Биосинтез нуклеотидов и нуклеиновых кислот бактериями.
Обновлено: 25.04.2024
Ампликоны - продукты ПЦР, синтезируемые в процессе амплификации копии ДНК-мишени.
Амплификация (лат. amplificatio — усиление, увеличение). В молекулярной биологии — увеличение числа копий ДНК . В клетке амплификация происходит в результате репликации ДНК, в искусственных условиях увеличения числа копий ДНК добиваются с помощью полимеразной цепной реакции. П роцесс многократного копирования специфического участка ДНК (кДНК), ограниченного (фланкированного) праймерами.
Асимметричная мультиплексная полимеразная цепная реакция - полимеразная цепная реакция, где в одной пробирке с участием нескольких пар праймеров одновременно амплифицируются разные последовательности анализируемой ДНК, причем количество одного из праймеров каждой пары в несколько раз превышает количество другого праймера.
Бактериофаг. Вирус, инфицирующий бактерии.
Биологический микрочип - микроматрица с ячейками, в которых иммобилизован набор олигонуклеотидов.
Вирион. Вирусная частица
Ген (Gene). Транскрибируемый участок хромосомы, кодирующий функциональный белок, либо тРНК или рРНК.
Генетическая конструкция - генно-инженерная последовательность ДНК, вносимая в геном растения, обычно один или несколько генов, маркерные гены и регуляторные последовательности (промотор и терминатор).
Генетический код (Genetic code). Система записи генетической информации в виде последовательности нуклеотидов, в которой каждые три нуклеотида, составляющие кодон, кодируют одну аминокислоту. Состоит из 64 кодонов, кодирующих все 20 аминокислот и три терминирующих кодона.
Генетически модифицированный микроорганизм (ГММ) - микроорганизмы (бактерии, дрожжи и др.), в которых генетический материал (дезоксирибонуклеиновая кислота) изменен с использованием методов генной инженерии.
Генетически модифицированный организм (ГМО) - организм или несколько организмов, любые неклеточные, одноклеточные или многоклеточные образования, способные к воспроизводству или передаче наследственного генетического материала, отличные от природных организмов, полученные с применением методов генной инженерии и содержащие генно-инженерный материал, в т.ч. гены, их фрагменты или комбинацию генов.
Генная инженерия - совокупность методов и технологий, в т.ч. технологий получения рекомбинантных рибонуклеиновых и дезоксирибонуклеиновых кислот, по выделению генов из организма, осуществлению манипуляций с генами и введению их в другие организмы.
Генно-инженерная деятельность - деятельность, осуществляемая с использованием методов генной инженерии и генно-инженерно-модифицированных (генно-модифицированных) организмов.
Геном (Genome). Совокупность генов гаплоидного набора хромосом данного организма.
Гибридизация (Hybridization). Отжиг двух полинуклеотидных цепей, часто из разных источников, с образованием ДНК /РНК или ДНК /ДНК гибридов, стабилизируемых водородными связями.
3 ! гидроксильная группа. Гидроксильная группа, связанная с 3 !- атомом углерода сахарного остатка ( рибозы или дезоксирибозы) концевого нуклеотида молекулы нуклеиновой кислоты.
Гуанин (G, Guanine). Пуриновое основание, комплементарное цитозину. Одно из четырех азотистых оснований, входящих в состав ДНК или РНК.
Дезоксирибоза ( Deoxyribose). Пятиуглеродный моносахарид, входящий в состав ДНК .
Дезоксирибонуклеиновая кислота, ДНК. Полимер, состоящий из дезокрибонуклеотидов. Видоспецифический носитель генетической информации.
Денатурация (Denaturation). 1. Расхождение цепей двухцепочечной молекулы ДНК или РНК. 2. Нарушение нативной конформации биологических макромолекул в результате разрушения нековалентных (водородных) связей.
ДНК-зонд (DNA-probe). Фрагмент ДНК , меченный тем или иным способом и использующийся для гибридизации со специфическим участком в молекуле ДНК . Позволяет идентифицировать комплементарные ему нуклеотидные последовательности.
ДНК-полимераза (DNA-polymerase). Фермент, катализирующий синтез полинуклетидной цепи из отдельных нуклеотидов с использованием другой цепи в качестве матрицы и ДНК -затравки со свободной 3 ! –ОН-группой.
ДНК-полимераза Taq (Taq DNA-polymerase). Термостабильная ДНК-полимераза ( сохраняет активность при 95 0 С) бактерии Thermus aquatucus . Часто применяется в методе ПЦР.
