ПЛАЗМІДИ

ПЛАЗМІДИ — позахромосомні генетичні структури бактерій, що є молекулами ДНК, здатні автономно копіюватися (реплікуватися) та існувати в цитоплазмі клітини. Нек-рі П. можуть також включатися (інтегрувати) у хромосому з певною частотою (див. Епісоми).

Термін "плазміда" був вперше введений Ледербергом (J. Lederberg) у 1952 р. для позначення статевого фактора бактерій (див.), виявленого в клітинах Escherichia coli К 12. Надалі у бактерій різних видів були виявлені П., що несуть гени, відповідальні за стійкість клітин до лікарських препаратів (див. R-фактор), за синтез бактеріоцинів (Див. Бактеріоциногенні фактори), гемолізинів (Hly-плазміди), ентеротоксинів (Eiit-плазміди), специфічних поверхневих антигенів та ін. Хоча відомості про П., які є зараз. отримані переважно щодо бактерій, є підстави вважати, що аналогічні структури поширені у популяціях найрізноманітніших мікроорганізмів. У вищих організмів позахромосомні молекули ДНК виявлені у складі мітохондрій та пластид (див. Спадковість цитоплазматична).

Є кілька підходів до класифікації П. Залежно від здатності або нездатності передаватися з однієї бактеріальної клітини до іншої в процесі кон'югації (див. Кон'югація у бактерій) розрізняють П. кон'югативні (трансмісивні, або трансмісибельні) та некон'югативні (нетрансмісивні). При передачі деяких кон'югативних R-плазмід до клітин окремих видів бактерій спостерігається розпад (дисоціація) цих П. з утворенням «чистого» фактора перенесення (фактору RTF) та некон'югативної плазміди, що несе гени лікарської стійкості (див.Лікарська стабільність мікроорганізмів). Це дозволило припустити, що кон'югативні П. виникли в процесі еволюції як результат об'єднання (коінтеграції) факторів перенесення та некон'югативних П.

Нездатність двох споріднених П. стабільно співіснувати в одній і тій же бактеріальній клітині (явище несумісності П.) є основою класифікації П. та груп несумісності. При цьому несумісні одна з одною П. об'єднують в одну групу. Така класифікація, ймовірно, відображає ступінь філогенетичної спорідненості окремих П., на що вказує високий рівень гомології ДНК різних П. однієї групи несумісності і низький рівень гомології ДНК у сумісних П. з різних груп.

За хім. природі П. являють собою кільцеві ковалентно закриті молекули ДНК з мол. вагою (масою) порядку 1-106 - 120-106. Некон'югативні П., як правило, мають мол. вага (масу) менше 10 * 10 6; значна частина такої плазміди являє собою генетичний матеріал, що забезпечує її здатність бути самостійною одиницею, що реплікується (репліконом). Кон'югативні П. мають більші розміри і поряд з областю, що контролює їх реплікацію, містять так зв. tra-область (англ. transfer перенос), яка детермінує здатність бактеріальних клітин кон'югувати один з одним. У складі tra-області статевого фактора бактерій виявлено і картовано 21 різний tra-ген, які утворюють єдину структурнофункціональну одиницю (tra-one-рон) з самостійною системою генетичної регуляції. Некон'югативні П. зазвичай не містять tra-оперону і тому не можуть самостійно передаватися з однієї клітини до іншої при кон'югації бактерій.Однак така передача можлива за рахунок функціонування tra-генів кон'югативної П., що знаходиться разом з некон'югативною П. в одній і тій же клітині. Здатність до реплікації, кон'югативність, несумісність та інші функції бактеріальних П. в тій чи іншій мірі знаходяться під контролем хромосомних систем генетичної регуляції. Крім зазначених генетичних структур, у складі П. можуть бути різні гени, що надають бактеріям-господарям додаткові властивості, які в певних умовах існування забезпечують цим бактеріям тимчасові переваги в порівнянні з безплазмідними бактеріями (зумовлюють, напр., лікарську стійкість, коліциногенність, стійкість до дії іонізуючої та ультрафіолетової радіації, до дії солей важких металів та ін.). Припускають, такі гени могли потрапити до складу плаз-мидного реплікону в результаті генетичного обміну між П. і хромосомою або між окремими П. (див. Рекомбінація). Встановлено також істотну роль фрагментів генетичного матеріалу (транспозонів), що мігрують (транслокуються), у процесі еволюції П.

