Общая характеристика вирусов
Вирусы отличаются как от прокариотных, так и от эукариотных микроорганизмов, как в структурном, так и в функциональном отношении: вирусы не имеют клеточного строения; содержат только один тип нуклеиновой кислоты; не способны к росту и бинарному делению; не имеют собственных метаболических систем; воспроизводятся за счет нуклеиновой кислоты, а не за счет своих составных частей; используют рибосомы клетки хозяина для синтеза собственных белков. Вместе с тем вирусы содержат собственную генетическую информацию, которую они могут передавать своему потомству. Все перечисленные особенности ставят вирусы на грань между живой и неживой материей. В зависимости от круга хозяев (экологических особенностей) их делят на вирусы человека, животных, насекомых, растений, бактерий.
Структура и химический состав вирионов
Вирусы существуют в двух формах – покоящейся, или внеклеточной (вирусная частица, или вирион) и репродуцирующейся, или внутриклеточной. Вирионы видны только в электронный микроскоп. Их размеры варьируют в широких пределах – от 10-12 нм (вирус ящура, полиомиелита) до 300-400 ни (вирус оспы, герпеса). Длина нитевидных вирусов может достигать 2000 ни. Размеры вирионов определяют: фильтрованием через фильтры с известной величиной пор; ультрацентрифугированием: диффузией; фотографированием в электронном микроскопе. Вирионы могут иметь разнообразную форму – палочковидную и цилиндрическую (вирус табачной мозаики и другие вирусы растений), нитевидную (вирусы растений и некоторых бактерий), сферическую, напоминающую многогранники (аденовирусы, пикорнавирусы), кубовидную (поксвирусы), сперматозоидную (вирусы бактерий).
Простые вирионы состоят из нуклеиновой кислоты, плотно упакованной в белковую оболочку – капсид (греч. kansa – ящик), имеющий строго упорядочную структуру. По морфологической структуре это нуклеокапсиды(поэтому вирусную частицу также называют нуклеокапсидом), а по химическому составу это нуклеопротеиды. Сложные вирионы помимо нуклеиновой кислоты и белков капсида имеют внешнюю оболочку – суперкапсид, который представляет собой липопротеидную мембрану. В суперкапсиде содержатся белки и углеводы клетки хозяина. Вирусные капсиды состоят из субъединиц – капсомеров (одна или несколько белковых молекул, белок – глобулин). Вирусные капсиды имеют упорядочную организацию, в основе которой лежит принцип спиральной или кубической симметрии (рисунок А.11).
Репродукция вирусов
Вирусы не размножаются бинарным делением. В 50-х годах ХХ в. было установлено, что размножение вирусов происходит путем репродукции (англ. reproduce – воспроизводить, делать копию), т.е. путем воспроизведения их нуклеиновых кислот и синтеза белков с последующей сборкой вирионов. Эти процессы происходят в разных частях клетки хозяина (например, в ядре и цитоплазме). Такой разобщенный способ репродукции получил название дизъюнктивного. Репродукция вирусов характеризуется последовательной сменой отдельных стадий:
1) Адсорбция. Проникновение вирусной частицы в клетку начинается с ее адсорбции на клеточной поверхности благодаря взаимодействию клеточных и вирусных рецепторов. Рецепторы (лат. receptor– принимающий) – чувствительные специальные образования, воспринимающие раздражения, это молекулы или молекулярные комплексы на поверхности клеток, способные распознавать специфические химические группировки, молекулы или другие клетки и связывать их. У сложных вирионов рецепторы располагаются на внешней оболочке в виде шиповидных выростов или ворсинок, у простых вирионов – на поверхности капсида.
2) Проникновение вириона в клетку хозяина. Пути внедрения вирусов в чувствительные к ним клетки неодинаковы. Многие вирионы могут проникать в клетку путем пиноцитоза (гр. pino – пить, выпивать), когда образующаяся пиноцитарная вакуоль втягивает вирион внутрь клетки. Другие вирионы могут попадать в клетку прямым путем через ее оболочку.
3) Дезинтеграция (или "раздевание") вириона – освобождение НК от внешней оболочки и капсида. После проникновения вириона в клетку капсид претерпевает изменения, приобретает чувствительность к клеточным протеазам, разрушается, освобождая НК. У некоторых бактериофагов в клетку проникает свободная НК. Фитопатогенные вирусы проникают через повреждения в клеточной стенке, после чего адсорбируются на внутренних клеточных рецепторах и высвобождается НК.