Зонд (Probe). 1. Соединение, меченное тем или иным способом и использующееся для выявления родственных биохимических молекул в сложном образце. 2. Олигонуклеотид, использующийся для выявления комплементарных последовательностей с помощью гибридизации.
Интеграция (Integration). Встраивание чужеродной ДНК (обычно с помощью гомологичной рекомбинации) в хромосому клетки хозяина.
Интрон (Intron). Транскрибируемый участок гена, не содержащий кодонов и вырезаемый из первичного транскрипта в ходе процессинга с образованием функциональной РНК.
Капсид (Capsid). Белковая оболочка вирусной частицы
Комплементарная ДНК, кДНК. Молекула ДНК, синтезированная на РНК-маирице с участием РНК-зависимой ДНК-полимеразы (обратной транскриптазы).
Комплементарные нуклеотидные последовательности. Полинуклеотидные последовательности, которые взаимодействуют между собой в соответствии с правилами спаривания оснований: аденин (А) образует пару с тимином (Т) (или урацилом (У) в РНК), гуанин (Г) – с цитозином (Ц).
Лизис. Разрушение клеточных стенок под действием ферментов, содержащихся в лизосомах, или других агентов.
Маркер генетический - признак микробной клетки (устойчивость к антибиотикам или другим ингибиторам, зависимость от определенного метаболита и др.), используемый в качестве метки при изучении генетических процессов.
Матричная РНК, мРНК (Messenger RNA). Молекула РНК, в которой заключена информация об аминокислотной последовательности определенной белковой молекулы.
Матричная цепь (Template strand). Цепь ДНК или другой полинуклеотид, использующийся ДНК-полимеразой в качестве матрицы для синтеза комплементарной цепи.
Мишень (Тaget). В самом широком смысле – биологический объект (ткань, молекула, клетка, микроорганизм), которая интересует исследователя.
Мобильный генетический элемент (Transposable element). Участок ДНК, способный изменить свое положение в геноме. Среди таких элементов различают IS-элементы и транспозоны.
Молекулярная диагностика. Выявление молекулярно-биологическими методами патогенного микроорганизма, специфического вещества или измененной нуклеотидной последовательности, ответственных за то или иное заболевание.
Нуклеаза S1. Фермент, специфически расщепляющий одноцепочечную ДНК с образованием 5'-фосфорилированных моно- и олигонуклеотидов.
Нуклеозид (Nucleoside). Пуриновое или пиримидиновое азотистое основание, ковалентно связанное с пятиуглеродным сахаром ( пентозой) Если сахаром является рибоза, то мы имеем дело с рибонуклеозидом, а если дезоксирибоза, то с дезоксирибонуклеозидом.
Нуклеотид (Nucleotide). Нуклеозид, к которому присоединена одна или более фосфатных групп; присоединение происходит по 5’-углеродному атому сахарного кольца.
Обратная транскриптаза (Reverse transcriptase). РНК-зависимая ДНК-полимераза, использующая молекулу РНК в качестве матрицы для синтеза комплементарной цепи ДНК.
Обратная транскрипция - полимеразная цепная реакция (Reverse transcription-polymerase chain reaction). Способ получения в большом количестве кДНК, состоящий из двух этапов. Вначале in vitro синтезируют кДНК, используя обратную транскриптазу, мРНК в качестве матрицы и oligo (dT) в качестве праймера. Затем кДНК амплифицируют с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР), используя два праймера: один комплементарен участку первой цепи кДНК, а второй – другой цепи, комплементарной первой.
Олигонуклеотид. Короткий сегмент одноцепочечной ДНК. Обычно получают химическим путем.
Отжиг (Annealing). Процесс образования двухцепочечных молекул (ДНК-ДНК или ДНК-РНК) из одиночных полинуклеотидных комплементарных цепей.
Первичный транскрипт (Primary transcript). Молекула РНК, транскрибированная с эукариотического структурного гена не подвергавшаяся процессингу ( т.е. содержащая все экзоны и интроны).
Пиримидины (Pyrimidine). Один из двух типов азотистых оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот; к пиримидинам относятся тимин, цитозин и урацил. Второй тип оснований – пурины; к ним относятся аденин и гуанин.
Плазмида (Plasmide). Внехромосомный генетический элемент, способный к длительному автономному существованию и репликации. Это двухцепочечная кольцевая ДНК длиной 1-200тыс п.о.
