Какую форму имеет ДНК у бактерий

§ 18. Сходства и различия в строении прокариотических и эукариотических клеток

Подробное решение параграф § 18 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. 2014

1. Вспомните примеры многоядерных клеток.

Ответ. Многоядерная клетка, тип клетки, имеющей много ядер. Ядра образуются в том случае, когда в клетке неоднократно делится только ядро, а клетка в целом и ее оболочка остаются прежними. Из таких клеток состоят, например, волокна поперечно-полосатой мускулатуры; они образуют ткань, известную под названием синцитий (соклетие). Многоядерные клетки имеются также у некоторых водорослей и грибов.

2. Какую форму могут иметь бактерии?

Ответ. По особенностям морфологии выделяют следующие группы бактерий: кокки (более или менее сферические), бациллы (палочки или цилиндры с закругленными концами), спириллы (жесткие спирали) и спирохеты (тонкие и гибкие волосовидные формы). Некоторые авторы склонны объединять две последние группы в одну – спириллы.

Вопросы после §18

1. Какую форму имеет ДНК у бактерий?

Ответ. Единственная кольцевая молекула ДНК, находящаяся в клетках прокариот и условно называемая бактериальной хромосомой, находится в центре клетки, однако эта молекула ДНК не окружена мембраной и располагается непосредственно в цитоплазме в виде туго скрученных спиралей

2. Могут ли бактерии размножаться половым путём?

Ответ. Половое размножение у прокариот наблюдается гораздо реже, чем бесполое, однако оно очень важно, так как при обмене генетической информацией бактерии передают друг другу устойчивость к неблагоприятным воздействиям (например, к лекарствам). При половом процессе бактерии могут обмениваться как участками бактериальной хромосомы, так и особыми маленькими кольцевыми двуцепочечными молекулами ДНК – плазмидами. Обмен может происходить через цитоплазматический мостик между двумя бактериями или с помощью вирусов, усваивающих участки ДНК одной бактерии и переносящих их в другие бактериальные клетки, которые они заражают.

3. Когда у бактерий образуются споры и какова их функция?

Ответ. В неблагоприятных условиях (холод, жара, засуха и т. д.) многие бактерии способны образовывать споры. При спорообразовании вокруг бактериальной хромосомы образуется особая плотная оболочка, а остальное содержимое клетки отмирает. Спора может десятилетиями находиться в неактивном состоянии, а в благоприятных условиях из неё снова прорастает активная бактерия. Недавно немецкие исследователи сообщили, что им удалось «оживить» споры бактерий, которые образовались 180 млн лет назад при высыхании древних морей!

4. Что такое мезосомы и какие функции они выполняют?

Ответ. Клеточная мембрана прокариот образует многочисленные впячивания внутрь клетки – мезосомы. На них располагаются ферменты, обеспечивающие реакции обмена веществ в прокариотической клетке.

► Рассмотрите таблицу 3. Выделите основные отличия прокариотических и эукариотических клеток.

Ответ. Эукариоты представляют собой надцарство живых организмов. В переводе с греческого языка «эукариот» обозначает «владеющий ядром» . Соответственно эти организмы в своем составе имеют ядро, в котором закодирована вся генетическая информация. К ним относятся грибы, растения и животные.

Прокариоты – это живые организмы, в клетках которых ядро отсутствует. Характерными представителями прокариот являются бактерии и цианобактерии.

Эукариоты и прокариоты сильно отличаются по размеру друг от друга. Так средний диаметр эукариотической клетки — до 40 мкм и более, а прокариотической – 0,3-5,0 мкм мм.

Прокариоты имеют кольцевую ДНК, которая располагается в нуклеоиде. Эта клеточная область отделена от остальной цитоплазмы при помощи мембраны. ДНК никак не связана с РНК и белками, отсутствуют хромосомы.

ДНК эукариотических клеток линейная, располагается в ядре, в котором имеются хромосомы.

Прокариоты размножаются в основном простым делением пополам, в то время как эукариоты делятся при помощи митоза, мейоза или сочетанием этих двух способов.

У эукариотических клеток имеются органеллы, характеризующиеся наличием собственного генетического аппарата: митохондрии и пластиды. Они окружены мембраной и имеют способность к размножению посредством деления.

В прокариотических клетках также встречаются органеллы, но в меньшем количестве и не ограниченные мембраной.

Жгутики эукариот имеют достаточно сложное строение. Некоторые прокариоты также имеют жгутики, они разнообразны и имеют простое строение.

Роль молекулы ДНК в бактериальной клетке: просто о сложном

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.

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.

Генетический материал бактерий

Бактерии – прокариотические микроорганизмы, генетический материал которых в основном представлен единственной кольцевой двухцепочечной ДНК, называемой генетиками хромосомой. В относительно редких случаях хромосома представлена линейной молекулой ДНК.

