Особенности генома покариот

    Содержание 

        Введение                                                                                                           3

        1 Обзор литературы                                                                                        4                                                                                                         

        2 Общая характеристика генома прокариот                                                6

        3 Особенности генома прокариот                                                                  7

        3.1 Структура бактериальной хромосомы                                                    7

        3.2 Структура прокариотических генов                                                       8

        3.3 Бактериальные плазмиды                                                                      10

        3.4 IS-элементы и транспозоны                                                                   14

        Заключение                                                                                                   16

        Список использованной литературы                                                          17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение 

    Прокариотическая  клетка – простейший тип живой клетки. К прокариотам относятся такие одноклеточные организмы, как бактерии, актиномицеты, цианобактерии (сине-зеленые водоросли).

    Трудно  найти место на Земле, где не было бы прокариот. Они встречаются в  самых разнообразных местах: в  атмосфере и на дне океанов, в быстротекущих реках и в вечной мерзлоте, в парном молоке и в ядерных реакторах; однако особенно много их в почве. В верхнем слое почвы содержатся миллионы прокариотических организмов, например, примерно 2 тонны бактерий на гектар. Среди прокариот много форм, которые паразитируют на человеке, растениях и животных.

    Бактерии  – древнейшие из известных организмов. Следы жизнедеятельности бактерий и сине-зелёных водорослей (строматолиты) относятся к архею и датируются возрастом 3,5 млрд. лет.

    Определяющей  особенностью прокариотической клетки является  наличие прямого контакта  между ее хромосомой и цитоплазмой. Хромосомы эукариотической клетки, напротив, заключены в мембранную структуру – ядро. От эукариотических  клеток прокариоты отличаются, кроме того, отсутствием митохондрий и хлоропластов, меньшими размерами рибосом, а также весьма ограниченной – из-за наличия клеточной стенки – способностью выделять и поглощать крупные молекулы.

    В связи с тем, что мир прокариот  еще не полностью изучен, а тем более на молекулярном уровне, и каждый день в этой области совершаются все новые открытия, работа по систематизации и обобщении имеющихся данных  по особенностям генома прокариот является актуальной.

    Цель  курсовой работы изучить отличительные  особенности генома прокариот.

    В ходе выполнения работы были поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать литературу по данному вопросу

2. Ознакомиться со строением бактериальной хромосомы;

3. Изучить структуру прокариотических генов;

4. Познакомиться со строением плазмид, IS-элементов, транспозонов и выявить их роль для прокариотических клеток.

    Объектом  исследования выступают прокариоты. Предмет исследования – геном прокариот.

    Материалы и методы исследования – анализ научной литературы.

    Практическая  значимость заключается в возможности использования содержания курсовой работы при подготовке преподавателей, студентов к учебным занятиям. 
 
 
 
 
 

     1 Обзор литературы 

     Предъядерные, прокариоты – организмы, клетки которых  не имеют ограниченного мембраной  ядра. Аналог ядра – генофор, или нуклеоид (рисунок 1).

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 1. Схема строения грамположительной бактерии: A-пили,

    B-рибосомы, C-капсула, D-слой пептидогликана, E-жгутик, F-цитозоль,

G-запасные  вещества, H-плазмида, I-нуклеоид, J-цитоплазматическая  мембрана 

     Прокариоты – самые примитивные клеточные организмы. Они были единственной формой жизни на Земле в течение 2 млрд лет. Насчитывается около 3000 видов прокариот [1].

     Это одноклеточные, колониальные и нитчатые организмы. Прокариотические клетки мельче эукариотических на порядок (0,5-5 мкм). В цитоплазме прокариот еще не прошел процесс компартментации – здесь нет внутриклеточных мембранных систем, а следовательно, и оформленных органелл.   Нет хлоропластов, митохондрий, аппарата Гольджи, ЭПС и центриолей, имеющихся у эукариот [2, 3].

     Рибосомы  располагаются в цитоплазме свободно, они мельче, чем у эукариот, и  отличаются по числу белков. Цитоплазма ограничена наружной цитоплазматической мембраной, складчатое выпячивание  которой (мезосома) выполняет функции  митохондрий. Наружная мембрана образует ряд складок внутри цитоплазмы, они увеличивают поверхность прикрепления ферментов и пространственно разделяют ферментативные реакции. С мембраной связаны также биосинтез клеточной стенки и слизистой капсулы, выделение экзоферментов, деление и спорообразование. У фототрофных прокариот фотосинтетический аппарат образован мембранными структурами – тилакоидами, трубочками, пузырьками, которые находятся непосредственно в цитоплазме [4,5].

     Митоз и мейоз отсутствует. Половой  процесс у прокариот не известен. Размножаются они делением клеток надвое в результате образования поперечной перегородки. Этому предшествует удвоение ДНК. Две копии расходятся, увлекаемые растущей клеточной мембраной, которая выполняет ту же функцию, что и ахроматиновое веретено у эукариот [6].  

