Віруси, бактерії та бактеріофаги

РЕФЕРАТ на тему:

" Віруси, бактерії та бактеріофаги"

ПЛАН

1. Поняття вірусів та їх структури.

2. Поняття і структура бактерій.

3. Морфологія бактеріофагів.

4. Хімічний склад і антигенні властивості бактеріофагів.

5. Взаємодія фагів з бактеріями Список використаної літератури.

1. Поняття вірусів та їх структури Специфічність вірусів у тому, що вони є особливою групою не­клітинних форм життя, яким властивий строгий паразитизм на мо­лекулярному, а часто й на молекулярно-генетичному рівні. Для ви­значення предмета вірусології не можна оперувати тими самими критеріями, які використовують для визначення тварин або рос­лин. Визначення вірусів набагато складніше, і навіть певною мірою довільне, бо саме питання про природу вірусів ще повністю не з’ясовано.

«Віруси — це об'єкти, геномом яких є нуклеїнова кислота (ДНК або РНК). Ця нуклеїнова кислота репродукується в живих клітинах і, використовуючи їхній апарат синтезу, спонукає клітини синтезува­ти спеціалізовані частинки, або віріони, що містять геном вірусу і можуть передавати його в інші клітини» (С. Лурія, Дж. Дарнелл, 1970). Це визначення наголошує на двох основних властивостях вірусів — наявності у них власного генетичного матеріалу, що пово­дить себе в клітині хазяїна як частина цієї клітини, та наявності не­клітинної інфекційної фази існування вірусів у вигляді спеціалізова­них частинок, або віріонів, що репродукуються в клітині під генетич­ним контролем вірусу, і є придатними для введення геному вірусу в інші клітини хазяїна.

За К. С. Суховим (1965), віруси характеризуються такими основ­ними ознаками: 1) дуже малими розмірами тіла (вимірюються нано­метрами) — 2) відсутністю клітинної будови- 3) відносно простим хімічним складом (найпростіші віруси складаються з білка і нуклеї­нової кислоти) — 4) нездатністю до культивування на штучних синте­тичних середовищах- 5) особливим циклом розвитку в організмі сприятливого хазяїна або частиною цього циклу в безклітинному се­редовищі, яке включає деякі органоїди клітини і речовини, необхідні для синтезу нуклеїнових кислот і білків- 6) здатністю деяких із них кристалізуватися за певних умов довкілля.

Суттєвими ознаками, що відрізняють віруси від усіх інших відо­мих організмів, є відсутність власних систем білка (це визначає ха­рактер паразитизму вірусів — паразитизм на генетичному рівні) і те, що віруси є неклітинними формами життя.

Унікальна особливість вірусів — різноманітність організації їх­нього генетичного матеріалу. Відомо, що в усіх клітинних формах ге­нетичний матеріал має вигляд дволанцюгових молекул ДНК, а у вірусів ним можуть бути як молекули ДНК, так і молекули РНКпри цьому кожен з типів нуклеїнових кислот може перебувати у віріоні у формі подвійного або одинарного ланцюга.

Аналізуючи сучасні досягнення вірусологічної науки, російські вчені В. М. Жданов, С. Я. Гайдамович, Т.І. Тихоненко, А. П. Биков-ський та інші (1982) доходять висновку, що віруси є автономними генетичними структурами, уламками життя, фрагментами живих систем, які нездатні до самостійного існування поза повноцінними організмами або клітинами, чи то, нарешті, субклітинними структу­рами. Як автономні генетичні структури віруси певною мірою мають або, вірніше, зберігають основні атрибути життя, включаючи такий кардинальний атрибут, як здатність до еволюції.

На різних етапах розвитку вірус існує в різ­них формах, а тому складається враження, що віруси є дуже лабільними. Проте дослідження показують, що кожен вид вірусів має певні, властиві тільки йому, ознаки. Найхарактерніші властивості для кожного виду мають зрілі форми вірусів, які назива­ють в і р і о н, а м и .

Розміри різних вірусів коливаються від 8 до 750 нм.

