температуру роста между 50 и 65⁰С, но способны также к размножению при комнатной температуре, оптимум приходится на область температур, близких к верхней границе роста; особенность этой группы – способность к росту в области 20-40⁰С. К облигатным термофилам относят виды, обнаруживающие способность расти при температурах около 70⁰С и не растущие ниже 40⁰С; оптимальная температурная область таких термофилов примыкает к их верхней температурной границе роста. Недавно обнаружены прокариоты, выделенные в группу экстремальных термофилов, имеющие оптимум развития при температуре 80⁰С и выше. Термогенные микроорганизмы способны не только выдерживать повышенную температуру, но и сами создают ее, выделяя тепло (в компостах, при хранении зерна, муки, сена, в птичьих гнездах).

Способность развиваться при определенной температуре следует отличать от способности переносить ту или иную температуру. Многие микроорганизмы при низких температурах длительное время сохраняют жизнеспособность, но их активная жизнедеятельность приостанавливается. При температуре минус 30⁰С клеточный рост прекращается, однако ферментные реакции, хотя и замедленно, но могут происходить. Низкие температуры вызывают у микроорганизмов состояние анабиоза.

Значительно менее устойчивы микроорганизмы к действию высоких температур. Губительное действие высоких температур связано с денатурацией белка, повреждением рибосом, нарушением осмотического барьера клетки. Лучше всего выдерживают высокие температуры спорообразующие бактерии, а среди них – термофильные спорообразующие бактерии. Такие бактерии являются наиболее термоустойчивыми среди всех живых организмов (например, Bacillus stearothermophilus).

На влиянии высоких температур на микроорганизмы основаны такие способы обработки материала и питательных сред, как тепловая стерилизация и пастеризация. Процесс отмирания микроорганизмов под влиянием температуры выражается уравнением:

К = 1/t ∙lg А/В,

где К – константа процесса; t – продолжительность воздействия; А – начальное число бактерий; В – число бактерий, оставшихся после воздействия температуры.

Молодые вегетативные клетки микроорганизмов богатые водой, при нагревании погибают быстрее, чем старые, потерявшие определенное количество воды. Наличие в среде жира смягчает действие температур. Микроорганизмы погибают при нагревании быстрее при низких значениях рН. Сухие клетки более термоустойчивы, чем влажные. поэтому стерилизация сухих объектов требует более высоких температур и более длительного времени

27. Осмотическое давление определяет концентрация веществ во внешней по отношению к микроорганизму среде. Переход воды из окружающей среды в клетку возможен, если осмотическое давление в клетке больше, чем давление внешнего раствора. Нормальное давление в клетке обычно составляет 3-6 атм. В засоленных почвах, засахаренных средах (варенье, мёд) осмотическое давление может достигать 100 атм. Микроорганизмы, живущие в таких средах, приспособились к ним, выработав защитный механизм в виде повышения давления внутри клетки. Приспособление микроорганизмов к изменению осмотического давления называется осморегуляцией.Осмотолерантными называются микроорганизмы, растущие в средах с высокими концентрациями веществ. Осмофильными называются микроорганизмы не только выдерживающие, но даже предпочитающие среду с повышенной концентрацией веществ. Галофильные (солелюбивые) микроорганизмы требуют для своего роста значительных концентраций хлорида натрия. Этим микроорганизмам требуются ионы натрия для стабильности клеточной мембраны и активности ряда ферментов. Такая потребность строго специфична (натрий нельзя заменить другими ионами). При уменьшении содержания хлорида натрия в среде клеточная стенка галофильных бактерий разрушается и клетки лизируются. Экстремальные галофилы могут существовать даже в концентрированных растворах поваренной соли. Галофилы являются обитателями соленых озер и морей. Большинство микроорганизмов обладает слабой устойчивостью к соли. Это гнилостные, кишечные, многие патогенные бактерии.Плазмолиз (от др.-греч. πλάσμα — вылепленное, оформленное и λύσις — разложение, распад), отделение протопласта от клеточной стенки в гипертоническом растворе. Плазмолизу предшествует потеря тургора. Плазмолиз возможен в клетках, имеющих плотную клеточную стенку (у растений, грибов, крупных бактери). Клетки животных, не имеющие жесткой оболочки, при попадании в гипертоническую среду сжимаются, при этом отслоения клеточного содержимого от оболочки не происходит. Характер плазмолиза зависит от ряда факторов:

от вязкости цитоплазмы;

от разности между осмотическим давление внутриклеточной и внешней среды;

от химического состава и токсичности внешнего гипертонического раствора;

от характера и количества плазмодесм;

от размера, количества и формы вакуолей.

Различают уголковый плазмолиз, при котором отрыв протопласта от стенок клетки происходит на отдельных участках, выпуклый плазмолиз, когда отслоение захватывает значительные участки плазмалеммы, и вогнутый, полный плазмолиз, при котором связи между соседними клетками разрушаются практически полностью. Выпуклый плазмолиз часто обратим; в гипотоническом растворе клетки вновь набирают потерянную воду, и происходит деплазмолиз. Вогнутый плазмолиз обычно необратим и ведет к гибели клеток.

Выделяют также судорожный плазмолиз, подобный выпуклому, но отличающийся от него тем, что сохраняются цитоплазматические нити, соединяющие сжавшуюся цитоплазму с клеточной стенкой, и колпачковый плазмолиз, характерный для удлиненных клеток.

Плазмоптиз (плазмо- + греч. ptisis дробление) набухание микробных клеток и разрушение их оболочек в гипотоническом растворе.