В вирусологии используют следующие таксономические категории: семейство (название оканчивается на viridae), подсемейство (название оканчивается на virinae), род (название оканчивается на virus).
Однако названия родов и особенно подсемейств сформулированы не для всех вирусов. Вид вируса биноминального названия, как у бактерий, не получил. В основу классификации вирусов положены следующие критерии:
тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), ее структура, количест во нитей (одна или две), особенности воспроизводства вирусного генома;
размер и морфология вирионов, количество капсомеров и тип симметрии;
наличие суперкапсида;
чувствительность к эфиру и дезоксихолату;
место размножения в клетке;
антигенные свойства и пр.
Вирусы поражают позвоночных и беспозвоночных животных, а так- же растения и бактерии.
Однако названия родов и особенно подсемейств сформулированы не для всех вирусов. Вид вируса биноминального названия, как у бактерий, не получил. В основу классификации вирусов положены следующие критерии:
тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), ее структура, количест во нитей (одна или две), особенности воспроизводства вирусного генома;
размер и морфология вирионов, количество капсомеров и тип симметрии;
наличие суперкапсида;
чувствительность к эфиру и дезоксихолату;
место размножения в клетке;
антигенные свойства и пр.
Вирусы поражают позвоночных и беспозвоночных животных, а так- же растения и бактерии.
Существуют 2 типа систематики биологических объектов: филогенетическая, или естественная, в основе которой лежит установление родственных (генетических, эволюционных) связей между организмами, и практическая, или искусственная, цель которой выявление степени сходства между организмами для быстрой их идентификации и установления принадлежности к определенным таксонам. Если существующая систематика высших организмов отражает в определенной мере эволюционные связи между ними, то есть признаки, используемые для выявления степени сходства, отражает и степень родства между этими организмами, то попытка создания на этой же основе систематики прокариот не была успешной.
Сегодня задача быстрой идентификации прокариотных организмов наиболее полно решается с помощью издания «Определитель бактерий», периодически выпускаемого Обществом американских бактериологов с привлечением крупных специалистов в области изучения тех или иных групп бактерий. Первое издание определителя было выпущено в 1923 г. группой американских бактериологов под руководством Д. X. Берги (1860 - 1937 гг.); девятое издание в 4 томах вышло в 1984 1989 гг.
Сегодня задача быстрой идентификации прокариотных организмов наиболее полно решается с помощью издания «Определитель бактерий», периодически выпускаемого Обществом американских бактериологов с привлечением крупных специалистов в области изучения тех или иных групп бактерий. Первое издание определителя было выпущено в 1923 г. группой американских бактериологов под руководством Д. X. Берги (1860 - 1937 гг.); девятое издание в 4 томах вышло в 1984 1989 гг.
Первым исследователем, предложившим объединить все обнаруженные почти за два столетия микроорганизмы в одно царство, был Э. Геккель (1866 г.). Он поместил все одноклеточные (микроскопические) организмы в новое царство Protista отдельно от растений (Plantae) и животных (Animalia), которые являются многоклеточными (макроскопическими) организмами. Появление электронного микроскопа в 1950-х гг. выявило две группы фундаментально отличающихся клеток среди этого царства: одни клетки содержали окруженное мембраной ядро, а другие не имели этой внутриклеточной структуры. Последние были временно перемещены в четвертое царство Monera (или Moneres), впоследствии названное Procaryotae. Protista оставалось как царство одноклеточных эукариотических микроорганизмов. В 1967 г. было выделено пятое царство Грибы (Fungi) как отдельное царство многоклеточных эукариотических микроорганизмов.
В XX в. проблемы в систематике микроорганизмов, а бактерий особенно, стали возрастать в связи со стремительно увеличивавшимся объемом знаний об этих организмах.
В XX в. проблемы в систематике микроорганизмов, а бактерий особенно, стали возрастать в связи со стремительно увеличивавшимся объемом знаний об этих организмах.
Систематика (таксономия) наука о многообразии и взаимосвязях между организмами. Одна из задач систематики распределение (классификация) множества организмов по группам (таксонам).
