Основной секрет органической жизни кроется в способности к размножению и передаче наследственной информации от предыдущих поколений потомкам через довольно простой механизм самокопирования макромолекулы ДНК каждой живой клетки. Каждой, независимо от того, состоит организм из большого количества клеток или же речь идет о тех ДНК, которые находятся в клетках бактерий, этих одноклеточных простейших организмов, не всегда способных даже в большую колонию собраться.
Хранение клеточного генетического материала
Как у всех представителей органической жизни, наследственная (генетическая) информация бактерий хранится в их ДНК. Что такое генетическая информация? Какая структура хранит наследственную информацию?
- Генетическая информация – это определенная последовательность нуклеотидов. Другого секрета в ядре нет. Копируя эту последовательность, клетка синтезирует самые разнообразные белки. Они же решают все остальные вопросы организма, начиная с организационных, заканчивая снабжением клетки строительным материалом.
- Макромолекула ДНК – четыре нуклеиновых основания (аденин, гуанин, тимин и цитозин), объединенные в двойную спираль сахаром дезоксирибозой и остатками фосфорной кислоты. Именно нуклеиновые основания кодируют последовательность сборки белков независимо от того, есть оформленное ядро в клетке или нет.
Дезоксирибонуклеиновая кислота бактерий имеет такое же строение, как молекулы – хранители наследственной информации всех остальных живых существ на планете. Так же, как все другие органические клетки, бактерия образует из ДНК хромосомы. Но это не значит, что других отличий нет.
Фундаментальным отличием бактерии является то, что у нее нет клеточного ядра, наследственная информация бактерии не собрана в клеточное ядро, это просто кольцевая молекула, которая прилеплена к одной из стенок цитоплазматической мембраны.
Однако то обстоятельство, что ядра нет, не препятствует активным процессам репликации и трансляции с использованием этого хранителя наследственной информации. Чтобы понять, как происходит передача информации, нужно понимать, что такое хромосомы, гены и клеточное ядро.
- Ген – участок макромолекулы, на котором записана последовательность нуклеотидов, позволяющая собирать один определенный вид белка. Другой информации в генах нет.
- Хромосома – комбинация цепи ДНК с белками гистонами, которые ее структурируют и придают ей определенную форму перед тем, как клетка начинает делиться. В фазе, когда деление не происходит, в клетке (или в ядре, если речь идет о ядерных эукариотах) как таковых хромосом нет.
- Клеточное ядро – это клеточная структура, которая содержит наследственную информацию, структурированную в хромосому, когда клетка готовится к делению. В ней инициируется сам процесс деления. Важно помнить, что у бактерий клеточного ядра нет.
Если в эукариотической клетке при делении используются обособленные, специально формирующиеся для удобства деления структуры, то как же происходит размножение бактерий в условиях неоформленного кажущегося сумбура в отсутствие клеточного ядра?
Врачи и биологи отмечают, что ДНК в клетках бактерий имеет ряд уникальных особенностей, отличающих её от ДНК эукариот. Во-первых, бактериальная ДНК обычно представлена в виде кольцевой молекулы, что позволяет ей эффективно организовывать генетическую информацию. Это кольцо находится в цитоплазме, так как у бактерий отсутствует ядро. Во-вторых, бактерии часто содержат плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК, которые могут переносить гены, отвечающие за устойчивость к антибиотикам. Врачи подчеркивают, что эти особенности играют ключевую роль в адаптации бактерий к окружающей среде и их способности к быстрому размножению. Кроме того, изучение бактериальной ДНК помогает в разработке новых методов лечения инфекционных заболеваний и в создании вакцин. Таким образом, понимание структуры и функции ДНК в бактериях имеет важное значение для медицины и биотехнологий.
Дезоксирибонуклеиновая кислота бактериальной клетки
Бактериальная молекула ДНК хоть изображается как кольцевая довольно объемная структура, которая располагается в центре клетки, на самом деле представляет собой довольно компактное образование, локализованное на ограниченных участках цитоплазмы.
Ввиду отсутствия ядерной мембраны, которая бы отгораживала скомпонованную бактериальную макромолекулу от других клеточных структур, генетический аппарат безъядерных организмов нельзя ассоциировать с генетическим аппаратом эукариотов, поэтому генетический аппарат прокариотов назвали нуклеоид.
Характерные черты нуклеоида:
- ДНК, в которой содержится нескольких тысяч генов.
- Гены расположены линейно и называются хромосомой. Хромосома бактерии – это линейная совокупность ее генов.
- Макромолекула также сворачивается белками, похожими на эукариотические гистоны.
Нуклеоид крепится к цитоплазматической мембране в тех точках, где начинается и заканчивается репликация (самокопирование).
Читайте также:
Экспериментальным путем установлено, что нуклеоид и хромосома – это не одно и то же. Увеличение количества хромосом (линейных генов) – свидетельство того, что бактерии активно делятся. Один нуклеоид может состоять из одной хромосомы или нескольких ее копий. Так, в период деления азотобактерия реплицируется до 20-25 хромосом (копий нуклеоида).
Процесс копирования
В теоретических конструкциях, разработанных микробиологами в те годы, когда изучать сложные молекулярные процессы экспериментальным путем было очень сложно или практически невозможно, копирование дезоксирибонуклеиновой кислоты может осуществляться тремя способами:
- Консервативный, при котором двойная родительская спираль не раскручивается, а двойная дочерняя спираль полностью образовывается из нового материала.