До групи великих вірусів можна віднести віріони віспи, пситакозу, трахоми, мозаїки цукрових буряків, Х-вірус картоплі та ін. Середні розміри мають віруси грипу, сказу, герпесу тощо. Дуже малі розміри у віріонів енцефаліту, поліомієліту, ящуру та багатьох фітопатоген-них вірусів. Цікаво, що найбільші за розмірами віруси наближаються до малих бактерій, наприклад мікоплазм, а найменші - до макро­молекул білка.

Результати електронно-мікроскопічних досліджень показали, що за формою віруси поділяються на такі групи.

Ниткоподібні - віруси жовтяниці цукрових буряків, мо­заїки пшениці, квасолі, сої, кавунів, Х-вірус картоплі.

Сферичні - віруси грипу, курячої саркоми, японського ен­цефаліту, кору, паротиту, арбовіруси, віруси лейкозу курей і мишей.

Кубо їдальні - віруси вісповакцини, натуральної віспи, аденовіруси, ентеровіруси, реовіруси, віруси папіломи людини і тва­рин тощо.

Булавовидні - віруси бактерій (бактеріофаги).

2. Поняття і структура бактерій Зовні цитоплазматичної мембрани бактеріальної клітини роз­міщуються так звані поверхневі структури: оболонка, капсула, слизовий чохол, джгутики і ворсинки (війки). Цитоплаз­матичну мембрану разом з цитоплазмою, органелами і включен­нями прийнято називати протопластом. Розглянемо спочатку бу­дову, хімічний склад і функції поверхневих структур бактеріальної клітини.

Ззовні бактеріальна клітина оточена щіль­ною оболонкою, яку часто називають клітинною стінкою. Вона є обов’язковим структурним елементом прокаріотної клітини, за винятком мікоплазм і L-форм бактерій. На клітинну оболонку припадає від 5 до 50% сухої речовини клітини. Оболонка зумов­лює відносну сталість форми клітини, є захистом від несприятли;

У складі клітинної оболонки грампозитивних оактерш^киж «п-явлено в невеликих кількостях білки, ліпіди І полю а*а№ З ясова-но то полісахариди і ліпіди можуть ковалентне з єднуватися з мак ромГе^лашГоСонки. Стосовно білків, то припускають, шо вони виконують захисну функцію.

Комбіноване схематичне зображення прокаріотної клітини.

(за Г. Шлегелем, 1972):

/ - поверхневі структури: / - оболонка клітини- 2 — капсула- 3 — слизові виділення- 4 — сли­зовий чохол- 5 — джгутики- 6 — війки. // - цитоплазматичні клітинні структури: 7 — цитоплазматична мембрана- 8 — нуклеоїд- 9 — рибосоми- 10 — цитоплазма- // - хроматофори- 12 — хлоросоми- 13 — пластинчасті тилакоїди- 14 — фікобілісоми- 15 — трубчасті тилакоїди- 16 — мезосома- 17 — аеросома (газова вакуоля) — 18- ламелярні структури. ///- запасні речовини: 19- полісахаридні гранули- 20- гранули полі-р-оксимасляної кислоти- 21 — гранули поліфосфату- 22 — гранули ціанофіцину- 23 — карбоксисоми- 24 — включення сірки- 25 — крапельки жиру- 26 — гранули вуглеводів У грамнегативних еубактерій будова клітинної оболонки є^ба­гато складнішою, ніж у грампозитивних (див. табл. 2. У3""' оболонки цих бактерій міститься пептидошкановии шар.^ювнмад нього розташований ще один шар (зовнішня мембрана) який скла­дається з фосфоліпідів, ліпополісахаридів І білків, а під нимцито­плазматична (внутрішня) мембрана, до складу якої також входять фосфоліпіди, білки тощо.

Серед прокаріотів виявлено види бактерій, клітинна оболонка яких за структурою та хімічним складом помітно відрізняється вщ гшмпозитивнш: і грамнегативних типів.