Таксон — группа организмов, объединенная по определенным однородным свойствам в рамках той или иной таксономической категории. Раздел систематики, изучающий принципы классификации, называется таксономией (от греч. taxis расположение, порядок).
Специальный раздел таксономии номенклатура разрабатывает правила присвоения наименований описанным объектам. В систематике бактерий для наименования объекта используют биноминальную номенклатуру К. Линнея, согласно которой биологическому виду присваивают название, состоящее из двух слов: первое определяет принадлежность организма к определенному роду, второе виду. Названия бактериям присваивают в соответствии с правилами Международного кодекса номенклатуры (зоологической, ботанической, номенклатуры бактерий, вирусов).
Таксон — группа организмов, объединенная по определенным однородным свойствам в рамках той или иной таксономической категории. Раздел систематики, изучающий принципы классификации, называется таксономией (от греч. taxis расположение, порядок).
Специальный раздел таксономии номенклатура разрабатывает правила присвоения наименований описанным объектам. В систематике бактерий для наименования объекта используют биноминальную номенклатуру К. Линнея, согласно которой биологическому виду присваивают название, состоящее из двух слов: первое определяет принадлежность организма к определенному роду, второе виду. Названия бактериям присваивают в соответствии с правилами Международного кодекса номенклатуры (зоологической, ботанической, номенклатуры бактерий, вирусов).
Особенности организации плазмид. Плазмиды обнаружены у многих бактерий, принадлежащих к разным таксономическим группам. Для них характерно стабильное существование в нехромосомном состоянии. Количество плазмидной ДНК в клетке составляет обычно не более нескольких процентов от клеточного генома, а число плазмид колеблется от 1 до 38. Плазмиды это линейные или кольцевые ковалентно замкнутые молекулы ДНК, содержащие от 1500 до 90000 пар нуклеотидов. Большинство плазмид состоит из трех групп генов: участка ДНК, ответственного за автономную репликацию плазмиды в клетке; системы генов, обеспечивающих возможность переноса плазмид из одной клетки в другую; генов, определяющих свойства, полезные для клетки-хозяина. Отличительная особенность плазмид способность к автономной репликации. Обычно о присутствии плазмид в бактериальной клетке судят по проявлению определенных признаков, к которым относятся устойчивость к отдельным лекарственным препаратам, способность к переносу генов при конъюгации, синтез веществ антибиотической природы, способность использовать некоторые сахара или обеспечивать деградацию ряда веществ.
Впервые обнаруженные у E.coli генетические элементы, которые передавались у нее по наследству во внехромосомном состоянии, получили название просто генетических факторов. Раньше всего были обнаружены Со l-фактор (фактор, контролирующий у E.coli синтез бактерицидных белков, А. Грациа, 1925 г.) и F-фактор (фактор, контролирующий примитивный половой процесс у бактерий конъюгацию, У. Хэйс, 1953 г.). Интерес к этим факторам сильно возрос после того, как в 1963 г. японский ученый Т. Ватанабе сообщил, что передача множественной лекарственной устойчивости у дизентерийных бактерий происходит также при участии независимых от хромосомы генетических элементов, названных R-факторами (от англ. resistance устойчивость). В 1976 г. всем подобного рода генетическим элементам было дано название плазмид и следующее определение:
Впервые обнаруженные у E.coli генетические элементы, которые передавались у нее по наследству во внехромосомном состоянии, получили название просто генетических факторов. Раньше всего были обнаружены Со l-фактор (фактор, контролирующий у E.coli синтез бактерицидных белков, А. Грациа, 1925 г.) и F-фактор (фактор, контролирующий примитивный половой процесс у бактерий конъюгацию, У. Хэйс, 1953 г.). Интерес к этим факторам сильно возрос после того, как в 1963 г. японский ученый Т. Ватанабе сообщил, что передача множественной лекарственной устойчивости у дизентерийных бактерий происходит также при участии независимых от хромосомы генетических элементов, названных R-факторами (от англ. resistance устойчивость). В 1976 г. всем подобного рода генетическим элементам было дано название плазмид и следующее определение:
В настоящее время изучение геномов не ограничивается только картированием генов, стало возможным изучать последовательность расположения нуклеотидов в составе любого гена. Решающим шагом на пути к решению этой проблемы явилось применение особых ферментов рестрикционных эндонуклеаз и разработка метода клонирования генов.