Для вивчення структурно-функціональних особливостей окремих П. використовуються методи генетичного аналізу бактерій, що містять ці П. При дослідженні фізикохімічної та генетичної організації плазмідної ДНК широко застосовують також фізико-хімічні, радіобіологічні, електронномікроскопічні та інші методи.

Можливість швидкого копіювання (реплікації) та ефективної внутрішньовидової, міжвидової та міжродової кон'югаційної передачі П. визначає важливу роль цих генетичних структур у процесі еволюції бактерій (див. Бактерії). П.є зручною моделлю для експериментів з штучної реконструкції генетичного матеріалу і створення нових геномів організмів. Особливе значення для розробки проблем раціональної хіміотерапії інф. хвороб набувають дані про особливості і динаміку поширення R-плазмід в сучасних популяціях мікроорганізмів. При діагностиці інф. і т. п.).

Бібліографія: Кудлай Д. Г. Позахромо-сомні фактори спадковості бактерій та їх значення в інфекційній патології, М., 1977, бібліогр.; M e fi-не л л. .; П е- х о А. П. і Щ і п к о в Ст. П. Генетика бактеріальних плазмід, в кн.: Усп.

XVI Міжнародна студентська наукова конференція Студентський науковий форум – 2024

Плазміди - додаткові фактори спадковості, розташовані в клітинах поза хромосомами і є кільцевими (замкнутими) або лінійними молекулами ДНК.

Плазміда є дволанцюжковою (рідко одноланцюжковою), кільцевою або лінійною молекулою ДНК.Вона лежить вільно у цитоплазмі бактерій. Розміри плазмід варіюють від 2 тис. до кількох сотень тисяч пар основ; деякі з них містять 1 - 3 гени, інші досягають 10 - 20% розміру бактеріальної хромосоми [4]. Плазміди є обов'язковими структурами бактерій.

Плазміди можуть передаватися від однієї бактерії до іншої двома шляхами:

1. Шляхом прямого контакту однієї клітини з іншою під час кон'югації – це спосіб розмноження бактерій
2. Шляхом трансформації, де ДНК проходить через зовнішнє середовище і разом із нею може статися захоплення плазміди.

Пламіди у клітині можуть виконувати різні функції. Це від того, які гени вони у собі несуть.

Плазміди можуть бути такими, як:

• R-плазміди – це плазміди, які несуть у собі гени стійкості до антибіотиків. Бактерії можуть бути стійкими до різних видів антибіотиків, через наявність в клітині однієї або декількох плазмід, що містять гени стійкості до різних антибіотиків. Це є проблемою у створенні препаратів, які могли б боротися із хвороботворними бактеріями. Ці плазміди можуть передаватися від однієї бактерії до іншої в процесі трансдукції і не лише. Такі плазміди можуть передаватися бактеріям різних видів, пологів та навіть сімейств.
• Col-плазміди – це плазміди, які містять гени, що кодують білки з антимікробними властивостями. Ці білки називаються коліцинами, вони шкідливі тільки для близьких організмів. Додатково у цих плазмідах є гени, які відповідають за стійкість клітин, що виробляють цей білок, до коліцину. Наприклад, деякі штами Escherichia coli (Кишкова паличка) можуть виробляти коліцини, які знищуватимуть клітини інших штамів Escherichia coli.
• F-плазміди – це кон'югативна плазміда. допомогою встановлюється контакт між двома клітинами [3].

Плазміди характеризуються нестабільністю. Одні плазміди стабільніші від інших.

Плазміди також характеризуються несумісністю. Іноді в одній клітині не можуть існувати один з одним певні плазміди.