4) Синтез вирусных белков и репликация НК. Синтез вирусоспецифичных белков происходит с участием информационных РНК (у одних вирусов они входят в состав вирионов, а у других синтезируются в зараженных клетках на матрице вирионной РНК или ДНК). Происходит репликация вирусных НК.
5) Сборка, или морфогенез вириона. Формирование вирионов возможно только при условии строго упорядоченного соединения вирусных структурных полипептидов и их НК, что обеспечивается самосборкой белковых молекул вокруг НК
6) Выход вириона из клетки хозяина. Из клетки вирусные частицы выходят одновременно (при разрушении клеток) или постепенно (без разрушения клеток).
Типы взаимодействия вируса с клеткой хозяина. Различают три основных типа взаимодействия вируса и клетки хозяина: продуктивная инфекция заключается в образовании новых вирионов; абортивная инфекция внезапно прерывается в стадии репликации вирусной НК, или синтеза вирусных белков, или морфогенеза вирионов; вирогения характеризуется встраиванием (интеграцией) вирусной НК в ДНК клетки хозяина, что обеспечивает синхронность репликации вирусной и клеточной ДНК. У фагов такой тип взаимодействия называется лизогенией.
Культивирование вирусов
Культивирование вирусов производится для их выделения и накопления с диагностическими целями, для последующего их изучения, для производства вакцин. Существует три метода культивирования вирусов.
1) Культивирование в организме восприимчивого животного. Лабораторные животные на первых этапах развития вирусологии оказались единственно пригодными для накопления вирусов. В настоящее время они также используются для разных целей наряду с другими метолами культивирования вирусов. Используют преимущественно новорожденных животных, так как они более чувствительны к вирусным инфекциям.
2) Культивирование в курином эмбрионе. Это культивирование введено в вирусологическую практику в 1931 г. А.Вудраффом и Э.Гудпасчером. Куриные эмбрионы применяются для культивирования целого ряда вирусов.
3) Культивирование в культуре клеток. Культура клеток прочно вошла в вирусологическую практику. Для выращивания культуры клеток необходимы питательные среды. Состав сред сложен. О репродукции вирусов в культуре клеток судят по их цитопатологическому действию (дегенеративные морфологические изменения клеток), по цветной пробе (использование клеток, выращенных на питательной среде с индикатором), по образованию "стерильных пятен", или бляшек, на клеточном монослое, покрытом тонким слоем агара
Классификация вирусов
В основу классификации вирусов положены следующие свойства вирионов: тип нуклеиновой кислоты: молекулярная масса НК; процент ГЦ (гуанина и цитозина); количество нитей в НК; процентное содержание НК в вирионе; форма вириона; тип симметрии белков капсида; число капсомеров; учитывались также данные о типе хозяина и переносчиках.
Все вирусы включены в царство Vira, которое подразделяется на два подцарства по типу НК – рибовирусы (РНК-содержащие вирусы) и дезоксивирусы (ДНК-содержащие вирусы). Подцарства делятся на семейства (-viridae), роды (-virus) и виды. Например, вирусы позвоночных объединены в 15 семейств, содержащих 32 рода.
РНК-содержащие вирусы. К ним относятся пикорнавирусы, миксовирусы, тоговирусы, реовирусы.
Пикорнавирусы. Семейство Piornaviridae (очень мелкие вирусы, около 30 нм). Семейство включает три рода. Среди них энтеровирусы (род Entervirus) – вирусы, паразитирующие в организме человека и животных. Это вирусы полиомиелита, Коксаки, ЕСНО. Энтеровирусные инфекции повсеместно распространены на земном шаре, их распространение происходит фекально-оральным и воздушно-капельным путем. Энтеровирусы хорошо переносят низкие температуры, в замороженном состоянии сохраняются в течение нескольких лет. В составе вирионов нет липидов, поэтому они устойчивы к эфиру, хлороформу. Вирусы устойчивы к широкому диапазону рН, но чувствительны к нагреванию и окислителям. Они не утрачивают своих инфекционных свойств в воде открытых водоемов, что имеет эпидемиологическое значение.