Полимеразная цепная реакция , ПЦР (Polymerase chain reaction). Метод амплификации специфического сегмента ДНК с помощью термостабильной ДНК-полимеразы с использованием олигонуклеотидных ДНК-зондов, комплементарных последовательностям противоположных цепей ДНК, фланкирующим амплифицируемый сегмент. Процесс состоит из серии циклически повторяющихся реакций: денатурации ДНК, отжига зондов, синтеза ДНК.
Полинуклеотид. Линейный полимер, состоящий из 20 и более нуклеотидов, соединенных друг с другом фосфодиэфирными связями. Полинуклеотидами являются, например, молекулы ДНК и РНК.
Праймер - искусственно синтезированная последовательность олигонуклеотидов, комплементарная соответствующим участкам ДНК-мишени, применяемая для проведения полимеразной цепной реакции.
Прокариоты (Procaryotes). Организмы, у который нет ограниченных мембранами ядра и органелл. К прокариотам относятся все бактерии.
Промотор - последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК, ответственная за начало транскрипции.
Протеиназы, протеолитические ферменты (Protease). Ферменты, расщепляющие пептидные связи в белковых молекулах.
Процессинг (Processing). Совокупность процессов образования зрелых молекул РНК и белков в клетке. Включает ряд последовательных расщеплений молекулы-предшественника эндонуклеазой или протеиназами.
Пурины (Purine). Один из двух типов азотистых оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот; к пуринам относятся аденин и гуанин. Второй тип оснований – пиримидины; к ним относятся тимин, урацил и цитозин.
Рекомбинантная ДНК - молекула ДНК, полученная в результате объединения in vitro чужеродных (в природе никогда вместе не существующих) фрагментов ДНК с использованием методов генной инженерии.
Рекомбинация генов - процесс генетического обмена (в т.ч. методами генной инженерии) между двумя клетками, отличающимися между собой одним или несколькими генетическими маркерами.
Ренатурация (Renaturation). Воссоединение цепей двухцепочечной ДНК, разошедшихся при денатурации.
Репликация (Replication). Процесс самовоспроизведения (синтеза) ДНК.
Рибонуклеиновая кислота , РНК (Ribonucleic acid RNA). Нуклеиновая кислота, состоящая из рибонуклеотидов, у которых сахаром является рибоза, а одним из пиримидинов – урацил ( вместо тимина ).
Рибосома (Ribosome). Клеточная органелла, рибонуклеопротеидная частица, при участии которой осуществляется синтез белка (трансляция). Состоит из двух субчастиц, большой и малой.
Рибосомная РНК, рРНК (Ribosomal RNA, rRNA). РНК, входящая в состав рибосом.
Селективные маркеры генетических модификаций - последовательности нуклеотидов, используемые в качестве метки при генетических манипуляциях (в составе генных конструкций), которые позволяют выявить участки рекомбинантной ДНК и свидетельствуют об ее присутствии в технологической микрофлоре и/или в пищевой продукции, полученной из/или с использованием технологической микрофлоры.
Сплайсинг (Splicing). Вырезание из предшественника мРНК интронов и ковалентное соединение экзонов с образованием зрелых молекул мРНК.
Температура плавления, Тm (Melting temperature). Температура при которой происходит разрыв половины водородных связей в полинуклеотидном дуплексе.
Терминатор - последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК, ответственная за прекращение транскрипции.
Тимин, Т(Thymine). Пиримидиновое основание; одно из четырех азотистых оснований, входящих в состав ДНК.
Транскрипт (Transcript). Молекула РНК, синтезированная на специфической ДНК как на матрице.
Транскрипция (Transcription). Процесс синтеза РНК, катализируемый РНК-полимеразой, в котором в качестве матрицы используется одна из цепей ДНК.
Трансляция (Translation). Синтез полипептидной цепи рибосомой с использованием в качестве матрицы мРНК.
Транспортная РНК, тРНК (Transfer RNA). Молекула РНК , выступающая в роли адаптера при специфическом переносе аминокислот к растущей полипептидной цепи в процессе трансляции.
Трансформация (Transformation). 1. Перенос генетической информации в бактериальные клетки с участием плазмид или без них, но всегда – без участия вирусов; часто приводит к изменению фенотипа реципиентной клетки. 2. Превращение нормальных клеток животных в опухолевые.
Урацил ,U (Uracil). Пиримидиновое основание; одно из четырех азотистых оснований, входящих в состав РНК.
Фосфодиэфирная связь (Phosphodiester bond). Связь между фосфатными группами при 3’- и 5’- углеродных атомах соседних нуклеотидов одной полинуклеотидной цепи.