Поряд з цим слід зазначити, що за певних умов прокаріоти мо­жуть існувати і без клітинних оболонок. Наприклад, за дії на клітини певними хімічними речовинами можна дістати стурктури, які повністю або частково позбавлені оболонки. Вперше цТструктури було виявлено у разі дії на бактерії ферментом лізоцимом з явного білка. Встановлено, що цей фермент розри­ває р-1 4-глікозидні зв’язки, які з'єднують залишки N-ацетил-глюкозоаміну і N-ацетилмурамової кислоти в пептидоглікані. Одер­жані при цьому протопласти або сферопласти набувають сферичної форми і в сприятливих умовах можуть виявляти певну метаболічну активність. Проте здатність до розмноження вони втрачають.

Унікальність структури і хімічного складу оболонки еубактерій та їх відмінність від рослинних і тваринних клітин дає змогу створюва­ти і застосовувати медикаментозні препарати, які специфічно діють тільки на клітинну стінку прокаріотів і не завдають шкоди клітинам інших організмів. Прикладом цього є дія пеніциліну та деяких інших антибіотиків.

Капсули і слизові чохли. У багатьох прокаріотів клітинна оболон­ка ззовні оточена шаром слизової речовини. Залежно від структур­них особливостей (товщина, консистенція) цей утвір дістав назву капсули або слизового чохла. Розрізняють макроі мікрокапсули. Слизовий шар, який обволікає оболонку клітини, зберігає з нею зв’язок і має аморфну будову, називається капсулою. Якщо товщина такого шару є меншою за 0,2 мкм, то його називають мікро-капсулою, а якщо більшою, то макрокапсулою. У деяких бактерій капсули значно більші за самі клітини.

Якщо слизовий шар, що обволікає бактерію, має тонку струк­туру, в якій подекуди проглядаються декілька шарів з різною будо­вою, то його називають слизовим чохлом. Слизова речовина аморфна, легко відокремлюється від оболонкивона дістала назву слизового шару. Між цими структурами виявлено багато перехід­них форм.

До поверхневих структур прокаріотної клітини нале­жать також ворсинки, які ще називають фімбріями або пілі. Вони мають форму порожнистих циліндриків, стінки яких утворені з білка піліну. На одній клітині їх може бути більше тисячі. До руху бактерій вони не мають відношення. Товщина ворсинок сягає 10 нм, а довжи­на — 0,2−2 мкм. Найкраще вивчено ворсинки Е. соїі. Нині відомі ворсинки загального типу і статеві (їх називають F-пілями), які бе­руть участь у кон’югації. Вони властиві чоловічим клітинам бактерій. F-пілі формуються тільки у клітин, які активно ростуть, їх утворення зумовлює статевий чинник.

3. Морфологія бактеріофагів Припущення, що бактеріофаги мають корпус­кулярну природу, було висунуто ще Ф. д'Ерелєм. Однак тільки після винайдення електронного мікроскопа вдалося побачити і вивчити ультраструктуру фагів. Нагадаємо, що довгий час уявлення про мор­фологію та основні особливості фагів грунтувалися на результатах вивчення фагів Т-групи — ТІ, Т2,…, ТІ, які розмножуються на Е. соli штаму В. Однак з кожним роком з’являлися нові дані щодо морфо­логії і структури різноманітних фагів, що зумовило необхідність їх­ньої морфологічної класифікації.

Детальні електронно-мікроскопічні дослідження, в поєднанні з деякими фізико-хімічними методами вивчення фагів Т-групи, пока­зали, що кожен фаг складається з різних морфологічних елементів.

Основні частини найкраще вивчених булавоподібних фагів станов­лять головка з білковою оболонкою — капсидом і відросток. Субоди-ниці капсйду називають капсомерами. Структурні елементи склаД| них відростків дістали назву зовнішнього чохла, внутрішнього стрижі ня і базальної пластинки, відростка з зубцями і нитками (рис. 1).

Рис. 1. Структура бактеріофага Т2:

А — електронна фотографія фага Т2- Б — схема структури: / - білкові субодиниці капсйду- 2 — головка фага- 3 — ДНК- 4 — відросток- 5 — футляр- 6 — стрижень- 7 — пластинка з шістьма зубцями- 8 — нитки відростка А. С. Тихоненко (1972) поділяє фаги з огляду на ускладнення їх­ньої структури (що з еволюційної точки зору є найбільш доцільним) на п’ять основних груп (рис. 2).