Миксовирусы включают два семейства: Orthomyxoviridae (ортамиксовирусы), внего входят вирусы гриппа человека и животных; Paramyxoviridae(парамиксовирусы), в него входят вирусы парагриппа, кори, эпидемического паратита (свинки).
Тогавирусы. Семейство Togaviridae (лат. toga – тога, верхняя одежда древних римлян). К этому семейству относятся вирусы, имеющие внешнюю оболочку. В семейство входит три рода. Среди них рубивирусы (род Rubivirus). К этому роду относится вирус краснухи(rubeola), который выделен в 1961 г. В организм человека вирус проникает через слизистую оболочку верхних дыхательных путей и распространяется в шейных лимфатических узлах. После перенесенной инфекции остается пожизненный иммунитет. Краснуха у беременных женщин приводит к инфицированию плода, что часто вызывает пороки развития и врожденные уродства у ребенка.
Реовирусы. Семейство Reoviridae. В это семейство входят ротавирусы - представители рода Rotavirus(лат. rota – колесо), которые являются возбудителями острых гастроэнтеритов человека и животных. Размеры вирионов составляют 70-75 нм, РНК у них двунитчатая, кубическая симметрия. Вирусы относительно устойчивы к повышенным температурам, устойчивы к рН в разных диапазонах, к эфиру и другим жирорастворителям, дезинфицирующим средствам, инактивируются 70% этиловым спиртом. Заражение ротавирусами происходит фекально-оральным путем. Ротавирусные инфекции широко распространены. Около 60% острых гастроэнтеритов, зарегистрированных у детей разных стран, вызваны ротавирусами. Ротавирусные заболевания регистрируются в течение всего года, но возрастание их наблюдается в осенне-зимний период.
ДНК-содержащие вирусы. К ним относятся поксвиоусы, герпесвирусы, аденовирусы
Поксвирусы. Семейство Poxviridae насчитывает 6 родов. Вирус натуральной оспы имеет размеры 300 нм, сложно устроен, по форме напоминает параллелепипед. Активную иммунизацию против оспы начал проводить в 1796 г. английский врач Э.Дженнер, он использовал вирус коровьей оспы, или вакцины (лат. vacca – корова) из визикул на руках доярок, ухаживающих за больными животными. Но еще за много столетий до Дженнера в Китае применялся метод, заключающийся в нанесении на слизистую оболочку носа растертых корочек и пустул больного легкой формой оспы. В 1967 г. ВОЗ был разработан план мероприятий по ликвидации оспы во всех странах мира. Последний случай заболевания был зарегистрирован в Сомали в 1977 г. В настоящее время по рекомендации ВОЗ обязательная вакцинация против оспы отменена в большинстве стран мира.
Герпесвирусы. Семейство Herpesviridae насчитывает около 50 видов. К этому семейству относятся вирусы простого герпеса, ветряной оспы. Многие герпесвирусы обладают способностью вызывать онкогенную трансформацию клеток и индуцировать образование опухолей у новорожденных животных.
Аденовирусы. Представители семейства Adenoviridae являются возбудителями респираторных заболеваний человека.
Вирусы гепатита Вирусы гепатита вызывают инфекционные заболевания, характеризующиеся лихорадочной реакцией, интоксикацией организма, поражением печени, а в ряде случаев – желтухой. Инфекционный гепатит известен давно. Он описан Гиппократом как заразная форма желтухи. В 1883 г. С.П.Боткин провел глубокие исследования этой болезни и указал на ее инфекционную природу. В качестве самостоятельных форм выделяют гепатит А, гепатит В и целый ряд других.
Термином гепатит А обозначают заболевание, известное ранее как болезнь Боткина, эпидемический гепатит, инфекционный гепатит, катаральная желтуха. Оно вызывается вирусом гепатита А (ВГА), распространяющимся главным образом фекально-оральным путем. Это РНК-содержащий вирус, размером 27 нм, капсид построен по кубическому типу симметрии. Он выдерживает нагревание при 600С 30 мин, полная инактивация происходит при кипячении 30-40 мин, при автоклавировании или под действием сухого жара (1800С в течение 1 ч). Вирусы устойчивы к эфиру, кислотам, дезинфицирующим веществам. Вирусы длительно сохраняются в окружающей среде. Они сохраняются в замороженном состоянии годами, при температуре 40С – несколько месяцев. Это обуславливает эпидемиологические особенности распространения ВГА.