Размер этой ДНК намного превышает размер самой бактериальной клетки. Так, например, у E. coli протяженность хромосомной ДНК равна 1300 мкм (1,3 мм – 4,6 х 10 6 п.н.), а размер клетки 1,1-1,5 х 2,0-6,0 мкм. Причем ДНК не заполняет всю клетку, а содержится только в ограниченной области, составляющей, весьма приблизительно, одну треть объема клетки.

Рис.1. Бактериальный геном и схема уровней его компактизации.

Отсюда следует, что ДНК существует в клетке в высокоупорядоченном (сконденсированном) состоянии в виде компактной структуры. Эта структура, отдаленно напоминая ядра эукариот, получила название нуклеоид и видна в микроскопе только после специфичных для ДНК окрасок (рис.1). В электронном микроскопе она выглядит как образование, состоящее из многочисленных петель, отходящих от плотной центральной области. Образование большого числа (до 140 на геном) петель, называемых доменами, является одним из уровней компактизации ДНК. Каждый домен закреплен у основания молекулой РНК и состоит примерно из 40 т.п.н. ДНК петель находится не в виде свободно вытянутого дуплекса, а имеет второй уровень компактизации за счет скручивания в сверхспиральные образования с помощью связи с белками HLP.

Эти белки имеют небольшой размер, обладают сильноосновными свойствами и прочно связываются с ДНК. По аминокислотному составу они напоминают гистоны эукариот.

Нуклеоид не отделен от цитоплазмы ядерной мембраной и прикреплен к мезосомам – специфическим впячиваниям цитоплазматической мембраны внутрь клетки. Связь ДНК со специфическим участком мембраны необходима для функционирования генома.

Кольцевая молекула ДНК бактерий (хромосома) представляет самореплицирующуюся генетическую молекулу – репликон. Репликация начинается с точки инициации репликации (ori– orign), локализующейся, как правило, в участке прикрепления ДНК к мембране. От точки инициации репликация происходит последовательно, двунаправленно, по полуконсервативному механизму. Заканчивается репликация в районе терминации репликации (ter), расположенном на участке кольцевой ДНК, противоположном точке начала репликации (рис.2).

Рис.2. Репликация бактериальной хромосомы по θ-типу (тета-тип).

Как правило, после репликации следует расхождение копий ДНК к полюсам растущей клетки за счет роста участка мезосомы, расположенного между точками прикрепления дочерних ДНК (рис.3).

Рис. 3. Распределение дочерних копий ДНК и деление клетки бактерий.

Число хромосом в одной клетке бактерий зависит от стадии развития и физиологических условий роста культуры. В логарифмической стадии роста у E. coli на 1 нуклеоид приходится 2,8 ДНК эквивалентов одного генома, вследствие замедленной сегрегации двух дочерних хромосом, или реинициации новых циклов репликации ДНК еще до деления клетки (рис.4).

Рис.4. Число хромосом в клетке в стационарной (А) и логарифмической (Б) стадиях роста культуры.

У некоторых бактерий клетки в норме содержат не одну, а много хромосом. Они могут формировать один или несколько нуклеоидов. Также наблюдается зависимость содержания ДНК в клетке от ее размеров, хотя это не означает соответствующего изменения объема генетической информации.

Для бактериальной ДНК характерна высокая плотность генов (1 ген на 1тпн). ДНК, кодирующая белки, составляет около 85-90% всей ДНК. Средний размер ДНК-последовательностей между генами – только 110—125 п.н. Некодирующая бактериальная ДНК занимает менее 1%, и она обычно представлена в виде транспозонов. Так, в ДНК штамма Escherichia coli K12 линии MG 1655 найдена 41 копия различных транспозонов (IS), которые участвуют в процессах внедрения и исключения плазмид. Многие фаги, исключаясь из генома бактерии не полностью, оставляют там в качестве следа некоторые свои гены. Эти остатки, не способные к самостоятельному перемещению и развитию, называют “криптическими” фагами.

Интроны встречаются в бактериальных геномах крайне редко. Имеются случаи перекрывания генов, где один ген находится внутри другого на той же нити ДНК. Для бактериальных геномов характерны опероны: у Е. coli 27% предсказанных транскрипционных единиц являются оперонами.

В клетке бактерий могут содержаться и другие репликоны, способные существовать отдельно от бактериальной хромосомы. Их называют плазмидами. Плазмиды представляют собой кольцевые (у некоторых видов линейные) молекулы двухцепочечной ДНК различных размеров от 1000 п.н. до почти трети величины самой бактериальной хромосомы. Количество и спектр плазмид в клетках бактерий может варьировать. Часто наблюдаются различия по спектру плазмид даже между клетками разных штаммов одного и того же вида бактерий. Некоторые плазмиды могут встраиваться в бактериальную хромосому, составляя при этом часть репликона бактерии, и могут вновь исключаться из нее, восстанавливая форму автономного репликона. Такие плазмиды называют эписомами.

В генетический материал бактерий могут быть включены и профаги.

Источники:

http://resheba.me/gdz/biologija/10-klass/kamenskij/18
http://probakterii.ru/prokaryotes/raznoe/v-kletke-bakterij-molekula-dnk.html
http://helpiks.org/2-48476.html