Плазміди використовуються в генній інженерії. Генна інженерія – це сукупність методів, що дозволяють створювати in vitro рекомбінантні молекули ДНК, з подальшою передачею цих нових генетичних структур з одного організму в інший. молекулярної точки зору однотипна, це означає, що можливе поєднання фрагментів ДНК з будь-яких організмів. [2].

Один з методів – це метод конструювання та перенесення рекомбінантних ДНК. Спершу створюється вектор генів.Далі отриманий вектор вводять реципієнтні клітини за допомогою трансформації. Потім відбувається відбір бактерій, які містять плазміди із необхідним геном. Потім відбувається культивування бактерій.

Також можна поєднувати різні плазміди. Плазміди розрізаються, а потім фрагменти зшиваються, утворюються рекомбінантні плазміди, які потім вводять у клітину. Було проведено експеримент, у якому поєднали плазміди Staphylococcus aureus, стійкого до пеніциліну, та плазміди штаму Escherichia coli, стійкого до тетрацикліну. Коли гібридні плазміди були введені до клітин E. coli, отриманий штам виявився стійким і до пеніциліну, і до тетрацикліну. Цей експеримент, в якому було здійснено перенесення генетичної інформації між неспорідненими організмами, дозволив припустити, що в клітини бактерії можна вводити молекули ДНК і вищих організмів і що вони реплікуватимуться в цих клітинах.

1. Гігані О. Б. Плазміди. - М.: РУСАЙНС, 2017. - 154 с
2. Канапіна А. Ш. Вивчення природи плазмід B. Subtilis. М.: РАН Інститут Загальної Генетики імені М. І. Вавілова, 1995. - С. 1-19.
3. Пехов А. П. Основи плазмідології. М: Видавництво Російського Університету Дружби Народів, 1996.
4. Саламатіна А.А. Плазміди бактерій. Їх функції та властивості // Молодь та наука. 2018. – №5. - С. 1-22.

Плазміди – це. Функція плазмід

У цій статті міститься інформація про загадкові та складні молекулярні структури різних клітин, частіше бактерій, – плазміди. Тут ви знайдете інформацію про їх будову, призначення, способи реплікації, загальну характеристику та багато іншого.

Чим є плазміди

Плазміди - це ДНК-молекули, які мають невеликий розмір і за фізичним положенням відокремлюються від клітинних хромосом геномного типу. Мають здатність до автономного процесу реплікації. Здебільшого плазміди зустрічаються у бактеріальних організмах. Зовні це молекула, що має кільцевий дволанцюжковий вигляд. Вкрай рідко плазміди можна зустріти в архей та еукаріотичних організмів.

Як правило, плазміди бактерій містять генетичну інформацію, здатну підвищити стійкість організму до факторів зовнішньої природи, які негативно впливають на стан організму, в якому вони знаходяться. Іншими словами, плазміди можуть знижувати ефективність антибіотиків через підвищення стійкості самої бактерії. Часто зустрічається процес передачі плазмід від бактерії до бактерії. Плазміди – це структурні елементи, що є засобом ефективного перенесення генетичної інформації горизонтальним методом.

Д. Ледерберг – молекулярний біолог, вчений родом із США, ввів поняття плазміда у 1952 році.

Розмірні величини плазмід та їх чисельність

Плазміди - це структури, що мають найрізноманітніші величини. Найдрібніші форми можуть містити в собі близько двох тисяч парних основ або менше, у той час як інші, найбільші форми плазмід, містять у собі кілька сотень тисяч основ парного типу. Знання цього дозволяє провести межу між мегаплазмідами і міні-хромосомами. Існують бактерії, здатні містити плазміди різного типу. При цьому загальна сума їхнього генетичного матеріалу може перевищувати розмір матеріалу клітини-господаря.

Кількість копій плазмід, що знаходяться в одній клітині, може сильно змінюватись.Наприклад, в одній клітині їх може бути всього пара, в той час як в іншій число плазмід одного типу доходить до десятків або сотень. Кількість їх зумовлена ​​реплікаційним характером.