До першої групи слід віднести ниткоподібні фаги fd, fl, M13 та ін. За формою вони нагадують віріони ВТМ. Це довгі гнучкі палички (700−850 нм), які складаються з трубкоподібного капсйду зі спіраль­ним типом симетрії і містять одноланцюгову ДНК.

Другу групу складають дрібні сферичні фаги ікосаедричної фор­ми без диференційованого відростка. Серед них розрізняють дві під­групи. Фаги першої підгрупи (S13, ф х 174 та ін.) мають одноланцю-гову ДНК, а фаги другої підгрупи — ss, fr, MS2, R17, М12 — РНК.

До третьої групи відносять фагів з чітко вираженим хвостовим відростком невеличкого розміру. Вони інфікують бактерії, актино­міцети, хлорелу та інші організми. За будовою їхнього відростка ви­діляють дві групи. Представники першої групи (фаги ТЗ і Т7) мають короткий конусоподібний відросток без базальної пластинки, а представники другої (наприклад, фаг Р22 Salm, typhimurium) — ко­роткий відросток з базальною пластинкою.

До четвертої групи належать булавоподібні фаги з довгим відрос­тком, що не скорочується і нагадує гофровану трубку (фаги ТІ, Т5, X та інші). Вони містять дволанцюгову ДНК.

Рис. 2. Схематичне зображення представників різних груп фагів П’яту групу становлять булавовидні ДНК-вмісні фаги з добре розвинутим складним відростком. При скороченні зовнішнього чох­ла відростка оголюється дистальний кінець внутрішнього стрижня, який може проникати через клітинну стінку бактерій. Представники цієї групи найкраще вивчені.

4. Хімічний склад і антигенні властивості бактеріофагів Вивчення хімічного складу фагів показало, що він досить простийпо суті фаги є нуклеопротещами, тобто складаються в основному з білка і нуклеїнової кислоти. Фагові частинки мають кілька різних білків, насамперед структурних, які становлять капсид головки і елементи відростка (чохол, стрижень, базальну пластинку і нитки). У головці булавоподібних фагів є також внутріш­ній білок (3−7% загального вмісту білка). У фагів виявлено фермен­ти лізоцим, фосфатазу та деякі інші. Білки виконують різні функції: захищають нуклеїнову кислоту від пошкоджень і дії ферментів нук-леаз, беруть участь у тісному контакті фага з бактеріальною клі­тиною, забезпечують через ферментативну дію процес зараження тощо.

Другою важливою складовою частиною фагів є нуклеїнові кисло­ти. У фагів, як і в інших вірусів, є тільки один тип нуклеїнової кислоти — ДНК або РНК. Цією властивістю віруси відрізняються від інших мікроорганізмів, в клітинах яких є обидва типи нуклеїнових кислот. У фагів виявлено дволанцюгову ДНК (найчастіше) і одно-ланцюгові ДНК та РНК. Залежно від типу своєї нуклеїнової кислоти фаги поділяють на ДНК-вмісні і РНК-вмісні. Нуклеїнова кислота щільно упакована у головці фага.

У деяких фагів знайдено невеличку кількість ліпідів (2,5−10,5%), переважно жирних кислот і фосфоліпідів, а також сліди вуглеводів. Значення цих компонентів поки що недостатньо вивчено. Вважають, що ліпіди та інші компоненти (подібно до інших вірусів) мають клітинне походження і фаговий геном не кодує їхнього синтезу.

Бактеріофаги володіють антигенни­ми властивостями. При багаторазовому парентеральному введенні фагів кролям або іншим тваринам можна одержати сироватки, які містять сферичні антитіла до відповідних фагів. Такі сироватки нази­вають антифаговими. Антитіла таких сироваток здатні давати з від­повідними фагами звичайні серологічні реакції - аглютинації, пре­ципітації, зв’язування комплемента, а також спричинюють нейтра­лізацію літичної активності фагів. Антифагові сироватки строго специфічні. Цю властивість часто використовують при серологічній класифікації фагів.