Хромосома (Chromosome). Структура, основу которой составляет конденсированная молекула ДНК; носитель генетической информации. Способна к воспроизведению с сохранением структурно-функциональной индивидуальности в ряду поколений. У эукариот находится в ядре клетки, у прокариот – непосредственно в цитоплазме.
Целевой ген - ген, который используется для генно-инженерной модификации микроорганизма с целью изменения его свойств, в т.ч. нуклеотидная последовательность рекомбинантной ДНК конкретного ГММ.
Цитозин (C, Cytosine). Одно из четырех азотистых оснований , входящее в состав ДНК и РНК.
Экзон (Exon). Участок гена, входящий в состав первичного транскрипта, который остается в нем после процессинга (вырезания интронов). Вместе с другими экзонами образует зрелую РНК.
Элонгация (Elongation). Последовательное присоединение мономеров к полимерной цепи.
Эукариоты (Eukaryotes). Организмы у которых: 1) имеется ядро, где содержатся хромосомы; 2) в цитоплазме присутствуют различные органеллы – митохондрии, хлоропласты и т.п. К эукариотам относятся животные, растения, грибы, некоторые водоросли.
Биосинтез нуклеиновых кислот.
Один из самых жизненно важных процессов клетки — биосинтез мононуклеотидов, поскольку рибо- и дезоксирибонуклеотиды служат прямыми предшественниками РНК, ДНК и нуклеотидных ферментов. Центральное звено биосинтеза мононуклеотидов — синтез пуриновых и пиримидиновых оснований. Все микроорганизмы, за исключением некоторых видов бактерий, способны образовывать указанные основания из очень простых предшественников: аминокислот — глицина и аспартата, а также инозиновой, адениловой, гуаниловой и уридиловой кислот. В синтезе мононуклеотидов, кроме того, участвуют фосфорная кислота и П-рибозо-5-фосфат — продукт пентозофосфатного пути превращения углеводов. Синтезированные микроорганизмами мононуклеотиды полимеризуются при участии специальных ферментов в ДНК и РНК.
Биосинтез углеводов.
Глюкоза и другие углеводы синтезируются из более простых соединений. Фотоавтотрофные организмы образуют гексозы в результате восстановления С02. Гексозы, в свою очередь, трансформируются в крахмал, целлюлозу и другие полисахариды. В клетках хемоорганогетеротрофных организмов центральный процесс метаболизма — трансформация пирувата, аминокислот и других простых соединений в глюкозу и гликоген.
Подобно тому как основным путем катаболизма углеводов в клетках анаэробных и аэробных микроорганизмов служит превращение глюкозы в пируват, обратным процессом, т. е. превращением пирувата в глюкозу, является центральный путь биосинтеза моносахаридов и полисахаридов. В данный центральный биосинтетический путь вливаются два главных поддерживающих пути, которые начинаются с двух различных наборов простых, неуглеводных соединений. Один поддерживающий путь заключается в ряде реакций, обеспечивающих превращение промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот в пируват. Указанный процесс характерен для всех организмов и носит название глюконеогенеза. Второй путь состоит из реакций, обусловливающих восстановление С02 до глюкозы. Он отсутствует у хемооргано- гетеротрофов и наблюдается главным образом у хемолитоавтотрофов и фотолитоавтотрофов.
Глюкозо-6-фосфат, образующийся в процессе превращения по центральному пути двух молекул пирувата при затратах энергии АТФ, обусловливает синтез целого ряда соединений — свободной глюкозы, крахмала, гликогена, дисахаридов, моносахаридов, компонентов клеточной стенки (гликопептидов, тейхоевых кислот, липополисахари- дов), запасных веществ клетки (гликогена, гранулезы) и др.
Следует остановиться на особенностях синтеза углеводов и других органических веществ в клетке хемолитоавтотрофных микроорганизмов. Процессы окисления неорганических веществ здесь идут с выделением энергии и позволяют аккумулировать ее в клетке в форме АТФ, часть которой тратится на восстановление С02. Усвоение С02 у большинства исследованных хемолитоавтотрофов, как и у большинства (но не у всех) фотоавтотрофов, осуществляется через восстановительный пентозофосфатный цикл, или цикл Кальвина [1] .
Цикл Кальвина имеет, таким образом, универсальное значение как для эукариотных, так и для прокариотных микроорганизмов, использующих С02 как основной источник углерода.