Источником ВГА являются больные люди и вирусоносители. Распространение инфекции осуществляется через фекальное загрязнение окружающих предметов, воды и пищевых продуктов. Для гепатита А характерна осенне-зимняя сезонность, но водные эпидемии могут возникать независимо от сезона. К ВГА восприимчивы люди всех возрастов, однако преимущественно дети (особенно в организованных коллективах).
Онкогенные вирусы. В 40-50-е годы ХХ века Л.А.Зильбером сформулирована вирусогенетическая теория происхождения злокачественных опухолей, получившая в дальнейшем экспериментальное подтверждение. Установлена вирусная этиология целого ряда онкологических заболеваний. Все известные онкогенные вирусы подразделены на две группы - онкогенные ДНК-содержащие вирусы и онкогенные РНК-содержащие вирусы.
Вироиды. Возбудителями некоторых опухолей растений являются лишенные белковой оболочки свободные молекулы РНК (вироиды). Они очень мелкие - в десятки раз меньше самых мелких из известных вирусов.
Прионы. Это особые инфекционные белки, отличающиеся исключительно высокой стабильностью к термической, ферментативной и химической обработке. Сырье животного происхождения и продукты из него могут содержать прионы, поэтому потребление таких продуктов приводит к развитию тяжелых заболеваний, связанных с поражением нервной системы и других органов. Прионы выделены от коров, больных трансмиссивной губкообразной энцефалопатией (бешенством).
Бактериофаги
Вирусы, поражающие прокариоты, называются фагами. В 1898 г. русский ученый Н.Ф. Гамалея при изучении сибирской язвы крупного рогатого скота заметил, что возбудители болезни растворялись под воздействием какого-то агента. В 1915 г. подобный феномен наблюдал английский бактериолог Ф. Туорт (при длительном выращивании на питательной среде стафилококков происходило их растворение). В 1917 г. канадский микробиолог Ф.ДۥЭрелль наблюдал лизис бактериальной культуры дизентерии под влиянием фильтрата испражнений больных людей. Агента, растворяющего бактерии, ДۥЭрелль назвал бактериофагом, т.е. "пожирателем бактерий" (греч. bacterium – бактерия, phagos – пожирающий). ДۥЭрелль высказал предположение, что открытый бактериофаг представляет собой вирус бактерий, который размножается внутри бактериальной клетки, вследствие чего она лизируется, и в окружающую среду выходят частички вновь образовавшегося вирусного потомства.
Структура и химический состав фага. Большинство фагов имеют сперматозойдную форму (рисунок А.12). Фаги состоят из головки, содержащей НК, и отростка. Размеры фаговой частицы 20-200 нм. средний размер головки 60-100 нм, длина отростка 100-200 нм. Многогранная головка покрыта снаружи белковой оболочкой. Отросток представляет собой стержень, покрытый чехлом. Имеются также базальная пластинка, зубцы, нити. Выявлены и другие морфологические группы фагов (с длинными, короткими отростками, без отростка, нитевидные)
Фаг состоит из НК (40%) и белка (60%). Большинство фагов содержат ДНК, лишь некоторые – РНК. ДНК в основном двунитчатая, реже однонитчатая, РНК однонитчатая. В составе ДНК некоторых фагов обнаружены необычные азотистые основания. Фаги специфичныв отношении хозяина – определенный фаг поражает только один штамм или ограниченное число родственных штаммов или видов. И в то же время один вид бактерий может поражаться различными вирусами (например, у кишечной палочки десятки фагов).
Резистентность. Фаги выдерживают давление до 6000 атм., устойчивы к действию радиации, сохраняют активность при рН от 2,5 до 8,5, хорошо переносят замораживание и высушивание. Однако они быстро погибают при кипячении, действии кислот, ультрафиолетовых лучей, химических дезинфицирующих веществ.
Взаимодействие фага с бактериальной клеткой. Состоит из нескольких этапов (рисунок А.13):1) адсорбция; 2) проникновение НК; 3) биосинтез фаговой НК и белков капсида; 4) морфогенез фага; 5) выход фаговых частиц из бактериальной клетки. Фаговые частицы разрывают бактериальную клетку и выходят наружу. Происходит лизис зараженных бактерий, который осуществляется при участии фагового лизоцима, накапливающегося в процессе репродукции. Фаги, вызывающие лизис бактериальной клетки, называются вирулентными.