Плазміди – це структурні клітинні елементи здатні до автономної реплікації. Тобто вони можуть реплікуватися самостійно, не контролюючись хромосомами. У той самий час хромосома може контролювати самі плазміди. У випадку із суворим контролем кількість реплікованих плазмід зазвичай мало, близько 1-3. Плазміди дрібних розмірів частіше піддаються ослабленому виду контролю та можуть створювати більшу кількість копій.

Процес реплікації

Бактеріальні плазміди здатні автономно реплікуватись. Однак цей процес різною мірою піддається хромосомному контролю. Це зумовлюється відсутністю деяких необхідних генів. З огляду на це у процес реплікації плазмід включаються клітинні ферменти.

Етап реплікації поділяється на стадію ініціації, елонгації та термінації. ДНК-полімераза почне реплікацію лише після її затравки за допомогою праймера. Спочатку відкривається ланцюг і відбувається праймування РНК, потім розривається один з ланцюгів і утворюється вільний 3`-OH кінець.

Найчастіше етап ініціації відбувається під дією білків-каталізаторів, що кодуються плазмідою. Іноді ці ж білки можуть вступати у процес виробітку праймера.

Елонгація відбувається за допомогою голоферменту ДНК-полімерази III (іноді I) та деяких клітинних білках, що перебувають у реплісомі.

Термінація реплікації може починатися лише за наявності певних умов.

Принципи реплікаційного контролю

Контроль механізмів реплікації складає етапі реплікаційної ініціації.Це дозволяє утримувати чисельність плазмід у строгій кількості. До молекул, здатних здійснювати його, відносяться:

1. РНК мають протилежну полярність.
2. ДНК – послідовність (ітерон).
3. РНК, що мають протилежну полярність, та білки.

Дані механізми зумовлюють частоту повторення циклів відтворення плазмід усередині клітини, вони також фіксують будь-які відхилення від норми частоти.

Види механізмів реплікації

Існує три механізми реплікації плазмід:

1. Тета-механізм складається з етапу розплетення 2-х ланцюгів батьків, синтезу праймера РНК на кожному ланцюзі, реплікаційної ініціації за рахунок наростання ковалентного типу пРНК на обох ланцюгах та синтезу відповідного ланцюжка ДНК на батьківських ланцюгах. Незважаючи на те, що процес синтезу відбувається одночасно, один з ланцюгів є лідером, а інший відстає.
2. Заміщення ланцюга – витіснення новосинтезованим ланцюгом ДНК однієї з батьківських. В результаті такого механізму утворюється ДНК кільцевої форми одноланцюжкового типу та суперспіралізована ДНК з двома ланцюгами. ДНК з одного ланцюжка пізніше відновлюватиметься.
3. Механізм реплікації кільця, що котиться – є розрив одноланцюжкової ДНК за допомогою білка Rep. В результаті цього утворюється група 3-OH, яка буде виступати в ролі праймера. Цей механізм протікає за допомогою різних білків клітини-носія, наприклад, хелікази ДНК.

Способи передачі

Плазміди потрапляють у клітину, використовуючи одне із двох шляхів. Перший шлях – це встановлення контакту між клітиною-носієм та клітиною, яка не містить плазмід, внаслідок процесу кон'югації. Існують кон'югативні плазміди у грампозитивних і грамнегативних бактерій.До першого способу відносяться передачі в момент трансдукції або трансформації. Другий шлях здійснюється штучно, шляхом впровадження плазмід у клітину, при цьому організм повинен пережити експресію генів клітини-носія, тобто набути компетентності клітини.

Виконувані функції

Роль плазмід, як правило, полягає у наданні клітині-носія певних властивостей. Деякі з них можуть практично не впливати на фенотипічні характеристики свого господаря, тоді як інші здатні викликати прояв у носія властивостей, що дають йому перевагу над іншими такими ж клітинами. Ця перевага допоможе клітині-господарю краще переживати шкідливі умови середовища, в якому вона мешкає. У разі відсутності таких плазмід клітина або погано зростатиме і розвиватиметься, або зовсім загине.