- Дисперсивный, при котором родительская макромолекула распадается на фрагменты, а дочерние формируются на нуклеотидных последовательностях этих фрагментов как на матрицах.
- Полуконсервативный. Согласно этой модели, двойная спираль раскручивается, и каждая цепь спирали служит матрицей для дочерних ДНК. Формируется так называемый гибрид старой макромолекулы и цепи, созданной из новых компонентов.
Когда в 1957 году был найден способ отслеживания процессов, происходящих в бактериальной ДНК при ее репликации, было установлено, что дезоксирибонуклеиновая кислота реплицируется полуконсервативным путем, то есть через раскручивание и использование раскрученных участков в качестве матриц для синтеза новых макромолекул.
Сам процесс репликации бактериальной ДНК очень схож с репликацией ДНК остальных органических механизмов. Происходит он по следующей схеме:
- ДНК-хеликазы раскручивают и разрывают двойную спираль, двигаясь вдоль сахарофосфатного остова дезоксирибонуклеиновой кислоты.
- Ферменты полимеразы катализируют реакции присоединения к однонитевым фрагментам дезоксирибонуклеиновой кислоты комплиментарных нуклеиновых оснований.
После репликации происходит удвоение всех основных частей клетки: органелл, цитоплазматической мембраны, клеточной стенки, и бактериальная клетка распадается надвое.
ДНК в клетках бактерий обладает уникальными особенностями, которые вызывают интерес у ученых и любителей биологии. Во-первых, бактериальная ДНК обычно представлена в виде кольцевой молекулы, что отличает её от линейной структуры, характерной для эукариот. Это кольцевое строение позволяет бактериям эффективно реплицировать свою генетическую информацию. Кроме того, бактерии часто содержат плазмиды — небольшие дополнительные молекулы ДНК, которые могут переносить гены, отвечающие за устойчивость к антибиотикам.
Многие исследователи отмечают, что благодаря способности бактерий обмениваться генетическим материалом через горизонтальный перенос, они могут быстро адаптироваться к изменениям в окружающей среде. Это делает их не только объектом изучения, но и важными игроками в экосистемах. Интересно, что изучение бактериальной ДНК также открывает новые горизонты в медицине и биотехнологии, позволяя разрабатывать новые методы лечения инфекций и создавать генетически модифицированные организмы.
Проблематика
Помимо исключительно научного интереса в изучении ДНК бактерий, механизм репликации и передачи наследственной информации от одной клетки к другой также имеют исключительную практическую важность.
Широко известный факт, что бактерии очень быстро адаптируются при воздействии на них антибиотиков и начинают выработку определенных белков-антител, которые блокируют разрушительное действие антибиотических средств на клетку бактерии. В следующих поколениях бактерий эта устойчивость к конкретной группе антибактериальных препаратов сохраняется.
Более того, благодаря горизонтальному переносу генов (не в процессе деления, а в процессе простого контакта одной бактерии с другой) такая генетическая информация также передается, делая устойчивыми к антибиотикам все большее количество видов бактерий.
Изучением этих свойств бактерий, определением того, как посторонний ген включается в общую структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты, и занимается современная микробиология.
Вопрос-ответ
В чем уникальность ДНК бактерий?
Геном. В отличие от эукариот, геном бактерий не находится в заключённом в мембрану ядре. Он существует в виде суперспиральной компактной структуры, связанной с белками и РНК, называемой нуклеоидом.
Какую функцию выполняет ДНК в клетке бактерии?
Функции ДНК. ДНК является переносчиком генетической наследственности, поскольку кодирование соответствующих белков для каждой клетки осуществляется благодаря информации, предоставляемой ДНК.
-
Читайте также:
Какое ДНК у бактерий?
Бактериальная (прокариоты) ДНК обычно представлена одной кольцевой молекулой ДНК, расположенной в неправильной форме образования в цитоплазме, называемом нуклеоидом.
Каковы особенности генетического аппарата бактерий?
Для бактерий характерен плазмидный геном. Небольшая молекула ДНК кольцевой формы, которая переносится из клетки в клетку горизонтально. Обычно гены плазмиды обеспечивают защиту от вирусов, антибиотиков, устойчивость к некоторым соединениям.
Советы
СОВЕТ №1
Изучите структуру ДНК бактерий: обратите внимание на то, что у них обычно кольцевая форма, в отличие от линейной ДНК эукариот. Это поможет вам лучше понять механизмы репликации и передачи генетической информации.
СОВЕТ №2
Обратите внимание на роль плазмид: бактерии могут содержать дополнительные небольшие кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами, которые могут передавать гены устойчивости к антибиотикам. Это важный аспект в микробиологии и медицине.
СОВЕТ №3
Изучите механизмы горизонтального генетического обмена: бактерии могут обмениваться генетическим материалом между собой через трансформацию, трансдукцию и конъюгацию. Понимание этих процессов поможет вам лучше осознать эволюцию бактерий и их адаптацию к окружающей среде.
СОВЕТ №4
Следите за новыми исследованиями в области геномики: технологии секвенирования ДНК развиваются стремительно, и новые открытия могут значительно изменить наше понимание генетики бактерий и их роли в экосистемах и медицине.
