Генотипическая изменчивость

К органоидам клетки относят  рибосомы - сферической формы рибонуклеиновые  частицы диаметром 15-20 нм. Клетка прокариотического  типа может содержать от 5 до 20 тысяч  рибосом. Рибосома состоит из малой  и большой субъединиц, обладающих по Свербергу константами сидиментации от 30 и 50 S, соответственно. Одна молекула матричной РНК обычно объединяет несколько рибосом наподобие бус, нанизанных на нить. Такие объединения рибосом называют полисомами. Рибосомы обладают высокой синтезирующей активностью, они синтезируют необходимые для жизнедеятельности микробной клетки белки.

В цитоплазме бактерий ваыявлены  различного рода включения, которые  бывают твердыми, жидкими и газообразными. Они представляют собой запасные питательные вещества (полисахариды, липиды, отложения серы и др.) и  продукты обмена веществ.

Капсула - слизистая структура, толщиной более 0,2 мкм, связанная с  клеточной стенкой и четко  отграниченная от окружающей среды. Она выявляется при световой микроскопии  в случае окрашивания бактерий специальными методами (по Ольту, Михину, Бурри-Гинсу). Многие бактерии образуют микрокапсулу - слизистое образование менее 0,2 мкм, выявленное только при электронной  микроскопии или же химическими  и иммунохимическими методами. Капсула  не является обязательной структурой клетки, утрата ее не вызывает гибели бактерии. От капсулы необходимо отличать слизь - мукоидные экзополисахариды. Слизистые  вещества откладываются на поверхности  клетки, часто превосходя ее диаметр  и не имеет четких границ.

Вещество капсул прокариот  состоит в основном из гомо- или  гетерополисахарид. У некоторых  бактерий (например, лейконостока) в  капсулу заключено несколько  микробных клеток. Заключенные в  одну капсулу бактерии представляют собой скопления называемые зоогелями.

Капсула выполняет важные биологические функции. В ней  локализуются капсульные антигены, определяющие вирулентность, специфичность и  иммуногенность бактерий. Капсула защищает микробную клетку от механических воздействий, высыхания, заражения фагами, токсических  веществ, фагоцитоза. У некоторых  видов бактерий, в том числе  и патогенных, способствует прикреплению клеток к субстрату.

Жгутики являются органоидами  движения бактерий. Они представляют собой тонкие, длинные, нитевидные структуры, состоящие из белка флагеллина (от латинского flagellum - жгутик). Этот белок  обладает антигенной специфичностью. Длина жгутиков превышает длину  бактериальной клетки в несколько  раз и составляет 3-12 мкм, а толщина 12-20 нм. Жгутики прикреплены к  цитоплазмотической мембране и клеточной  стенке специальными дисками. Выявляют жгутики с помощью электронной  микроскопии или же в световом микроскопе, но после обработки препаратов специальными методами. Жгутики не являются жизненноважными структурами  клетки. Количество жгутиков различно у различных видов бактерий (от 1 до 50) и места их локализации  тоже различны, но стабильны для каждого вида. В зависимости от локализации жгутиков различают: монотрихи - бактерии с одним полярно расположенным жгутиком; амфитирихи - бактерии с двумя полярно расположенными жгутиками, или по пучку жгутиков на каждом конце; лофотрихи - бактерии с пучком жгутиков на одном конце клетки; перитрихи - бактерии с множеством жгутиков, располагающихся по всему периметру клетки. Бактерии не имеющие жгутиков называются атрихиями. Жгутики типичны для плавающих палочковидных и извитых форм и в виде исключения встречаются у кокков. Монотрихи и лофотрихи движутся со скоростью 50 мкм в секунду. Обычно бактерии движутся беспорядочно. Под влиянием факторов внешней среды бактерии способны к направленным формам движения - таксисам. Таксис может быть положительным и отрицательным. Различают хемотаксис - обусловлен разницей концентрации химических веществ в среде, аэротаксис - кислорода, фототаксис - интенсивности освещения, магнитотаксис - характеризуется способностью микроорганизмов ориентироваться в магнитном поле.

