Плазмиды: функции, строение, виды

Что такое плазмиды

 

Молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (или ДНК) обычно представляют собой макромолекулы, и они обязательно присутствуют в клетках как многоклеточных, так и одноклеточных организмов. Прежде всего, они содержатся в хромосомах, которые находятся в клеточном ядре. Но ДНК не всегда присутствует исключительно в виде хромосом внутри клеточного ядра. ДНК может быть представлена и в форме плазмид. Размеры этих молекул значительно меньше в сравнении с макромолекулами ДНК, но особенность этих молекул не только в этом.

 

Плазмиды существуют в отдельности от хромосом, и они способны осуществлять самостоятельную репликацию (или воспроизводить дочерние молекулы, проще говоря, размножаться). Плазмиды, тем не менее, не встречаются у животных, но они есть в бактериях, отдельных археях и в эукариотических клетках, коими обладают высшие растения и грибы.

 

Плазмиды обычно представлены в виде двухцепочечных (как ДНК) кольцевых молекул, а размеры варьируются от нескольких сотен спаренных азотистых оснований (п.о.) до 400 тысяч пар оснований, а то и 600 тысяч п.о. В клетках могут быть как одна-две копии, так и десятки копий плазмид. В одной клетке возможно сосуществование плазмид разных классов. Учёными выяснено, что плазмиды способны осуществлять репликацию, но они не являются живыми организмами.

 

Функции плазмид

 

Главной функциональной особенностью плазмид является то, что в них содержатся особые гены, отвечающие за улучшение показателей приспособленности бактерий к внешним воздействиям и раздражителям. А ещё плазмиды могут передаваться от одних бактерий к другим (при условии, что эти самые другие “бактерии-реципиенты” были того же вида, того же рода и того же семейства, что и “бактерии-доноры”), и более того, могут передаваться из клеток бактерий в клетки растений, и наоборот.

 

Содержащиеся в хромосомах макромолекулы ДНК на такое не способны. Таким образом подтверждается механизм горизонтального переноса генов. Если проще, то посредством молекул плазмид может передаваться генетическая информация организму, не являющемуся потомком “материнского”. Наследственная передача генетической информации, соответственно, является вертикальным переносом генов. И такой механизм передачи генов используется учёными-генетиками и применяется, к примеру, в генной инженерии, но об этом будет упомянуто ниже.

 

 

Плазмиды могут попасть в другую клетку двумя способами. Первый способ заключается в том, что “материнская” клетка напрямую вступает в контакт с другой клеткой, после чего происходит однонаправленный перенос плазмид, содержащих в себе генетический материал; этот процесс называется конъюгацией. Второй способ заключается в захвате и поглощении экзогенных (то есть, существующих во внешней среде) молекул ДНК, и это называется трансформацией.

 

 

Если подытожить, то можно заключить, что плазмиды в ходе попадания из одной клетки в другую в результате конъюгации осуществляют одну из главных своих функций: горизонтально переносят генетическую информацию из клетки в клетку. Но это не единственная функция плазмид. Эти молекулы осуществляют синтез одних элементов и веществ и расщепление других.

 

Так, плазмиды синтезируют патогенные для отдельных бактерий и клеток вещества, такие как гемолизины (или гемотоксины), которые повреждают оболочку эритроцитов и приводят тем самым к их гемолизу (то есть, разрушению). Ещё плазмиды осуществляют синтез энтеротоксинов, вызывающих, к примеру, пищевое отравление у животных.

 

Результатом деятельности плазмид становится появление смертельных для других бактерий белков, они также создают антигены, заставляющие бактерии скапливаться в результате адгезии на поверхности клеток в организмах животных (включая человека). Что же касается расщепления, то плазмиды способны разрушать некоторые другие соединения, такие как камфоры, салициловая кислота, ксилолы.

 

Ещё одной особенностью плазмид является стойкость к воздействию ультрафиолетового излучения, а также тяжёлых металлов и антибиотиков. Поэтому нередко бактерии с плазмидами оказываются патогенными для организма человека.

 

Строение плазмид

 

 

Обыкновенная плазмида, способная к размножению, включает в себя ряд элементов. К таковым относят: точку начала репликации (указывается как ori), структурные гены репликации (rep), локус (точку расположения конкретного гена) генов, что ответственны за копийность (cop), гены, отвечающие за то, как будут распределены плазмиды в ходе деления “материнской” клетки в клетках-потомках (par), а также детерминанты, контролирующих поддержание определённого числа копий (ccd).

 

Есть также определённое трёхчастное строение плазмид. Каждая молекулы плазмид состоит из модулей. Первый – обязательный модуль, который при репликации копируется в дочернюю молекулу. Второй модуль называется модулем распределения, и он может включать систему распределения, а то и несколько таких систем. Третий модуль называется модулем переноса, и он присутствует у конъюгативных плазмид, соответственно, он играет определённую роль в процессе конъюгации.