Рестрикционные эндонуклеазы (рестриктазы) ферменты, расщепляющие ДНК в специфических участках нуклеотидных последовательностей, которые они распознают. Эти ферменты обнаружены у многих бактерий. Они определяют и разрушают чужеродные молекулы ДНК, попадающие в клетку, в том числе при инфицировании их фагами или при трансформации. Таких ферментов обнаружено более 100, и каждый из них распознает в ДНК специфическую последовательность из 4 6 нуклеотидов. Каждая рестриктаза способна разрезать двойную спираль ДНК любой длины. При этом образуется серия фрагментов, называемых рестрикционными фрагментами. Сравнение размеров этих фрагментов, полученных при обработке бактериальных или плазмидных геномов (а также ДНК хромосом эукариот), позволяет создавать рестрикционные карты, в которых отмечается локализация каждого разреза участка относительно соседних участков других таких разрезов (рестрикций).
Рестрикционные эндонуклеазы (рестриктазы) ферменты, расщепляющие ДНК в специфических участках нуклеотидных последовательностей, которые они распознают. Эти ферменты обнаружены у многих бактерий. Они определяют и разрушают чужеродные молекулы ДНК, попадающие в клетку, в том числе при инфицировании их фагами или при трансформации. Таких ферментов обнаружено более 100, и каждый из них распознает в ДНК специфическую последовательность из 4 6 нуклеотидов. Каждая рестриктаза способна разрезать двойную спираль ДНК любой длины. При этом образуется серия фрагментов, называемых рестрикционными фрагментами. Сравнение размеров этих фрагментов, полученных при обработке бактериальных или плазмидных геномов (а также ДНК хромосом эукариот), позволяет создавать рестрикционные карты, в которых отмечается локализация каждого разреза участка относительно соседних участков других таких разрезов (рестрикций).
Гены в хромосоме располагаются линейно, поэтому можно изучать их последовательность и составлять хромосомную (генетическую) карту. Такую карту у E.coli получают, изучая время переноса соответствующих генов при конъюгации, прерывая ее через разные промежутки времени. Конъюгационный мостик, образующийся между донором и реципиентом очень непрочен, он легко разрывается при встряхивании, поэтому процесс конъюгации можно прервать в любое время. В связи с этим мерой расстояния между генами служит разница во времени их передачи от донора реципиенту. Время переноса всей хромосомы занимает около 10 мин. Поэтому локализацию генов на хромосоме определяют в минутах их переноса (от 0 до 100 мин). За начало отсчета (0 мин) условно принято положение гена thr (треониновый оперон).
Определение локализации генов на хромосоме называется их картированием, а расположение генов на кольцевой молекуле хромосомы хромосомной картой, масштаб которой выражается в минутах.
Определение локализации генов на хромосоме называется их картированием, а расположение генов на кольцевой молекуле хромосомы хромосомной картой, масштаб которой выражается в минутах.
Скачкообразные изменения в генетическом материале клетки, приводящие к появлению новых признаков, получили название мутаций. Они возникают в популяции особей всегда, часто без видимых воздействий на популяцию. Такие мутации, причины возникновения которых нам неизвестны, называются спонтанными. Повышать частоту мутаций по сравнению с фоном, то есть индуцировать их, могут физические, химические и биологические факторы, действующие на генетический материал клетки. Физические факторы это прежде всего коротковолновое излучение (ультрафиолетовые и рентгеновские лучи). Получение индуцированных мутаций (мутантов) один из основных способов изучения генетики микроорганизмов.
К химическим мутагенам относят аналоги оснований, акридины, алкилирующие и дезаминирующие агенты. Биологические факторы это, в первую очередь мигрирующие элементы (транспозоны и IS-элементы).
Мутации, независимо от того, имеют ли они спонтанное происхождение или индуцированы каким-либо мутагеном, по характеру перестроек, происшедших в ДНК, можно разделить на мутации, состоящие в изменении одного нуклеотидного остатка молекулы ДНК, так называемые точковые мутации, и мутации, при которых наблюдается изменение участка молекулы ДНК размером больше одного нуклеотида.
