Nukleoid Dedičný materiál leží, z funkcionálneho hľadiska v porovnaní s bunkovým jadrom eukaryontov ako ekvivalent jadra, nazývaný aj nukleoid, voľne v bunke. Dedičný materiál baktérie, DNA, má vzhľad povrazového rebríka. Tento leží v bunke vo forme viackrát pretočenej, previnutej skrutky (hélix). Až týmito ohybmi pasuje DNA, rozvinutá asi 500-krát dlhšia než baktéria sama, do tela bunky.
Molekula DNA pozostáva z dvoch navzájom komplementárnych reťazcov, ktoré sú zložené z menších jednotiek, nukleotidov. Základná štruktúra nukleotidu pozostáva z deoxiribózy (molekula cukru), ortofosfátu a organickej bázy. Existujú celkom štyri organické bázy, a to tymidín (T), adenín (A), cytozín (C) a guanín (G). Na zjednodušenie sa v publikáciách, ktoré popisujú genetický kód nejakého živočícha, používajú len skratky nukleových báz – T, A, C, G. Proteíny, teda bielkoviny, sú kódované špecifickým poradím týchto štyroch rozličných nukleotidov.
Tento princíp informačného kódovania je rovnaký u buniek všetkých živých tvorov vrátane človeka. Je to teda univezálny kód. Vodíkovými väzbami sa môžu nukleotidy spájať, a to adenozín s tymidínom na jednej strane a cytozín s guanínom na strane druhej. Tak vzniká typická štruktúra povrazového rebríka DNA. Kvocient počtu dvojíc báz adenozín a tymidín ako aj guanín a cytozín je u každého druhu baktérií konštantný. Tento kvocient môže byť preto využitý na zostavenie systematiky baktérií, keď sa jedná o špeciálny znak.
Plazmidy U niektorých baktérií existuje v bunke okrem chromozómu, ktorý predstavuje vlastný dedičný materiál baktérie, jedna alebo viac ďalších molekúl DNA. Ide o plazmidy. Vyskytujú sa buď jednotlivo alebo vo forme mnohých kópií. Od chromozómu baktérie sú v každom ohľade úplne nezávislé. Pre funkciu a reprodukciu bunky nie sú nevyhnutné. Pre medicínu majú ale osobitný význam.
Rozoznávame patogénne, rezistentné a metabolické plazmidy. Existujú však aj plazmidy, ktoré v sebe združujú viac alebo všetky vlastnosti menovaných skupín. Patogénne plazmidy obsahujú taký genetický kód, ktorý je zodpovedný za vlastnosti baktérie spôsobujúce ochorenia. K tomu patria napr. jedy (toxíny), látky poškodzujúce červené krvinky alebo osobitné kapsuly, ktoré baktériám umožňujú zvýšenú odolnosť voči chemoterapeutikám. Niektoré baktérie získavajú rezistenciu voči chemoterapeutikám. Tieto rezistencie nie sú prevažne kódované nukleoidom baktérie, ale rezistentnými plazmidmi. Existujú i baktérie, ktoré sú rezistentné voči viacerým látkam. Následne sa hovorí o viacnásobne rezistentných plazmidoch. Metabolické plazmidy môžu kódovať vlastnosti, ktoré ovplyvňujú výmenu látok baktérie.
Replikácia DNA Rozmnožovanie baktérie delením bunky vyžaduje aj rozmnoženie jej genetického materiálu. K tomu potrebný proces sa nazýva replikácia. Na tento účel špirálovitá DNA stráca svoju špirálovitú formu a oba reťazce od seba ustupujú, ako pri častiach zdrhovadla. Miesto, na ktorom sa DNA otvára, sa volá miesto iniciácie. Celulárnym enzýmom DNA-polymerázy sa na každú polovicu reťazca pripoja komplementárne nukleotidy. Tak vzniknú dve DNA.
Transkripcia Syntéza, teda tvorba peptidu, špeciálnej bielkoviny, vyžaduje v bunke radu medzikrokov. Miestom produkcie bielkovín je ribozóm, ktorý spája v správnom poradí aminokyseliny do peptidu. „Stavebným plánom“ pre bielkovinu je úsek na DNA, ktorý pozostáva z rady špecifickým spôsobom usporiadaných nukleotidov. Táto oblasť DNA, obsahujúca „stavebný plán“ bielkoviny, sa označuje ako gén. Sám ribozóm nemôže s DNA nič podniknúť. Oveľa viac potrebuje „prepis“ génu, ktorý je zodpovedný za kódovanie tejto bielkoviny na DNA. Tento „prepis“ sa nazýva Messengerova ribonukleová kyselina (mRNA). Podľa vzoru DNA je vyrábaná mRNA enzýmom DNA dependentnej RNA polymerázy. Polymeráza RNA začína svoj prepis na určitom mieste DNA, na promótore. Tento proces tvorby mRNA sa nazýva transkripcia.