 

 

Виды плазмид

 

 

Учёные выявили множество видов и типов плазмид. Многие из них получили своё название благодаря функциям, которыми отличаются те или иные плазмиды. Есть так назывемые F-плазмиды, или фертильные, занимающиеся контролем плазмид к репликации. R-плазмидами называют резистентные, то есть те, что придают бактериям устойчивость к воздействию антибиотиков.

 

Некоторые из плазмид называются (благодаря своим специфическим функциям) плазмидами патогенности. Бактериоциногенные, или B-плазмиды ответственны за синтез летальных для других бактерий белков и других веществ; при этом, отдельно за создание бактериоцина под названием колицин отвечают Col-плазмиды. Создание гемолизинов, которые также играют определённую роль в размножении плазмид, доверено Hly-плазмидам, а энтеротоксины синтезируются Ent-плазмидами.

 

Результатом деятельности Ti-плазмид становится возникновение опухолей в растительных организмах, Tol-плазмидами расщепляется толуол и ксилол. Отдельные плазмиды, отвечающие за распад камфоры (Cam-плазмиды), октана (Oct-плазмиды) и салицина (Sal-плазмиды), называются плазмидами деградации.

 

Роль плазмид

 

 

Как уже было указано ранее, плазмиды позволяют передавать генетическую информацию не только по наследству, но и просто похожим клеткам (растительным, архейным, бактериальным, грибным). Это активно используется современными учёными-генетиками в рамках генной инженерии.

 

И при помощи определённых специфических свойств (о которых также упоминалось выше), за которые могут отвечать отдельные типы и виды плазмид, плазмиды придают бактериям свойства устойчивости к воздействию лекарственных средств, дают им характер патогенов для тех или иных клеток или других бактерий. Иными словами, плазмиды могут влиять на вредоносность бактерий для организма.

 

 

Конъюгированные и неконъюгированные плазмиды

 

 

Способность плазмид передаваться из одной клетки в другую во время конъюгации иначе может называться трансмиссивностью. Этот фактор влияет на то, какими могут быть плазмиды. Они могут быть как конъюгированными (конъюгативными), так и неконъюгированными (неконъюгативными), или же трансмиссивными и нетрансмиссивными. Последние не могут самостоятельно запускать конъюгацию, и передача их осуществляется пассивно как половым методом, так и в ходе конъгации, которую могут запускать только конъюгативные плазмиды.

 

 

У конъюгированных плазмид есть особые гены, называемые tra-генами. Эти гены объединены в особые же группы, называемые tra-оперонами, а они, в свою очередь, осуществляют процесс переноса плазмидной ДНК из клетки в клетку. Tra-опероны синтезируют особые полые структуры на поверхности клеток, называемые половыми пилями. Клетка-реципиент (или бактерия-реципиент) цепляется за эти пили, после чего притягивается, а после этого участок, коснувшийся участка клетки-донора (или бактерии-донора) разрывается с помощью особого белка.

 

 

Передаваемая плазмида кодирует особый фермент, хеликазу, который расплетает ту часть ДНК, что будет перенесена в другую клетку (бактерию), и одним из концов эта самая ДНК переносится в реципиента. Другой конец передаваемой части плазмиды удлиняется, и постепенно восстанавливает ту часть ДНК, что переносится в реципиента.

 

Этот процесс происходит в обеих клетках (или в бактериях), и в доноре, и реципиенте: и там, и там плазмида вновь становится двухцепочечной. После завершения переноса ДНК разрыв в поверхности клетки-реципиента (бактерии-реципиента) восстанавливается, и реципиент может сам становиться донором, в том числе обретает способность с помощью перенесённой плазмиды отращивать половые пили.

 

 

Кстати, tra-опероны в процессе конъюгации также защищают клетку-реципиента от сцепления с половыми пилями других клеток и бактерий.

 

 

F-плазмиды фертильности

 

 

F-плазмиды, или плазмиды фертильности являются, пожалуй, главными среди разновидностей плазмид, и причина этого очевидна: они отвечают за репликацию. F-плазмиды осуществляют удвоение ДНК в плазмидах, осуществляют контроль за синтезом половых пилей. При конюгации клетка-реципиент получает F-плазмиды фертильности даже в случае, если ранее таковыми она не располагала, при этом F-плазмида может захватывать с собой и часть других генов. В некоторых случаях F-плазмиды могут быть и в составе хромосом.

 

Интересно, что попавшие в клетку-реципиента (или в бактерию-реципиента) F-плазмиды становятся HFR-плазмидами.

 

Плазмиды устойчивости

 

За устойчивость бактерий к антибиотикам отвечают R-плазмиды. R в их названии означает “резистентность”, но также это происходит от особых компонентов, что содержатся в них: фактора переноса устойчивости, или RTF-фактора, а ещё r-детерминантов (или детерминантов устойчивости).

 

Они отвечают за создание таких ферментов и веществ, что способны разрушать антибиотики при вступлении с ними в прямой контакт. Бактерии благодаря R-плазмидам могут провоцировать возникновение заболеваний, что попросту не поддаются лечению лекарствами и даже группами лекарств (сразу до десяти), а потому такие заболевания становятся более опасными для организма. На их опасность также влияет и тот факт, что R-плазмиды тоже относятся к конъгированным.