Лизогения – это тип взаимодействия фагов с бактериями, когда фаги не разрушает бактерии, а делают их способными продуцировать фаги вследствие присутствия в геноме бактерий интегрированной фаговой ДНК. Фаги, не разрушающие клетку, называются умеренными, а бактерии, несущие умеренный фаг, получили название лизогенных. В лизогенных бактериях фаг находится в состоянии профага, каждая лизогенная клетка несет один профаг. Лизогенная культура приобретает ряд полезных для нее свойств: невосприимчивость к повторному заражению гомологичным вирулентным фагом, способность передавать фаг по наследству и продуцировать ряд веществ, синтез которых детерминируется профагом.
Распространение и использование фагов. Бактериофаги широко распространены в природе. Всюду, где размножаются бактерии, актиномицеты, микоплазмы, удается обнаружить и паразитирующие в них фаги. Фаги находятся в кишечнике человека и животных, в сточных водах, почве. Препараты фагов применяют для лечения и профилактики инфекционных болезней, а также в диагностике при идентификации микроорганизмов. Фаги служат удобной моделью для решения важнейших проблем молекулярной биологии, вследствие простоты культивирования, короткого периода генерации, высокого выхода потомства и возможности точного его количественного учета.
Генетика микроорганизмов
Генетика – наука о наследственности и изменчивости. Наследственность характеризует состояние постоянства свойств вида в поколениях, т.е. воспроизведение себе подобных, изменчивость – различия в свойствах между особями одного вида. Генетика бактерий – наука о наследственности и изменчивости бактерий. Она изучает механизмы хранения и передачи генетической информации от одной клетки к другой в пределах одного или разных видов бактерий, анализирует механизмы, контролирующие развитие и проявление признаков или свойств, закономерности изменения этих признаков.
Основной генетической структурой бактериальной клетки является бактериальная хромосома. Она представляет собой гигантскую молекулу ДНК. Эта молекула замкнута в кольцо и состоит из функционально неоднородных генетических детерминант(элементов) – генов. В генах закодирована генетическая информация обо всех свойствах клетки: форме, структуре белка и их свойствах. Вся хромосома бактерий реплицируется(удваивается) как единое целое, т.е. является репликоном. Все прокариоты гаплоидны, т.е. генетический материал у них представлен одним набором генов. В клетке может быть несколько копий бактериальной хромосомы. Кроме хромосомы в некоторых бактериальных клетках содержится внехромосомные генетические структуры – плазмиды. Каждый ген контролирует синтез клеткой одного белка или соответствующего соединения. Гены подразделяются на структурные гены, гены-регуляторы, гены-операторы. В структурных генах закодирована информация о первичном строении контролируемого ими белка, т.е. последовательность расположения аминокислот, входящих в состав белка. Гены-регуляторы контролируют синтез белков-репрессоров, подавляющих функцию структурных генов. Гены-операторы играют роль посредников между генами-регуляторами и структурными генами.
Генотип – полный набор генов, которым обладает клетка. Генотип определяет потенциальные свойства бактериальной клетки. Фенотип – сумма признаков, которые имеет генотип, реализованные в конкретных условиях. В зависимости от условий существования организмы одного генотипа могут образовывать особи с разными фенотипами. Например, в определенных условиях бактерии, образовавшиеся из одной клетки, могут различаться между собой по ферментативной активности, морфологическим признакам.
У бактерий различают генотипическую (наследственную) и фенотипическую (ненаследственную) изменчивость. Генотипическаяизменчивость может быть комбинативной и мутационной. Комбинативная изменчивость связана с процессом рекомбинации в генотипе. Она обусловлена изменениями в последовательности и сцепленности генов или частей генов. Мутационная изменчивость обусловлена изменениями в ДНК при воздействии мутагенных факторов.
Фенотипическая (модификационная) изменчивость возникает под влиянием изменения условий внешней среды. Она не влечет за собой изменений в генотипе бактерий. Однако диапазон такой изменчивости обусловлен генотипом. Модификационные изменения обратимы. Они бывают кратковременнымии длительными. Длительные модификации сохраняются некоторое время после возвращения микробной популяции в стандартные условия, т.е. проявляются в нескольких клеточных поколениях. Фенотипическая изменчивость повышает адаптивные возможности бактерий.