К химическим мутагенам относят аналоги оснований, акридины, алкилирующие и дезаминирующие агенты. Биологические факторы это, в первую очередь мигрирующие элементы (транспозоны и IS-элементы).
Мутации, независимо от того, имеют ли они спонтанное происхождение или индуцированы каким-либо мутагеном, по характеру перестроек, происшедших в ДНК, можно разделить на мутации, состоящие в изменении одного нуклеотидного остатка молекулы ДНК, так называемые точковые мутации, и мутации, при которых наблюдается изменение участка молекулы ДНК размером больше одного нуклеотида.
Это изменение, происходящее на уровне фенотипа и не затрагивающее клеточный генотип. Все признаки клетки определяются ее генотипом, но в определенных условиях она пользуется не всей заложенной в ней генетической информацией, количество которой гораздо больше, чем необходимо клетке для существования в конкретных условиях. Реакция клетки на изменение внешних условий приводит к проявлению каких-то новых признаков, свойств, которые не обнаруживались в исходной культуре. Однако информация, необходимая для проявления этих признаков, обяза тельно содержится в клеточном геноме. Модификация есть результат пластичности клеточного метаболизма, приводящего к фенотипическому проявлению «молчащих» генов в конкретных условиях. Таким образом, модификационные изменения имеют место в рамках неизменного клеточного генотипа.
Существует несколько типов модификационных изменений. Наиболее известны адаптивные модификации, то есть ненаследственные изменения, полезные для организма и способствующие его выживанию в изменившихся условиях. Причины адаптивных модификаций кроются в механизмах регуляции действия генов. Адаптивной модификацией является адаптация клеток Е.соli к лактозе как к новому субстрату. У ряда бактерий обнаружена универсальная адаптивная реакция в ответ на различные стрессовые воздействия (высокие и низкие температуры, резкий сдвиг рН и др.), проявляющаяся в интенсивном синтезе небольшой группы сходных белков. Такие белки получили название белков теплового шока, а само явление синдром теплового шока. Еще не ясны те регуляторные механиз мы, которые запускаются в клетке при воздействиях, вызывающих син дром теплового шока, но очевидно, что это универсальный механизм неспецифических адаптивных модификаций. Не все модификации обязательно адаптивны.
Существует несколько типов модификационных изменений. Наиболее известны адаптивные модификации, то есть ненаследственные изменения, полезные для организма и способствующие его выживанию в изменившихся условиях. Причины адаптивных модификаций кроются в механизмах регуляции действия генов. Адаптивной модификацией является адаптация клеток Е.соli к лактозе как к новому субстрату. У ряда бактерий обнаружена универсальная адаптивная реакция в ответ на различные стрессовые воздействия (высокие и низкие температуры, резкий сдвиг рН и др.), проявляющаяся в интенсивном синтезе небольшой группы сходных белков. Такие белки получили название белков теплового шока, а само явление синдром теплового шока. Еще не ясны те регуляторные механиз мы, которые запускаются в клетке при воздействиях, вызывающих син дром теплового шока, но очевидно, что это универсальный механизм неспецифических адаптивных модификаций. Не все модификации обязательно адаптивны.
Первое, что поразило исследователей, когда они поближе познакомились с миром прокариот, огромное разнообразие присущих им признаков. В процессе экспериментальной работы с прокариотами исследователи часто наблюдали, что популяция одного вида при культивировании в течение длительного времени или в разных условиях подвержена изменениям. Накопилось огромное количество результатов, иллюстрирующих эти изменения, однако механизмы, лежащие в основе наблюдаемых явлений, были непонятны. Успехи, достигнутые за последние десятилетия XX в. в области изучения строения и функционирования генетического аппарата прокариот, позволили разобраться в этом вопросе. Прежде чем переходить к дальнейшему изложению материала, целесообразно ввести некоторые понятия.
Генотипом, или геномом, называют совокупность всех генов, присущих данному организму, то есть его генетическую конституцию.
Генотипом, или геномом, называют совокупность всех генов, присущих данному организму, то есть его генетическую конституцию.