Ключевым ферментом цикла Кальвина является рибулозобисфос- фаткарбоксилаза, которая катализирует реакцию присоединения С02 к молекуле рибулозо-1,5-бисфосфата (Р03Н2—СН20 • СО—СНОН— —СНОН • СН20—Р03Н2) с образованием двух молекул фосфоглицерата. Последние восстанавливаются в глицеральдегид-3-фосфат, который в результате ряда реакций трансформируется во фруктозобисфосфат, затем — в глюкозо-6-фосфат и, наконец, — в глюкозу.
Биосинтез нуклеиновых кислот
Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды являются строительными блоками, из которых синтезируются нуклеиновые кислоты. Кроме того, нуклеотиды входят в состав многих коферментов и участвуют в активации и переносе аминокислот, сахаров, компонентов клеточной стенки и липидов.
Все микроорганизмы, за исключением некоторых видов бактерий, способны образовывать нуклеотидные основания из простых предшественников: аминокислот – аспартата и глицина, а также инозиновой, адениловой, гуаниловой и уридиловой кислот. В синтезе также участвуют фосфорная кислота и D-рибозо-5-фосфат.
Синтез пуриновых нуклеотидов:
Синтез пиримидиновых нуклеотидов:
1) образование карбамоилфосфата из аммиака и СО2;
2)3) оротовая кислота, конденсируясь с фосфорибозилпирофосфатом, образует оротидин-5-фосфат, который карбоксилируется и превращается в уридиловую кислоту.
Синтезированные микроорганизмами мононуклеотиды полимеризуются при участии специальных ферментов в ДНК и РНК.
Биосинтез аминокислот
Большинство микроорганизмов, подобно высшим растениям, способно синтезировать все 20 незаменимых аминокислот, из которых состоят белки. Углеродные скелеты аминокислот образуются из промежуточных продуктов обмена углеводов в реакциях гликолиза и ЦТК.
Все аминокислоты делятся на группы в соответствии со своим биосинтетическим происхождением.
1. Аминокислоты группы глутаминовой кислоты: синтез идет от 2-оксоглутарата (цикл Кребса);
2. Аминокислоты группы аспарагиновой кислоты: синтез идет от оксалоацетата (цикл Кребса);
3. Группа ароматических аминокислот: синтез начинается с конденсации фосфоенолпирувата (гликолиз) и эритрозо-4-фосфата (С4) ( шикиматный путь);
4. Аминокислоты группы пировиноградной кислоты и серина: синтез начинается от пирувата и 3-фосфоглицерата соответственно;
5. Синтез гистидина связан с путями образования пуринов.
Микроорганизмы могут построить из промежуточных продуктов катаболизма углеводов только углеродные скелеты аминокислот. На последних этапах биосинтеза в молекулу промежуточного продукта при реакции аминирования и переаминирования вводится аминогруппа. Превращение неорганического азота в органический осуществляется через предварительное образование ионов аммония, которые затем включаются в состав органических веществ.
Синтезированные внутриклеточно или адсорбированные из окружающей среды аминокислоты используются для биосинтеза белка.
Биосинтез белка
Белки – это биологические молекулы, участвующие практически во всех процессах, протекающих в живых системах. Они служат катализаторами разнообразных биохимических реакций, осуществляют транспорт веществ внутри клетки и между клетками, регулируют проницаемость клеточных мембран, являются строительными блоками. Белки участвуют в осуществлении двигательных функций, обеспечивают защиту от инфекций и токсинов, регулируют синтез остальных генных продуктов.
Основной структурной единицей белков являются аминокислоты. Синтез белка заключается в образовании пептидной связи между свободными аминокислотами. Для этого необходима предварительная химическая активация аминокислот, требующая расхода энергии АТФ. Активация заключается в присоединении аминокислоты к ферменту-переносчику. Существует 20 аминокислот и, соответственно, 20 таких ферментов, каждый из которых специализируется на активации определенной аминокислоты. Эти же ферменты катализируют прикрепление активированной аминокислоты к тРНК, последняя, в свою очередь, переносит аминокислоты в рибосомы
Белки синтезируются на рибосомах из аминокислот по информации мРНК, которая переписана (путем транскрипции) с генов ДНК (подробно см. гл. 4):
Включение конкретной аминокислоты в синтезируемую пептидную цепь определяется комбинацией трех соседних нуклеотидов в молекуле мРНК – триплетом (кодоном). Вся совокупность кодонов составляет генетический код (таблица 2). В настоящее время генетический код полностью расшифрован. Большинство аминокислот кодируется несколькими триплетами (вырожденность кода). Из 64 возможных нуклеотидных триплета (4 3 =64) три (УАГ, УАА и УГА) не кодируют ни одну из известных аминокислот. Это – «нонсенс-кодоны», которые в норме сигнализируют об окончании синтеза полипептидной цепи. Кодон АУГ является инициирующим кодоном, во внутренних положениях полипептидной цепи он кодирует метионин.