Translácia Práve tri nukleotidy na DNA kódujú aminokyselinu. Tieto tri nukleotidy, ktoré kódujú aminokyselinu, sa označujú ako triplet alebo kodón. Aminokyselina je najmenším prvkom, z ktorého pozostáva bielkovina. Poradie aminokyselín v bielkovine určuje jej neskoršie vlastnosti.
Kompletné molekuly bielkovín sú v ribozómoch zostavené z jednotlivých aminokyselín. Predpis zostavenia bielkoviny prenáša mRNA, ktorá je predtým „prepísaná“ z DNA. Tento proces sa nazýva translácia. K translácii je okrem toho potrebná transférová RNA (tRNA). Na jednej strane prenáša ku kodónu mRNA komplementárny antikodón.
Na druhej strane je na tRNA pripojená aminokyselina kódovaná kodónom. V ribozóme sa tRNA viaže na miesto aminokyseliny mRNA. Prostredníctvom ribozómu je potom peptidová väzba napojená k predchádzajúcej aminokyseline. Tak z reťazca aminokyselín vzniká hotová molekula bielkoviny.
Regulácia génov Každá bunka potrebuje rôzne bielkoviny. Tieto ale nie sú potrebné v každom čase a v ľubovoľnom množstve, pretože ich potreba závisí od bunkového cyklu a od podmienok prostredia. Na reguláciu produkcie bielkovín existujú v bunke baktérie mechanizmy na zapnutie a vypnutie produkcie bielkovín. Kód pre enzýmy, ktoré sú potrebné na určitý krok látkovej výmeny, ležia v DNA priamo za sebou. Oblasť, nazývaná aj operón, ktorá obsahuje kód pre tieto enzýmy, je ohraničená dvomi charakteristickými úsekmi. Operátor tu značí začiatok, terminátor koniec tejto oblasti.
Dodatočne existuje úsek nazývaný promótor v bezprostrednej blízkosti operátoru. Tu je pôsobí RNA-polymeráza, aby sa začalo s produkciou mRNA. Aktivita operónu je riadená regulátorom. Tento regulačný gén kóduje regulačný proteín, ktorý sa môže viazať na operátor. Prichytením regulačného proteínu (represora), sa mRNA nemôže viazať a syntéza enzýmov je prerušená. Regulačný proteín sa môže vo svojej funkcii zapnúť a vypnúť. Na tento účel môžu efektory ovplyvniť aktivitu represora. Pritom rozlišujeme dva možné mechanizmy:
Indukčný systém
Naviazaním efektora na represor sa tento vypne. Preto sa nemôže viazať na operátor. Syntéza proteínov prebieha preto neprerušene.
Represívny systém
Naviazaním efektora na represor sa tento zapne. Represor sa naviaže na operón a zabráni tým prichyteniu mRNA-polymerázy. Syntéza proteínov sa preruší.
Tento model génetickej regulácie bol vypracovaný v roku 1961 vedcami Francoisom Jacobom a Jaquesom Monodom (Nobelova cena za medicínu 1965).
Mutácie Vonkajšími vplyvmi ale aj spontánne sa môžu časti genetického materiálu DNA zmeniť a poskytnúť príslušnej bunke nové vlastnosti. Tieto mutácie nie sú riadené. Či príslušná bunka s mutáciou získala novú vlastnosť, ktorá umožňuje lepšie prežitie, je rozhodnuté selekciou. Nové, mutáciami získané vlastnosti, ktoré predstavujú nejakú výhodu, sa zlepšuje schopnosť prežitia baktérie a baktéria má selekčnú výhodu.
Delécia
Tu dochádza k strate dvoch až tisícov nukleotidov.
Bodová mutácia
Zmeny postihujú len jeden nukleotid. Buď jeden vypadne, alebo jeden pribudne, alebo je jeden nukleotid nahradený iným nukleotidom. V protiklade s deléciou môže byť tento proces aj reverzibilný.
Jednoduchá mutácia
Pri tomto type môže viesť jediná mutácia na mieste génu k novej vlastnosti, ktorá otvára príslušnej bunke selekčnú výhodu.