Помимо основного механизма передачи генов по наследству (по вертикали), у бактерий существуют следующие формы обмена генетическим материалом по горизонтали, то есть между отдельными особями в популяции клеток: трансформация, трансфекция., трансдукция, конъюгация.
Трансформация перенос генетического материала, заключающийся в том, что бактерия-реципиент захватывает (поглощает) из внешней среды фрагменты чужеродной ДНК. Трансформация может быть спонтанной или индуцированной. Индуцированная (искусственно получаемая) трансформация происходит при добавлении к культуре бактерий очищенной ДНК, полученной из культур тех бактерий, генетические признаки которых стремятся передать исследуемой культуре. Спонтанная трансформация происходит в естественных условиях и проявляется в возникновении рекомбинантов при смешивании генетически различающихся клеток. Она протекает за счет ДНК, попадающей в окружающую среду вследствие лизиса клеток или в результате ее активного выделения жизнеспособными клетками-донорами.
Трансформация перенос генетического материала, заключающийся в том, что бактерия-реципиент захватывает (поглощает) из внешней среды фрагменты чужеродной ДНК. Трансформация может быть спонтанной или индуцированной. Индуцированная (искусственно получаемая) трансформация происходит при добавлении к культуре бактерий очищенной ДНК, полученной из культур тех бактерий, генетические признаки которых стремятся передать исследуемой культуре. Спонтанная трансформация происходит в естественных условиях и проявляется в возникновении рекомбинантов при смешивании генетически различающихся клеток. Она протекает за счет ДНК, попадающей в окружающую среду вследствие лизиса клеток или в результате ее активного выделения жизнеспособными клетками-донорами.
Генетическая система бактерий имеет как минимум четыре особенности, присущие только этим организмам.
1. Хромосомы бактерий (и соответственно плазмид) располагаются свободно в цитоплазме, не отграничены от нее никакими мембранами, но связаны с определенными рецепторами на цитоплазматической мембране. Поскольку длина хромосомы во много раз превышает длину бактериаль ной клетки (длина бактерий в среднем 1,5 3,0 мкм, а длина хромосом около 1 мм (у E.coli)), хромосома особым компактным образом в ней упа кована. Хромосомная ДНК находится в суперспирализованной форме и свернута в виде петель, число которых составляет 12 80 на хромосому. Петли в центре нуклеоида объединяются за счет связывания ДНК с сердцевинной структурой, представленной молекулами РНК (4,5S РНК). Такая упаковка обеспечивает постоянную транскрипцию отдельных оперонов хромосомы и не препятствует ее репликации.
2. Бактерии являются гаплоидными организмами, то есть имеют один набор генов, содержание ДНК у них непостоянно. Но оно может при благоприятных условиях достигать значений, эквивалентных по массе 2, 4, 6 и даже 8 хромосомам. У всех прочих живых существ содержание ДНК постоянное, и оно удваивается (кроме вирусов и плазмид) перед делением.
1. Хромосомы бактерий (и соответственно плазмид) располагаются свободно в цитоплазме, не отграничены от нее никакими мембранами, но связаны с определенными рецепторами на цитоплазматической мембране. Поскольку длина хромосомы во много раз превышает длину бактериаль ной клетки (длина бактерий в среднем 1,5 3,0 мкм, а длина хромосом около 1 мм (у E.coli)), хромосома особым компактным образом в ней упа кована. Хромосомная ДНК находится в суперспирализованной форме и свернута в виде петель, число которых составляет 12 80 на хромосому. Петли в центре нуклеоида объединяются за счет связывания ДНК с сердцевинной структурой, представленной молекулами РНК (4,5S РНК). Такая упаковка обеспечивает постоянную транскрипцию отдельных оперонов хромосомы и не препятствует ее репликации.
2. Бактерии являются гаплоидными организмами, то есть имеют один набор генов, содержание ДНК у них непостоянно. Но оно может при благоприятных условиях достигать значений, эквивалентных по массе 2, 4, 6 и даже 8 хромосомам. У всех прочих живых существ содержание ДНК постоянное, и оно удваивается (кроме вирусов и плазмид) перед делением.