Анаболизм
Анаболизм (биосинтез) – совокупность реакций, в результате которых из более простых соединений, присутствующих в окружающей среде, синтезируются макромолекулы клетки (нуклеиновые кислоты, белки, липиды) [1] .
Реакции анаболизма или биосинтеза связаны с большим потреблением свободной энергии, вырабатываемой в процессе реакций катаболизма и сохраняемой в форме аденозинтрифосфата (АТФ). Биосинтез и катаболизм протекают одновременно и взаимосвязано [3] [1] .
Содержание:
Принцип биосинтеза аминокислот
Большинство бактерий способно к синтезу всех аминокислот, входящих в состав клеточных белков. Исключение составляют некоторые гетеротрофы. Например, молочнокислые бактерии не способны к синтезу всех аминокислот. Поэтому растут они только на сложных по составу питательных средах, включающих продукты природного происхождения [2] .
В большинстве случаев предшественниками для синтеза аминокислот служат промежуточные метаболиты. Это α-кетоглутаровая, щавелевоуксусная, пировиноградная, 3-фосфоглицериновая кислоты и другие соединения [2] .
Для биосинтеза аминокислот используются общие биосинтетические пути. Установлено 20 аминокислот, входящие в состав различных белков [2] .
В частности, щавелевоуксусная кислота является отправной точкой для синтеза шести аминокислот; α-кетоглутаровая кислота – для четырех, а пировиноградная и 3-фосфоглицериновая – трех аминокислот [2] .
Источник азота для аминокислот различных групп бактерий – это нитраты, нитриты, молекулярный азот, аммиак. Перевод неорганического азота в органические соединения всегда происходит через образование аммиака. Поэтому все соединения азота и молекулярный азот предварительно восстанавливаются до аммиака и только после этого могут быть включены в состав органических соединений [2] .
В цитоплазме бактерий из свободных аминокислот количественно преобладает глутаминовая кислота. Она является донором аминогрупп при биосинтезе многих аминокислот [2] .
Пути синтеза аминокислот различны по сложности. Он самых простых до многоступенчатых. Примером последних могут служить ароматических аминокислоты (триптофан, фенилаланин, тирозин) [2] .
Принцип биосинтеза нуклеотидов
Нуклеотиды – сложные соединения, состоящие из азотистых оснований (это производные пурина – аденин, гуанин и пиримидина – цитозин, тимин), пентоз (рибоза и дезоксирибоза) и остатка фосфорной кислоты [2] .
Нуклеотиды – это исходный материал для биосинтеза нуклеиновых кислот. Одновременно нуклеотиды входят в состав многих коферментов и принимают участие в активации и переносе аминокислот, углеводов, липидов и компонентов клеточной стенки [2] .
Значительная часть исследованных микробов способна синтезировать нуклеотиды из низкомолекулярных соединений. При наличии нуклеотидов в питательной среде или при их образовании во время распада нуклеиновых кислот, бактериальная клетка способна использовать их в готовом виде [2] .
Принцип биосинтеза липидов
Липиты в бактериальных клетках представлены химическими соединениями различной природы. К ним относятся триглицериды, фосфолипиды, жирные кислоты, воск, гликолипиды. К липидам бактерий относят соединения, содержащие изопреновые фрагменты. К соединениям липидной природы относят некоторые витамины и их производные [2] .
Липиды у прокариот входят в состав клеточных мембран и клеточной стенки, служат запасными веществами, являются компонентами цепей электронного транспорта и пигментарных систем [2] .
Наиболее универсальными липидными компонентами бактерии являются жирные кислоты и фосфолипиды [2] .
Исходный субстрат для синтеза жирных кислот с четным числом углеродных атомов – это ацетил-КоА. Исходный субстрат для синтеза фосфолипидов – фосфодиоксиацетон. Компоненты липидов – это в основном насыщенные и мононенасыщенные (содержащие одну двойную связь) жирные кислоты [2] .
Полиненасыщенные жирные кислоты с двумя и более двойными связями обнаружены только у цианобактерий [2] .
Принцип биосинтеза углеводородов
Автотрофы в качестве исходного вещества для синтеза углеводов используют углекислый газ. Большинство из них синтезируют углеводы в цикле Кальвина (восстановительный пентозофосфатный цикл) [2] .