5. Взаємодія фагів з бактеріями Застосування електронної мікро­скопії, методу мічених атомів та інших методів дало змогу докладно вивчити взаємодію фагів з бактеріальними клітинами. В цьому про­цесі розрізняють два типи взаємодії - літичний і лізоген­ний. Перший закінчується лізисом (руйнуванням) ураженої кліти­ни і призводить до виходу дозрілих фагових частинок з клітини, а другий не руйнує уражену клітину, а робить її своєрідним носієм фага.

Літичний тип взаємодії фагів з бактеріями часто ще називають (як і для інших вірусів) продуктивною інфекцією. При такому типі взаємодії фага з клітиною хазяїна розрізняють чотири стадії або етапи: 1) адсорбцію фагів на поверхні бактеріальних клітин- 2) проникнення активного вмісту (нуклеїнової кислоти) в бактеріальну клітину- 3) латентний період (екліпс) внутрішньо­клітинного розвитку фага- 4) руйнування (лізис) клітини і вихід з неї новоутворених фагів.

Найкраще вивчено першу стадію розмноження фагів — адсорбцію. Фаги, які мають відростки, адсорбуються на поверхні фагочутливих бактерій дистальним кінцем цих відростків, а базальна плас­тинка з шипами і нитками забезпечує тісний контакт. Фаги можуть прикріплятися до різних ділянок клітини, джгутиків, ворсинок чи інших виростів. Адсорбція фагів на клітинах — специфічна реакція. Вона зумовлюється утворенням тісного зв’язку між спеціальним рецепторним апаратом фага і специфічними рецепторами клітини. Фагорецептори бактеріальної клітини є складними антигенними комплексами або структурами, які розташовані в різних ділянках і шарах клітинної стінки.

Адсорбцію фагів на сприйнятливих до них бактеріях можна спо­стерігати в електронний мікроскоп. Вона залежить від фізичних і хімічних властивостей середовища, температури, природи фага, фізіологічного стану бактерій, а також від їхніх антигенних структур.

Після адсорбції фага на поверхні бактерій за допомогою фермен­та типу лізоцима, який міститься в нижній частині відростка, відбу­вається розчинення клітинної стінки, і в цей невеличкий отвір кінець відростка, стискуючись (завдяки енергії АТФ), як шприц, впорскує нуклеїнову кислоту головки фага в бактеріальну клітину. Білкова оболонка фага залишається на поверхні бактерії і подальшої участі в розмноженні фага не бере. Слід зазначити, що ще досі де­тально не з’ясовано механізм уведення нуклеїнової кислоти у фаго-чутливу клітину фагами, які не мають відростків, а також тими фага-ми, в яких відростки не скорочуються.

З моменту проникнення генома фага в бактерію починається третя стадія його взаємодії з клітиною — латентний (прихований) період внутрішньоклітинного розмноження фага. Тривалість цього періоду в різних фагів триває від 15−40 хв до 5 год. і більше. У цій стадії нуклеїнова кислота фага, завдяки закодованій у ній інфор­мації, спричинює швидку перебудову внутрішніх процесів у бакте­ріальній клітині, повністю спрямовуючи їх на утворення нових час­тинок фага.

На початку третьої стадії розмноження, у екліпс-фазі, виявити в зараженій клітині вегетативний фаг не вдається. Проте саме в цей час під його впливом відбувається пригнічення функції синтезу низ­ки клітинних ферментів і водночас індукується утворення фагових ферментів або так званих «ранніх» білків, які каталізують процеси реплікації фагової ДНК з використанням нуклеїнових кислот самої бактеріальної клітини.

Дещо пізніше в клітині починається синтез «пізніх» білків, які являють собою структурні білки фагів. У результаті агрегації таких білків відбувається побудова окремих елементів нових фагів: голо­вок, відростків, базальних пластинок тощо. Після утворення всіх компонентів фага здійснюється складання дозрілих віріонів фага від­повідної форми. Залежно від виду фага, стану бактеріальної клітини та інших чинників у одній клітині може утворитися від кількох де­сятків до кількох сотень фагових частинок.

Отже, в результаті дії вегетативного фага у зараженій бактерії з’являється значна кількість нових корпускул фагів і ми говоримо про репродукцію фагів бактеріальною клітиною на основі генетичної інформації, заданої нуклеїновою кислотою батьківського фага. Саме в цьому й виявляється своєрідна форма паразитизму фагів на суб­клітинному молекулярному рівні.