Рекомбинации у бактерий
Рекомбинация генов – процесс образования смешанного потомства в результате генетического обмена между двумя клетками. Вследствие рекомбинации образуются новые бактериальные клетки (рекомбинанты) с признаками обеих клеток. Рекомбинанты содержат основной набор генов реципиента и определенную часть клеток донора. У бактерий к образованию рекомбинантных хромосом ведет три способа переноса генетической информации: трансформация, конъюгация, трансдукция.
Трансформация (лат. transformation – преобразование, превращение) – это изменение свойств бактериальной клетки в результате переноса информации, при котором фрагмент ДНК клетки-донора проникает в клетку – реципиент родственного штамма или вида. Впервые явление трансформации у бактерий наблюдал Ф.Гриффитс в 1928 г. В 1944 г. О.Эвери, К.Мак-Леод и М.Мак-Карти экспериментально доказали, что трансформирующим веществом является ДНК.
Не все клетки бактерий способны воспринимать ДНК. Клетки, которые воспринимают трансформирующую ДНК, называются компетентными. Они синтезируют специфический белок. Существуют и другие факторы компетентности. Количество компетентных клеток в бактериальной популяции составляет в среднем 1-2%. Состояние компетентности связано со стадией активного размножения бактерий и появляется в начале логарифмической фазы. Продолжительность этого состояния в среднем составляет 15 мин.
Процесс трансформации происходит в несколько стадий: 1) адсорбция и восприятие бактериями-реципиентами фрагмента двунитчатой ДНК клетки-донора (обычно не более 5 генов); 2) эклипс– скрытый период, характеризующийся отсутствием биологического действия ДНК.В этот период двунитчатая ДНК распадается: одна цепь разрушается, другая – участвует в последующих стадиях; 3) интеграция(включение) трансформирующей ДНК в хромосому реципиента в результате разрыва и воссоединения хромосомы донора; 4) экспрессия (проявление генов), т.е. размножение трансформированного клона клеток, потомство которых будет иметь измененный ген. Таким образом, при трансформации происходит замещение одного генетического участка другим. При этом процессе происходит трансформация чаще одного какого-нибудь признака, реже – двух, так как в реципиентную клетку проникает малый фрагмент ДНК. Различают гомотрансформацию – перенос генетической информации от одного штамма к другому в пределах одного вида, и гетеротрансформацию – перенос ДНК от одного вида к другому.
Конъюгация(лат. conjudatio – сопряжение, совокупление) – передача генетического материала из клетки в клетку при непосредственном контакте путем образования цитоплазматического мостика между бактериями. Явление конъюгации впервые описали в 1946 г. Дж.Ледерберг и Э.Татум. Способность бактериальной клетки конъюгировать связана с наличием в ней полового фактора F (англ.fertility– плодовитость) – внехромосомой автономной детерминанты (F-плазмиды). Доноры содержат половой фактор (F+ ), реципиенты – не содержат (F-). Доноры способны синтезировать дополнительные поверхностные структуры – F-пили. Это полые цилиндрические отростки длиной 1-2 мкм, шириной 8-35 нм, образованные белком пилином. Формируются F-пили у активно растущей клетки за 4-5 мин и в течение такого же времени сохраняются на поверхности клетки, затем сбрасываются. Процесс конъюгации начинается с прикрепления клетки-реципиента к кончику F-пиля, затем клетки приближаются друг к другу, образуется конъюгационный цитоплазматический мостик, через который и происходит передача донорского генетического материала. Конъюгация бывает внутривидовая (между штаммами одного вида), межвидовая, межродовая.
Трансдукция – это перенос генетического материала от одних бактериальных клеток к другим с помощью фага. Трансдуцирующий фаг переносит фрагмент ДНК от клетки донора к реципиенту и вводит эту ДНК таким же образом, как и свою собственную ДНК.
Общая (неспецифическая, генерализованная, множественная) трансдукция - перенос любого гена или одновременно нескольких генов. Трандуцирующий фаг выступает в качестве "пассивного" переносчика генетического материала бактерии, захватывая фрагмент бактериальной ДНК место своего генома. Включения фаговой ДНК в бактериальную хромосому не происходит. Такие трансдуцирующие фаги получили название дефектных фагов. Специфическая (ограниченная) трансдукция характеризуется способностью фага переносить определенные гены. При взаимодействии таких фагов с клетками реципиента происходит включение гена клетки донора в хромосому реципиента вместе с ДНК дефектного фага, т.е. происходит лизогенизация бактерий-реципиентов. Бактерии, лизогенизированные дефектным фагом, невосприимчивы к последующему заражению тем же вирулентным фагом.