 

Плазмиды вирулентности

 

 

Другое название плазмид вирулентности, или Vir-плазмид – плазмиды патогенности. Как понятно из названия, этот тип плазмид тоже придаёт бактериям повышенную опасность для организма, они делают их, соответственно, вирулентными. К ним относятся такие плазмиды, как Ent-плазмиды, Hly-плазмиды, Tox-плазмиды (ответственны за формирование токсинов).

 

 

Деградирующие плазмиды

 

 

Ещё одна группа плазмид – это деградирующие, или плазмиды биодеградации. Как упоминалось ранее, к этой группе относятся те плазмиды, что осуществляют расщепление и разложение отдельных соединений и веществ (некоторые из этих веществ можно отнести ко ксенобиотикам), и отдельные плазмиды ответственны за разрушение одних веществ, другие плазмиды, соответственно, разрушают другие вещества.

 

Причём они расщепляют вещества не только природного происхождения, но и антропогенного. Так, некоторые бактерии способны расщеплять нефтепродукты, и это осуществляется тоже за счёт деградирующих плазмид. Кстати, что касается подобного рода бактерий, то в актуальное время учёные проводят исследования в области генной инженерии, и одна из целей этих исследований – попытка улучшить экологическую обстановку в водоёмах и в Мировом океане.

 

Также плазмиды деградации играют бактериям-носителям на пользу в плане селективного преимущества в той среде, в которой находится бактерия, будь то природная среда или другой организм.

 

Плазмиды Col

 

Col-плазмиды, как уже было упомянуто выше, попадают в группу бактериоциногенных плазмид, и данный вид плазмид производит особый бактериоцин под названием колицин. Особый он потому, что присутствует у конкретной патогенной бактерии, именуемой кишечной палочкой (научное название – Escherichia coli, или E. coli).

 

Вообще, бактериоцины в принципе оказывают негативное воздействие на показатели жизнедеятельности клеток, особенно на штаммы тех же видов, или на штаммы родственных. Бактериоцины являются белками, которые повреждают клеточные мембраны. Уровень активности определяют рецепторы у бактерий-носителей бактериоцинов. На сегодняшний день учёные определили существование более двухсот видов бактериоцинов.

 

Что касается колициногенных плазмид, то синтезируемый ими колицин не даёт другим бактериям размножаться и развиваться, но при этом для тех самых бактерий, что выделяют колицин, этот бактериоцин совершенно безвреден. Бактерии E. coli (кишечной палочки) выделяют колицин множества видов, названных по буквам латинского алфавита. Col-плазмиды тоже могут быть переданы другим бактериям при конъюгации, и обычно существуют без сцепления с хромосомой, но некоторые виды Col-плазмид могут быть интегрированы в бактериальные хромосомы.

 

Использование плазмид

 

Современная наука достаточно активно занимается исследованием плазмид, В частности, генетикам удалось создать искусственные плазмиды, которые особенно полезны в генной инженерии. Такие плазмиды становятся векторами, снабжёнными целевыми кодирующими областями, и затем их размножают в бактериальных клетках, а результатом становится синтез полезного белка.

 

Так, к примеру, вырабатывают инсулин, крайне необходимый для страдающих диабетом. Плазмиды полезны и в разработке новых лекарственных веществ и в синтезе новых вакцин, а также при создании биологически активных добавок, а вернее – в повышении производительности тех организмов, что могут эти добавки синтезировать. Так что в медицине плазмидам нашлось место.

 

 

Также, как уже упоминалось выше, плазмиды могут быть весьма полезны в биоремедиации. Так называется комплекс действий в вопросах очистки загрязнённой среды (почвы, воды, воздуха) с помощью жизнедеятельности живых организмов. И некоторые бактерии благодаря особым деградирующим плазмидам способны разлагать субстраты, которые в принципе трудно поддаются гниению.

 

 

Плазмиды и генная инженерия

 

 

Наконец, самая перспективная отрасль генетики – генная инженерия, и она тоже не может обойтись без плазмид. Так, искусственно созданные плазмиды можно сделать векторами в области клонирования генетической информации живых организмов. Способность к репликации даёт плазмидам в этом плане преимущество, поскольку так учёные могут обеспечивать возможность того, что рекомбинантная ДНК в клетке-доноре будет также размножаться.

 

Генная терапия также может рассчитывать на помощь плазмид, ибо в перспективе плазмиды могут синтезировать недостающие у пациента белки, а ещё плазмиды могут быть использованы как транспорт для генов, что кодируют инструменты для редактирования ДНК, в том числе для компонентов системы CRISPR-Cas. Этот инструмент на сегодняшний день является наиболее перспективным в вопросе борьбы с тяжёлыми заболеваниями, в том числе и наследственного характера, и адресного поступления лекарственных веществ тем или иным пациентом в каждом индивидуальном случае.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Яндекс.Метрика