Пили (ворсинки) - нитевидные образования более короткие, чем  жгутики. Длина их достигает от 0,3 до 10 мкм, толщина 3-10 нм. Пили берут начало от цитоплазмотической мембраны, они  обнаружены у подвижных и не подвижных  форм микроорганизмов. Выявить их можно  только с помощью электронной  микроскопии. На поверхности бактериальной  клетки может быть от 1-2 до нескольких десятков, сотен и даже тысяч пилей. Пили состоят из белка пилина, они  обладают антигенной активностью.

Различают пили общего типа и половые. Первые ответственны за адгезию, т. е. прикрепление бактерий к поражаемой клетке, питание, водно-солевой обмен, слипание бактерий в агломераты, вторые - передачу наследственного материала (ДНК) от донора к реципиенту. У одного и того же вида бактерий могут быть пили обоих типов.

Споры (эндоспоры) - это особая форма покоящихся клеток, характеризующаяся  резким снижением уровня метаболизма  и высокой резистентностью. Споры  образуются при неблагоприятных  условиях существования бактерий. Внутри одной клетки образуется одна спора. Спорообразование наблюдается при  дефиците питательных веществ, изменении  рН, недостатке С, N, Р, высушивании, накоплении в окружающей клетку среде продуктов  метаболизма и т. д. Споры характеризуются  репрессией генома, анаболизмом, малым  содержанием воды в цитоплазме, повышением концентрации катионов кальция, появление  дипиколиновой кислоты.

Споры в поле зрения светового  микроскопа имеют вид овальных, сильно преломляющих свет образований размером 0,8-1,5 мкм. Бактерии у которых размер споры не превышает диаметр клетки называются бациллами, а у которых  превышает - клостридиями. Спора в  клетке может располагаться центрально, ближе к концу - субтерминально, на конце бактерии - терминально. Строение споры сложное, но однотипное у разных видов бактерий. Центральная часть споры называется спороплазмой, в состав ее входят нуклеиновые кислоты, белки и дипиколиновая кислота. В спороплазме располагаются нуклеоид, рибосомы и нечетко выраженные мембранные структуры. Спороплазму обрамляет цитоплазмотическая мембрана, за которой следует зачаточный пептидогликановый слой, затем располагается массивный слой коры или иначе кортекса. На поверхности кортекса имеется наружная мембрана. Снаружи спора одета многослойной оболочкой, которая вместе со специфическими элементами споры и дипиколинатом кальция обуславливают ее устойчивость. Основное назначение спор - сохранение бактерий в неблагополучных условиях внешней среды. Споры устойчивы к действию высоких температур, химических веществ, могут длительное время существовать в покоящемся состоянии десятками и даже сотнями лет.

генетика наследственность биотехнология

7. Химический состав и  структура вирусов

Вирусы являются внутриклеточными паразитами человека, животных, растений, бактерий, грибов и других живых  существ. Вирусы представляют собой  внеклеточные формы жизни, имеющие  собственный геном и обладающие способностью к самовоспроизведению  лишь в клетках более высокоорганизованных существ. Они существуют в двух формах: внеклеточной (покоящейся) и внутриклеточной (размножающейся, репродуцирующейся) или  вегетативной. Внеклеточные формы обозначают термином «вирусная частица», «вирусный  корпускул», а внутриклеточные формы - термином «комплекс вирус-клетка».

Все вирусы подразделяют на две группы: простые и сложные. Простые вирусы содержат нуклеиновую  кислоту и несколько кодируемых ею полипептидов. Сложные вирусы состоят  из нуклеиновой кислоты, липидов  и углеводов, которые имеют клеточное  происхождение, т. е. у большинства  вирусов не кодируются вирусным геномом. В исключительных случаях в вирион включаются клеточные нуклеиновые  кислоты или полипептиды.