Внутрішньоклітинний розвиток у фагів, які містять різні типи нуклеїнової кислоти, дещо відрізняється за характером її реплікації, зокрема, одноланцюгова ДНК і РНК фага спочатку повинні набути дволанцюгової реплікативної форми, а вже після цього в клітині нагромаджуються нові молекули відповідної фагової нуклеїнової кислоти.

Водночас із формуванням дозрілих віріонів у бактеріальній клі­тині утворюються літичні ферменти, детерміновані нуклеїновою кислотою фага. Ці ферменти можуть розкладати цупкий пептидо-глікановий шар клітинної стінкиз їхньою допомогою здійснюєть­ся четверта стадія взаємодії фага з бактеріальною клітиною — лізис клітинної стінки і вихід нового потомства бактеріофагів на­зовні.

Літичний, або продуктивний, цикл розвитку характерний для вірулентних фагів, які є справжніми паразитами бактерій. Однак у природі поширеними є й так звані помірні фаги. При зараженні ними бактерій гине тільки невелика частина клітин, а решта нор­мально розмножується і стає носіями відповідних помірних або сим­біотичних фагів.

Явище фагоносіння бактеріями дістало назву лізогенії.

Докладне вивчення показало, що існують псевдолізогенні та справжньолізогенні бактеріальні культури. Пере­важна більшість клітин першого типу є стійкою до цього фага і тіль­ки невеличка кількість їх може заражатися фагом і давати його репродукцію. Справжньолізогенні - це культури, в яких кожна бактерія несе в собі фаг у певній прихованій формі і може за відповідних умов репродукувати його.

Встановлено, що особлива форма фага, яка перебуває у справжньо-лізогенних бактеріях (профаг) є нуклеїновою кислотою (геном фага), яка тісно інтегрована з генетичним матеріалом бактеріальної кліти­ни, і в разі поділу бактерії передається її потомству. Отже, в лізоген-ній клітині профаг поводить себе як нормальний її компонент.

Важливою властивістю лізогенної культури є її стійкість до фагів, які містяться в ній. У зв’язку з цим вивчення помірних фагів лізоген­ної культури можливе тільки тоді, коли є інша культура цього виду, чутлива до помірного фага даної лізогенної культури. Такі культури дістали назву індикаторних.

Лізогенія дуже поширена серед усіх систематичних груп мікробів. Вона спостерігається у збудників черевного тифу і паратифу, дифте­рійної палички, спороносних і бульбочкових бактерій, дріжджів, пе-ніцилу тощо.

Профаг лізогенної культури може спонтанно або в разі індукції перетворитися на дозрілий бактеріофаг. Натомість у деяких випадках під впливом різних чинників у профага виникають мутації, в резуль­таті яких при індукції він не здатний перетворюватися на повноцінну фагову частинку. Внаслідок цього в середовище можуть виділятися дефектні фаги, що складаються тільки з однієї головки або відростка. Такі фаги можуть адсорбуватися на бактеріях, але не можуть розмно­жуватися у них. Дефектні фаги привернули до себе увагу вчених, оскільки, як виявилось, багато описаних бактеріоцинів є дефектни­ми фагами. Дефектна лізогенія дуже поширена в природі.

Останніми роками одержано цікаві дані не тільки з вивчення суті лізогенїї, а й щодо з’ясування ролі профагів як додаткових генетич­них факторів. Зміни, які зумовлюються помірними фагами в лізоген-ній клітині, дістали назву лізогенних конверсій. Слід за­значити, що немало досягнень сучасної генетики і молекулярної біо­логії ґрунтується на вивченні явищ спадковості і мінливості у фагів, оскільки помірним фагам властиве явище трансдукції.

Список використаної літератури:

1. 1.Векірчик К.М. Мікробіологія з основами вірусології: Підручник. — К.: Либідь, 2001. — 312 с.

2. 2.Ґудзь С.П. та ін. Основи мікробіології. — К., 1991.

3. 3.Мишустин Е. Н., Емцев В. Т. Микробиология. — М., 1987.