Viacnásobná mutácia
Tu dochádza k mutáciám v zasebou nasledujúcich generáciách. Až všetky mutácie dovedna umožňujú novú vlastnosť.
Pre medicínu zohrávajú mutačné procesy baktérií osobitnú úlohu, pretože vznikajú také baktérie, ktorých mutáciou získané nové vlastnosti, im poskytnú napríklad rezistenciu voči chemoterapeutiku. Avšak mutácie sú zriedkavé javy. Mimo mutácií jadra baktérií sa môžu mutácie vyskytnúť aj v plazmidoch. V extrémnom prípade môže dokonca dôjsť k celkovej strate všetkých plazmidov. Táto vlastnosť môže byť, tak ako každá iná mutácia, dedená ďalej. Selekčná výhoda pre bunku môže byť v tom, že bunky bez plazmidov sa rýchlejšie rozmnožujú, lebo energia, ktorá je potrebná na rozmnožovanie plazmidov, môže byť ušetrená.
Mutagény Mutácie nastávajú v normálnom prípade spontánne. Existujú ale isté vonkajšie faktory, ktoré vyvolávajú mutáciu alebo ju môžu podporovať. Mutagénmi nazývané faktory môžu priamo reagovať s dedičným materiálom alebo vyvolať mutácie nepriamo, pôsobením vnútrobunkových reakčných produktov. Ako mutagény prichádzajú do úvahy ultrafialové svetlo pri maximálnej citlivosti DNA na 260 nm alebo ionizované lúče, pričom žiarenie alfa pôsobí mutagénne silnejšie než žiarenie beta a gama. Aj cudzí dedičný materiál, produkty látkovej výmeny parazitov, vírusov a mnohých chemikálií, o.i. vinka-alkaloid, teda jed jesienky obyčajnej alebo chemoterapeutiká proti rakovine prichádzajú ako mutagény do úvahy.
Parasexualita Živočíšne bunky miešajú svoj dedičný materiál v rámci sexuálnych procesov po redukčnom delení (meióze) a novej kombinácii (karyogamii). Naproti tomu sa baktérie rozmnožujú priečnym delením, gaméty (pohlavné bunky) sa nevyskytujú. Predsa existujú mechanizmy, ktoré umožňujú výmenu dedičného materiálu medzi bunkami nepohlavnou cestou vnútri buniek jednej generácie.
Transformácia
Niektoré baktérie môžu prijať do bunky DNA inej baktérie. Tam sa zabuduje jedna časť tejto DNA do reťazca DNA prijímajúcej baktérie (rekombinácia). Takto zmenený genóm baktérie sa po reduplikácii DNA (znásobení DNA) v rámci priečneho delenia odovzdáva ďalej. Na základe toho vlastnia potom všetky baktérie nové vlastnosti, určené prijatou DNA. Tento mechanizmus sa využíva aj v génovej technológii. Tam sa plazmidy baktérií využívajú ako „posli“.
Transdukcia
Baktériofágy sú vírusy špecializované na baktérie. V normálnom prípade infikujú bunku baktérie a zakomponujú ich vlastnú DNA do DNA svojho hostiteľa. Ak sa hostiteľská DNA rozmnoží, rozmnoží sa aj DNA fágu. Bunka produkuje aj zložky fágov. Ak z jednotlivých častí vzniknú nové fágy, rozpustia (lýzujú) bunkovú stenu, uvoľnia sa a napádajú nové baktérie. Počas týchto procesov môžu byť chybou do fágov spoluzabudované časti DNA baktérie (donor) alebo baktériových plazmidov. Schopnosť bunkovej lýzy sa pritom stráca, ale nie schopnosť bakteriálnej infekcie. Po infekcii novej baktérie (recipient) sa fragment DNA z fágu vbuduje po rekombinácii do DNA baktérie. Tým získala baktéria novú vlastnosť. Ak sa do bunky dostane fágom plazmid, nie je rekombinácia nutná. Hovorí sa aj o generalizovanej transdukcii. Pri špecializovanej transdukcii sa zabudováva namiesto fágového chromozómu chromozóm baktérie. Aj tieto fágy strácajú schopnosť bakteriolýzy, nie však svoju infekciozitu.
Konjugácia
Vzájomné spojenie dvoch baktérií pri tvorení plazmatického mostíka, cez ktorý môže chromozóm (alebo jeho časť) prejsť z darcovskej bunky do prijímacej bunky (=donor, príp. receptor) a rekombinovať sa s tamojším chromozómom.
Predchádzajúca téma
Stavba a štruktúra baktérií Nasledujúca téma
Bakteriálne kultúry a rast baktérií