Мутации
Мутации (лат. mutation – перемена, изменение) – внезапные стойкие наследственные изменения, возникающие в результате нарушения последовательности одной или более пар азотистых оснований в молекуле ДНК и приводящие к появлению новых признаков.
По происхождению различают спонтанные и индуцированные мутации. Спонтанныемутации возникают самопроизвольно в любой популяции бактерий без видимого внешнего воздействия. Они служат основным источником естественной изменчивости бактерий и лежат в основе их эволюции. Индуцированные мутации могут возникать под воздействием определенного мутагенного фактора. Мутагенные факторы могут быть биологической, химической и физической природы, например, вирусы бактерий, перемещающиеся генетические элементы, азотистая кислота, нитрозосоединения, акридиновые красители, ионизирующее и ультрафиолетовое излучения. По проявлению изменяющихся признаков различают мутации морфологические, физиологические, биохимические. Морфологические мутации сопровождаются утратой морфологических элементов (жгутиков, капсулы, клеточной стенки). Биохимические мутанты подразделяются на ауксотрофные и ферментативные.
Ауксотрофные бактерии – это клетки, потерявшие способность самостоятельно синтезировать аминокислоты, пурины, пиримидины, витамины и другие факторы роста; ферментативные мутанты частично или полностью дефектные по одному или нескольким метаболизирующим ферментам и поэтому дефектные к восприятию субстрата.
По количеству мутировавших генов и характеру изменений в первичной структуре ДНК различают генные и хромосомные мутации. Генные мутации затрагивают только один ген. Они чаще всего являются точковыми и представляют собой выпадение, вставку или замену пары оснований. Замены оснований могут приводить к изменению смысла генетической информации (миссенс-мутации), когда вместо одной аминокислоты кодируется другая, к образованию бессмысленных кодов (нонсенс-мутации), которые не несут информации о синтезе какой-либо аминокислоты. Хромосомные мутации распространяются на несколько генов. Эти мутации возникают в результате выпадения участка хромосомы (делеция), либо поворота участка ДНК на 1800 (инверсия), либо повторения какого-нибудь фрагмента ДНК (дупликация).
Диссоциация (лат. dissociation – разделение) – это разделение однородной популяции бактерий по культуральным свойствам на типы, отличающиеся от исходной популяции внешним видом и структурой колоний, а также стойкими изменениями некоторых биологических признаков. Эти изменения не затрагивают основные таксономические признаки вида. Таким образом, диссоциация – внутривидовая изменчивость. Она может возникать спонтанно и может быть вызвана искусственно.
Плазмиды бактерий
Плазмиды – это внехромосомные генетические детерминанты. В химическом отношении плазмиды представляют собой молекулы ДНК, содержащие до 400 тыс. нуклеотидных пар. В бактериальной клетке они существуют в основном в виде сверхспиральных молекул (очень устойчивая конфигурация), в виде двухцепочных открытых кольцевых молекул (их называют релаксированными, или ослабленными, они менее стойкие), а также в виде двухцепочной линейной молекулы (молекулы нестойкие). Важнейшие свойства плазмид: автономность, способность к самостоятельной репликации, регуляция своих функций, трансмиссивность.
Репликация плазмид – это их размножение, т.е. регулярное увеличение количества копий той или иной плазмиды, и равномерное распределение образовавшихся копий между потомством делящейся бактериальной клетки. Плазмиды существуют автономно (обособленно от хромосом). В этом состоянии они способны к бесконечно долгому поддержанию и воспроизведению. Такая способность плазмид связана с тем, что их репликацияосуществляется самостоятельно и независимо от размножения бактерий. Плазмиды обладают также способностью к саморегуляции своей репликациинезависимо от механизмов, которые регулируют размножение бактериальных хромосом.
Существуют также эписомы (греч. ehi – над, сверх, soma – тело) – это плазмиды, способные объединяться с хромосомой. Процесс объединения плазмиды с хромосомой называется включением в хромосому, или интеграцией, обратный процесс – исключением. Примером эписом является умеренный фаг у лизогенных бактерий, половой фактор. В интегрированном состоянии плазмиды ведут себя подобно хромосомным генам. Плазмиды могут существовать в клетке либо в автономном состоянии, либо в интегрированном состоянии. Эти состояния исключают друг друга. Плазмиды могут переходить из одного состояния в другое.