В цикле Кальвина принимают участие два специфических фермента, не встречающиеся в других метаболических путях:
- фосфорибулокиназа – превращает рибулозо-5-фосфат при участии АТФ в рибулозо-1,5-дифосфат, выступающий затем в качестве акцептора электронов СО2;
- рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилаза – катализирует реакцию фиксации СО2 рибулозо-1,5-дифосфатом с образованием двух молекул 3-фосфоглицериновой кислоты. Последняя претерпевает, серию последовательных ферментативных превращений, что приводит к образованию молекулы глюкозы [2] .
Гетеротрофы на среде с не углеводными предшественниками (глицирином, аминокислотами, молочной кислотой) синтез углеводов осуществляеют с использованием реакций гликолитического пути, идущих в обратном направлении. Это процесс глюконеогенеза [2] .
Однако некоторые ферментативные реакции гликолитического пути необратимы. Поэтому клетки гетеротрофных прокариот, способные использовать двух- и трехуглеродные соединения, сформировали специальные ферментативные реакции, обходящие необратимые реакции данного пути [2] .
Одна из таких реакций наблюдается у кишечной палочки и заключается в превращении пирувата в фосфоенолпируват (ФЕП) под действием фосфоенолпируватсинтетазы. Улеводы, образованные таким путем, используются для синтеза олиго- и полисахаридов [2] .
Биосинтез полисахаридов происходит путем трансгликозилирования. В ходе данного процесса остатки моносахаридов переносятся на конец растущей цепи полисахарида, что сопровождается значительной затратой энергии [2] .
Нуклеиновые кислоты микроорганизмов
Все природные нуклеиновые кислоты разделяются на два химически разных типа — дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК).
Оба типа нуклеиновых кислот являются полимерами нуклеотидов. Главным химическим различием нуклеотидов дезоксирибонуклеиновой и рибонуклеиновой кислот является природа их углеводного компонента. В состав ДНК входит дезоксирибоза, в состав РНК — рибоза. Каждый нуклеотид, входящий в состав ДНК, состоит из фосфатного остатка, углеводного компонента (2-дезокси-D-рибоза) и какого-либо пуринового или пиримидинового основания. Примером мононуклеотида может служить аденозинмонофосфат, или адениловая кислота.
Оба типа нуклеиновых кислот обязательно присутствуют во всех без исключения живых клетках организма, и лишь вирусы содержат только один из них.
Биологически ДНК и РНК неравнозначны. У них различная локализация в клетке, различные функции, и обе они в равной мере необходимы для жизни. Таким образом, ДНК и РНК представляют собой функционально различные полимеры.
Известно, что молекула ДНК представляет собой очень длинную цепь, состоящую из чередующихся углеводных и фосфатных групп. Углевод присоединен к фосфату так, что фосфатно-углеводные группы вдоль длинной цепи повторяются в строго определенной последовательности. Но если фосфатноуглеводная цепь сохраняет строгую периодичность, то молекула в целом такой периодичностью не обладает, так как к каждому углеводу присоединены различные основания. Обычно находят четыре типа оснований: два из них — аденин и гуанин — принадлежат к группе пуринов, а два других — тимин и цитозин — к группе пиримидинов.
В состав ДНК входят также метилированные основания: 6-метил-аминопурин и 5-метилцитозин. Последний относительно недавно был обнаружен Доскочилом и Шормовой (1965) у Е. coli и Вас. subtilis. Различные штаммы бактерий одного и того же вида могут отличаться друг от друга по содержанию метилированных оснований в ДНК.
По сравнению с клетками и тканями высших организмов для микроорганизмов характерно высокое содержание нуклеиновых кислот. Их количественное содержание подвержено весьма сильным изменениям в зависимости от фазы развития, условий культивирования, физиологического или функционального состояния.
В период лаг-фазы, т. е. фазы подготовки к делению клеток, и особенно к концу лаг-фазы отмечается интенсивный синтез ДНК. Перед самым началом клеточного деления отмечается удвоение содержания ДНК в клетках. В период логарифмического и стационарного роста культуры отмечается постоянство количества ДНК в клетках.