В состав вирусов входят нуклеиновые кислоты и белки. Белки и нуклеиновые кислоты  неразрывно связаны между собой. Синтез белков не возможет без нуклеиновых  кислот, а синтез кислот - без активного  участия белков, ферментов. Известно, что нуклеиновые кислоты и  белки состоят из С, О, Н, N, P, S. геном  вируса представлен ДНК или РНК. По строению генома зрелые вирусные частицы  подразделяют на следующие группы:

1. Вирусы, геном которых - одноцепочная молекула РНК, обладающая матричной активностью;
2. Вирусы, геном которых - одноцепочная РНК не обладающая матричной активностью;
3. Вирусы с одноцепочной фрагментированной РНК, не обладающей матричной активностью;
4. Вирусы, геном которых состоит из нескольких молекул РНК, обладающих матричной активностью;
5. Вирусы с двухцепочной фрагментированной РНК;
6. Вирусы с линейной одноцепочной ДНК;
7. Вирусы с двухцепочной циркулярной ДНК;
8. Вирусы с двухцепочной линейной инфекционной ДНК;
9. Вирусы с двухцепочной линейной неинфекционной ДНК.

По нуклеотидному составу  ДНК вирусов беспозвоночных животных более разнообразна, чем ДНК позвоночных. Нуклеиновые кислоты вирионов в  большинстве случаев имеют вирусное, а не клеточное происхождение. Инфекционность вирусов связана с нуклеиновой  кислотой, а не с белком, входящим в их состав. Это было доказано немецкими  учеными Г. Шраммом и А. Гирером (1956). Нуклеиновые кислоты являются хранителем всей генетической информации вируса. Их химический состав и структура  принципиально не отличаются от нуклеиновых  кислот более высокоорганизованных существ (бактерий, простейших, животных). Большую часть вирусной частицы  составляют белки в состав которых  входят те же аминокислоты, что и  белки других организмов. Вирусный белок представлен в основном полипептидами одного-трех типов. Белки  на поверхности вирусной частицы  представляют собой антигены, ответственные  за образование антител у инфицированных животных. Основная часть белков - это  белки, синтезированные в восприимчивой  клетке по информации генома вируса. В  редких случаях возможно включение  белков инфицированной клетки в липопротеидные оболочки и сердцевину некоторых  вирусов (вирус птичьего миелобластоза, икосаэдрические вирусы).

Белки вирусов подразделяют на белки капсида, сердцевины, оболочки и ферментативные белки. Помимо белков в липопротеидной оболочки обнаружены липиды и углеводы. Углеводы преимущественно  содержаться в гликопротеидных  пепломерах на поверхности вирусной частицы.

В составе вирусов обнаружены минеральные вещества К, Na, Ca, Mg, Fe. Они  участвуют в формировании связей белка с нуклеиновой кислотой.

Белки вирусов выполняют  защитную (защищают от неблагополучного воздействия окружающей среды) и  адресную (имеют рецепторы к определенной чувствительной клетке) функции. Кроме  этого белки вирусов облегчают  проникновение их в восприимчивую  клетку.

Функции нуклеиновых кислот вирусов заключаются в следующем. Они программируют наследственность вирусов, участвуют в синтезе  белка, отвечают за инфекционные свойства вирусных частиц.

Отдельная вирусная частица  получила название вирион. Белковая оболочка вириона называется капсидом. Капсиды  состоят из поверхностных белковых субъединиц, которые в свою очередь  образованы белковыми молекулами. Различают  следующие уровни сложности строения капсида. Первый уровень - отдельные  полипептиды (химические единицы), второй - капсомеры (морфологические единицы), которые состоят из одной или  нескольких белковых молекул, третий - пепломеры (молекулы, которые образуют выступы на липопротеидной оболочке вириона).

Для вирусов характерны два  типа симметрии строения капсида: кубический и спиральный. Вирусы с кубическим типом симметрии называются изометрическими. Все известные ДНК-содержащие вирусы животных обладают изометрическими  капсидами. Кристаллографические данные свидетельствуют о трех типах  фигур с кубическим типом симметрии: тетраэдр, октаэдр и икосаэдр. Икосаэдрическая  симметрия для вирусов предпочтительнее, так как этот тип симметрии  наиболее экономичен.

Вирусы со спиральным типом  симметрии строения капсида характеризуются  тем, что капсид у них построен из одинаковых, спирально расположенных  белковых субъединиц (капсомеров).

Бактериофаги (вирусы бактерий) в структурном отношении представляют собой сочетание двух типов симметрии: кубический и спиральной. Головка  их представляет собой кубическую структуру, а отросток - спиралевидную.

Характер взаимодействия между нуклеиновой кислотой и  капсомерами у вирусов с различным  типом симметрии строения капсида  различается. У вирусов со спиральным типом строения капсида белковые субъединицы тесно взаимодействуют  с нуклеиновой кислотой. У икосоэдрических  вирусов максимально выраженного  регулярного взаимодействия между  каждой белковой субъединицей и нуклеиновой  кислотой не существует.

8. Материальные основы  наследственности

Ядро клетки впервые подробно описал Р. Броун (1831), после чего оно  стало предметом исследований многих биологов. Было установлено, что ядро является важнейшим органоидом клетки, обеспечивающим его жизнедеятельность. В процессе изучения клетки выяснилось, что жизнедеятельный цикл ее состоит  из двух периодов: интерфазы (периода  между двумя делениями) и деления. Во время деления клетки в ее ядре были обнаружены хорошо окрашивающиеся основными красителями тельца, которые впервые наблюдал в 1890 году немецкий ученый В. Вальдейтер и назвал их хромосомами (от греческого chroma - цвет, soma - тело).

По мере развития цитологии  была установлена решающая роль в  наследственности ядра клетки, а точнее локализованных в нем хромосом. Многими  экспериментаторами доказано, что хромосомы  являются структурами выполняющими роль материальных носителей наследственности. В хромосомах расположены единицы  наследственности - гены.

Строение и функции  хромосом. Хромосомы - структуры ядра клеток сложноорганизованные в морфологическом  отношении, обеспечивающие передачу наследственной информации, способные к самовоспроизведению  своих свойств в ряду поколений.

Хромосомы были обнаружены видными цитологами Флеммингом (1882) и Страсбургером (1884). Название им предложено Вальдейером (1888).

Морфологию хромосом обычно изучают в период метафазы, когда  тело их хорошо сформированно и на нем рельефно выделяются структурные  элементы. Хромосомы хорошо окрашиваются основными красителями - гамотоксином, фуксином,сафранином и другими.

Каждый вид растений и  животных имеет определенное, постоянное число хромосом, которое содержится во всех клетках организма. Число  хромосом является характерным видовым  признаком, и его используют как  критерий для определения систематического положения видов растений и животных.

Число хромосом не зависит  от величины и массы животного  или растения, а также уровня их организации.

Например, у человека 46 хромосом, у мыши - 40, шимпанзе - 48, лошади - 66, коровы - 60, таракана - 48, папоротника - 500, ржи - 14, а у некоторых споровых растений и простейших достигает сотен  и даже тысяч. Количество хромосом, содержащихся во всех клетках тела любого организма диплоидное ( от греческого diploos - двойной, eidos - подобный). Диплоидное число хромосом обращается в результате слияния двух половых клеток, в  которых из количество одиночное (гаплоидное). Гаплоидный набор хромосом обозначают буквой n, диплоидный - 2n. Диплоидный набор  представлен парами, т. е. любой хромосоме  в нем соответствует такая  же по величине и форме хромосома. Такие парные (аналогичные) хромосомы  называют гомологичными (от греческого homologos - согласный). Хромосомылюбой клетки различаются между собой по величине и форме. Размеры и формы хромосом у любого вида постоянны, что позволяет  их различить и даже нумеровать.