Плазмидам свойственна инфекционность – способность проникать в клетку извне. Многие плазмиды способны переходить от одних бактериальных клеток к другим. Такие плазмиды называются трансмиссивными, или конъюгативными. Благодаря таким плазмидам бактерии способны действовать в качестве генетических доноров, т.е. вступать в конъюгацию с клетками-реципиентами, которые не содержат плазмид, и передавать им не только плазмиды, но и хромосомный генетический материал. Таким образом конъюгативные плазмиды обеспечивают системы скрещивания. Неконъюгативные плазмиды – это те, которые не способны передаваться от одних клеток к другим самостоятельно, и не предают содержащим их клеткам свойства генетических доноров. Они мельче по размерам, обитают в автономном состоянии. Однако они могут быть мобилизованы на перенос от одних клеток к другим конъюгативными плазмидами.
Плазмиды обитают в бактериях многих видов, но не оказывают существенного влияния на их рост и размножение. Однако плазмиды несут гены, которые контролируют ряд очень важных свойств бактерий. Главные группы плазмид: F-плазмиды (несут в себе половой фактор); R-плазмиды (контролируют лекарственную устойчивость бактерий); Col-плазмиды (контролируют синтез кишечными бактериями токсического вещества – колицина). Существует целый ряд других плазмид, контролирующих факторы патогенности бактерий, способности к синтезу отдельных биологически активных веществ, способности к разрушению химических соединений (например, разрушение бензола, нафталина, камфары, салициловой кислоты и др.).
В одной бактериальной клетке может одновременно находиться несколько типов плазмид. Если плазмиды не могут стабильно существовать в одной клетке, то их называют несовместимыми. Несовместимость плазмид обуславливается блокированием репликации одной из них, в результате чего эта плазмида исключается. Совместимость плазмид - это когда каждая плазмида в клетке размножается независимо и сохраняет сторгую автономность одна по отношению к другой.
Плазмиды широко используются в работах по конструированию новых биологически активных молекул ДНК. С помощью плазмид решается целый ряд прикладных проблем. Например, изыскиваются методы преодоления лекарственной устойчивости бактерий – возбудителей инфекционных болезней. Разрабатываются методы лечения наследственных болезней. Решаются вопросы повышения эффективности ряда технологических процессов, лежащих в основе производства биологи чески активных веществ.
Контрольные вопросы: 1.Какие формы бактерий являются наиболее распространенными? 2. Каковы размеры бактериальные клеток?3. Какие вещества встречаются только в бактериальных клетках и отсутствуют в клетках высших организмов? 4. Какие функции выполняет клеточная стенка бактерий? 5. В чем заключаются различия строения и химического состава грамположительных и грамотрицательных бактерий? 6. В чем отличие нуклеоида бактериальной клетки от ядра эукариотной клетки? 7. Какие существуют типы движения бактерий? 8. Что такое таксис? 9. Можно ли рассматривать образование эндоспор как способ размножения бактерий? 10. Какие можно выделить стадии в процессе образования эндоспор бактерий? 11. Какое положение может занимать спора в бактериальной клетке? 11. Какие факторы обуславливают термоустойчивость спор бактерий? 12. Как происходит прорастание спор бактерий? 13. Как происходит процесс деления бактериальной клетки? 14. От каких факторов зависит скорость размножения бактерий? 15. Какие фазы можно выделить в стационарном культивировании микроорганизмов? 16. В каких фазах кривой роста микроорганизмов прирост биомассы равен нулю? 17. Как осуществляется непрерывное культивирование микроорганизмов? 18. Что такое коэффициент специфичности ДНК? 19. На какие отделы и части подразделяется царство Proicaryotae в девятом издании определителя бактерий Берги? 20. В чем особенности строения и химического составе грибов? 21. Как размножаются микромицеты? 22. Что положено в основу систематики грибов? 23. Какую опасность могут представлять плесневые грибы? 24. В чем особенности строения дрожжевой клетки? 25. Как происходит размножение дрожжей? 26. Какое промышленное применение дрожжей? 27. Чем отличаются вирусы от прокар