Плазміди - це багатофункціональна складова клітини. Вони виконують величезну кількість функцій:

1. Транспорт генетичної інформації під час протікання кон'югації. Зазвичай це робить F-плазмід.
2. Бактеріоциногенні плазміди контролюють синтез білка, який може призводити до загибелі інших бактерій. Цим займаються переважно Col-плазміди.
3. Hly-плазміда займається синтезом гемолізину.
4. Зумовлюють опір впливу важких металів.
5. R-плазміда – підвищує опірність антибіотичним засобам.
6. Ent-плазміда – дозволяє синтезуватись ентеротоксинам.
7. Деякі їх збільшують ступінь стійкості до ультрафіолетового випромінювання.
8. Плазміди колонізаційних антигенів дозволяють бактеріальній адгезії проходити на клітинній поверхні усередині організму тварин.
9. Деякі їх представників відповідають за розріз ДНК-ланцюга, тобто за рестрикцію, і навіть модифікацію.
10. Плазміди САМ зумовлюють камфорне розщеплення, плазміди XYL розщеплюють ксилол, а плазміди SAL – саліцилат.

Найбільш вивчені види

Найбільш добре людина вивчила властивості плазмід F, R і Col.

F-плазміда – це найвідоміша кон'гативна плазміда. Є епісомом, що складається зі ста тисячі підстав парного типу. Має власну точку реплікаційного початку та точку розриву. Як і інші плазміди кон'югативного типу, займається кодуванням білків, здатних протидіяти процесу прикріплення пилок інших бактеріальних організмів до стінки конкретної клітини.

Крім стандартної інформації, містить у собі локуси tra і trb, які організують загальний, цілісний оперон, що містить у собі тридцять чотири тисячі парних основ. Гени, що у цьому опероні, відповідають різноманітні аспекти кон'югації.

R-плазміда (фактор) є молекулою ДНК і має кільцеву форму. ДНК плазміди містять інформацію, що відповідає за протікання та реалізацію процесу реплікації та перенесення резистентних властивостей всередину клітини-реципієнта. Вони визначають рівень стійкість клітини певним антибіотикам. Деякі з R-плазмід є кон'югативними. Передача R-фактора відбувається в результаті трансдукції та стандартного клітинного поділу. Вони здатні передаватися між відмінними один від одного видами чи навіть сімействами.

Саме ця форма плазмід часто викликає проблеми в процесі лікування захворювань бактеріальної природи при використанні відомих на сьогодні антибіотичних засобів.

Col-плазміди відповідають за синтез коліцину – особливого білка, здатного пригнічувати процеси розвитку та розмноження всіх бактерій, крім самого носія.

Характеристика класифікації

Вся система класифікації будується відповідно до деяких властивостей плазміду:

1. Способи реплікації та її механізм протікання.
2. Наявність загального кола носіїв.
3. Особливості копійності.
4. Топологічні характеристики плазміду.
5. Сумісність.
6. Не/кон'югативні плазміди.
7. Наявність маркерного гена, що знаходиться на плазміді.

Однак у будь-якому способі їхньої класифікації міститься точка реплікаційної ініціації.

Області застосування плазміду

Функція плазмід при використанні їх людиною полягає у способі створення клонованої копії ДНК. Самі плазміди виступають у ролі вектора. Реплікаційна здатність плазмідів дозволяє відтворювати рекомбінантну ДНК у клітині-носії. Широке використання вони знайшли у генній інженерії. У цій галузі науки плазміди створюються штучним шляхом для перенесення інформації генетичного типу чи будь-яких маніпуляційних дій із генетичним матеріалом.

Поняття про ці клітинні компоненти зустрічається й у ігровій промисловості ( " Біошок " ). Плазміди виконують функцію особливих речовин, які здатні надати організму унікальних властивостей. Важливо знати, що ігрові плазміди не мають практично нічого спільного з реальними. У грі, виконаній у жанрі шутера з елементами RPG, яка називається Bioshock, плазміди є генетичною модифікацією певних властивостей організму, їхньою зміною та способом надання надздібностей.