     Клеточная стенка жесткая, но вместе с тем эластичная и может изгибаться. Опорный каркас стенок образован гликопептидом  муреином, образующим сложную трехмерную структуру. На муреиновом каркасе располагаются  молекулы фосфолипидов, липополисахаридов, липопротеидов. Жесткая клеточная стенка позволяет клеткам сохранять постоянную форму.  Клетки многих прокариот имеют жгутики, с помощью которых они передвигаются. Прокариоты отличаются от эукариот физиологически. Окислительные процессы ограничены у многих брожением. Некоторые обладают способностью  фиксировать атмосферный азот [7,8].

     К классическим объектам молекулярных исследований среди бактерий относятся кишечная палочка (Escherichia coli), бактерии рода Salmonella [9].

     Преимущество прокариот как молекулярных объектов заключается в простоте их культивирования, коротком периоде генерации, огромной численности потомства. В оптимальных условиях некоторые бактерии удваивают свое число в течение 20 минут, тогда как крупные клетки млекопитающих по большей части делятся не чаще одного раза в сутки. Можно вырастить миллиарды бактерий за короткое время в небольшом объеме питательной среды [10, 11, 12].

     Escherichia coli – гаплоидный, быстрорастущий организм, который можно культивировать на синтетической среде, то есть на среде определенного химического состава. В бактериях происходит обмен генетической информацией, который приводит к возникновению новых рекомбинатных генотипов [13, 14, 15]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2 Общая характеристика генома прокариот 

    Ген  - это единица наследственной информации, занимающая определенное положение  в геноме или хромосоме и контролирующая выполнение определенной функции в  организме. Он представляет собой специфическую  последовательность нуклеотидов ДНК, а у некоторых вирусов – в РНК, детерминирующих или нуклеотидную последовательность транспортных РНК (тРНК), или рибосомальных (рРНК), или последовательность аминокислот в белках (структурные гены) [1].

          Геном  - это весь генетический материал отдельного вируса, клетки или организма. Величина генома определяется количеством пар оснований. Уровень организации вида не зависит от величины ДНК. Первая нуклеотидная последовательность грамотрицательной бактерии Haemophilus influenzae, была расшифрована в 1995 году [2].

    Прокариоты  не имеют оформленного ядра. Однако отсутствие ядра является лишь внешним проявлением особой организации генома у прокариот [3].

        Геном прокариот построен очень компактно. Размер генома прокариот колеблется от 580 тыс. н.п. у Mycoplasma genitalium до 9500 тыс. н. п. у Myxococcus xanthus. Размер генома кишечной палочки E. coli составляет 4600 тыс. п. н. (молекулярная масса 3*10 Да, длина молекулы около 1,5 мм). Для сравнения – геном эукариотического организма (дрожжи Saccharomyces cerevisiae) равен 12,068 млн п. н. Молекулярная масса генома человека составляет 1,9*10 Да, длина 94см. Количество некодирующих последовательностей нуклеотидов минимально. Бактериальные хромосомы могут быть линейными и кольцевыми. В состав генома прокариот могут входить внехромосомные элементы. Точка прикрепления бактериальной хромосомы к мезосоме является точкой начала репликации и называется ori C (origine). Репликация ДНК идет в две стороны от точки ori C и завершается в точке ter C (terminus). Многие механизмы регуляции экспрессии генов, использующиеся у эукариот, никогда не встречаются у прокариот. Простота строения генома прокариот объясняется их упрощенным жизненным циклом [4]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3 Особенности генома прокариот 

      3.1 Структура бактериальной хромосомы 

          Хромосомы – это  нуклеопротеиновые тела, в которых  хранится, передается потомству и  реализуется наследственная информация. Бактериальная клетка имеет хромосому  – нить ДНК, уложенную в компактную структуру – нуклеоид. В зависимости от метода микроскопирования, способа фиксации, нуклеоид выглядит как овальное тельце, боб, моток спутанных нитей. В такой конфигурации ДНК нуклеоида - хромосомы удерживается гистоноподобными белками и молекулами РНК. "Размотанная" хромосомная ДНК имеет замкнутую кольцевую структуру. Кольцевая модель бактериальной хромосомы была предложена в 1956 году Ф. Жакобым и Е. Вильманом [5].

    В 1989 г. впервые  методом  электрофореза в пульсирующем поле  была идентифицирована линейная бактериальная хромосома у возбудителя клещевого спирохетоза Borrelia burgdorferi. Вскоре было обнаружено, что линейная и кольцевая хромосомы сосуществуют одновременно у Agrobacterium tumefaciens, а у грамположительных бактерий рода Streptomyces, обладающих одним из самых больших бактериальных геномов (-8000 тыс. н.п.), имеется одна линейная хромосома. Линейные хромосомы у бактерий часто сосуществуют с линейными плазмидами и широко распространены в природе (таблица 1).

    Таблица 1

    Состав  геномов некоторых бактерий