Содержание РНК подвержено более заметным колебаниям. В период лаг-фазы происходит интенсивный синтез РНК. После достижения определенного уровня содержания РНК в клетке начинается синтез белка. Характерной особенностью лаг-фазы является преобладание синтеза РНК над синтезом белка. В фазе логарифмического роста наблюдается, как правило, прямая зависимость между содержанием РНК в клетках, интенсивностью роста и скоростью белкового синтеза. При этом синтез РНК и белка происходит более или менее параллельно, постепенно замедляясь. Таким образом, количество РНК в клетке уменьшается в соответствии с замедлением скорости размножения клеток в культуре и соответственно скорости белкового синтеза. Максимальное количество РНК наблюдается в период наиболее интенсивного роста или непосредственно предшествует ему. В периоды, когда скорость размножения клеток постоянна, содержание РНК в расчете на одну клетку также приблизительно постоянно (А. Н. Белозерский, А. С. Спирин, 1962).
Одним из наиболее важных и интересных вопросов теоретической биологии является изучение специфичности нуклеиновых кислот. Специфичность их определяется в основном:
1) количественными соотношениями различных пуриновых и пиримидиновых оснований;
2) последовательностью расположения нуклеотидов;
3) конфигурацией макромолекул. ДНК и РНК гетерогенны, в каждой из клеток содержится несколько различных по составу и строению макромолекул.
Препаративное выделение их в нативном состоянии и фракционирование встречает еще значительные трудности, поэтому при изучении специфичности состава и строения нуклеиновых кислот речь идет главным образом о специфичности суммарной ДНК или суммарной РНК клетки.
При установлении видовой специфичности в качестве показателя обычно используют соотношения между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, входящими в состав молекул нуклеиновых кислот. Наблюдаемые соотношения между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями объясняются особенностями строения молекулы ДНК.
Согласно современным представлениям нативная молекула ДНК представляет собой две спирально идущие полидезоксирибонуклеотидные цепи, правильно закрученные вокруг общей оси. Эти две цепи удерживаются друг с другом посредством системы водородных связей между противолежащими азотистыми основаниями цепей. При этом против аденина одной цепи всегда находится тимин другой, против гуанина — цитозин, т. е. одна цепь по расположению азотистых оснований комплементарна (дополнительна) к другой.
В различных типах ДНК может быть или преобладание аденина над гуанином и тимина над цитозином (А + Т > Г + Ц) или преобладание гуанина и цитозина над аденином и тимином (Г + Ц > А + Т). Таким образом, состав ДНК у различных микроорганизмов может отличаться только величиной отношения, которое и является показателем видовой специфичности ДНК по нуклеотидному составу.
Сравнительное изучение количественного содержания азотистых оснований некоторых микроорганизмов показало, что у плесневого гриба, относящегося к роду аспергиллов, количество гуанина, аденина, цитозина, тимина примерно одинаковое. У актиномицета, продуцента стрептомицина, отмечается высокое содержание гуанина и цитозина; у золотистого стафилококка — аденина и тимина. При этом отношение у аспергилла около единицы, у золотистого стафилококка оно меньше единицы; у актиномицетов, как правило, находится в пределах 2,5—2,8. У близких в систематическом отношении видов различия в составе ДНК обычно значительно меньше, чем у далеких.
Вопрос о химической специфичности различных ДНК далеко не исчерпывается установлением различий в количественных соотношениях оснований в составе ДНК. Самые глубокие и тонкие различия между молекулами ДНК заключаются в последовательности расположения различных нуклеотидов вдоль цепи.
В отличие от ДНК рибонуклеиновая кислота (РНК) в качестве одного из азотистых оснований имеет в своем составе не тимин, а его деметилированное производное — урацил.
Кроме того, у некоторых микроорганизмов в состав РНК в крайне незначительных количествах входят метилированные пуриновые и пиримидиновые основания (например, 5-метилцитозин, 6-диметиламинопурин, 1-метилгуанин и др.). Если нуклеотидный состав ДНК микроорганизмов весьма сильно варьирует, то нуклеотидный состав РНК, наоборот, близок у различных видов. У всех изученных до настоящего времени микроорганизмов в РНК преобладают гуанин и цитозин. Таким образом, величина — всегда больше единицы. Видовая специфичность РНК, характеризуемая приведенным отношением, не имеет столь резко выраженных отличий, как ДНК. Сходство суммарного нуклеотидного состава РНК. у далеких по систематическому положению микроорганизмов не исключает, тем не менее, специфики индивидуальных РНК. Специфика РНК заключается в последовательности расположения нуклеотидов в молекуле. Надо учитывать, что большинство данных, которыми мы располагали, относится к суммарной РНК. Вопрос о специфичности транспортной, информационной и рибосомальной РНК, имея в виду количественные отношения и последовательность входящих в их состав нуклеотидов, находится в стадии разрешения.
Читайте также: