Предмет микробиологии. Положение микроорганизмов в природе. Общая характеристика микроорганизмов. История развития микробиологии как науки. Микробиология — наука о микроорганизмах. Микроорганизмы — организмы, размеры которых меньше 0,1 мм. Для обнаружения микроорганизмов используют световые микроскопы с увеличением до 3000 р. И электронные – до 100 тыс. р. В настоящее время весь клеточный мир разделен на: -прокариот (доядерные); -эукариот (ядерные); Прокариоты — бактерии и архибактерии, которые составили царство дробянок. Эукариоты — растения (царство Plantal), животные (царство Animalia), грибы (царство Fungi). Структурные и генетические отличия, функциональные и химические Особенности организации Прокариоты Эукариоты Структурные отличия Наличие вторичных полостей, создаваемых + цитоплазматической мембраной (ЦПМ) Диферинцированное ядро, Ядро Нуклеоид которое включает ядрышки и хромосомы, окруженные ядерной оболочкой Аппарат Гольджи, митохондрии, хлоропласты, + Эндоплазматический Ритикулум (ЭР) Вакуоли Встречаются редко Встречаются часто Размер цитоплазматических 70S 80S рибосом (распадаются на 2 (распадаются на 2 субъединицы 30S и 50S) субъединицы 40S и 50S) Жгутики Состоят из 1 или нескольких Независимо от организации фибрилл жгутики состоят из 20 микрофибрилл Генетическое отличие Организация ядерной ДНК Не отделена от ЦПМ Имеется ядерная оболочка Хромосомы 1 кольцевая Больше 1 Гистоны в хромосоме (у некоторых имеются + гистоноподобные белки) Митоз, мейоз Одна из форм деления Функциональное отличие Дыхательная система Часть ЦПМ Осуществляется в митохондриях Движение цитоплазмы + Фагоцитоз и пиноцитоз + Внутриклеточное + пищеварение Устойчивость к γ- облучению высокая низкая Верхний придел температур, 75-90 40-60 ºС Химические различия Пептидогликаны + Тейхоевые кислоты + -
Стерины в структуре мембран Липополисахариды
+ (кроме микоплазм) + Бактерии Одноклеточные организмы, размеры которых варьируют от 0,1—500 мкм и которые обладают автотрофным или гетеротрофным типом питания. Среди прокариот имеются фототрофы, которые способны получать энергию солнечного света и хемотрофы, которые получают энергию, путём расщепления химических соединений. По отношению к кислороду бактерии можно поделить на: - аэробов (для их жизнедеятельности необходим кислород); -анаэробов (живут без доступа кислорода); Также имеются факультативные организмы, которые могут переключать метаболизм с одного типа на другой. К бактериям относятся истинные бактерии или эубактерии, а также риккеции и хламидии (внутриклеточные паразиты), актиномицыты (лучистые грибки), прокариоты, способные образовывать мицелий. Все прокариоты являются микроорганизмами. Архибактерии Отличаются от истинных бактерий строением клеточной стенки, структурой мембраны, строением рибосом, особенностями метаболизма, а также своей экологией. Среди архибактерий встречаются экстремальные термофилы и экстремальные галофиты. Животные Организмы с галазойным типом питания, реже — абсортивным. Животные являются гетеротрофами, то есть питаются готовыми органическими соединениями. Ведут активный образ жизни. Исключением являются губки, которые ведут прикрепленный способ существования (вторичные формы). Размножаются без помощи спор, исключением являются споровики (Sporozoa) — класс из типа Protozoa. В качестве запасных питательных веществ используют гликоген. Растения Это автотрофные организмы, которые получают углерод из СО 2, являются фототрофами, способны к фотосинтезу. Исключение — вторичные гетеротрофы, безхлорофильные. Клетки растений имеют плотную клеточную стенку (целлюлоза). В качестве запасных питательных веществ используют крахмал. Существуют прикрепленные (высшие) и не прикрепленные растения. Грибы Предполагают, что грибы произошли от истинно гетеротрофных амебоидных двухжгутиковых простейших. Особенности, которые сближают их с животными: 1. Азотный обмен (конечный продукт — мочевина); 2. Имеют тРНК, первичные структуры цитохромов (окислительно-восстановительный фермент в системе дыхательной цепи), плотную клеточную стенку, состоящую из хитина целлюлозы. Особенности, которые сближают их с растениями: 1. Абсортивное питание, реже — галозойное; 2. Размножаются при помощи спор; 3. Характеризуются апикальным ростом; 4. Могут быть прикрепленными организмами с неограниченным ростом. Различают высшие и низшие эукариоты. Среди эукариотических микроорганизмов есть микроскопические животные, которые относятся к типу Protozoa. Среди растений можно выделить микроскопические водоросли. Среди грибов — плесневые грибы, дрожжевые и дрожжеподобные организмы. Уровни организации клеточных организмов и микроорганизмов По уровням организации различают одноклеточные организмы, многоклеточные и целоцитные.
Одноклеточные состоят из 1 клетки. Отличие связано с размерами и формами клеток. Среди многоклеточных различают клетки с высокой и низкой организацией клеточной структуры. С низкой — одноклеточный колониальный уровень: клетки одинаковые и выполняют одинаковые функции. С высокой — ткани и органы. Целоцитные — многоклеточные организмы, клетки которых не имеют четкого различия, имеют большие поры, ядра мигрируют (водоросли, грибы). Микроорганизмы (м/о) — одноклеточные организмы, целоцитные с низким уровнем организации. Для удобства Геккель в 19 веке предложил градацию организмов на 5 царств. Такая градация носит искусственный характер и создана для удобства терминологии:
Аккариоты — внеклеточные организмы (безядерные формы). Это вирусы, вироиды. Вирусы — это внеклеточные формы жизни, которые являются облигатными внутриклеточными паразитами, причем паразитируют на генетическом уровне: подчиняют геном клетки, в которой они паразитируют, либо выключают его из клеточного метаболизма. А клетку заставляют работать, используя генетический код собственного генома. Вирусы проходят через бактериальные фильтры, то есть имеют очень маленькие размеры. Облигатный паразитизм приводит к тому, что вирусы не могут быть выращены на искусственных питательных средах (ПС). Для их размножения используют живые системы (клетки животных, растений, человека). Вирусы отличаются от других клеточных организмов по химическому составу и по форме существования в природе. Форма: 1) вегетативная; 2) кристаллическая (во внешней среде). Прионы — аккариоты, инфекционные трансмиссивные (передающиеся) РНК, у которых нет белковой оболочки. Они вызывают некоторые заболевания растений. Инфекционные белки, не содержащие нуклеиновых кислот. Независимо от того, к какому царству относятся микроорганизмы, все они имеют определенные свойства: 1. Малые размеры. Вирусы — 10-100 нм; бактерии — 0,1-500 мкм; сине-зеленые водоросли имеют средний размер около 10 мкм, а простейшие и грибы — до 10 мкм. 2. Высокое отношение площади поверхности к объему клетки. 3. Высокая скорость обменных процессов. В 1893 году Рубнер сформулировал правило, согласно которому энергетический обмен животного, пропорционально не массе, а поверхности его тела. М/о при создании идеальных
условий перерабатывают за сутки в 30-40 р больше веществ, чем свой вес (за сутки синтезируют 0,5 тонн дрожжей — 50 тыс. тонн белка). 4. Высокая скорость размножения. Бактериальная клетка в среднем имеют время генерации (отрезок времени между двумя делениями) — 20-30 минут. Дрожжи делятся с интервалом в 2 часа. Другие грибы, не м/о, — 48 часов. Растения делятся 1-2 недели, животные — 1-2 месяца. 5. Пластичность метаболизма. Все м/о имеют хорошие адаптационные способности: легко адаптируются к внешним условиям. Это свойство связано с определенным набором ферментов, с помощью которых клетка может переключать свой метаболизм с одного механизма на другой (факультативыные анаэробы - могут жить в среде, содержащей кислород и в бескислородной среде). 6. Повсеместное распространение микроорганизмов по всей планете (занимают практически все ниши на нашей планете). История развития м/о 1. Морфологический (описательный) период. Длился 150 лет. Ни Левенгук, ни его последователи не ставили перед собой цель выяснить роль м/о в природе и жизни человека. 2. Эколого-физиологический период. Луи Пастер открыл анаэробный способ жизни. Он также открывает истинную причину порчи вина, пива, показав, что процесс сбраживания углеводов до спирта осуществляется м/о, которые развиваются в анаэробной среде. Порча вина и пива была связана с жизнедеятельность уксусно-кислых бактерий. Пастер предлагает пастеризацию — глубинное прогревание пива (60-70ºС) с целью сохранения свойств и срока хранения. Пастер также открывает причину бешенства и сибирской язвы. Он разрабатывает принцип аттенуации (ослабления вирулентности). Вирулентность — это степень патогенности, способность вызывать заболевание. Пастер использовал принцип частых пересевов, которые длились несколько лет: культура генетически изменялась, но при этом сохранялись иммуногенные свойства, и терялась вирулентность. В 1886 году в Одессе открылась первая Пастеровская школа. И на основе работ этого ученого были разработаны многие вакцины. Роберт Кох открывает туберкулёзную палочку (палочка Коха) и холерный вибрион. Кох и его ученики разработали правило работы с культурами м/о. • Разрабатывались способы приготовления плотных ПС. Сначала это был желатин (он расщеплялся многими м/о и плавился при температуре 37º С). Затем полисахарид — агарагар, который выделяли из красных водорослей. Использование плотных ПС облегчило получение чистых культур микроорганизмов. Используя чистые культуры м/о Кох разрабатывает «триаду Коха»; • методы окрашивания м/о с помощью анилиновых красителей; • метод микрофотографирования бактерий. И.И. Мечников получил Нобелевскую премию. Он изучал проблемы механизмов иммунного ответа и ему принадлежит фагоцитарная теория иммунитета. Он показал роль макрофагов, которые имеют способность к фагоцитозу (уничтожение чужеродных м/о). Эрлих разработал гуморальную теорию иммунитета. Согласно его теории, главная роль нейтрализации чужеродных агентов в организме принадлежит антителам. Мечников занимался проблемами борьбы со старостью. Причиной старения он считал то, что кишечник плохо очищается, и в нем развиваются гнилостные м/о. Он открыл антагонизм : молочно-кислые бактерии способны задерживать рост других м/о. Изучает холеру, сифилис, туберкулёз. Мечников закладывает основы исследования про антигенную специфичность органов и тканей. Впервые выясняет антагонистическую способность грибов по отношению к насекомым и предлагает использовать некоторые грибы в качестве средств борьбы с насекомыми — вредителями с/х. Виноградский С.Н. открывает явление хемосинтеза и значение микроорганизмов в круговороте N, S, C, Fe. На трудах этого учёного базируется микробиология (м/б) почвы. Бейеринг решил проблему фиксации азота м/о и раскрыл механизм круговорота азота в природе. Он впервые выделили м/о из почвы рода Azotobacter. А также м/о относящийся к
роду Rhizobium. На основе м/о были получены бактериальные удобрения, которые обогащают почву. Ивановский Д.И. (конец 19, начало 20 века) открыл новый класс внеклеточных живых веществ — вирусов. Первый вирус, который был открыт — вирус табачной мозаики. Заболотный Д.К. изучая чуму открыл, что это заболевание передается грызунами. 3. Современный этап. Развитие всех дисциплин (м/б, биология клетки и т.п.). Деферинциация м/б на отдельные направления: — общая м/б (изучает общий состав и химические структуры клетки, ее систематику и экологию); — ветеринарная и медицинская (патогенные для человека и животных м/о, а также способы лечения и профилактики различных заболеваний); — с/х м/б (изучает роль м/о в плодородной почве, способы повышения ее плодородия, изучение патогенных для растений м/о, разработка защиты и борьбы против инфекции); — генетика м/о (изучение молекулярной структуры генов прокариот, функционирование и репликация генов, процессы мутагенеза, разрабатываются методов генетического конструирования — получение новых штаммов с заданными свойствами); — водная м/б (разрабатывает микробные методы очистки сточных вод); — геологическая м/б (исследует роль м/о в круговороте абиогенных элементов и образование полезных ископаемых, а также разрабатывает методы получения редких металлов из обеднелых руд); — космическая м/б (влияние на м/о космических условий, изучение жизни на других планетах); — техническая м/б (разработка и внедрение способов получения биологическиактивных веществ с помощью м/б синтеза, что является основной составляющей частью биотехнологии). Грибы По размеру их делят на микроскопические (более 30 тыс. видов) и макроскопические (20 тыс. видов). По уровню организации грибы делятся на низшие и высшие. Вегетативное тело гриба — таллом состоит из переплетающихся нитей (гифов — 5 мкм в толщину). Гифы состоят из клеточной стенки, цитоплазмы с органоидами, типичными для эукариот. По строению гифы делят на 3 вида: — несептированные гифы (у низших грибов);
— не полностью септированные;
— септированные.
Совокупность гифов называется мицелием. По отношению у субстрату мицелий делится на воздушный (над субстратом) и поверхностный (субстратный). У грибов очень часто наблюдается изменение мицелия. Видоизменения мицелия связаны с их функциями: 1) столоны — дугообразные гифы, с помощью которых грибы перемещаются по субстрату.
2) ризоиды — возникают на прикосновение с твердым субстратом;
3) аппрессории (присоски) — гифы позволяют прикрепляться на отвесных стенах; 4) гипофодии — накопление запасных питательных веществ;
5) ловчие петли — захват насекомых;
6) склероции — склеенные гифы, покрытые общей оболочкой, выдерживают неблагоприятные условия среды. Для грибов характерен апикальный рост. Причем у большинства большая часть мицелия способна к росту. По мере развития мицелия цитоплазма в старых участках отмирает. Размеры мицелия неограниченны. Размножение — вегетативное, бесполое и половое. Вегетативное размножение осуществляется: - кусочками мицелия с ядром; - артроспорами (распад мицелия на отдельные клетки); - хламидоспорами (напоминают артроспоры, но покрыты более плотной оболочкой); - почкование. Бесполое размножение осуществляется при помощи спор (формируются на специальных гифах — конидиеносцы), причем споры могут формироваться эндогенно, т.е. внутри спорангия, и экзогенно. У некоторых спор могут быть жгутики (зооспоры). Половое размножение осуществляется путем образования и слияния гамет с образованием зиготы. В процессе слияния гамет можно выделить 3 фазы: - плазмогамия (с помощью мембраны); - кариогамия (слияние гаплоидных ядер); - мейоз или редукционное деление (восстановление гаплоидного числа хромосом). Процесс завершается образованием нового спорангия, а вегетативное тело гриба представляет собой гаплоидную фазу. В зависимости от строения мужско и женской гаметы различают три вида полового размножения: — изогамия (слияние одинаковых подвижных гамет); — гетерогамия (слияние 2-х подвижных гамет, причем женская клетка намного больше мужской; — оогамия (формирование женских половых органов — оогоний и мужских — антиридий) - когда оплодотворенные во внешней среде гаметы — подвижны; - подвижна мужская, которая проникает в неподвижную женскую клетку; - формируются 2 разных структуры и антиридий переливается в оогонию, где и происходит оплодотворение — зигогамия. Те грибы, у которых на 1 вегетативном теле образуются как женские, так и мужские гаметы — называются гермафродитами. Не все мужские и женские гаметы совместимы и способны оплодотворятся. У многих из этих грибов могут сливаться те клетки, у которых есть «+» и «-»— гетероталлизм. Классификация грибов: 1. Фикомицеты (низшие грибы):
1) хитридиевые грибы — не имеют мицелия или он слабо развит, образуют зооспоры, половой процесс -изо-, гетеро- и реже оогамия, при последнем способе размножения происходит вне гаметангии. Среди них много паразитов и морских водорослей, а также паразитов, обитающих в воде. Встречаются и наземные виды, которые встречаются в почве — возбудитель рака картофеля. 2) оомицеты — водные и наземные грибы. В отличие от первого класса мицелий хорошо развит, он целоцитный. Оплодотворяется при помощи зооспор. Подвижна только мужская гамета. 3) зигомицеты — споры неподвижны, половой процесс - оогамия (зигогамия) — мукоровые грибы. 2. Высшие грибы( эумицеты): 4) аскомицеты или сумчатые грибы — мицелий развит и разделен поперечными перегородками. Основной орган размножения — с помощью конидий (бесполый). Дрожжи (50%), аскомицеты, трюфели, сморчки, пенициллы, аспергиллы. 5) базидиомицеты — имеют развитый мицелий, половой процесс получил название — соматогамия (слияние 2 вегетативных клеток). Половой продукт — базидия. К этому классу относятся пластинчатые, трубчатые грибы и некоторые дрожжи. 6) Дейтеромицеты (Fungi imperfecti), несовершенные грибы, мицелий — развитый, размножение — бесполое (конидии), половой процесс не обнаружен. К этому классу относятся дрожжи и возбудители заболеваний с/х культур. Дрожжи — грибы, которые утратили способность к образованию мицелия. Дрожжи не
составляют отдельный класс грибов, они не составляют отдельный класс, а относятся к 3-му классу высших грибов. 50% высших грибов — аскомицеты. Дрожжи — одноклеточные грибы. Размеры — 1-10 мкм, средние — 5-7 мкм. По своей морфологии они разнообразны: они могут приобретать различную форму (овальную, цилиндрическую, серповидную). Могут образовывать ложный мицелий. 1. Морфология определяется типом вегетативного размножения: 1.1 Почкование. Возникают круглые, яйцевидные или овальные клетки. При множественном почковании, когда клетка закладывается на нескольких участках клетки, может образовываться звездчатая форма. В результате почкования без отрыва почки от материнского организма и продолжение почкования приводит к возникновению ложного мицелия (род Candida). 1.2 Почкующееся деление. Почка закладывает у основания клетки в результате чего может образовываться грушевидная (почка с одной стороны) или веретеновидная (почка с двух сторон). 1.3 Деление. Обычное деление бывает редко, при этом процессе 1 материнская клетка дает 2. 2. Бесполое размножение. Осуществляется при помощи специальных клеток и спор —
баллистоспор, эндоспор. Баллистоспора образуется на специальном выросте — стеригме, после чего отбрасывается на расстояние. Эндоспоры закладываются внутри материнской клетки (2-10 в 1 клетке). 3. Половое размножение. Могут осуществлять в гаплоидной и диплоидной фазе. Большинство дрожжей диплоидны. Для каждых существует тип развития.
Цикл развития гаплоидных дрожжей
Две гаплоидные клетки сливаются друг с другом, проходят стадию плазмогамии и кариогамии, в результате чего образуется циклоидная зигота. Она митотически делится, постом — с помощью редукционного деления. В результате внутри материнской клетки образуется n- количество аскоспор, содержащих гаплоидный набор хромосом. Они прорастают и дают начало гаплоидной вегетативной клетке. Цикл развития диплоидных дрожжей Вегетативная диплоидная клетка претерпевает редукционное (мейоз). В результате под материнской оболочкой образуются аскоспоры, содержащие гаплоидный набор хромосом. Аск лопается, гаплоидные аскоспоры выходят наружу и сливаются с друг другом. Проходят стадию плазмогамии и кариогамии, в результате чего образуется диплоидная зигота. Она размножается почкованием и восстанавливает тем самым популяцию диплоидных дрожжей.
Классификация дрожжей по Кудрявцеву (1952 год) 1. Класс Аскомицеты (Ascomycetes). 1 семейство — Saccharomycetеceae (17 родов), род Saccharomyces: - S.cerevisiae (производство спирта, переработка крахмала, производство хлеба); - S. Carlsbergensis (в пивоварени); - S.vini (в виноделии); - S.minor (для получения темных сортов хлеба); 2 семейство Shizoaccharomyceteceae (2 рода), род Shizoaccharomyces: - Schizoes pombe (в производстве пива); - Sch. Mosquensis (в виноделии); 3 семейство Saccharomycodaceae (4 рода). 2. Класс Fungi imperfecti. 1 семейство Cryptococcaceae: - 1 подсемейство Cryptococcaideae; *1 род Cryptococcus; * 2 род Torulopsis (кефір, виноделие); * 3 род Candida (БВК, возбудитель микозов); * 4 род Pitorosporum (на коже человека); * 5 род Brettonomyces (вредитель виноделия);
- 2 подсемейство Trichospoiceae (10 родов): * 1 род Trichosporon; - 3 подсемейство Rhodotoruloide: * 1 род Rhodotorula. Плесневые грибы (микромицеты) Это мицелиальные микроскопические грибы. Они образуют на поверхности пушистый налет из своего мицелия. Они нуждаются в определенной влажности, температуре и в наличии определенного субстрата. Мицелий глубоко пронизывает субстрат. В систематическом отношении плесневые грибы — неоднородны и относятся как к высшим, так и к низшим грибам (аскомицеты, fungi imperfecti, низшие - зигомицеты). Зигомицеты — р. Mucor, р. Rhizopus. Характеристика. Mucor — на плотных ПС образовывает войлочный налет. Тело представлено целоцитным мицелием. От мицелия отходят гифы — спорангиеносцы со спорангиями, на которых образуются споры. Rhizopus — отличаются от Mucor тем, что спорангиеносцы образовываются на мицелии пучками.
Народное значение грибов и дрожжей Широко используются в биотехнологических (б/т) при производстве спирта, пива, вина и т.д. В хлебопекарской промышленности используют дрожжи р. Saccharomyces — используют в виде сухих живых дрожжей, которые богаты витаминами группы В и иммуномодуляторами. Р. Candida — белково-витаминные концентраты в животноводстве. Кроме того, получают ценные препараты — витамин D2, липиды, нуклеиновые кислоты. Ферменты и коферменты, а также органические кислоты. Плесневые грибы являются продуцентами органических кислот (лимонная кислота), антибиотиков и т.п. Среди грибов есть вредители, патогенные для человека и животных. Прокариоты Морфология клеток, поверхностные структуры клетки. М/о прокариот отличаются незначительным морфологическим разнообразием. Можно выделить 4 основных формы, которые наиболее распространены. 1. Кокки. Зависимо от способов деления различают: - микрококки — при делении расходятся и образуют одиночные структуры; - диплококки (взаимно перпендикулярные) — не расходятся, есть патогенные формы, например, пневмококки, гонококки и менингококки; - тетракокки — патогенных форм нет; - стрептококки — состоят из 3 или более кокков, делятся в одной плоскости (цепочка), вызывает рожистое заболевание, пиогенные инфекции, сепсис и т.п.; - сарцины состоят из 8, 16, 2, 64 клеток, патогенных форм не выявлено; - стафилококки (гроздь винограда): * сапрофитные (S. albus); * условно-патогенные (золотистый стафилококк); * гемолитические стафилококки (гемолиз эритроцитов); 2. Палочки:
- длинные; - короткие; - тонкие; - толстые; - коккопалочки; - с ровными краями; - с закругленными краями; - с заостренными краями; По способу образования: - бактерии (не образуют); - бациллы (образуют); По расположению - молонопалочки (монококки, монобациллы); - диплопалочки (—//—); - стрептопалочки (—//—); - Х и Y формы; 3. Извитые формы: - негнущиеся (вибрионы, которые напоминают запятую, например, холерный вибрион). Имеют большой поперечный диаметр, имеют от 1 до 6 крупных завитков (непатогенные и патогенные спириллы); - изгибающиеся формы — спирохета. Они очень тонкие в диаметре, имеют множество мелких завитков и осуществляет поступательно-вращательные движения. Патогенные — бледная спирохета (сифилис). Вызывают заболевания — кариес, лептоспироз. 4. Нитчатая форма. Гигантская нить (трихома) — 500 мкм. В основном это водные формы. 5. Редкие формы (термофилы, галофиты). Подавляющее большинство образуют постоянную форму своего тела за счет наличия клеточной стенки (жесткого каркаса).
Строение бактериальной клетки Бактериальная клетка устроена протопластами и поверхностными структурами. Протопласты — цитоплазма, в которой находятся органоиды и вся структура окружена цитоплазматической мембраной (ЦПМ). Поверхностные структуры — все структуры, которые располагаются на ЦПМ (клеточная стенка, капсула или ее разновидность, жгутики, ворсинки, пили). Клеточная стенка. Важнейший структурный компонент, который есть у всех м/о, кроме микоплазм, а также искусственно полученных протопластов и мутантов (L-формы). Клеточной стенки нет у архибактерий. На долю клеточной стенки приходится от 5-50% всех сухих веществ клетки. По химическому составу и строению клеточная стенка у прокариот отличается от клеточной стенки эукариот. Химический состав клеточной стенки (КС) и строение является для определенных видов постоянным. В зависимости от строения клеточной стенки м/о были разделены: — грамположительные (Г+); — грамотрицательные (Г-); В 1884 — шведский Грам предложил способ окрашивания м/о, который позволял различать м/о, имеющие разное строение клеточной стенки.
КС Г+. Очень плотно прилегает к ЦПМ. Основную массу КС составляет особый пептидогликан — муреин. У Г+ — муреин многослойный и на долю его приходится от 5090% всех веществ КС. Помимо муреина могут входить тейхоевые кислоты, белки, полисахариды и липиды. Муреин — это гетерополимер, мономер которого являет собой 2афетилированный аминосахар, производный глюкозы (N-ацетилглюкозамин — NАцГА), в котором гидроксильная группа при 2 С — замещена аминогруппой, на которой присоединяется СОСН3 (ацетильный остаток), N-ацетилмуреиновая кислота (NАцМК). Представляет собой эфир N-ацетилглюкозамина и молочной кислоты, к остатку которой присоединяется тетрапептидный хвост, состоящий из 4 аминокислот (а/к): L-аланин, Dглутаминовая кислота, мезо-диаминопимелиновая кислота, D-аланин. Связь между 2-мя сахарами — β-1,4 гликозидная связь. Таким образом встречается гликозидная и пептидная связь (между а/к). Молекула муреина — гигантская и обволакивает клетку как сетка. Помимо пептидной связи, которая образуется в пределе 1 тетрапептидного хвоста, могут образовываться мегапептидные связи между отдельными пептидными хвостами. Причем эти связи могут образовываться между концевым D-аланином, который находится в положении «4» одного хвоста и диаминокислоты в «3» положении другого хвоста (связь 3-4). У других м/о могут образовываться пептидные мостики между 2-мя соседними хвостами. Могут образовывать связи через пептидный мостик. Чаще всего мостики образуются из 5 остатков.
Разновидности муреина. Известно более 100 хемотипов муреина, которые имеют определенные различия, которые прежде всего касаются: - природы а/к в положении «3»; - наличия или отсутствия и природы пептидного мостика; - положением поперечной связи между пептидными цепями; - не всегда связь может быть 3-4, иногда — 2-4. В положении «3» может находится мезо-диаминопимелиновая кислота (МДАПК), Lаргини, L-лизин. Муреиновый каркас имеет ряд особенностей: — чередование последовательностей NАцГА и NАцМК; — в структуре муреина имеются неприродные D-а/к-ты; — наличие МДАПК; Муреиновый каркас является слабым местом бактериальной клетки. Разрывается 2-мя видами антибактериальных препаратов: 1) β-лактамные антибиотики (пенециллины, цефалоспарины), которые разрывают пептидные связи между 2-мя тетрапептидными хвостами. 2) антибиотик животного происхождения — лизоцим, который разрушает β-1,4 гликозидную связь.
Тейхоевые кислоты. Полимеры, построенные на основе 3-атомного спирта — глицерина или 5-атомного спирта — рибита, остатки которых соединены фосфодиэфирной связью. В зависимости от природы спирта различают рибиттейхоевую кислоту либо глицеринтейхоевую кислоту. Многообразие тейхоевых кислот определяет многообразие веществ, которые присоединяются к свободным ОН-группам а/к. К этим гидроксильным группам может быть присоединена глюкоза, NАцГА, D-аланин и др.). Тейхоевые кислоты ориентированы поперек КС муреина и ковалентно связанной с NАцМК с 4 углеродным атомом. Иногда тейхоевые кислоты могут быть связаны с липидной частью ЦПМ (липотейхоевые кислоты). Функции тейховых кислот. Основные антигены (Аг) Г+ бактерий. Они выполняют функцию бактериофагов — вирусов бактерий. Создают на поверхности клетки высокую плотность регулярно ориентированных зарядов, в результате чего облегчают проникновение ионов через поверхностные слои клетки. Белки и липиды Белки КС синтезируются на рибосомах, которые связанны с ЦПМ. Белки могут быть представлены монослоем на поверхности муреина. Bac. Brevis — имеется тонкий слой. У St.aureus белки располагаются на поверхности в виде спирали (белок А).
На поверхности КС у некоторых представителей рода Streptococcus белки встречаются в виде ворсинок, с помощью которых клетки склеиваются друг с другом. Для полисахаридов и липидов показана возможность ковалентного связывания с макромолекулами клеточной стенки, в отличие от белков, которые (у тех видов, где имеются) формируют на ее внешней поверхности отдельный слой. КС Г-. Состоит из внутреннего слоя и наружной мембраны. Внутренний слой представленный муреиновым комплексом и неплотно прилегает к ЦПМ (отделен переплазматическим пространством). Наружная мембрана располагается над муреином и отделена от него переплазматическим пространством. В хим. Отношении представляет собой би-слой липидов, относящихся к классу полярных липидов. Белки наружной мембраны можно разделить на основные и минорные: 1) Минорные белки: основная функция — транспортная и рецепторная (рецепторы бактериофагов). 2) Основные белки: формирование в мембране гидрофильных пор и функия стабилизации мембранный рецепторов для бактериофагов. Наружный слой мембраны представлен монослоем липополисахаридов. Они имеют очень сложное строение: • липидный комплекс представлен липидом А; • сердцевинная область; • О-спецефические боковые цепи, которые индивидуальны для некоторых организмов - они представлены различными олигосахаридами (галактоза, манноза, рамноза, фруктоза и др.) О-спецефические боковые цепи являются самостоятельными О-антигенами (О-Аг) Гбактерий. И благодаря этой индивидуальности можно определить видовую принадлежность Г- организмов.
Необычные КС-и Они принадлежат к группе архебактерий. Клеточные стенки метанобразующих архебактерий содержат псевдомуреин. Псевдомуреин. N-ацетилглюкозамин, N-ацетилгалактозамин, N-ацетилталозамин уроновой кислоты. Пептидные фрагменты состоят из L-а/к (глу, ала, лиз). У других
архибактерий, которые относятся к галобактериям. У них КС представлена белком, а аминосахара находятся в небольшом количестве. Прокариоты, не содержащие КС Единственная группа организмов, которые не содержат КС - микоплазмы. Но они имеют ЦПМ, которая выполняет роль ЦПМ. Прочность ей придают стерины, которые микоплазмы включают в свою структуру из м/о, в которых они паразитируют. Благодаря стеринам ЦПМ приобретает плотность и устойчивость к осмотическим перепадам. Микоплазмы паразитируют в млекопитающих, содержатся в сточных водах. Искусственным путем получены м/о без КС - протопласты (без КС) и сферопласты (содержит фрагменты КС). Протопласты и сферопласты получают в лабораторных условиях с использованием литических ферментов, которые разрушают пептидные связи муреина. Для того чтобы протопласты и сферопласты не лопнули добавляют стабилизаторы (соли). Они широко используются в б/т для получения полигибридных, высокопродуктивных штаммов м/о. Эти гибридные клетки с восстановленной КС способны к делению. Они существуют незначительный период времени, поэтому производство требует постоянного восстановления полигибридных клеток. Протопласты и сферопласты не могут делится без КС, поэтому для того, чтобы запустить их в производство необходимо создать условия, в которых они смогут восстанавливать КС. L-формы Это м/о, которые утратили способность к образованию КС под действием антибиотиков β-лактамной природы (цефалоспарины, пенициллины). Β-лактамные антибиотики нарушают образование пептидных связей в структуре муреина, в результате чего образовываются м/о с рыхлой КС. L-формы могут реверсировать и восстанавливать синтез КС. Функции КС прокариот Клеточная стенка прокариот выполняет такие функции: механически защищает клетку от воздействий окружающей среды, обеспечивает поддержание ее внешней формы, дает возможность клетке существовать в гипотонических растворах (концентрация солей меньше, чем в клетке), имеет антигенную функцию (функции КС Грам-отрицательных м/о расширены за счет наружной мембраны). Функции КС (+ предыдущие). * Проницаемость (внутри клетки - транспортная функция, регулирует поступление веществ за счет изберательности наружной мембраны КС). * За счет наружной мембраны Г- более устойчивы к антибиотикам, чем Г+. * В переплазматическом пространстве осуществляется гидролиз питательных веществ, а это придает клетке бОльшую устойчивость к самоперевариванию КС. * Нарушение мембраны КС Г- организмов антигенной активности за счет многообразия О-замещенных боковых цепей липополисахаридов. Капсулы, слизистые слои и чехлы Капсулы, слизистые слои и чехлы расположены над КС. Под капсулой понимают слизистое образование, обволакивающее клетку, сохраняющее связь с КС. Если толщина образования меньше 0,2 мкм, говорят о микрокапсуле. Если больше 0,2 мкм, говорят о макрокапсуле. Последнюю можно видеть в обычный световой микроскоп и хорошо обнаруживаются при обработке тушью. Слизистые слои - это разновидность капсулы, толщина которой во много раз превышает размеры клетки. Чехлы - разновидность капсулы, которые имеют тонкую структуру. Нередко они могут быть инкрустированы штаммом. Химический состав капсулы: он не только родо- или видоспецифичен, но и штаммоспецифичен. В химическом отношении — гетеро- или гомополисахариды. Гомополисахаридные капсулы состоят из сахарного остатка одного типа (целлюлозные, глюконовые, галактозные). Гетерополисахаридные капсулы состоят из сахарных остатков. На ряду с полисахаридами содержат полипептиды (капсулы смешанного типа). В образовании капсулы берут участие ферменты ЦПМ.
Функции: 1) защитная (от высыхания, механических повреждений и т.д.); 2) запасная (источник запасных питательных веществ); 3) барьер для проникновения токсических веществ и фагов. 4) у некоторых микроорганизмом связано со скользящим типом движения; 5) могут закрепляться на клеточных поверхностях; 6) у некоторых м/о с капсулами связаны патогенные свойства. Так у возбудителя пневмонии капсульные варианты — патогенны, а безкапсульные — непатогенны; 7) капсула — не обязательный компонент клетки и если ее удалить, то клетка будет существовать; 8) м/о могут мутировать и терять или образовывать капсулу; 9) м/о, имеющие капсулу образовывают гладкую колонию (S-формы); 10) безкапсульные м/о образовывают рыхлые колонии (P-формы). Значение: - плазмозаменители крови; - пищевая промышленность (ксантан); - заменитель агар-агара; - в лакокрасочной промышленности для стабилизации красок; - диагностические средства; - носители, на которые закрелены ферменты. Придатки бактериальной клетки К придаткам клетки относят жгутики, ворсинки и пили. Жгутики — органоиды движения. Они определяют способность двигаться как в жидкой ПС, так и на поверхности плотных ПС. Считалось, что размеры и состав жгутиков, их количество и расположение являются важным таксономическим признаком. Жгутики делятся: - полярные (на концах клетки). Могут быть монополярными, биполярными, субполярными (моносубполярные и бисубполярные); - латеральные (по боковым поверхностям); - перетрихиальные (разбросаны по всей поверхности); В зависимости от числа и расположения делятся на моноплярные монотрихи и монополярные политрихи (лофотрих), биполярные монотрихи и биполярные политрихи (амфитрих);
Строение жгутика. Жгутик у бактерий представляют спирально закрученную нить. У разных м/о жгутики различаются по длине, толщине и амплитуде витка. Длинна от 3 до 15 мкм. Структурно у жгутиков можно выделить несколько компонентов:
1. Нить, которая построена из белка флагелина (очень схож с миозином мышц); 2. Крюк, который состоит из белка, который отличается от флагелина. К нему с одной стороны присоеденяется нить, а с другой — он соединен с базальным телом. Крюк выполняет функцию сустава, в результате чего нить может вращаться. 3. Базальное тело, которое представлено системой 4 колец у Г- и 2 колец у Г+. Также включает стержень, на который нанизаны кольца. Оно закрепляет жгутик в ЦПМ и в КС. С другой стороны базальное тело выполняет мотора, которая приводит жгутик в движение. У Г- имеется 4 кольца: L-кольцо (закреплено в наружной мембране КС), P-кольцо (закреплено в муреиновом каркасе), S-кольцо (располагается в переплазматическом пространстве), M-кольцо (располагается в ЦПМ и приводит жгутик в движение). У Г + имеется S-кольцо и М-кольцо.
Жгутик обеспечивает достаточно быстрое движение в жидкости и более плавное на плотных средах. Он представляет собой левозакрученную спираль и вращается против часовой стрелки, клетка при этом движется поступательно. На работу жгутика тратится сила в виде мембранного потенциала ΔμΗ +, который генерируется на ЦПМ. На 1 оборот затрачивается 103 Η+ (протонов водорода). Скорость движения жгутиков — 3000 об./мин., при этом клетка движется в противоположную сторону со скоростью 1000 об./мин. Самая большая скорость — 30 мкм/сек. Причем скорость не зависит от количества жгутиков, а определяется расположением. Так клетки с полярным расположением жгутиков движутся быстрее, чем клетки с перетрихиальным расположением жгутиков. Жгутики не являются жизненно важными компонентами клетки. Они носят приспособительный характер и придают клетке селективное преимущество, быстро реагируют на питательные компоненты (хемотаксис положительный) быстро убегают от токсических веществ (хемотаксис отрицательный). Ворсинки — фимбрии; — пили; Фимбрии и пили состоят из белка пилина. Причем субъединица белка образовывается таким образом что образовывает полую нить. Ворсинки меньше жгутиков. Фимбрии в большом количестве разбросаны по поверхности клетки. Они служат для соединения клеток друг с другом (являются фактором патогенности). Энтеробактерии — кишечная группа м/о с помощью фимбрий прикрепляется к эпителию кишечника, а возбудитель гонореи — на слизистых оболочках.
Пили образовываются в небольшом количестве. Информация о них заложена на плазмидах (внехромосомные ДНК). Образовываются на поверхности на протяжении небольшого отрезка времени. После выполнения своей функции сбрасываются. Различают: * F-пили — формируются у мужских клеток. Функия — передача генетической информации от мужской клетки в женскую в процессе генетических рекомбинаций. * R-пили (кодируются R-плазмидами, плазмидами устойчивости) — выполняют функцию передачи плазмид от донора к реципиенту. С помощью таких механизмов поддерживается генетическая популяция клеток бактерий. ЦПМ Является обязательным компонентом клетки. Это структурная и функциональная единица клетки. Она универсальна по строению как у эу-, так и у прокариот. Существует ряд отличий. На ряду с ЦПМ имеются внутримембранные образования — результат впячивания. Могут утрачивать связь с ЦПМ, но вторичные полости не образовывает. У нефототрофных м/о такие внутримембранные образования называются мезосомами. У Г - м/о мезосомы встречаются редко и достаточно просто организованы. У Г + м/о — мезосом много и они разнообразны по форме: - ламинарные (пластинчатые); - везикулярные (пузырьковые); - тубулярные (имеют вид трубочек). Мезосомы усиливают функциональную активность и увеличивают площадь мембраны. Также выполняют функцию компартментализации клетки (делят на отделы, отсеки, ячейки). У фотосинтезирующих м/о на таких мембранных структурах располагаются фотосинтетические пигменты. Имеют форму везикул, трубочек или замкнутых дисков. Хим. Состав ЦПМ: Белково-липидный комплекс. Липиды полярные (фосфолипиды) и нейтральные (моно-, ди-, триглицериды и свободные жирные кислоты). Фосфолипиды — производные глицерина, С1 и С2 атом которого — этерифицированы жирными кислотами, а 3 углеродный атом через остаток фосфорной кислоты соединен со спиртовым остатком. Наиболее распространены — фосфатидил глицерин, фосфатидил энозит, фосфотидил этаноламин, фосфотидил серин.
Неполярные липиды — минорные соединения, производные глицерина. Нейтральные липиды — фракция свободных жирных кислот. Набор жирных кислот у м/о видоспецефичен и разнообразен. В состав мембраны прокариот входят только ненасыщенные и мононенасыщенные кислоты (исключение — цианобактерии, у которых имеются полиненасыщенные жирные кислоты), которые содержат 2, 3, 4 - двойных связи. У эукариот встречаются как полиненасыщенные, так и насыщенные кислоты. В структуре жирных кислот бактерий встречаются также циклопропановые и разветвленные жирные кислоты (1518 атомов «С»), которые не встречаются в структуре эукариот. Белки. В отличие от липидов не имеют структурной организации. Большинство белков мембраны находятся в состоянии α-спирали, а остальные — виде беспорядочного клубка. Существует жидкокристаллическая (клейстерная) модель Синджера и Никольсона. Согласно этой модели липиды формируют внутренний бислой (гидрофильные головы — наружу, а гидрофобные концы - внутри).
Встречаются переферичные и интегральные белки. Переферические — расположены на поверхности мембраны, имеют разную степень погруженности, имеют слабое белоклипидное взаимодействие и оказывает незначительное воздействие на соединения фосфолипидов. Интегральные белки — погружены в толщу мембраны. Закрепляются там с помощью взаимодействия 2-х типов: на уровне полярных головок липидов имеется электростатическое взаимодействие, а в толще бислоя — на уровне гидрофорных взаимодействий. Эти белки на столько тесно связаны с фосфолипидами, что изменения состояния этих белков передается на фосфолипиды. По характеру взаимодействия с мембраной белки подразделяются на: * монотопические (переферичные белки); * битопические (принизывают мембрану 1 раз); * политопические (пронизывают мембрану несколько раз). Ферменты дыхательной цепи.
Нормальное состояние мембраны — жидкокристаллическое (обусловлено соержанием насыщенных и ненасыщенных жирных кислот). С мембаранными липидами связана адаптационная способность м/о и способность поддерживать физиологическое состояние в широком диапазоне температур. При понижении температур увеличивается соотношение
ненасыщенных и насыщенных жирных кислот — идет синтез ненасыщенных жирных кислот, а при повышении — насыщенных. Липиды мембран могут осуществлять разные виды движений: - изменение ориентации полярных голов; - быстрое колебание жирных кислот; - могут образовывать кинки (поворот цепей жирных кислот); Причем такие липиды могут образовывать упорядоченную область с общей системой координат (кластерная область). Причем плотность упаковки липидов в этой области существенно отличается от соседних с ним частей. Количество молекул липидов в кластере от 10 до нескольких сотен. Время жизни кластеров 10 -6 — 10-7 сек. А меж кластерные зоны образовываются дефектные зоны, которые облегчают проникновение в бислой различных веществ. Функции мебраны 1. Барьерная — ограничивает цитоплазму, в результате чего клетка может существовать как структура и функциональная единица. 2. Транспортная. В мембране располагаются белки-переносчики (транслоказы и пермеазы), которые облегчают перенос внутрь клетки различных органических и неорганических соединений. 3. Мембрана бактерий является сопрягающей (аналогичны мембранам митохондрий). Здесь располагаются ферменты дыхательной цепи, а, следовательно, она осуществляет функцию трансформации энергии. У автотрофов на мембране располагаются фотосинетирующие пигменты, которые осуществляют трансформацию солнечной энергии в энергию АТФ. 4. Синтетическая. В ЦПМ есть ферменты, которые принимают участие в синтезе КС, мембранных липидов, капсул и т.д. 5. Принимает участие в репликации ДНК и распределения хромосом к разным полюсам во время деления. 6. Принимает участие в клеточном делении, в образовании спор и цист, принимает косвенное участие в синтезе белка. 7. Адаптационная. 8. Сливаемость (эластичность) мембранных образований друг с другом. 9. Мембраны некоторых бактерий обладают антигенной активностью, а также могут содержать рецепторы к бактериофагам.
Внутриклеточные структуры бактерий В цитоплазме есть рибосомы, нуклеоид, запасные питательные вещества. Специфические структуры: карбоксисомы, аэросомы, магнитосомы, параспоральные тела и т.д. Рибосомы — часть белоксинтезирующего аппарата, встречаются у всех. У молодых клеток рибосом больше, чем у старых. Рибосомы эукариот отличаются от рибосом прокариот: у эукариот — 80 S, а у прокариот — 70 S. При концентрации 2-валентного магния 10-3 распадаются на 2 субъединицы. 80 S — на 50 S (большая) и 40 S (малая); 70 S — 50 S (большая) и 30 S (малая). Строение малой субъединицы: у истинных бактерий есть тело, головка и платформа, у архибактерий — клювик (носик), у эукариот — лопасть.
Таким образом рибосомы архибактерий — переходная ступень от бактерий к эукариотам. В хим. соотношении рибосома — рибонуклеопротеид, который состоит из РНК и белка. В рибосоме сконцентрировано до 80% РНК всей клетки. Большая (50 S) субъединица содержит: • 5-S-РНК (120 нуклеотидов); • 23-S-РНК (3000 нуклеотидов); • 32 специфических рибосомальных белка. Малая (30 S) субъединица содержит: • 16-S-РНК; • 21 специфических рибосомальных белков.
Нуклеоид — аналог ядра бактерии, не содержит ядерной оболочки. Представлен 1 молекулой двухцепочечной ДНК в ковалентно замкнутом кольце. ДНК построена по типу комплементарности, который приедставили Уотсон и Криг. Согласно этой модели ДНК построена из чередующихся остатков дезоксирибозы и остатков фосфорной кислоты. К 1-му атому «С» дезоксирибозы присоединено одно из 4-х азотистых оснований. В структуре ДНК встречаются 2 пуриновых основания (аденин, тиамин) и 2 пиримидиновых (цитозин, гуанин). Основания обращены внутрь спирали. Обе цепи скреплены водородными связями (они не идентичны друг другу, а комплементарны). Напротив Аденина — Тимин (2 водородные связи), а напротив Цитозина — Гуанин (3 связи). На 1 виток спирали приходится около 10 оснований. Кроме того каждая цепь обладает полярностью: на одном конце фосфат-группа в положении «5», на другом — свободная гидроксильная группа в положении «3». Направление 2-х цепей противоположно по отношению друг к другу. Синтез или репликация ДНК идет от 5 к 3 концу. Репликация ДНК осуществляется по полуконсервативному механизму — по модели «катящегося колеса». В период репликации ДНК прикрепляется к определенному участку ЦПМ, где есть ферменты, инициирующие репликацию (разрыв водородной связи и формируют репликативную вилку). После репликации ДНК, участок ЦПМ, к которому прикрепляется ДНК разрывается и распределяет 2 молекулы ДНК по полюсам. Затем происходит деление клетки, которое ведет к образованию 2- дочерних клеток (содержат по 1 нуклеоиду). Не содержит ядерной оболочки, внутриядерных структур (ядрышки). ДНК бактерий стабилизируется не гистонами, как у эукариот, а полиаминами и ионами магния 2-х валентного. Количество хромосом — 1, но перед делением их 2. Отсутствует митоз и мейоз.
Функции ДНК ДНК содержит всю генетическую информацию о структуре клетки. Помимо нуклеоида клетка бактерии содержит и внехромосомные генетические элементы: 1) плазмиды; 2) траспозоны; 3) инсерционные фрагменты (IS-фрагменты); Это также 2-х цепочечные ДНК с различной молекулярной массой. Самые крупные — плазмиды(10 и больше генов). Все плазмиды могут находиться в трех видах: - линейная молекула ДНК; - кольцевая молекула ДНК; - в релаксированном виде (одна замкнута, одна — незамкнута).
Разновидность плазмид — эписомы, которые могут находится, как в автономном состоянии, в цитоплазме клетки, так и встраиваться в структуру ДНК. Они все не несут информацию жизненно важную для клетки. Нет информации о ферментах, основных метаболитических путей клетки. Плазмиди делятся по классу совместиммости : Совместимые плазмиды( относятся к разному классу совместимости) Не совместимие плазмиды( относятся к одному класу совместимости) На плазмидах и транспозонах (они меньше плазмид и не содержат репликона) может быть записана информация, которая расширяет селективные возможности организма. На Rплазмидах содержится информация об устойчивости к антибиотикам. IS-фрагменты не содержат репликон и не имеют кодирующей функции. Они являются биологическими мутагенами. Карбоксисомы — это структуры, которые обнаружены в клетках цианобактерий, нитрифицирующих бактерий, тионовых и пурпурных. Это 4 и 6-гранные вкючения, диаметром до 500 мкм, которые окружены однослойной белковой мембраной. В них
содержится ключевой фрагмент фиксации углекислого газа (рибулоза дифосфат в цикле Кальвирна). Газовые вакуоли (аэросомы). Характерны для водных бактерий — это полые цилиндры, окруженные белковой мембраной. Эта мембрана имеет особое строение, поскольку гидрофобные аминокислоты (а/к) обращены внутрь, а гидрофильные — наружу. За счет этого вода не проходит внутрь. Газ внутри очень напоминает воздух. Клетка воспроизводит аэросомы заново. Являются регуляторами плавучести. Магнитосомы. Обладают магнитотаксисом (способность плыть к магнитномы полю Земли). Это структуры, окруженные белковой мембраной, внутри которых находятся кристаллики оксида железа 3-х валентного. Запасные питательные вещества Они откладываются в клетке и являются продуктами клеточного метаболизма. Они находятся в осмотически инертной форме. Не растворимы в воде. По консистенции могут быть жидкие, полужидкие, твердые. С химической точки зрения: чистые, находящиеся в смеси. Среди питательных веществ можно выделить безазотистые органические вещества и азотсодержащие соединения. Безазотистые — одновременно могут являться источником углевода и энергии (крахмал, гликоген, гранлёза). Гранулёза — крахмалоподобное соединение, возбудитель ацетоно-бутилового брожения (может также вызывать газовую гангрену, столбняк). Жироподобные вещества — β-оксимаслянная кислота, содержится в клетке в виде светопреломляющих гранул, диаметром до 100 нм, окруженных белковой мембраной. Как правило, эти соединения накапливаются у м/о в одном виде и очень редко м/о могут накапливать и то, и другое. Азотистые соединения — запасаются только цианобактериями (цианофицированные зерна, которые представляют собой сополимеры аргинина и аспарагина). Волютин (полифосфаты или метахроматиновые зерна) — полифосфат, который являет собой полимерную молекулу с остатком фосфорной кислоты с разной длинной цепи. Эти гранулы были обнаружены у Spirillum volutans. Они способны изменять цвет некоторых красителей. Они выполняю функцию фосфорного депо. Им как источникам энергии принадлежит второстепенная роль. Источники серы. Встречаются только у тех м/о, которые метаболизируют серные соединения. Откладываются виде молекул серы, причем у некоторых м/о откладываются по есть источник Н2S, если же его нет, то молекула серы окисляется до сульфата. Включение карбоната кальция (или известковые тела). Они откладываются у серобактерий, которые накапливают серную кислоту. Роль заключается в нейтрализации серной кислоты, когда происходит чрезмерное повышение ее концентрации. Кристаллоподобные включения (параспоральные тела). Встречаются у бактерий, которые способны образовывать споры (р. Bacillus). Вещество белковой природы накапливаются в период спорообразования и являются токсичными веществами для многих насекомых вредителей с/х. Это м/о, которые образовывают параспоральные тела используются биотехнологии инсектицидов биологического происхождения.
Морфологическая диференцировка бактерий Говоря о слабой дифференцировке м/о нельзя отрицать ее вообще. В определенных условиях вегетативные клетки некоторых бактерий могут давать структуры, которые отличаются от исходных морфологически. В подавляющем большинстве случаев такие изменения направлены на выживаемость клеток. Поэтому большинство деференцированых клеток относятся к покоящимся формам. Это экзоспоры, эндоспоры, цисты и микроспоры (которые формируются только в неблагоприятных условиях). И только небольшая группа направлена на размножение — конидиеспоры, басоциты, гормогоний цианобактерий. Циста — ящик, это круглые светопреломляющие образования, отличающиеся тем, что имеют еще одну оболочку. Также содержат большое количество поли-β-оксимаслянной кислоты и липиды. Цисты более выносливы к высушиванию и механическим воздействиям. Образовываются у спирохет, метилотрофных бактерий, у бактерий р. Azotobacter и р. Bdelovibrio. У миксобактерий цисты получили название миксоспор. Миксоспоры. Их образование является закономерной стадией развития миксобактерий. При неблагоприятных условий миксобактерии подходят друг к другу и образовывают рой, большинство клеток разрушается и из них формируется слизь. И только небольшое количество клеток образовывает миксоспоры. Устойчивы к высушиванию, УФизлучению, температуре. Акипеты — образовываются у цианобактерий при неблагоприятных условиях. Они гораздо крупнее вегетативных клеток, имеют толстую оболочку и повышенное содержание гликогена, полифосфатов и цианофоциновых гранул. Они имеют обезвоженную цитоплазму и утолщенный пептидогликановый слой. Экзоспоры — образовываются некоторыми почкующимися фотосинтезирующими бактериями. Они мельче вегетативной устойчивее к высушиванию и УФ-лучам. Эндоспоры — самый сложный пример морфологической дифференцировки. Эндоспоры не являются обязательной стадией развития бактерии. Они образовываются тогда, когда клетка испытывает дефицит по некоторым факторам: температура, высушивание, недостаток питательных веществ, накопление продуктов метаболизма, изменение окислительно-восстановительного потенциала среды и др. В период логарифмической фазы роста, когда культура быстро растет и размножается и характеризуется высокой скоростью биосинтетических процессов, споры не образовываются. Как правило, внутри бактериальной клетки формируется 1 спора. К спорообразованию способны 13 родов: р. Bacillus, Desulfotomacullum, Sporolactobacillus, Clastridium, Sporolactobacillus и др. Споры отличаются по месту локализации, по форме и размерам. По месту расположению: * центральное (сибирская язва); * субтерминальное, то есть ближе к концу клетки (ботулизм); * терминальное (столбняк).
У отдельных представителей м/о диаметр споры не привышает диаметр клетки. И только у некоторых (р. Clostridium) диаметр споры больше диаметра клетки. При этом, если спора образовывается на конце — форма барабанной палочки (столбняк), если в центре — веретено (возбудитель масляно-кислого и ацетоно-бутилового брожения). Их очень легко обнаружить под микроскопом:
- споры располагаются внутри клетки; - обладают высокой преломляющей способностью; - не окрашиваются обычными анилиновыми красителями. Процесс спорообразования начинается с полной перестройки клеточного метаболизма. Клетка теряет ход обычных метаболистических процессов, поскольку начинает готовиться к неблагоприятным условиям среды. Первые 5 часов перестраиваются до 75 % всех белков (резкое накопление белкового материала, вследствие чего возрастают показатели преломления). Расход основных питательных веществ клетки. Кроме того, происходит обезвоживание белков (препятствие денатурации при повышении температуры). Белковый материал спор имеет повышенное содержание цистеина, что корелирует с устойчивостью к излучению. При спорообразовании у некоторых спорообразующих бактерий происходит синтез веществ белковой природы, которые имеют антибиотическую активность. Эти вещества можно разделить на 3 класса: 1. Эдеины — подавляют синтез ДНК других м/о. 2. Бацитроцины — нарушают синтез КС; 3. Грамицидины (полимискины, тироцидины) — они влияют на структурные и функциональные свойства мембран. По одной из версий эти вещества регулируют отдельные стадии процесса спорообразования. В момент спорообразования накапливается дипиколиновая кислота — это вещество, которое отсутствует у вегетативных клеток. В клетке (в зрелой споре) дипиколиновая кислота соединена с ионами Са в виде хелатного соединения в молярном соотношении 1:1. Это вещество занимает приблизительно 15% веса сухой споры. С этим веществом связана термоустойчивость споры. 1. В момент спорообразования в клетке содержится 2 нуклеоида. Эти нуклеоиды подходят друг к другу, «сливаются» и и образовывается структура палочковидной формы. Прекращается репликация ДНК. ДНК теряет связь с рибосомами и ЦПМ. 2. Стадия отделения участка споры от протопласта материнской клетки. Цитоплазма в зоне расположения генетического материала уплотняется и отделяется от остального клеточного содержимого, с помощью перегородки, которая образовывается путем инвагенации ЦПМ. Мембрана нарастает от периферии к центру и срастается друг с другом с образованием споровых перегородок (септы), состоящих из 2-х элементарных мембран. В результате образования клетки разного размера. На этой стадии процесс спорообразования еще обратим и если поместить культуру в благоприятные условия то процесс спорообразования завершается клеточным делением но образованные дочерние клетки будут неодинакового размера. 3. Образование проспоры. Протопласт материнской клетки обволакивает отсеченный участок, в результате чего образовывается проспора, которая погружена в протопласт клетки и имеет 2 мембраны: свою и материнскую. При этом проспора совершенно отделяется от мембраны материнской клетки и свободно плавает внутри протопласта. При этом две ЦПМ зеркально отображены друг к другу, в результате чего нарушается транспорт питательных веществ из протопласта материнской клетки внутрь споры. Питательные вещества могут поступать внутрь споры по градиенту концентрации без затраты энергии (по механизму пассивной и облегченной диффузии). На этой стадии процесс спорообразования необратим. 4. Образование кортекса — он состоит из особого пептидогликана и формируется между двумя ЦПМ. Содержит 3 повторяющихся субъединицы: мурамовую (не содержит а/к), L-аланиновую (содержит остатки L-аланина), тетрапептидная часть (L-аланин, D-глутамин, мезодиаминопимелиновую кислота, D-аланин, соединенные β-гликозидной связью). Число сшивок между пептидными связями велика. Тейхоевых кислот в кортексе нет. С образованием кортекса связана устойчивость споры к красителям. 5. Образование оболочек споры. Количество оболочек образовывается в зависимости от вида бактерии — от 1 до 3 оболочек. Формируется смесь споровых оболочек, принимает участие наружная мембрана и протопласт материнской клетки.
Наружная оболочка состоит из белков с примесью липидов и гликопротеидов. Доля белков — 80%, они обладают повышенным содержанием цистеина и гидрофобных а/к. Образовывают дисульфидные связи, которые придают оболочке высокую механическую плотность. Функции споровых оболочек: - не чувствительны к действию литических ферментов (которые разрушают муреин); - играют защитную роль; - препятствуют преждевременному прорастанию спор; У некоторых бактерий поверх оболочек споры образовывается еще 1 менее плотный и незамкнутый слой — экзаспориум (липиды, углеводы, белки). Защитная функция — регулирует проникновение в спору различных веществ. Экзаспориум никогда не бывает полностью замкнутым. У многих анаэробных м/о сверху на споре формируется выросты различной формы — трубчатые, лентовидные и др. Они представлены белками, в небольших количествах липидами и полисахаридами. Выполняют функцию биосенсоров — сигнал к прорастанию при наступлении благоприятных условий. У некоторых водных анаэробных м/о поверх спор образовываются колпачки, которые имеют форму конуса или серпа. Они построены из множества ячеек, заполненных газообразными веществами, похожими на воздух. Колпачки поддерживают споры наплаву и распространяются по воде. У аэробных м/о в процессе спорообразования синтезируются кристаллоподобные вещества белковой природы, которые называются параспаральными телами. Они обладают инсектицидными свойствами. 6. После образования споры происходит лизис клеточной оболочки. 7. В таком состоянии спора не проявляет метаболитическую активность и в таком состоянии анабиоза спора существует до тех пор пока не попадает в благоприятные условия среды. Весь процесс спорообразования длится 8-24 часа и осуществляется геномом материнской клетки и геномом споры. Количества генов — 100-150 единиц. В благоприятных условиях спора прорастае, можно выделить 3 фазы: - активацию; - инициацию; - вырастание; Активация — готовность споры к прорастанию. Зависит от температуры, рН, количества питательных веществ. Инициация — снижение устойчивости споры к температуре, при этом спора поглощает воду и набухает. Разрушается кортекс и споровая оболочка. Наблюдается выделение некоторых а/к. дипиколиновой кислоты. Возрастает активация ферментов дыхания. Прорастание — начинает образовываться ростовая трубочка (усиление физиологических процессов). Активно синтезируется РНК и белок. Репарируется поврежденная ДНК, начинается ее репликация. Заканчивается выходом проростка из оболочек и образование вегетативной клетки. Позитивные и негативные процессы, связанные со спорообразованием: + способность переносить неблагоприятные условия среды и сохранения вида клетки; + использование параспоральных тел для создания инсектицидов; + атибиотики, полученные б/т путем; + споры некоторых бактерий обладают онколитической активностью; + обладают онкопротекторной активностью (внутривенно животным, обеспечивают выживание при смертельных дозах радиации); + ацетоно-бутиловое брожение связано со спорообразованием (ацетон, бутанол и ряд нейтральных продуктов); - бич консервной промышленности (бутулизм); - среди спорообразующих есть м/о, которые вызывают столбняк; - возбудители газовой гангрены, дифтерии, сибирской язвы и др. Действие на м/о физических, химических и биологических факторов
Физические: • температура; • влажность; • осмотическое и гидростатическое давление; • лучистая энергия; • ультразвук; • электричество; Температура При изучении влияния температуры на м/о выделяют шкалу: min, max, opt температура. Оптимальная температура — это та точка, которая характеризуется наибольшим ростом. Делятся на: психрофилов (холодолюбивые), мезофилов (средняя температура), термофилов (высокие температуры). К мезофилам относятся большинство м/о и они в большинстве случаев — паразиты. Оптимальная температура роста — 30-40º С, а температурный диапазон, при котором рост возможен — +10 - +45º С. Психрофилы имеют диапазон температур от -20 до +20º С, а оптимум — +5 - +12º С. К этой группе относятся м/о, обитающие в ледниках, северных морях и почве крайнего севера. Психрофилы можно поделить на облигатные и факультативные (могут выходить за пределы диапазона). Облигатные не способны к росту при температуре +20º С, а факультативные могут развиваться при температуре выше 20º С. Общность заключается в том, что они могут развиваться при температуре 0º С или при минусовых температурах. Причины психрофилии не изучены. Роль адаптации принадлежит ЦПМ. Ненасыщенных больше по сравнению к насыщенным жирным кислотам (не кристаллизируется и не превращается в лед). Оптимум активности ферментов лежит в области низких температур. Термофилы. Проявляют свою жизнеспособность в диапазоне температур +10 - +90º С. Оптимум температур от +40 до +65º С. Максимальная температура +92º С (удалось культивировать в лабораторных условиях). Некоторые м/о могут размножаться при 250300ºС. Гейзерные источники, в которых вода закипает выше 470º С. Природа термофилии: - соотношение ненасыщенных выше, чем насыщенных; - активность ферментов лежит в области повышенных температур; - иное конфармационное строение белков. Влажность Один из важнейших факторов большинства м/о — требуют 100% влажности. При низкой влажности происходит высушивание. При относительной влажности 60-65% скорость размножения уменьшается. Кокки устойчивее палочек. Мелкие клетки устойчивее, чем крупные. А бактерии с толстыми стенками устойчивее, чем бактерии с тонкими. Tripanema pallidum — погибает во внешней среде, поскольку имеет тонкую стенку. Микобактерии — возбудители туберкулёза находится в высушенном состоянии более 1 года. По отношению к влажности м/о делятся на ксерофильные (любящие засуху) и ксерофитные (могут переносить засуху). Осмотическое давление Определение концентрации веществ растворенных во внешней среде. Поступление воды в клетку возможно в том случае, если осмотическое давление внешнего раствора будет меньше, чем внутреннее давление клетки. Осмотическое давление клетки — 3-6 атм, почвы — 0,5-5 атм, а осмотическое давление засоленных и засахаренных сред — 100 атм. Поэтому м/о, которые могут развиваться в этих условиях имеют осмотическое давление — 142 атм. Существуют: - осмофильные (предпочитают среды с высоким содержанием веществ); - осмотолерантные (могут находится на средах с высокой концентрацией веществ);
- галофиты (составляют особую группу м/о, которые могут развиваться на среде с поваренной солью). Лучше всего растут на средах с концентрацией соли — 30 %. Хлорид натрия необходим для стабилизации ЦПМ, поскольку у галобактерий нет нормальной КС, которая выполняла бы функцию скелета. Среди галобактерий есть экстремальные галофиты. Гидростатическое давление Давление, обусловленное столбом жидкости. Каждые 100 м глубины воды дают прирост температуры в 10 атм. Поэтому самая глубокая точка океана имеет давление — 1100 атм. Безусловно м/о могут жить на больших глубинах и испытывать гидростатическое давление (баротолерантные). Они разрушают субстрат медленнее при высоких значениях давления, чем при низких. Большинство м/о растут при нормальном атмосферном давлении и полностью погибают при 200-600 атм. Лучистая энергия Это энергия, которая распространяется в виде электромагнитных волн. Различают: 1) ионизирующую радиацию (до 200 нм); 2) ультрафиолетовый спектр (УФ-спектр 200-300 нм); 3) видимый спектр (от 680-760 нм); 4) инфракрасный спектр (760-1500 нм); 5) радиоволны (свыше 1500 нм). Ионизирующее облучение включает Х-лучи (искусственного происхождения), Y-лучи (образовывается после распада радиоактивных веществ) и космические лучи (достигают земли из космического пространства). УФ-лучи задерживаются озоновым слоем. Под действием УФ-лучей происходят мутации в ДНК. Видимый спектр — источник энергии. Причем фотосинтезирующие м/о могут
использовать его в диапазоне 1000-1100 нм за счет наличия специфических пигментов.
Электричество Прохождение постоянного или переменного тока через суспензию м/о оказывает слабое воздействие. Ток может вызывать электролиз компонентов среды и это может сказываться на жизнедеятельности м/о. Ультразвук
Оказывает разрушающее действие его пропустить через раствор с м/о, поскольку приводит к кавитации жидкости и повышению температуры. В б/т используют ля дезинтеграции клеток с целью получения некоторых клеточных компонентов. Химические факторы рН среды, окислительно-восстановительные условия, действие токсических веществ. рН — важнейший фактор и каждый м/о развивается в определенном диапазоне. Большинство предпочитают рН приблизительно равное нейтральному (6-7). М/о могут расти при рН меньше 7 и больше 10. В кислой среде (рН меньше 2) растут ацидофильные м/о. Среди них можно выделить факультативно ацидофильные (могут расти при нейтральном значении рН), облигатные (не могут расти в нейтральной среде). Для последних необходима высокая концентрация протонов водорода для стабилизации ЦПМ, ели их нет в достаточном количестве, то клетка лизируется. Гнилостные бактерии предпочитают щелочную среду или нейтральную. Группа бактерий, которые лучше развиваются в щелочной среде называются алкалофилами (холерный вибрион, при рН = 9). Кислород Может находится в свободном или связанном состоянии. В атмосфере его 21%. По отношению к кислороду м/о можно поделить на аэробы и анаэробы. Аэробы (нуждаются в кислороде) делятся на: - облигатные (не могут находится в безкислородной среде); - факультативные (имеют метаболизм аэробного типа, но в анаэробной среде переключают свой метаболизм). Среди облигатных можно выделить тех, кто растет в присутствии воздуха и микроаэрофилов (требуют низкое содержание кислорода). Анаэробы можно поделить на факультативные (являются преимущественно анаэробами, но в среде с содержанием кислорода переключают свой метаболизм) и облигатные (не могут использовать кислород в своем метаболизме). Облигатные делятся на строгих и аэротолерантных (могут находится в присутствии кислорода, но не используют его в метаболизме). Химические соединения - усиливает развитие м/о (витамины, пуриновые и пиримидиновые основания); - угнетают развитие м/о (биоциды) — соли, тяжелые металлы. Они коагулируют белки и ферменты. Перекись водорода вызывает перекисное окисление липидов в ЦПМ (также этиловый спирт, йод, фенол и др. вещества). К биоцидам относятся антимикробные вещества — антибиотики. Влияние биологических факторов на м/о • симбиоз; • хищничество и паразитизм; • антагонизм. Симбиоз — тесное взаимодействие 2-х или более организмов друг с другом, которое более или менее выгодно партнерам или не приносит вреда. Симбиоз делится на: 1) комменсализм; 2) мутуализм; 3) метабиоз. Комменсализм — тип отношений, когда выгоду получает только один партнер. Пример — ассоциация м/о, которые развиваются в одном пространстве. Анаэробы и аэробы. Аэробы, поглощая кислород создают условия развития анаэробов. Мутуализм — взаимовыгодное партнерство. Например, взаимодействие азотфиксаторов р. Rhizobium и бобовых растений. Метабиоз — тип взаимоотношения при котором продукты метаболизма используются другими м/о. Пример: Nitrosomonas и Nitrobacter (окисляет нитриты до нитратов). Хищничество и паразитизм. Хищники и паразиты удовлетворяют свои пищевые потребности за счет жертвы. Хищники умерщвляют свою жертву (грибы, которые имеют ловчие петли и питаются за счет нематод). Паразиты — питаются за счет живого организма (патогенные м/о).
Антагонизм — подавление роста и развитие одних м/о другими. Бывает пассивный и активный антагонизм. Пассивный — конкуренция за пищу и жизненное пространство, которое возникает между организмами, которые имеют одинаковые пищевые потребности и место обитания. В этой борьбе преимущество получают те организмы, которые обладают большей скоростью роста, что позволяет вытеснить своих конкурентов. Активный — связан с выделением 1 группы м/о во внешнюю среду определенных веществ, которые обладают антимикробной активностью (спирты, кислоты). Пример: молочно-кислые бактерии не позволяют образовываться гнилостным бактериям за счет выделения молочной кислоты и снижения рН до 3. Ярким примером является выделения во внешнюю среду антибиотиков и литических ферментов актиномицетами. Питание м/о Имеют галофитный тип питания, поскольку у них нет специализированных органов пищеварения. Все питательные вещества попадают внутрь через поверхность клетки. Если субстрат не может проникнуть внутрь из-за молекулярной массы, клетки вырабатывают внеклеточные пищеварительные ферменты, которые гидролизируют макромолекулы до малых молекул, которые могут попасть внутрь. То что для одних м/о является ядом, для других — источник питания (фенол, парафин, нафталин). Вцелом, всем нужна вода, макро- и микроэлементы, а также факторы роста (для некоторых). Вода. Занимает 80-90% массы всей клетки. 1. В водной среде осуществляются все метаболитические процессы, поскольку вода — универсальный растворитель и способна образовывать водородные связи с полярными группами различных соединений. 2. Вода — в качестве химического компонента вступает в реакцию гидролиза, которая катализируется гидролазами. 3. Вода поддерживает тургор клетки. Макроэлементы Это углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, калий, кальций, магний, ферум. Основные источники углерода — органические соединения и углекислый газ воздуха. М/о по отношению к источнику углеродного питания делятся на гетеротрофов и автотрофов. По способу получения энергии делятся на: - хемотрофные (в качестве источника энергии используют химические соединения); - фототрофы (используют энергию солнца); Очень важно для м/о, какое вещество является источником электронов. - органотрофы (используют органические соединения); - литотрофы (используют неорганические соединения). Автотрофы. Получают углерод из углекислого газа воздуха, при этом, не имеющая никакой энергетической ценности СО2 превращается в энергетически богатые органические соединения. Этот процесс не может идти произвольно, он требует дополнительных источников энергии. Поэтому в зависимости от источника энергии и донорства электронов м/о делятся на: * фотоавтотрофов (м/о, которые фиксируют углекислый газ за счет солнечной энергии); * хемоорганотрофы (м/о, которые фиксируют углекислый газ, но при этом энергию получают за счет окисления органических соединений); * хемолитоавтотрофы (м/о, которые фиксируют углекислый газ, но при этом энергию получают за счет окисления неорганических веществ). Гетеротрофы. Нуждаются в готовых органических соединениях, которые используются как доноры углерода. Лучшими веществами являются различные органические соединения (сахара, органические кислоты, спирты, липиды, а/к, парафины нефти и нефтяные дистилляты). Различают: - хемоорганогетеротрофы (используют органические соединения, как источники энергии и углерода);
- хемолитогетеротрофы (в качестве источника углерода используют органические соединения, а для обеспечения энергией окисляют минеральные соединения, например, метанобразующие и водородные бактерии); - фотогетеротрофы (в качестве источника углерода используют органические вещества, а в качестве энергии — энергию света, например, пурпурные и зеленые водоросли). Азот. Входит в структуру нуклеиновых кислот (н/к), белков. Могут использоваться в качестве источника как органические, так и неорганические соединения. Легко метаболизируются соли аммония, нитраты. Хуже используются нитриты, для некоторых м/о — яд. Молекулярный азот утилизирует лишь ограниченная группа м/о — азотфиксаторы. Фосфор. Входит в состав н/к, АТФ, тейхоевых кислот, полифосфатов (волютиновые зёрна). М/о потребляют фосфор в большом количестве в период быстрого активного роста и размножения. Источники — фосфаты, фитины. Сера. Входит в состав а/к, витаминов и кофакторов в виде сульфатов и молекулярной серы. Ионы металлов. Они регулируют отдельные стороны метаболизма клетки. Ионы магния стабилизируют ЦПМ у некоторых галофильных бактерий. У м/о нет чистой АТФ, она находится в комплексе с магнием. Входит в состав некоторых металлоферментов и многих клеточных метаболитов. Факторы роста 1. Витамины. 2. А/к. 3. Пуриновые и пиримидиновые основания. М/о, которые в процессе жизнедеятельности синтезируют факторы роста — называются прототрофами. Группа м/о, которые не могут синтезировать некоторые факторы роста — называются ауксотрофами. Они требуют наличия факторов роста в ПС. Поступление питательных веществ в клетку Основным барьером на пути поступления питательных компонентов в клетку — является ЦПМ, которая обладает избирательностью. КС является механическим барьером и через нее могут пройти лишь те вещества, которые проходят через ячейки. У Г - — барьером является наружная мембрана. Различают 4 механизма транспорта: пассивная и облегченная диффузия (без затраты энергии), активный транспорт и перенос радикалов или транспортация группы (с затратой энергии). Пассивная диффузия. Это самый примитивный вид транспорта питательных веществ, поскольку он осуществляется по градиенту концентрации из зоны с более выскокй концентрации в зону — с более низкой. Для пассивной диффузии важным условием является величина молекулы и степень ее липофильности. Если молекула будет очень липофильна, то она растворится в мембранных липидах и не сможет диффундировать внутрь клетки. Скорость такой диффузии не велика и идет до выравнивания концентрации (вода, антибиотики, яды, токсины). Облегченная диффузия. Поступления веществ по градиенту концентрации. Транспортировку облегчают белки — пермеазы, которые находятся в ЦПМ. Они имеют субстратную специфичность. Они относятся к индуцибельным ферментам. Скорость облегченной диффузии выше, чем у пассивной и при максимальном насыщении субстрата скорость реакции достигает предела, и она подчиняется обыкновенной ферментативной кинетике. Уравнение Михаелиса-Ментен.
[ S ]снаружи Vвх = Vвх max × . K вх + [S ]снаружи [ S ]внутри Vвых = Vвых max × . K вх + [S ]внутри
V =V
вых . При выравнивании концентрации вх У м/о прокариот этот механизм не очень распространен. Имеется несколько веществ (например, глицерин). Распространен у эукариот. Активный транспорт. Наиболее распространенный вид транспорта у бактерий. Транспорт осуществляется против градиента концентрации. Это термодинамически неблагоприятное направление. Идут затраты энергии в виде АТФ. Проходит с участием индуцибельных субстратно-специфических белков. В ЦПМ энергия тратится на то чтобы понизить сродство пермеазы и переносимого вещества на внутренней стороне мембраны.
Перенос радикалов или транслокация группы. Это механизм транспорта, который обеспечивает перенос против градиента концентрации с затратами энергии и с участием пермеаз. Участие принимает фосфо-трансферазная система. При транспорте сахаров осуществляется фосфорилирование. Фосфорилируются системы: - специфический компоненты; - неспецифический компонент. Неспецифический компонент представлен термостабильным белком Н pr и группой ферментов Ф 1, которые находятся в цитоплазме. Специфический компонент — набор субстратно-специфических белков, связанных с мембраной, которые объединены общим названием — фермент 2 (Ф1). Это пермеазы, которые обладают фотосинтезирующей активностью. Механизм транспорта осуществляется в ЦПМ. Ф1 ФЕР + Н pr → Н pr − Р + пируват Ф2 сахар + Н pr − Р → сахар − Р + Н pr .
Несмотря на то, что в четвертом механизме на 1 транспортированную молекулу сахара, так же как и при активном транспорте расходуется 1 молекула АТФ, происходит экономия энергии. При дальнейшем катаболизме углерода — эквивалентна 1 молекуле АТФ. Выход веществ из клетки Путем пассивной диффузии и энергозависимого процесса. Рост и размножение Размножение — это увеличение числа особей. Наиболее распространенное — бинарное деление, в результате которого материнская клетка делится с образованием 2-х дочерних. Процессу деления предшествует репликация ДНК. Существует 2 типа бинарного деления: - перетяжкой — кострикция (для Г -). В начале деления в центре клетки происходит инвагинация оболочки и образование 2-х дочерних клеток. - с помощью поперечной перегородки (для Г+). В процессе бинарного деления образуются 2 одинаковые по размеру клетки (равновеликое бинарное деление). Имеет место симметрия продольной и поперечной оси. Разновидностью бинарного деления является множественное, оно характерно для цианобактерий.Под клеточной оболочкой происходит множественное бинарное деление,
образовываются басоциты (до 1000), материнская оболочка лопается и басоциты выходят во внешнюю среду. Разновидностью бинарного деления является почкование, которое можно рассматривать как неравновеликое бинарное деление. Сначала образовывается почка, растет, закладывается перегородка и почка может оторваться. Симметрия наблюдается в продольной оси. Почкующиеся прокариоты имеют индивидуальность и подвержены старению. Материнский организм не меняется. Бинарное деление может проходить в одной или нескольких плоскостях, что приводит к образованию различных морфологичных структур.
Размножение спорами Среди прокариот существует группа м/о (актиномицеты), которые размножаются спорами (экзогенные). Артроспоры образовываются в результате деления гиф на фрагменты. Могут размножаться с помощью гиф, но он должен содержать нуклеоид. Период от деления к делению называется онтогенезом. Выделяют несколько типов вегетативного клеточного цикла: - мономорфный цикл; Клетка от деления к делению находится в одном морфологическом состоянии. - диморфный цикл; Возникают 2 морфологических вида клеток. - полиморфный тип; Образует несколько типов (в процессе роста меняет свою форму). Например, коринебактерии, микобактерии, артробактерии. Под ростом м/о понимают увеличение биомассы клетки. Оно должно сопровождаться увеличением всех компонентов клетки. Если у высших организмов увеличение увеличение размера особи сопровождается увеличением числа клеток, то у бактерий различают 2 типа: 1) индивидуальный рост; 2) рост бактерии в популяции. Индивидуальный рост — рост клетки в процессе ее онтогенеза. Размеры клеток можно определить прямым методом, с помощью микрометров, которые встроены в систему микроскопа. А также косвенный метод, который позволяет измерять негативные изображения микрофотографий. Ошибка — 10-15%. Существуют формулы измерения объема сферической клетки: 4 V = π r 3. 3
Для эллипсоидных: 4 3 где а — малая диагональ (половина ширины клетки), b — большая диагональ (половина длинны клетки). Для цилиндрических клеток: V = 2π ×ab2 . Цилиндрические формы с закругленными концами: 2 V = 2π ×b 2 (a + b). 3 Скорость роста клетки определяется во многом внешними данными. Чем более оптимальная среда, тем выше скорость роста. При постоянных условиях — рост постоянный.
V = π ab3 ,
V = V0 ×eet ,
где V — объем клетки в момент времени t, V0 — начальный объем клетки, С — постоянная скорость роста, е — основание натурального логарифма, t — время наблюдения. Рост бактерий в бактериальной популяции Популяция — совокупность бактерий одного вида или нескольких видов (смешанная ассоциация), которые развиваются в ограниченном пространстве в закрытой или замкнутой системе. Культивирование м/о в закрытой системе — периодическое культивирование. Развиваясь в закрытой системе, популяция м/о ведет себя как многоклеточный организм, имеющий генетическое ограничение роста. Рост бактерий в бактериальной популяции можно представить в виде графика, в котором можно показать зависимость числа клеток от времени (кривая роста).
В кривой можно выделить несколько фаз. 1. Лаг-фаза (начальная). Количество клеток не изменяется. В этот период идет адаптация клеток к тем условиям, в которые они были помещены. Клетки синтезируют индуцибельные ферменты, с помощью которых клетки утилизируют источники питания. Длительность фазы зависит от возраста (молодые клетки растут быстрее), биологических особенностей культуры, полноценности питательной среды. 2. Фаза задержки размножения. Скорость размножения не велика. 3. Фаза логарифмического роста. Самая максимальная скорость размножения. Количество клеток увеличивается в геометрической прогрессии. N = N 0 ×2n.
n = 3,3lg
N . N0
Зная n и t, можно узнать время одной генерации:
g=
t . n
Константа скорости размножения:
υ =U .
t Иногда встречаются 2 лаг- и лог-фазы (диауксия, которая связана с тем, что в ПС могут находиться 2 источника питания, например, глюкоза и сорбит и м/о сначала будут утилизировать глюкозу). 4. Фаза отрицательного ускорения. Замедление размножения клеток. 5. Фаза стационарного роста. Скорость роста равна скорости отмирания клеток, то есть количество клеток не увеличивается. Причиной отмирания является истощение питательных компонентов, изменение рН среды, накопление продуктов метаболизма и т.д. Количество клеток, которое культура достигает в стационарной фазе — макимальное. Это количество клеток называется урожаем.
N ур = N max − N 0 .
Определяется объемом среды, плотностью или количеством клеток и условиями культивирования. 6. Фаза ускоренной гибели. Vотм > V размн . Скорость отмирания больше, чем скорость размножения, но она не достигает максимума. 7. Стадия логарифмической гибели. Культура либо погибает, либо переходит в состояние анабиоза. В промышленном масштабе используют непрерывное культивирование при сохранении полной стерильности систему делают открытой. Вносят питательные компоненты и убирают продукты метаболизма. Это необходимо для того чтобы поддерживать культуру в определенной стадии роста. Например: а/к, которая продуцируется м/о в логарифмической фазе роста. Можно регулировать состояние путем контроля плотности клеток, и путем потребления основных источников углерода и азота. Если происходит контроль развития культуры по плотности, то культуру выращивают в турбидостатах, если по источнику питания — хемостата. Получение синхронных культур Синхронные культуры — совокупность клеток, которые делятся одновременно за счет одинаковой готовности к росту и делению всех клеток. Методы синхронизации культуры Можно использовать центрифугирование, чтобы отделить крупные клетки от мелких. Химико-биологический метод — вынужденное голодание клеток на неполноценных средах с последующим переносом их на полноценные ПС. Культура начинает синхронно делится. Используется в научных исследованиях. Участие м/о в круговороте веществ в природе - углерода; - водорода; - азота; - серы; - фосфора; - железа. Круговорот азота Принимают участие растения и животные. 1. Амонификсация — это гидролиз белков с выделением аммиака. Этому процессу подвергаются все останки. Осуществляется гнилостными м/о р. Proteus, Pseudomonas, Bacillus, Clostridium. Мощные протеолитические ферменты расщепляют белки (экзоферменты).
Существует 7 типов дезаминирования: 1) гидролитическое дезаминирование (с участием воды, конечный продукт — аммиак); 2) гидролитическое дезаминирование с декарбоксилированием (конечные продукты — аммиак, углекислый газ, спирт); 3) восстановительное дезаминирование (продукты — аммиак и жирные кислоты); 4) восстановительное дезаминирование с декарбоксилированием (продукты — аммиак, углекислый газ, низкомолекулярные углевдороды); 5) окислительное дезаминирование карбоновых кислот (аммиак); 6) дезаминирование с образованием двойных связей (аммиак и ненасыщенные кислоты); 7) окислительно-восстановительная реакция между двумя а/к (масляная кислота и аммиак). В процессе гниения белков выделяются трупные яды — индол, скотол, β-меркаптан и др. Аммонификации подвергается мочевина (под действием уреазы). уреаза ( NH 2 ) 2 CO + H 2O →( NH 4 )2 CO → 2 NH 3 ↑ +CO2 ↑ + H 2O Мочевая кислота подвергается гидролизу, расщепляется на мочевину и тартроновую кислоту. Есть м/о, которые расщепляют хитин хитиназой. Хитирн расщепляется на глюкозу, уксусную кислоту и аммиак. 2. Нитрификация. Окисление аммонийных солей до солей азотистой кислоты (до нитритов) при участии Nitrosomonas. 2 NH 3 + 3O2 → 2HNO3 + 2 H 2O + O2 . При помощи м/о р. Nitrobacter: NO2− → NO3 . Значение: хорошо нитраты усваиваются растениями, входят в структуру белков. Нитраты довольно легко вымываются из почвы и попадают в водоемы. 3. Часть нитратов восстанавливается м/о до молекулярного азота — денитрификация. Это процесс, при котором связанный азот удаляется из почвы и воды с высвобождением газообразного азота в атмосферу. В зависимости от м/о, которые принимают участие различают: прямую и косвенную денитрификацию. Прямая — осуществляется м/о, которые восстанавливают нитраты, используя их в качестве акцепторов в дыхательной цепи. При этом нитраты образовывают газообразный азот и воду. Косвенная — реакция восстановления, которая происходит пи взаимодействии нитритов с амино соединениями с образованием газообразного азота и воды. М/о принадлежит косвенная роль, так как они образуют продукты участвуют в реакции. За счет этих процессов пополняется содержание азота в атмосфере, но при этом азот из почвы уходит (негативная сторона процесса). 4. Азотфиксация. Осуществляется биологическим и небиологическим путем. Последний связан с работой двигателей внутреннего сгорания — 0,5%. Биологическое осуществляется с помощью м/о — до 99,5%. Разрыв тройной связи требует больших затрат энергии. Осуществляется свободноживущими азотфиксаторами — Azotobacter, цианобактерии, некоторые актиномицеты, а также симбиотическими формами — Rhizobium, Bravebacterium. Характерно: - специфичность (бобовые растения); М/о имеют на поверхности специальные рецепторы. - вирулентность — м/о способны проникать в корневой волосок и достигать тетраплоидных клеток; - активность — находясь в тетраплоидных клетках корня м/о начинают интенсивно фиксировать молекулярный азот.
Бактероид — крупная клетка, окруженная леггемоглобином (продукт м/о и растения). Леггемоглобин расщепляет бактероид от излишней концентрации кислорода, регулирует парциальное давление кислорода. - защитная функция — предохраняет фермент нитрогеназу (участвует в фиксации азота), поскольку он чувствитлен к кислороду; N2 → NHкетокислоты аминокисоты → , 3+ которые утилизируются и бактероидом, и растением.
1 моль N 2 →12 АТФ
Растения обеспечивают м/о органическими и неорганическими соединениями. В настоящее время б/т путем получают бактериальные удобрения на основе м/о Azotobacter.
Систематика и классификация бактерий Заварсин определил: Систематика – теория многообразия организмов, которая изучает отношение между группами организмов. Систематика учитывает филогенетическое родство: эволюционное развитие, общность происхождения организмов, а также те механизмы, которые привели к разнообразию видов. Классификация – деление организмов на группы на основе определенных общих признаков. Таксономия – наименование таксонов организмов, установление их границ и отношения подчинения в них. Таксон – это любая таксономическая группа (род, вид, класс). Номенклатура – сборник правил наименования таксонов, дополненный списком этих наименований. В микробиологи принята бинарная номенклатура. Каждый организм родовое название (пишется вначале с большой буквы) и видовое (с маленькой буквы) Например: Staphilococcus aureus (albus, citreus, cereus). Классификация микроорганизмов Классификация микроорганизмов осуществляется по иерархической схеме от меньшей единицы к большей. В растительном и животном мире наименьшая единица – вид. Вид – это популяция особей, которая обладает общими морфологическими и функциональными признаками, имеющих общее происхождение в естественных условиях скрещивания между собой. Все популяции одного вида имеют общий генофонд, что позволяет им скрещиваться между собой в естественных условиях. Наименьшая единица у микроорганизмов – это штамм – культура микроорганизмов с малейшими отклонениями от вида. Штамм – это микроорганизм одного вида, но выделенный из различных источников. В микробиологии существует понятие «клоны» - это полученные совокупности дочернихклеток из одной материнской клетки с идентичными признаками и генотипом. Вид – это совокупность штаммов, выделенных из различных источников, имеющих комплекс общих коррелирующих между собой признаков отличных от других видов. У высших оргаизмов виды объединяются в род: вид – род – смейство – порядки (для растений) и отряды (животные) – классы – тип (наибольшая таксономическая единица). Например: ЧЕЛОВЕК Тип – хордовые Класс – млекопитающие Отряд – приматы Семейство – человекообразных Род – Homo (человек) Вид – sapiens (разумный)
В микробиологии: штамм – вид – род – триб (окончание: еа, присутствует не у всех) – семейство (окончание асеае) – порядок (ales) – класс. Различают 2 вида классификаций: естественная (филогенетическая) и искусственная (фенотипическая). Конвергенция – схождение признаков в результате общего существования. Естественная классификация своей коечной целью должна преследовать установление родства микроорганизмов. Искусственная классификация преследует цель объединить и определить микроорганизмы на основе их фенотипического сходства для идентификации и распознавания микроорганизмов. Универсальным определителем является определитель Берджи. Принципы разделения микроорганизмов для классификации Признаки : • морфологические (внешний вид); • анатомофизиологические. 1. Морфологические: форма клеток, наличие жгутиков, капсул, способность образовывать эндоспоры, окраска по Грамму ( тип клеточной стенки). 2. Физиолого-биохимические: состав клетки, клеточной стенки, капсулы, включений, жирных кислот, цитохромов, отношение к температуре, кислороду, диапазон рН и т.д. 3. Культуральные: особенности роста на питательных средах, потребности микроорганизма в питательных веществах, факторах роста. 4. Серологические (иммунологические): антигеный состав ( серотип) микроорганизма. Антигенами могут быть компоненты клетки, её структур, которые индуцируют появление антител и могут связываться с ними в комплекс (капсулы, тейхоевые кислоты, и т.д.) 5. Экологические: место обитания микроорганизма. 6. Нуклеотидный состав ДНК. Определяется различными методами. Чаще всего это процентное соотношение ГЦ- и АТ-пар; метод не является абсолютным, несмотря на то, что все близкородственные микроорганизмы часто имеют близкое соотношение ГЦ/АТ при сравнении, в то же время встречаются микроорганизмы, которые не имеют общего происхождения, но и имеют близкое %-соотношение. Использование метода молекулярной гибридизации ДНК – ДНК. Заключается в том, что под действием температуры ДНК денатурируется и каждая цепь ДНК фиксируется, затем связывают фиксированную ДНК известного микроорганизма с комплеметарными денатурированными цепями изучаемого микроорганизма. При понижении температуры происходит ренатурация цепей и содержание ренатурировавших участков 2-цепочечной ДНК служит мерой определения филогенетического родства микрооргаизмов (чем больше участков, тем ближе микроорганизмы филогенетически). Метод трудоемок и у микроорганизмов распространено явление генетической рекомбинации (передача генетического материала от одной клетки к другой и встраивание этого материала в геном второй клетки по средствам : плазмид, транспозонов, вирусной нуклеиновой кислоты. Таким образом, этот признак также нельзя рассматривать как универсальный филогенетический маркер. 7. Нумерическая таксономия, постороена на основе нумерического анализа. Суть метода состоит в том, что микроорганизмы сравниваются по определенным признакам. Рассчитывается коэффициент попарного сходства ( согласно Смиту): S=a/b∙100%, где а – количество признаков; в – всех признаков. Недостаток метода: все признаки принимаются однозначными. 8. Определение генетического кода рибосомальной РНК ( метод полимеразной цепной реакции). Основан на том, что рибосомы очень консервативны и мало изменились в процессе эволюции. Все микроорганизмы разделяют на 4 категории:
• Граммотрицательные эубактерии имеющие клеточную стенку. • Граммположиетельные эубактерии неимеющие клеточную стенку. • Эубактерии лишенные клеточной стенки. • Архебактерии Каждая из этих категорий включает группы микроорганизмов, которые разбиты на подгруппы, а подгруппы включают определенное количество родов. Характеристика Граммотрицательных эубактерий Категория включает все микроорганизмы, которые имеют клеточную стенку, устроенную по типу Г¯. Морфология клеток может быть разнообразной: кокки, палочки, спирали, нити. Имеются капсулы, чехлы. Размножаются бинарнымделением, почкованием, фрагментами нитей, редко встречается множественное деление. Не образуют эндоспоры, имеются микрооргаизмы, которые могут образовывать другие морфологически-дифференциальные типы( например: миксоспоры могут быть образованы микобактериями, спирохеты образуют цисты). В группе Г¯относятся фотосинтезирующие микроорганизмы. Имеют насколько типов подвижности: 1. неподвижные; 2. подвижные: • бактерии осуществляют плавательное движение (при помощи жгутиков) • скользящее движение (с помощью капсул – фототрофные бактерии: зелёные бактерии и цианобактерии; а также нефототрофные: цитофаги, нитчатые формы, миксобактерии) • поступательно-вращательное движение (характерно для спирохет) В группу Г¯ микроорганизмов входят как сапрофитные микроорганизмы, так и патогенные. К патогенным относятся Риккетсии, Хламидии (внутриклеточные паразиты). Г¯включают группы с 1 по 16 включительно. Группа 1. Спирохеты. Включает порядок Spirochaetales. Тонкие спиралевидные одноклеточные формы, обладающие своеобразной морфологией и способом движения. Длина клеток колеблется от 5 до 250 мкм. Склонны к образованию аномальных форм (гранул, цист). Размножаются поперечным делением. Клетки состоят из протоплазменного цилиндра, аксиальной нити и наружной оболочки. Оболочка тонкая и эластичная, что и обеспечивает спирохетам своеобразный способ передвижения. Грамотрицательны. Представители этой группы различно относятся к кислороду. Есть среди них облигатно аэробные, факультативно и облигатно анаэробные формы. Хемоорганогетеротрофы, существенно различающиеся по степени требовательности к субстрату. Среди них есть свободноживущие формы, основное место обитания которых — пресные и соленые озера, среда с высоким содержанием H2S; комменсалисты30, обитающие в желудочно-кишечном тракте пресноводных и морских моллюсков, и паразиты. Некоторые виды патогенны: Treponema pallidum — возбудитель сифилиса, Borrelia recurrentis — возбудитель возвратного тифа. Группа 2. Представлена аэробными или микроаэрофильными подвижными спиральными или изогнутыми Г¯ бактериями (16 родов, патогенными являются 3 рода: Campylobacter, Helicobacter, Spirillum) Группа 3. Неподвижные, редко подвижные Г¯ изогнутые бактерии (8 родов, патогенных нет). Группа 4. Г¯ аэробные или микроаэрофильные палочки и кокки (83 рода). Патогенны: Pseudomonas, Neisseriaceae, Legionellaceae. В эту группу входят микроорганизмы, используемые в биотехнологии: Acetobacter, Acetomonas (Acidomonas), Azotobacter, Rhizobium. Группа 5. Факультативные анаэробные Г¯ палочки.
Входит 4 подгруппы и 45 родов. Среди них: семейство Enterobacteriaceae ( 30 родов): Escherichia, Ervinia, Klebsiella, Proteus, Salmonella, Iersinia, Shigella. В 4 подгруппу входит важный биотехнологический объект Zymomonas (mobilies) Группа 6. Г¯ анаэробные прямые, изогнутые, спиральные бактерии. Среди них патогенные и условно патогенные роды: Bacteroides,Fusobacterium, Porphyromonas, Prevotella. Группа 7. Бактерии , которые осуществляют диссимиляционное восстановление сульфатов или серы (14 родов). Среди них – Desulfobacter. Группа 8. Анаэробные Г¯ кокки. Включают 4 рода. Патоген Veilonella. Группа 9. Риккетсии и Хламидии. В составе группы Rickettsiales и Chlamydiales. Риккетсии. Объединяет бактерии, характеризующиеся в большинстве случаев совокупностью следующих признаков: плеоморфные, неподвижные, грамотрицательные, с типичными для эубактерий клеточными стенками, размножающиеся делением внутри клеток-хозяев; культивировать можно на специальных средах, содержащих живые или переживающие ткани, такие как куриные эмбрионы или культуры клеток позвоночных. Однако перечисленные выше признаки свойственны не всем представителям этого порядка. Среди риккетсий имеются подвижные виды, красящиеся положительно по Граму, а также виды, которые можно выращивать на относительно простых искусственных питательных средах. Различны взаимоотношения между риккетсиями и организмами-хозяевами. Помимо паразитизма эти отношения в некоторых случаях можно определить даже как мутуалистические. Среди риккетсий-паразитов большая часть относится к непатогенным и только меньшая вызывает заболевания человека, позвоночных и беспозвоночных животных (так называемые риккетсиозы). Хламидии включают одно семейство Chlamydiacaaa и один род Chlamydia. Хламидии — облигатные внутриклеточные паразиты позвоночных и человека, характеризующиеся сложным циклом развития. Могут размножаться только в цитоплазме клеток. Вне клеток их культивировать пока не удается. Облигатный внутриклеточный паразитизм хламидии наложил специфический отпечаток на их метаболизм. Прежде всего это коснулось их энергетического метаболизма. Обладая способностью осуществлять определенные реакции окислительного характера (например, при добавлении необходимых кофакторов окислять глюкозу, пировиноградную и глутаминовую кислоты), хламидии не могут синтезировать высокоэнергетические соединения, и в первую очередь АТФ, поэтому они получили название "энергетических паразитов". Хламидии паразитируют в организме различных позвоночных (птиц, человека и других млекопитающих), вызывают у человека ряд заболеваний, например трахому и воспаления дыхательных органов. Группа 10. Аноксигенные фототрофные бактерии. Включает 7 подгрупп. Например: зелёные бактерии – это небольшая группа фототрофных организмов, осуществляющих безкислородный фотоситез, облигатные анаэробы, неподвижные палочки, размножаются бинарным делением, осуществляют скользящее движение – подвижные формы, к ним относятся зелёные серные бактерии, патогенов нет. Группа 11. Оксигенные фототрофные бактерии. Включает (5групп, нет патогенов). Например: цианобактерии включают одноклеточные и многоклеточные формы, разделены на 5 групп, 4 из которых наиболее распространенные хроококковые (палочки и кокки) образуют агрегаты, покрытые слизью, размножаются почкованием или бинарным делением; - плеврокапсовые цианобактерии, размножаются
бинарным и множественным делением; - нитчатые цианобактерии с гетероцистами (выполняют в клетках специальную метаболическую функцию, например – фиксацию азота) у некоторых форм могут превращаться в акинеты – покоящиеся формы (толстая клеточная стенка); - нитчатые цианобактерии без гетероцист (нитчатое строение за счет объединения клеток в трихомы, которые двигаются за счет скольжения) Они осуществляют кислородный фотоситез как высшие растения. Могут осуществлять безкислородный фотосинтез. Могут участвовать в круговороте азота за счет фиксации азота. Является важным биологическим объектом для выращивания риса. Экология: являются обитателями водоемов, встречаются в увлажненной почве, некоторые являются симбионтами высшихрастений и лишайников. Группа 12. Аэробные хемолитотрофные бактерии и родственные организмы. Патогенов нет, включает 3 подгруппы. Представители являются активными учасниками круговорота серы, азота, железа (Sulfobacillus, Nitrobacter, Nitrosamonas). Группа 13. Почкующиеся или обладающие выростами бактерии. Патогенов нет. Представлена 3 группами. 1 подгруппа – представитель Caulobacter. Группа 14. Бактерии, обладающие чехлами. Включает 7 родов: нитчатые бактерии. Группа 15. Нефотосинтезирующие необразующие плодовых тел скользящие бактерии. Включает 4 подгруппы. Яркие представители - порядок Cytophagales. В него помещены грамотрицательные бактерии, имеющие палочковидную форму, часто плеоморфные. Способны использовать различные полисахариды (агар, целлюлозу, хитин, крахмал, пектин и др.). Источником энергии служит дыхание, но некоторые могут получать энергию за счет брожения. В порядок Beggiatoales объединены нитчатые формы. Нити эластичны и способны к скользящему движению. Разделение на роды осуществляется в зависимости от способности откладывать или нет в клетке гранулы серы при росте в присутствии сульфида (рис. 45, 1, 2). Сходной морфологией обладают бактерии рода Leucothrix. Они образуют длинные нити, состоящие из овальных или цилиндрических клеток. Нити обычно прикреплены к субстрату и неподвижны. Размножаются с помощью одиночных подвижных клеток, выходящих из нити. Во многих отношениях напоминают нитчатые цианобактерии, отличаясь отсутствием фотосинтетических пигментов. Группа 16. Скользящие бактерии образуют плодовые тела. Входят микроорганизмы 12 родов и называются миксобактериями. Патогенов нет. Это палочки или соединенные в нити или спирали, не имеют жгутиков и размножаются бинарным делением. Клетки окружены слизью. Все миксобактерииоблигатные или факультативные аэробы, хемоорганотрофы либо хемолитотрофы. Получают энергию только за счет дыхания (не бродящие). Особенность: выделяют в внешнюю средумощный комплекс целлюлаз. Кроме того расщепляют хитин. Поэтому эти микроорганизмы имеют важную экологическую роль - санитары планеты. Имеют сложный жизненный цикл. По истощению субстрата микроорганизмы образуют рой – скопление клеток, при чём в этом большинство клеток лизируется, образуется защитную слизь. Внутри этой слизи часть клеток – микроцисты или миксоспоры. Морфологически-дифференциированные клетки превращаются в вегетативные. Г+ эубактерии, имеющие клеточную стенку. Характерную клеточную стенку Г +-типу в подавляющем большинстве окрашиваются по Грамму (старая культура может давать Г¯) Форма тела разнообразная: сферическая, палочковидная, полиморфные, образуют мицелий. Размножаются бинарным делением, актиномицеты – размножаются спорами, ветвящиеся. Среди Г+ нефотосинтезирующие, зато среди них есть группы спорообразующих (эндоспоры). Подавляющее большинство хемоорганотрофы, как аэробы, так и анаэробы и факультативные микроорганизмы. Среди Г+ есть много патогенных форм, а также объекты биотехнологии – продуценты БАВ. Ктегория включает микроорганизмы 17-29 группы.
Группа 17 Г+ кокки. Включает 24 рода. Присутствует много патогенных форм: Enterococcus, Staphilococcus, Streptococcus (как патогенны и как объекты биотехнологии), Sarcina, Leuconostoc (представители – условно патогенные и продуценты пробиотиков). Группа 18 Г+ палочки и кокки образующие эндоспоры. Включает 10 родов. Включает условно патогенные микроорганизмы Bacillus, Clostridium, Desulfotomaculum, Sporolactobacillus. Группа 19 Г+ неспорообразующие палочки правильной формы. Вкючают 8 родов. Патогенный род – Listeria. Наиболее используемый в биотехнологии род – Lactobacillus. Группа 20 Г+ неспорообразующие палочки неправильной формы. Включает 35 родов, среди которых патогенные и условно патогенные виды. Яркий представитель Corynebacterium. К роду Corynebacterium относятся формы, склонные к морфологической изменчивости. Кроме коротких палочек в культуре можно обнаружить кокковидные формы, клетки, имеющие булавовидные выпячивания, слабоветвящиеся формы. Для представителей этого рода характерно образование фигур, состоящих из расположенных под углом или примыкающих друг к другу дочерних клеток. Неподвижны. Хемоорганогетеротрофы. Энергию получают за счет дыхания или брожения. Преимущественно факультативные анаэробы, но некоторые — аэробы. В состав рода входят свободноживущие виды, а также паразиты человека и животных. Некоторые из них патогенные, например, С. diphteriae — возбудитель дифтерии. Большая группа коринебактерий — возбудители болезней растений. Группа 21. Микобактерии Не имеют постоянной плеоморфной формы тела, палочки, кокки, ветвящиеся. Кислото-, спирто-, щелочеустойчивы. К ним относятся возбудители туберкулёза, лепры (проказы), имеется большое количество сапрофитных кислотоустойчивых форм. Возбудитель туберкулёза Mycobacterium tuberculosis открыт Кохом в 1882году. Тоненькие прямые или слегка изогнутые палочки, могут слегка ветвиться. Аэробы. Не образуют капсул, очень легко прокрашиваются красителями по методу Циля-Нильсена (предусматривает подогрев, обработку соляной кислотой и спиртом). Кислотоустойчивость микобактерий связана с высокой концентрацией миколовых кислот, которые делают поверхность клетки воскоподобной и гидрофобной. Высокая резистентность клеток связана с высоким содержанием липидов 25 – 40%. Сохраняется до года в проточной воде, в почве 6 месяцев, в сухой мокроте до 3 месяцев. Заболевания человека вызывают 3 вида: M. tuberculosis(до 90%), M. bovis(бычий до 10% всех заболеваний), птичий туберкулёз (незначительный %). Заражение происходит через воздушно-капельный путь, пищу, слизистые оболочки. Возбудитель лепры M.leprae выделен в 1874году. Этот микроорганизм очень напоминает возбудитель туберкулёза. По внешнему виду напоминает туберкулёзную палочку. Вызывает болезнь животных и человека. Источник заболевания – человек (носитель). Проникает через кожу, слизистые, поступает в кровь и лимфу. Если у человека высокий уровень резистентности бактерия погибает или возникает латентная форма. Болезнь проходит очень тяжело. Лечение – медикаментозное (антибиотикотерапия). Группа 22 – 29. Актиномицеты. Группа 25. Стрептомицеты. Представители рода Streptomyces являются продуцентами антибиотиков и экзоферментов. Группа 22 Нокардиоформные актиномицеты. Представители – микроорганизмы рода Nocardia. Среди проактиномицетов имеется патогенны. Могут вызывать накопление – друзы в челюстных костях жвачных животных, могут вызывать заболевания у человека. Для них
характерно: не имеют дифференцированного мицелия. В старых колониях мицелий распадается на палочковидные формы. Не образуют настоящих спор. Высшие актиномицеты. Формируют хорошо развитый несептированный и септированный мицелий. Размножаются конидиями, спорами, образуют воздушный и субстратный мицелий. На воздушном формируются споры. Строение спорофоров, цвет мицелия, а также спороформирование является важнейшим средством идентификации. Экология: встречаются в почве. Существуют симбиотические и водные формы. Выделяют специфическое масло – геосмин (запах свежевспаханной земли – 1,10-диметил-9декалол). Характерно явление антагонизма (с помощью выделения в культуральную жидкость или среду БАВ – ферментов, антибиотиков, подавляющих жизнеспособность кокурентной микрофлоры). Много видов являются продуцентами БАВ. С эволюционной точки зрения актиномицеты рассматривают как переходную группу от бактерий к грибам. Группа 30. Микоплазмы Микоплазмы (молликуты мягкокожие). Бактерии без клеточной стенки. Включает 6 родов. Патогенным для человека является Ахолиплазма, Уреаплазма, Микоплазма. Характерно: отсутствие клеточной стенки, неспособность синтезировать пептидогликан, самые мелкие представители прокариотических организмов, некоторые проходят через бактериальные фильтры, размеры 0.1 – 10 мкм (соответствуют размеру крупных видов). Отсутствие клеточных стенок делает их плеоморфными. Покрыты цитоплазматической мембраной, которая более прочная чем у других микроорганизмов, поскольку интеркалирована стеринами, которые сами не синтезируют, а включают из клеточных стенок эукариотической клетки организма-хазяина. Микоплазмы напоминают L-формы, отличаются чувствительностью к дегитанину. Микоплазмы не чувствительны к β-лактамным антибиотикам, пенициллинам и цефалоспоринам. Размножаются путём почкования, фрагментирования, бинарного деления. Обычно неподвижны, некоторые обладают скользящим типом движения. Подавляющее число микоплазм нуждается в сложных питательных средах с высоким осмотическим давлением. При размножении на плотных питательных средах образуют колонии, напоминающие яичницу-глазунью. Встречаются сапрофиты. Паразитизм на метаболическом уровне: прикрепляются к ЦПМ и являют собой мембранными паразитами. Источником микоплазм являются больные. Путь заражения – воздушно-капельный, через слизистые оболочки. Повреждающее действие: микоплазмы не выделяют токсинов, а выделяют Н2О2, NН4+. Последний вызывает пролиферацию клеток хазяина, они становятся чувствительны к поражению вирусами. Микоплазмы вызывают атипичные пневмонии, негнойные уретриты, проститы, другие заболевания уретральной системы. Во внешней среде микоплазмы быстро погибают. Сапрофитные формы обитают в почве и сточных водах. ДНК микоплазм в 2 раза меньше чем у других Прокариот – представляют самый малый предел кодирования организма клеточного организма. Группа 31.Архебактерии Архебактерии – почвенные или водные микроорганизмы, которые встречаются в анаэробных условиях, а также в гиперсолёных источниках, геотермальных средах, а также симбиотические формы в пищеварительной системе животных. Формы клеток самые разнообразные. Кроме многоклеточных встречаются одноклеточные в виде нити или агрегата. Ширина от 1 до 2 мкм, длинна клеток до 200 мкм, размножаются бинарным делением, почкованием, фрагментами нити. Имеют яркий цвет за счет наличия пигментов. Входят аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы. Способны существовать как хемолитотрофы, гетеротрофы или факультативные гетеротрофы. Среди архебактерий встречаются мезофиллы, а также термофилы (способны существовать при Т≈100ºС под высоким давлением в гейзерах). Отсутствует клеточная стенка, пептидо-гликан муреин (у некоторых есть псевдомуреин). Природа жирных кислот отличается, рибосомы отличются от других прокариотических микроорганизмов. У архебактерий нуклеотидная последовательность РНК 5S, 16S, и 23S. Рибосомальная РНК сильно отличается от соответствующей последовательности Про- и Эукариотов. По некоторым признакам молекулярного строения архебактерии сходны с Эукариотами, таким
образом принято считать, что архебактерии - это переходная эволюционная ниша между Про- и Эукариотами. К метанобактериям относят группы 31 – 35. 31 группа – Метаногены (включают 3 подгруппы) – способны образовывать биогаз. 32 группа – Сульфатредуцирующие архебактерии (включают 1 род). 33 группа – экстремальногалофильные аэробные архебактерии (галобактерии) включают 6 родов. Живут в очень засоленных источниках. Осуществляют безхлорофильный фотосинтез. 34 группа – архебактерии лишенные клеточной стенки (включают 1 род). 35 группа – экстремальные термофилы и гипертермофилы, метаболизирующие серу. ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА В ПРОКАРИОТИЧЕКИХ МИКРООРГАНИЗМАХ Общая характеристика метаболизма прокариот Метаболизм – совокупность всех метаболических превращений в клетке. Имеет 2 стороны: • конструктивный метаболизм (поток всех химических превращений, которые направлены на синтез клеточных компонентов) предполагает расход энергии – Анаболизм; • энергетический метаболизм (поток реакций, направленный на получение энергии в виде АТФ, других богатых макроэргическими связями соединений или мембранного потенциала ∆μН+) сопровождается распадом органических соединений и выделением энергии – Катаболизм. Энергетический и конструкивный метаболизм тесно связаны между собой. Связь осуществляется по нескольким каналам: 1. Энергетический (энергия, полученная в катаболических реакциях расходуется на конструктивный метаболизм). 2. Общность восстановителя в виде Н2 (2Н∙). Многие биосинтетические процессы идут при участии восстановителя в виде атомарного водорода, а отщепление водорода от макромолекул осуществляется в реакциях энергетического метаболизма, где происходит дегидрирование субстрата. 3. Общность метаболитов. Промежуточные продукты при распаде углевода являются энергетическими метаболитами, а также продуктами для синтеза многих оргаических веществ. Метаболизм Прокариот Отличается своим разнообразием, обеспечивает высокую адаптационную способность микроорганизмов. Метаболическое разнообразие связано с наличием ферментов и ферментных систем. Известные ферменты Прокариот относят к 6 классам: 1. Оксидоредуктазы (окислительно-восстановительные ферменты). 2. Трансферазы ( перенос функциональных групп от одной молекулы к другой). 3. Гидролазы (гидролиз). 4. Лиазы (отщепление функциональной группы с образоваием двойной связи и присоединения радикала по месту двойной связи). 5. Изомеразы (изомеризация). 6. Лигазы (осуществляют реакции синтеза=синтетазы) В микробной клетке ферменты могут функционировать изолировано друг от друга или могут быть связаны в полиферментные цепи. Например: АТФазный комплекс, ферменты дыхательной цепи. Ферменты связаны как структурно, так и функционально. Максимальная активность проявляетс только в комплексе. Выделение фермента приводит к потере активности. В зависимости от места действия фермента различают экзо- (экспортируются клеткой во внешнюю среду) и эндоферменты (функционируют внутри клеток). У Г - ферменты расположены в передплазматическом пространстве. Микроорганизмы имеют определённый набор ферментов, которые являются генетически закрепленными. Различают конститутивные ферметы – синтезируются клеткой постоянно с постоянной скоростью, без
них клетка существовать не может. Это ферменты основных метаболических путей клетки. Кроме этого присутствуют индуцибельные ферменты – синтезируются и активируются только в присутствии индуктора, т.е. только когда есть необходимость, в отсутствии же индуктора гены, которые кодируют синтез данного фермента, неактивны, находятся в репрессированном состоянии, а индуктор снимает репрессор. Формы энергии в клетке У микроорганизмов существует большое количество соединений богатых энергией. Они характеризуются тем, что входящая в структуру 1 или несколько функциональных групп имеют высокий энергетический потенциал. При переносе этих групп происходит разрыв связи, соединяющей её с молекулой, а это влечёт уменьшение свободной энергии заключенной в молекуле. И наоборот присоединение этой группы с высоким энергетическим потенциалом к молекуле акцептору переводит молекулу в активную форму и повышает уровень свободной энергии в молекуле. Такие связи называются макроэргическими (обозначают ~). У бактерий имеется 2 типа соединений с макроэргическими связями: 1. Соединения с высокоэнергетичной фосфатной связью: • Фосфорилированные формы пуриновых и пиримидиновых оснований АТФ, АДФ, ГТФ, УТФ. • Различные фосфорилированные соединения с макроэргической –РО 4 связью – бутерилфосфат, ацетилфосфат. • Фосфорные эфиры энолов – фосфоэнолпируват. 2. Соединения с макроэргической тиоэфирной связью – КоА или ацетил-КоА. АТФ – первая универсальная форма энергии в клетке. Представляет собой производное аденозина: аденин+рибоза, связанные с тремя остатками фосфорной кислоты, при чём 2 остальные макроэргические фосфатные связи. При рН=7 АТФ-анион с высокой плотностью отрицательного заряда за счет ОН-групп, по этому в клетке АТФ является комплексным соединением, связанным с Mg2+, Mn2+. Свойства АТФ: • Молекула является химически-стабильным соединением – скорость неферментационого гидролиза очень невелика, благодаря этому происходит аккумуляция энергии. • Термодинамически молекула АТФ достаточно нестабильна. Под действием АТФ-гидролазы АТФ распадается на АДФ и фосфат, при чём: АТФ →АДФ +Ф +31,8 кДж/моль. • Имеет малые размеры, что позволяет легко мигрировать по клетке и находиться в нужный момент в нужном месте. Пути образования АТФ в клетке. Образование АТФ происходит по 3 механизмам: 1. А)Самый древний – субстратное фосфорилирование: субстрат~Ф +АДФ→АТФ + субстрат Б)Когда субстрат имеет другую группу с макроэргшической связью поде действием фермента идёт разрыв, а энергия идёт на АТФ из АДФ: субстрат~Х+АДФ +Ф→АТФ + субстрат + Х Характерный для микроорганизмов осуществляющих брожение. 2. Фосфорилирование. Характерно для фотосинтезирующих бактерий. Этот механизм требует наличие электротранспортной цепи (ЭТЦ). 3. Окислительное фосфорилирование. Связано с наличием в клетке дыхательной цепи. ∆μН+ - ІІ универсальная форма энергии. Питера Митчелл в 60-х г.г. сформулировал хелиоосмотическую теорию энергетического сопряжения, позволившая установить каким образом энергия электронаоторванного от субстрата и мигрирующая в дыхательной цепи, запасается, трансформируется в энергию химической связи. Питер Митчелл показал, что в результате работы дыхательной цепи на внешней стороне мембраны происходит накопление Н+ (в процессе миграции электрона происходит выброс Н+) , по этому на внешней стороне мембраны формируется суммарный положительный заряд. Миграция 2 электронов эквивалентна выбросу 6 Н+ на внешнюю мембрану.
Внутренняя сторона мембраны получает суммарный отрицательный заряд. В результате такого перераспределения Н+ с одной стороны возникает ориентированный градиент Н+ поперек мембраны (трансмембранный потенциал) с одной стороны, а с другой стороны учитывая внешний мембранный заряд положительным, а внутренний отрицательным поперек мембраны формируетсяэлектрическое поле, генерируется ∆μН + , имеющий две составляющих: химическую ∆Н и электрическую ∆φ. Вот в таких сопрягающих мембранах (ЦПМ) при работе дыхательной цепи мембранный потенциал составляет 200мВ и может обеспечить выполнение каких либо работ, который сопряжены с мембраной структурой: • транспорт питательных веществ; • транспорт нуклеиновых кислот при генетической рекомбинации; • расходы на синтез АТФ. Разрадка мембраны или диссинация приводит к возвращению Н+ внутрь клетки через АТФазный комплекс: АДФ+ Р+ 2Н+→АТФ Виды энергетического метаболизма бактериальной клетки: 1. Брожение. 2. Фотосинтез. 3. Дыхание. Брожение Брожение основано на гликолитическом пути распада углеводов. Различают: гомоферментативное молочнокислое (ГФМ), спиртовое, пропионовое, маслянокислое, ацетонобутиловое. Брожение – это эволюционно самый древний и примитивный путь получения энергии бактериальной клеткой. АТФ образуется в результате окисления органического субстрата по механизму субстратного фосфорилирования. Брожение происходит в анаэробных условиях. Примитивность брожения объясняется тем, что при брожении происходит расщепление субстрата не полностью, а образованные в ходе брожения вещества (спирты, органические кислоты и т.д.) содержат внутренние запасы энергии. Количество выделенной энергии при брожении незначительно 1 г/моль глюкозы эквивалентен2 – 4 молекулам АТФ. Микроорганизмы бродящего типа вынуждены интенсивнее збраживать субстрат, чтобы обеспечить себя энергией. Основная проблема брожения – решение донорно-акцепторных связей. Донорами электронов являются органические субстраты, а акцептором электронов, который определяет судьбу брожения представляет основную задачу. Конечный продукт брожения дает название виду данного процесса. Химизм процесса брожения В процессе брожения в условиях анаэробиоза в центре находится проблема выработки энергии при расщеплении углеводов. Основным механизмом является гликолитический путь распада (Эмбдена – Мейергоффа – Парнаса, гексозо-дифосфатный путь). Этот путь наиболее распространен, существую 2 гликолитических пути, которые встречаются в меньшей степени: окислительный пентозо-фосфатный путь (Варбурга – Диккенса – Хорекера), путь Энтнера – Дударова (КДФГ-путь). Следует обратить вимание, что все эти механизмы нельзя рассматривать как брожение, так как они лежат в основе дыхания. Брожение начинается тогда, когда происходит утилизация оторвавшегося от субстрата протона или электрона и присоединения на акцептор. ГЛИКОЛИЗ Глюкоза под действием гексаминазы фосфорилируется в положении 6 – превращается в глюкозо-6-фосфат – метаболически более активную форму глюкозы. Донором фосфата выступает молекула АТФ.Глюкоза-6-фосфат изомеризуется в фруктозо-6-фосфат. Реакция обратима, уровень присутствия 2 веществ в зоне реакции одинаков.Фруктоза-6-фосфат присоединяет фосфатную группу к первому атому С и превращается в фруктоза-1,6дифосфат. Реакции идёт с затратой энергии АТФ и катализируется фруктозо-1,6-дифосфат альдолазой (основной регуляторный фермент гликолиза).
Фруктозо-1,6-дифосфат расщепляется на 2 фосфотриозы триозофосфатизомеразой. В результате образуются 2 триозы:фосфодиоксиацетон и 3-фосглицеральдегид (3-ФГА). Эти 2 триозы могут изомеризоваться одна в другую и проходить трансформацию до пирувата по одинаковому механизму. Это восстановительный этап (идёт с выработкой энергии).
Гликолиз 1. Гексокиназа 2. Глюкозо-6-фосфатизомераза 3. 6-Фосфофруктокиназа 4. Альдолаза 5. Триозофосфатизомераза 6. Гліцеральдегидфосфатдегидрогеназа 7. Фосфоглицераткиназа 8. Фосфоглицеромутаза 9. Енолаза 10. Пируваткиназа Произошло образование 3-ФГК. Теперь можно подвести некоторые итоги. Клетка на этом этапе "вернула" свои энергетические затраты: 2 молекулы АТФ были затрачены и 2 молекулы АТФ синтезировались на 1 молекулу глюкозы. На этом же этапе в реакции окисления 3-ФГА до 1,3-ФГК и образования АТФ имеет место первое субстратное фосфорилирование. Энергия освобождается и запасается в макроэргических фосфатных связях АТФ в процессе перестройки сбраживаемого субстрата при участии ферментов. Первое субстратное фосфорилирование носит еще название фосфорилирования на уровне 3ФГА. После образования 3-ФГК фосфатная группа из третьего положения переносится во второе. Далее происходит отщепление молекулы воды от второго и третьего атомов углерода
2-ФГК, катализируемое ферментом энолазой, и образуется фосфоенолпировиноградная кислота. В результате происшедшей дегидратации молекулы 2-ФГК степень окисления ее второго углеродного атома увеличивается, а третьего — уменьшается. Дегидратация молекулы 2-ФГК, приводящая к образованию ФЕП, сопровождается перераспределением энергии внутри молекулы, в результате чего фосфатная связь у второго углеродного атома из низкоэнергетической в молекуле 2-ФГК превращается в высокоэнергетическую в молекуле ФЕП. Молекула ФЕП становится донором богатой энергией фосфатной группы, которая переносится на АДФ с помощью фермента пируваткиназы. Таким образом, в процессе превращения 2-ФГК в пировиноградную кислоту имеет место высвобождение энергии и запасание ее в молекуле АТФ. Это второе субстратное фосфорилирование. В результате внутримолекулярного окислительно-восстановительного процесса одна молекула и донирует и акцептирует электроны. В процессе второго субстратного фосфорилирования образуется еще молекула АТФ; в итоге общий энергетический выигрыш процесса составляет 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы. Такова энергетическая сторона процесса гомоферментативного молочнокислого брожения. Энергетический баланс процесса : С 6+2АТФ=2С3+4 АТФ+2НАДФ∙Н2 ГОМОФЕРМЕНТАТИВНОЕ МОЛОЧНО-КИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ Осуществляется молочно-кислым бактериями. Которые расщепляют углеводы по гликолитическому пути с последним образованием из пирувата молочной кислоты. У ГФМКбактерий проблема донорно-акцепторой связи решается самым простым путём – этот вид брожения рассматривают как эволюционно самый древний механизм. В процессе брожения пировиноградная кислота восстанавливается Н + оторвавшимся от глюкозы. На пируват сбрасывается Н 2 с НАДФ∙Н2. В результате чего образуется молочная кислота. Энергетический выход составляет 2 молекулы АТФ. Молочно-кислое брожение осуществляют бактерии рода: Streptococcus, + Lactobacillus,Leuconostoc.Все они Г ( являются палочками или кокками) неспорообразующие (Sporolactobacillus образуют споры). По отношению к кислороду молочно-кислые бактерии относятся к аэротолерантным, являются строгими анаэробами, но способны существовать в атмосфере кислорода. Они имеют ряд ферментов, которые нейтрализуют токсическое действие кислорода (флавиновые ферменты, негемовая каталаза, супероксиддисмутаза). МКБ не могут осуществлять дыхание, так как нет дыхательной цепи. В связи с тем, что природа обитания МКБ богата на факторы роста, в процессе эволюции они стали метаболическими инвалидами и утратили способность синтезировать в достаточном количестве факторы роста, поэтому в процессе культивирования они
Гомоферментативное молочнокислое брожение: Ф1 — гексокиназа; Ф2 — глюкозофосфатизомераза; Ф3 — фофсофруктокиназа; Ф4 — фруктозо-1,6дифосфатальдолаза; Ф5 — триозофосфатизомераза; Ф6 — 3-ФГА-дегидрогеназа; Ф7 — фофсоглицерокиназа; Ф8 — фосфоглицеромутаза; Ф9 — енолаза; Ф10 — пируваткиназа; Ф11 — лактатдегиброгеназа (по Dagley, Nicholson, 1973) нуждаются в добавлении витамиов, аминокислот (овощные, растительные экстракты). МКБ могут использовать лактозу, которая под действием β-галактозидазы в присутствии молекул воды расщепляется на D-глюкозц и D-галактозу. Впоследствии Dгалактоза фосфорилируется и трансформируется в глюкозо-6-фосфат. МКБ – мезофиллы с оптимальной температурой культивирования 37 - 40ºС. При 15ºС большинство из них не растут. Способность к антагонизму связана с тем, что в процессе метаболизма накапливается молочная кислота и другие продукты, которые угнетают рост других микроорганизмов. Кроме того накопление молочной кислоты в культуральной жидкости приводит к резкому снижению рН, что угнетает рост гнилостных микрооргаизмов, а сами МКБ могут выдерживать рН до 2. МКБ нечувствительны к многим антибиотикам. Это позволило использовать их в качестве продуцентов пробиотических препаратов, которые могут использоваться как препараты , сопровождающие при антибиотико-терапии (способствуют восстановлению микрофлоры кишечника, угнетаемой антибиотиками). Экология МКБ. В природе встречаются там, где много углеводов: молоко, поверхность растений, пищевой тракт человека и животных. Патогенных форм нет. СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ
В основе лежит гликолитический путь. В спиртовом брожении происходит усложнение решения донорно-акцепторной связи. Сначала пируват с помощью пируватдекарбоксилазы, ключевого фермента спиртового брожения, декарбоксилируется до ацетальдегида и CO2: CH3-CO-COOH ® CH3-COH + CO2 . Особенность реакции заключается в ее полной необратимости. Образовавшийся ацетальдегид восстанавливается до этанола с участием НАД+-зависимой алкогольдегидрогеназы: CH3-COH + НАД-H2 ® CH3-CH2OH + НАД+ Донором водорода служат 3-ФГА (как и в случае молочнокислого брожения). Процесс спиртового брожения суммарно можно выразить следующим уравнением: C6H12O6 + 2ФН + 2АДФ ® 2CH3-CH2OH + 2CO2 + 2АТФ +2H2O. Спиртовое брожение широко распространенный процесс получения энергии как у Про-, так и у Эукариотов. У Прокариотов встречается как у Г + так и у Г-. Промышленное значение имеет микроорганизм Zymomonas mobilies ( пульке из сока агавы), но в основе брожения лежит не гликолиз, а путь Энтнера – Дудорова или КДФГ-путь. Основные продуценты спирта – дрожжи (пивоварение, виноделие, ферментные препараты, витамины группы В, нуклеиновые кислоты, белково-витаминные концентраты, пробиотические препараты). ПРОПИОНОВОЕ БРОЖЕНИЕ В пропионовокислом брожении мы имеем дело с реализацией третьей возможности превращения пирувата — его карбоксилированием, приводящим к возникновению нового акцептора водорода — ЩУК. Восстановление пировиноградной кислоты в пропионовую у пропионовокислых бактерий протекает следующим образом . Пировиноградная кислота карбоксилируется в реакции, катализируемой биотинзависимым ферментом, у которого биотин выполняет функцию переносчика CO2. Донором CO2-группы служит метилмалонилКоА. В результате реакции транскарбоксилирования образуются ЩУК и пропионил-КоА. ЩУК в результате трех ферментативных этапов (аналогичных реакциям 6, 7, 8 цикла трикарбоновых кислот, превращается в янтарную кислоту. Следующая реакция заключается в переносе КоА-группы с пропионил-КоА на янтарную кислоту (сукцинат), в результате чего образуется сукцинил-КоА и пропионовая кислота. Образовавшаяся пропионовая кислота выводится из процесса и накапливается вне клетки. Сукцинил-КоА превращается в метилмалонил-КоА. В состав кофермента метилмалонил-КоА-мутазы входит витамин B12.
Превращение пировиноградной кислоты в пропионовую при пропионовокислом брожении: Ф1 — метилмалонил-КоАкарбоксилтрансфераза; Ф2 — малатдегидрогеназа; Ф3 — фумараза: Ф4 — фумаратредуктаза; Ф5 — КоА-трансфераза; Ф6 — метилмалонил-КоА-мутаза (по Daglev, Nicholson. 1973; Rose. 1971) Энергетический баланс на 1 молекулу глюкозы образуется 2 молекулы пропионовой кислоты и 4 молекулы АТФ. Бактерии р.Propionibacterium – это Г+ палочки, неспорообразующие, неподвижные, размножаются бинарным делением, являются аэротолерантными микроорганизмами. У них есть механизм защиты от токсического действия кислорода, некоторые могут осуществлять дыхание. Экология: встречаются в молоке, кишечнике жвачных животных. Промышленный интерес: продуценты В12 и пропионовой кислоты. МАСЛЯНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ При маслянокислом брожении пируват декарбоксилируется и присоединяется к КоА – образуется ацетил-КоА. Далее происходит конденсация: 2 молекулы ацетил-КоА конденсируются с образованием С4-соединения ацето-ацетил-КоА, который выступает акцептором продукции Н2.
Пути превращения пирувата в маслянокислом брожении, осуществляемом Clostridium butyricum: Ф1 — пируват:ферредоксиноксидоредуктаза; Ф2 — ацетил-КоА-трансфераза (тиолаза); Ф3 — (3-оксибутирил-КоА-дегидрогеназа; Ф4 — кротоназа; Ф5 — бутирилКоА-дегидрогеназа; Ф6 — КоА-трансфераза; Ф7 — фосфотрансацетилаза; Ф8 — ацетаткиназа; Ф9 — гидрогеназа; Фдок — окисленный; Фд-H2 — восстановленный ферредоксин; ФН — неорганический фосфат Далее С4 соединени проходя через ряд последовательных превращений образует масляную кислоту. Этот восстановительный путь не связан с образованием энергии и создан исключительно для утилизации восстановителя. Параллельно существует вторая окислительная ветвь, которая приводит к образоваию из пирувата уксусной кислоты и на этом участке имеет место субстратное фосфорилирование, что обуславливает синтез АТФ. Энергетический баланс рассчитать сложно, поскольку направление реакций определяется внешними факторами, а также питательной средой: 1 мол. глюкозы→≈3,3 АТФ Маслянокислое брожение осуществляют бактерии р.Clostridium – это Г+ палочки, подвижные, спорообразующие (эндоспоры d>dкл), являются исключительно анаэробными культурами. Движение осуществляют за счет перетрихиально расположенных жгутиков. По мере старения клетки теряют жгутики и накапливают гранулёзу (крахмалоподобное вещество). По способности збраживать субстрат разделяются на 2 типа:
• •
сахаролитические (расщепляют сахара, полисахариды, крахмал, хитин); протеолитические (имеют мощный комплекс протеолитических ферментов, расщепляют белки). Клостридии осуществляют не только масляно-кислое брожение, но и ацетонобутиловое. Продуктами этого вида брожения на ряду с масляной кислотой и ацетатом могут быть: этанол, ацетон, бутиловый спирт, изопропиловый спирт. АЦЕТОНОБУТИЛОВОЕ БРОЖЕНИЕ
Образование нейтральных продуктов при ацетонобутиловом брожении: Ф1 — бутирилальдегиддегидрогеназа; Ф2 — бутанолдегидрогеназа; Ф3 — КоАтрансфераза; Ф4 — ацетоацетатдекарбоксилаза; Ф5 — изопропанолдегидрогеназа; Ф6 — ацетальдегиддегидрогеназа; Ф7 — алкогольдегидрогеназа При ацетонобутиловом брожении продуценты в молодом возрасте (логарифмическая фаза роста) осуществляют брожение по типу маслянокислого. По мере снижения рН и накопления кислых продуктов индуцируется синтез ферментов, приводит к накоплению нейтральных продуктов (ацетон, изопропиловый, бутиловый, этиловый спирты). Изучая процесс ацетонобутилового брожения русский ученый Шапошников показал, что оно проходит 2 фазы и в основе 2 х фазности процесса лежит связь между конструктивным и энергетическим метаболизмом. Первая фаза характеризуется активным ростом культуры и интенсивным конструктивным метаболизмом, по этому в этот период происходит отток восстановителя НАД∙Н2 на биосинтетические нужды. При затухании роста культуры и переходе ее во вторую фазу уменьшается потребность в конструктивных процессах, что приводит к образоваию более восстановлеых форм – спиртов. Практическое применение Clostridium: • производство масляной кислоты; • производство ацетона; • производство бутанола. Бактерии играют огромную роль в природе: осуществляют гниение, анаэробное гниение клетчатки и хитина (некоторые расщепляют пектиновые волокна). Среди Clostridium
имеются патогенны (возбудители ботулизма – выделяют крайне опасный экзотоксин; возбудители газовой гангрены; столбняка). Альтеративные механизмы сбраживаия углеводов ПЕНТОЗОФОСФАТНЫЙ ПУТЬ х В 40 годах был расшифрован окислительный пентозофосфатный путь, который показал, каким образом в микробной клетке синтезируются пентозы и как эти пентозы используются в качестве энергетического субстрата. Первая реакция заключается в фосфорилировании глюкозы с помощью АТФ и превращении ее в метаболически активную форму глюкозо-6-фосфата, аналогично тому, что имеет место на первом этапе гликолиза. Следующий этап заключается в дегидрировании глюкозо-6-фосфата, катализируемом глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой. Особенность реакции в том, что в ней участвует НАДФ+ в качестве акцептора водорода. Образовавшийся продукт реакции очень нестоек и спонтанно или с помощью фермента лактоназы гидролизуется с образованием 6-фосфоглюконовой кислоты, которая подвергается окислительному декарбоксилированию, катализируемому фосфоглюконатдегидрогеназой. Эта реакция приводит к образованию соответствующего пентозофосфата, НАДФ-H 2 и выделению CO2. Рибулозо-5-фосфат обратимо превращается в ксилулозо-5-фосфат и рибозо-5-фосфат с участием ферментов фосфопентозоэпимеразы и фосфопентозоизомеразы соответственно. Суммарно весь процесс можно представить в виде следующего уравнения: глюкозо-6-фосфат + 2НАДФ+ ® рибозо-5-фосфат + CO2 + 2НАДФ-Н2. Биологический смысл механизма – образование пентоз как для конструктивного метаболизма, так и для энергетического.
Окислительный пентозофосфатный путь (начальные этапы): Ф1 — гексокиназа; Ф2 — глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа; Ф3 — лактоназа; Ф4 — фосфоглюконатдегидрогеназа (декарбоксилирующая); Ф5 — фосфопентозоэпимераза; Ф6 — фосфопентозоизомераза (по Dagley, Nicholson, 1973) ГЕТЕРОФЕРМЕНТАТИВНОЕ МОЛОЧНО-КИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ (ГФМК) Строгие ГФМКБ могут утилизировать гексозы по окислительному пентозофосфатному пути. У них отсутствует механизм гликолиза, поскольку у них нет фермента альдолазы, расщепление гексозы на 2 фосфотриозы и нет изомеразы, которая изомеризует 2 триозы одну
в другую. Конечными продуктами являются: молочная кислота, уксусная кислота, этиловый спирт. Подавляющее большинство МКБ являются факультативными в плане образования молочной кислоты (гликолитические и пентозофосфатные механизмы). Механизм ГФМК брожения. При ГФМК брожении ксилулоза-5-фосфат кетолазой расщепляется на 2 соединения (С 3 - 3фосфоглицеральдегид и С2 – ацетилфосфат). С3-соединение метаболизируется до молочной кислоты через пируват в реакциях аналогичных гликолизу (на этом этапе выделяется 2 молекулы АТФ в реакциях субстратного фосфорилирования). С 2 –соединение метаболизируется в двух направлениях: • восстановительная ветвь (утилизация НАД∙Н2 ) в результате получается этанол; • окислительная ветвь (приводит к образоваию уксусной кислоты и 1 молекулы АТФ). Энергетический баланс брожения: При расщеплении С 6-соединения в процессе окисления пентозофосфатного пути с дальнейшим метаболизмом пентозы по пути ГФМК брожения приводит к образованию молочной кислоты и этанола, либо молочной и уксусной кислоты. При этом если образуется молочная кислота и этанол выделяется 1 молекула АТФ. При образовании уксусной и молочной кислот выделяется 2 молекулы АТФ. Соотношение продуктов в ходе этого процесса будет определяться видом организма, составом питательной среды, условиями культивирования и возрастом культуры.
Гетероферментативное молочнокислое брожение: Ф1 — пентозофосфокетолаза; Ф2 — 3-ФГАдегидрогеназа; Ф3 — фосфоглицераткиназа; Ф4 — фосфоглицеромутаза; Ф5 — енолаза; Ф6 — пируваткиназа; Ф7 — лактатдегидрогеназа; Ф8 — ацетальдегиддегидрогеназа; Ф9 — алкогольдегидрогеназа; Ф10 — ацетаткиназа (по Schlegel, 1972) ПУТЬ ЭНТНЕРА – ДУДОРОВА ИЛИ КДФГ – ПУТЬ
Первые два его этапа — фосфорилирование молекулы глюкозы и ее дегидрирование до 6-фосфоглюконовой кислоты — идентичны первым двум этапам окислительного пентозофосфатного пути. Специфичны для пути Энтнера — Дудорова две следующие реакции: 1) дегидратирование 6-фосфоглюконовой кислоты, приводящее к образованию КДФГ-кислоты; 2) расщепление продукта первой реакции на два C 3-фрагмента. Конечными продуктами второй реакции являются пировиноградная кислота и 3-ФГА. Последний окисляется в пировиноградную кислоту так же, как в гликолитическом пути. Следовательно, при разложении молекулы глюкозы до пирувата по пути Энтнера — Дудорова образуется 1 молекула АТФ (2 молекулы АТФ синтезируются на отрезке пути 3-ФГА пировиноградная кислота минус 1 молекула АТФ, затраченная на фосфорилирование глюкозы), 1 молекула НАД-H2 и 1 молекула НАДФ-H2. Биологический смысл этого механизма состоит в образовании пирувата более коротким путём в тот период, когда молодая культура расходует пируват в биосинтетических процессах при синтезе аминокислот. Путь Энтнера – Дудорова имеет важное значение, когда збраживаемым субстратом является глюконовая, манановая, гексауроновая кислоты и их производные. Этот механизм известен у многих микроорганизмов (больше свойственен Г -). Он лежит в основе спиртового брожения у микроорганизмов Zymomonas mobilis. Типы жизни основанные на фосфорилировании Фосфорилирование 1. Фотосинтезирующие бактерии Фотосинтез обязан своим происхождением экологическому кризису, который возник в результате исчерпания органического субстрата. Микроорганизмы были вынуждены искать новые источники энергии. Такой источник был найден – это энергия солнца. Но чтобы использовать бедные энергией кванты света микроорганизмам нужно было синтезировать биосинтетический аппарат, который включал бы молекулы антенны-пигменты, улавливающие кванты света и с большой степенью эффективности передающие энергию света в реакционный центр (ІІ компонент фотосистемы). Реакционный центр обеспечивает основную реакцию фотосинтеза - реакцию окисления – восстановления. Ш компонент – электрон-транспортный путь (цепь) – это система переносчиков электронов и протонов, которая локализована в ЦПМ или специальных структурах мембран, обеспечивает трансформацию энергии движения электрона в энергию химических связей процессе фотоокисления. Набор пигментов характерен и видоспецифичен. Они определяют способность поглощать кванты света в диапазоне 300 – 1100нм. Все фотосинтезирующие пигменты делятся на 2 группы: • пигменты, в основе которых тетрапирольная структура (хлорофиллы, фикобилипротеиды); • пигменты, построенные из длинных полиизопреноидных молекул (каротиноиды, каротины). Особенностью пигментов являются сопряженные двойные связи. Они определяют способность • пигмента улавливать бедные энергией кванты света, а также • каротиноидные пигменты защищают молекулу хлорофилла от окисления синглетным кислородом (О2+е). Все хлорофиллы построены на основе 4 пирольных колец с замкнутой кольцевой структурой, в которой в центре находиться Mg2+ соединенный водородными связями. Многообразие хлорофиллов и их спектральные характеристики определяются природой радикалов, которые присоединены к пирольным кольцам. В настоящее время извесна небольшая группа организмов, которые способны осуществлять фотосинтез. Это Г группа пурпурных бактерий, зеленых бактерий, цианобактерий, прохлорофитов и галобактерий. Хлорофиллы. Пигменты микроорганизмов, которые осуществляют бескислородный фотосинтез, называются бактериохлорофиллы (БХФ), встречаются у пурпурных и зелёных
бактерий. Хлорофиллы осуществляют кислородный фотосинтез (цианобактерии, прохлорофиты) – это зелёные пигменты. • Пурпурные бактерии содержат 1 тип БХФ либо БХФ А (λ≤950нм), либо БХФ В (λ≤1100нм – дальше по спектру ни один из пигментов поглщать не может). • Зелёные бактерии содержат БХФ С, D, E, которые незначительно отличаются друг от друга, но реакционный центр содержит БХФ А. Суммарно все хлорофиллы обеспечивают поглощение до 840 нм. • Микроорганизмы, осуществляющие кислородный фотосинтез содержат хлорофилл А, а прохлорофиты и А, и Б ( максимальная λ=750 нм)
Обобщенная формула хлорофиллов. Римскими цифрами указаны пиррольные кольца. Фикобилипротеиды. Содержат 4-пирольную структуру, не образуют циклическую структуру, а находятся в линейной форме. Спектральные свойства определяются второй компонентой (белковой природы): поглощают в области 450 – 700 нм. Они являются красными и синими пигментами. Встречаются у цианобактерий. Обнаружены у красных и криптовых водорослей (Эукариоты).
Химическая структура хромофорных групп фикоэритрина (фикоэритробилин), фикоцианина и аллофикоцианинов (фикоцианобилин). Римскими цифрами указаны пиррольные кольца (по Chapman, 1973)
Каротиноиды. Это группа вспомогательных пигментов, поглощают в коротковолновой области 400 – 550 нм и передают возбуждение на хлорофилл. Широко встречаются и у нефотосинтезирующих оргнизмов и роль их сводиться к тушению синглетного кислорода, тем самым к защите ферментов. Кротиноиды – это желтые, красные, пурпурные, коричневые пигменты.Самый полноценный спектр обнаружен у галобактерий.
Рис. 70. Структурные формулы некоторых каротиноидов фотосинтезирующих эубактерий (по Кондратьевой, 1972; Nichols, 1973) Механизмы фотосинтеза Фотосинтез разделяют на: • Хлорофильный (кислородный или бескислородный (циклический и нециклический)). • Нехлорофильный. Когда квант света попадает на молекулу хлорофилла энергия этого кванта поглощается и 1 из электронов этого хлорофилла переходит на более богатый энергетический уровень. При этом молекула хлорофилла переходит в возбужденное состояние, в зависимости от величины поглощенной энергии может переходить на І или ІІ синглетный уровень (так квант синего спектра поднимается на ІІ, а красного на І). Время жизни електрона на синглетном уровне невелико - Вего 10-6 – 10-7 степени секунды на болем ближнім уровне и 10-12 – 10-13 на болем отдаленной орбите, после чего електрон возвращается на своё положение, но в клетке фотосинтезирующего микроорганизма пигменты тесно сопряжены друг с другом. По-этому энергия передается на соседнюю молекулу и в процессе миграции энергии происходит фокусирование её и когда эта энергия через молекулы-антенны достигает реакционного центра эта энергия уже настолько велика, что она выбивает электрон из молекулы хлорофилла в реакционном центре. Происходит окисление хлорофилла. Здесь же в реакционном центре находиться первичный акцептор электронов, который восстанавливается этим электроном и в зависимости от того, какова судьба этого электрона:
возвращается ли он в молекулу хлорофилла или же вылетает из системы, различают циклический и нециклический фотосинтез.
Миграция энергии света у зеленой бактерии Chloroflexus aurantiacus: 1 — бактериохлорофилл c; 2–4 — разные формы бактериохлорофилла a; Д — первичный донор электрона; А — первичный акцептор электрона; Р. Ц. — реакционный центр Циклический фотосинтез При циклическом фосфорилировании возбужденный квантом света БХФ А отдает свой электрон молекуле-переносчику (первичному акцептору), который находиться здесь же, в реакционном центре. С первичного акцептора электрон по системе электрон-транспортной цепи возвращается в молекулу хлорофилла. В электрон-транспортной цепи на уровне цитохрома С функционирует водородная помпа. Электрон-транспортная цепь состоит из системы переносчиков белковой и небелковой природы, одни из которых переносят водород в атомной форме (например хинон), а другие электрон (цитохром С). Поэтому на уровне цитохрома С происходит функционирование водородной помпы, которая обеспечивает выброс на внешенюю сторону мембраны протонов Н +.. Энергизация мембраны приводит к выбросу 2 протонов и к синтезу 1 молекулы АТФ. Такая система фотоситеза осуществляется у пурпурных бактерий. Недостаток : не происходит синтез восстановителя в виде НАДФ∙Н 2. Нециклический фотосинтез Электрон, отрваный от БХФ А реакционного центра, поступает на первичный акцептор (феридоксин), окислительно-восстановительный потенциал которого ≈ потенциалу возбужденного электрона. С феридоксина электрон поступает на НАДФ, восстанавливая его до НАДФ∙Н2 Для восстановления электронной вакансии в БХФ А реакционного центра используются электроны экзогенного (внешнего) донора. В его качестве чаще всего поступает Н2S. Сероводород, окисляясь ферментными системами микроорганизма, сбрасывает свой электрон на электрон-транспортную цепь, которая располагается в ЦПМ. Здесь также на уровне цитохрома С функционирует водородная помпа, которая приводит к генерации ∆μН. Возвращает 2 Н+ через АТФ-азный комплекс, что также приводит к синтезу АТЯ из АДФ и фосфата. Энергетический баланс: 2hη приводят к синтезу 1 молекулы АТФ и 1 НАДФ∙Н2. Недостаток: есть привязанность микроорганизмов к определенным экологическим нишам – источникам Н2S. Это мешало микроорганизмам выйти за пределы своего ареала и расселиться по всей планете. Такой фотосинтез осуществляют пурпурные и зеленые бактерии. Кислородный фотосинтез Существует у цианобактерийи прохлорофитов, аналогичен фотосинтезу высших организмов. Квант солнечного света, поглощенный молекулой-антенной фотосистемы 2 передаётся в хлорофилл А реакционного центра. Сфокусированная энергия отрывает
электрон от молекулы хлорофилла и этот электрон восстанавливает первичный акцептор Y. Электрон-вакансия хлорофилла фотосистемы 2 заполняется электром воды (экзогенный донор). Потому в реакционном центре 2 происходит реакция: hη _ 4Н2О------→ 2 Н2О +О2 +4Н++ 4 е Mg2+ Одновременно квант солнечного света выбивает электрон из реакционного центра фотосистемы 1. Электрон двигается против электро-химического потенциала восстанавливает первичный акцептор электронов хлорофилл А. С первичного акцептора электрон через систему промежуточных переносчиков (феридоксин и флавопротеин) поступает на НАДФ, двухступенчатое восстановление которого приводит к образованию НАДФ∙Н2. Электрон-вакансия хлорофилла реакционной системы 1 заполняется электроном, выбитым из реакционного центра системы 2. но электрон от первичного акцептора Y в реакционном центре фотосистемы 1 поступает через ЭТЦ. В процессе миграции электронов по ЭТЦ в ней функционируют 2 водородные помпы на уровне цитохрома В и на уровне цитохрома С, что приводит к выбросу 4 протонов, что эквивалентно 2 АТФ. Энергетический баланс : 4 hη→2 АТФ+НАДФ∙Н2
Организация фотосинтетического аппарата разных групп эубактерий: А — пурпурные бактерии; Б — зеленые серобактерии; В — цианобактерии. Хл — хлорофилл; б/хл — бактериохлорофилл; феоф — феофитин; б/феоф — бактериофитин; ФС — фотосистема; FeS — железосеросодержащий белок; Фд — ферредоксин; Фп — флавопротеин; ПХ — пластохинон; MX — менахинон; УХ — убихинон; ПЦ — пластоцианин; b, с, f — цитохромы. Прямоугольниками обведены компоненты реакционного центра, овалом — компоненты электронного транспорта, связанные с мембраной. Двойной стрелкой обозначены перемещения электрона в реакционном центре
Пурпурные бактерии. Одноклеточные организмы разной морфологии, подвижные или неподвижные, размножаются бинарным делением, реже – почкованием. Г -. Развиты системы телакоидов (внутриклеточные мембраны), которые содержат фотосинтетические пигменты; осуществляют как циклический и нециклический фотосинтез (экзогенный донор Н 2S), окислисляя его до S, а потом до SО42-. Но скорость образования S больше, чем скорость образования SO42-. Сера накапливается в виде серных включений, окруженных белковой оболочкой. Несерные либо сразу окисляются Н 2S до SO42-, либо через образование S, но она не накапливется. Пурпурные на ряду с фотосинтезом могут осуществлять брожение и дыхание. Зелёные бактерии хорошо изучены Виноградским. Выделяют зелёные серобактерии и зелёные нитчастые бактерии. Серобактерии: Г-, одноклеточные неподвижные, палочковидной или яйцевидной формы, которые размножаются бинарным делением; строгие анаэробы; осуществляют циклический и нециклический (Н 2S) фотосинтез. Зелёные нитчастые: Г-, одноклеточные, нитчатой формы, подвижные за счет скольжения, факультативные анаэробы, размножаются бинарным делением или за счет отрыва фрагментов нити – трихомы; осуществляют бескислородный фотосинтез(Н2S или органические субсраты). Цианобактерии. Одноклеточные и многоклеточные колониальные формы. Клетки сферические, палочковидные или изогнутые. Многоклеточные имеют нитевидное строение. Некоторые размножаются при помощи множественного деления, некоторые почкованием, бинарым делением, нитчастые – за счет отрыва трихомы. Некоторые цианобактерии могут буть азотфиксаторами. У всех изученных бактерий есть ЦТК, но он разорвн на уровне 2кетоглуторатдегидрогеназы. Энергию получют за счет фотосинтеза или анаэробного дыхания. Фотосинтез – кислородного типа. Прохлорофиты. Осуществляют фотосинтез кислородного типа. Внеклеточные симбионты, которые обитают на поверхности тела морских животных (асцидии). Одноклеточные, коккообразные, размножаются бинарным делением, окружены капсулой (прикрепляются к хозяину). Не удается культивировать в чистом виде, поскольку они облигатно зависят от хозяина. Галобактерии. Развиваются в сильно засоленных средах. Высокотребовательны к содержанию Na2+(≈32%), K+, Mg2+(для поддержания жесткости клеток). Г - аэробные палочки или кокки, подвижные или неподвижные, размножаются бинарным делением, неспорообразующие. Не содержат клеточной стенки. Обитают в условиях повышенной освещенности, поэтому содержат высокую концентрацию каротиноидных пигментов, которые защищают клетки от повышенной радиации (от розового до ярко-красного). Не содержат хлорофилл, осуществляют безхлорофильный фотосинтез. Безхлорофильный фотосинтез У галобактерий в ЦПМ располагается бактериорадопсин, который является светозависимым белком. Этот белок образует тяжей направленных перпендикулярно плоскости мембраны. Это белок ковлентно связанным с каротиноидом-ретиналя (С 20каротиноидный ретиналь). Ретиналь расположен параллельно площади мембраны. Связь между ретиналем и каротиноидом осуществляется через Шифово основание, которое образуется в результате взаимодейсвия альдегидных групп ретиналя и аминогрупп лизинового остатка полипептидной цепи бактериорадопсина. В темноте Шифово основание находиться в протонированой форме. Под действием света происходит изменение конформации белка, которое приводит к выбросу Н + на внешнюю сторону мембраны. У галобактерий функционирует бактериорадопсиновая водородная помпа, которая приводи к энергизации мембраны и генерации мембранного потенциала. Энергетический баланс: 2hη света→2H+, возвращение которых через АТФ-азный комплекс обеспечивает ситез АТФ из АДФ и фосфата. Галобактерии имеют сложные пищевые потребности. Как источник углерода используют аминокислоты. Галобактерии осуществляют дыхание. Оно является основным механизмом, который обеспечивает клетку энергией, а фотосинтез является альтернативным путём получения энергии. У галобактерий известно и анаэробное дыхание (в частности нитратное).
Конструктивный механизм метаболизма фотосинтезирующих бактерий Все фототрофные микроорганизмы за исключением галобактерий являются автотрофами, которые в качестве источника углерода используют СО 2 из атмосферы. Фиксация карбона осуществляется из СО 2 с помощью цикла Кальвина. У зелёных бактерий имеется цикл Арнона. Суть цикла: Н2СО3 фиксирутся в 4 ферментативных реакциях. Акцептором являются органические кислоты разной степени окисленности. При этом участвуют ферридоксин-восстановительный НАДФ∙Н 2, АТф, которые образуются в процессе фотосинтеза. Таким образом 4 молекулы СО2 , 10 Н+ и 3 молекулы АТФ дают нам С4соединения ЩУК.
Восстановительный цикл трикарбоновых кислот. Цикл Кальвина более сложный механизм образования углеводов (С 6-соединений). В цикле Кальвина акцептором СО2 является рибулоза-1,5-дифосфат, который образуется в результате окислительного пентозофосфатного пути. Акцептирование СО 2 осуществляется ферментом рибулозофосфатнкарбоксилазой (образуется 2,3-фосфат-глицериновая кислота (С3-соединение), которая через цепь восстановительных реакций, которые соответствуют обратному гликолизу, дают нам глюкозу). Все остальные реакции цикла, которые располагаются справа необходимы для клетке для регенерации первичного акцептора СО 2. Таким образом, в результате 6 оборотов цикла из 6 молекул СО 2 при участии 18 АТФ и 12 НАД∙Н2 образуется молекула глюкоза.
Восстановительный пентозофосфатный цикл: Ф1 — рибулозодифосфаткарбоксилаза; Ф2 — 3-фосфоглицераткиназа; Ф3 — 3-ФГА-дегидрогеназа; Ф4 — триозофосфатизомераза; Ф5 — фруктозо-1,6-дифосфатальдолаза; Ф6 — 1,6фосфофруктозофосфатаза; Ф7 — глюкозофосфатизомераза; Ф8 — глюкозо-6-фосфатаза; Ф9 — транскетолаза; Ф10 — альдолаза; Ф11 — дифосфатаза; Ф12 — фосфопентозоизомераза; Ф13 — фосфопентозоэпимераза; Ф14 — фосфорибулокиназа. Цифры, заключенные в кружок обозначают число молекул, участвующих в реакциях (по Dagley, Nicholson, 1973) Типы жизни, основанные на окислительном фосфорилировании В результате жизнедеятельности микроорганизмов, осуществляется кислородный фотосинтез, в атмосфере накопился кислород, и атмосфера из восстановительной превратилась в окислительную. Взаимоотношения анаэробных организмов с О 2 шли по 2 направлениям. Одни микроорганизмы ушли с места обитания без кислорода и эти микроорганизмы сохранили черты метаболизма докислородного типа (брожеия). Другие микроорганизмы вырабатывают адапционые механизмы, которые позволили научиться использовать окислитель – активный кислород для извлечеия полной энергии. Заключенной в субстрате. Первые аэробные микрооргаизмы появились в тот период, когда С(О 2)=0,2%. Какие же механизмы возникли в то время, чтобы преодолеть токсичное действие О2? У первых аэробных микроорганизмов появился каталаза – фермент, расщепляющий перекись водорода до воды и кислорода; пероксидаза – фермент, который расщепляет перекись при участии субстрата: Н2А + Н2О2→2 Н2О + А
Появились защитные механизмы, которые позволяли тушить синглетный кислород ( в норме кислород триплетный). Тушение синглетого кислорода осуществляется при помощи каротиноидных пигментов. Появились и ряд других ферментов, которые позволяют инактивировать кислород и его производные. В плане реализации ІІ задачи ( наибольший эффективность использования кислорода) у микроорганизмов появилась система, которая позволяла полностью отщепить О2 и провести полное декарбоксилирование субстрата. Появился цикл трикарбоновых кислот (ЦКТ) –эта совокупность реакций обеспечивает дегидрирование и декарбоксилирование для большего извлечения энергии в этом веществе. Появилась дыхательная цепь, которая состоит из системы переносчиков, обеспечивающих перенос протонов Н+ с субстрата на акцептор О2. В результате функционирования дыхательной цепи образуется Н2О. В процессе транспорта протон по цепи сформировался механизм, который обеспечивает эфективный трансформацию энергии восстановителя (Н + или электрона) в энергию химической связи в АТФ. На этом этапе сформировался механизм синтеза АТФ – окислительное фосфорилирование. Процесс дыхательной цепи у микроорганизмов разнообразен по своему конечному результату и механизму. У микроорганизмов в отличие от эукариотов существуют 2 типа дыхания: аэробное и анаэробное. Имеется разновидность аэробного дыхания – неполное окисление. Аэробное дыхание Весь биохимический механизм можно разделить на 3 этапа: 1. Гликолиз С6→2С3+2 АТФ +2НАДФ∙Н2 2. Окислительное декарбоксилирование пирувата 2С3→2С2+ 2 СО2+ 2 НАДФ∙Н2 3. Цикл трикарбоновых кислот Итог - энергетический баланс: 3 НАДФ∙Н2×2= 3 АТФ ФАД∙Н2×2= 2 АТФ ГТФ×2=АТФ 18 АТФ+ 4 АТФ+ 2 АТФ =38 АТФ
Цикл трикарбоновых кислот и глиоксилатный шунт: Ф1 — цитратсинтаза (конденсирующий фермент); Ф2 — аконитаза; Ф3 — изоцитратдегидрогеназа; Ф4 — a-кетоглутаратдегидрогеназа; Ф5 — сукцинилтиокиназа; Ф6 — сукцинатдегидрогеназа; Ф7 — фумараза; Ф8 — малатдегидрогеназа; Ф9 — изоцитратлиаза; Ф10 — малатсинтетаза. Включение углеродных атомов ацетильного остатка в молекулу лимонной кислоты помечено звездочками. Пунктирными линиями изображены реакции глиоксилатного шунта
Цикл трикарбованых кислот ЦКТ является механизмом, который с одной стороны лежит в основе как аэробных микроорганизмов, так и некоторых анаэробных микрооргаизмов; он позволяет микроорганизмам обеспечивать расщепление субстрата, а с другой стороны ЦТК обеспечивает конструктивный метаболизм промежуточными соединениями (метаболитами),
которые используют в синтезе различных соединений. Так например: α-кетоглутаровая кислота используется на синтез глутаминовой кислоты, аргинина, пролина. ЩУК лежит в основе синтеза ряда аминокислот. Роль ЦТК в энергетическом метаболизме. В процессе дыхания ацетил-КоА продукт реакции ІІ этапа конденсируют ЩУК с образованием С6-соединения лимонной кислоты (первый продукт ЦТК). Лимонная кислота под действием фермента акнонитазы сначала ферментативно превращается в цис-Апонитовую кислоту, а потом в изо-лимонную кислоту, которая превращается в щавлево-янтарную кислоту (с помощью изоцитрат-дегидрогеназа). На этом этапе происходит отщепление 2 атомов Н∙ из изолимонной кислоты и переносит их на простетическую группу кофермета данного фермета, образуется НАДФ∙Н 2. ЩЯК под действием того же фермета подвергается декарбоксилированию с образованием αкетоглутаровой кислоты и СО2. α-кетоглутаровая кислота в присутствии αкетоглутаратдегидрогеназы подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием сукцинил-КоА, СО2 и НАД∙Н2. На этом этапе происходит полное декарбоксилирование глюкозы. Сукцинил-КоА под действием фермента сукцинилтиокиназы трансформируется в янтарую кислоту. На этом этапе имеет место единственное субстратное фосфорилироваие, которое приводит к образованию ГТФ (эквивалент АТФ). Суцинат подвергается дегидрированию сукцинатдегидрогеназой, образуется фумаровая кислота и ФАД∙Н2. Фумаровая кислота переходит в яблочную (малат) ферментативно. Яблочная кислота атакуется дегидрогеназой и реакция регенерирует ЩУК и образуется НАД∙Н2. Внутри этого цикла функционирует глиоксалатный шунт, который приводит к более быстрому регенерированию ЩУК . Функционироваие этого шунта имеет место в молодой быстрорастущей культуре, у которой происходит отток ЩУК на биосинтетические нужды. Внутри этого цикла при функционировании глиоксалатного шунта изолимонная кислота под действием изоцитрат-лиазы распадается на С2-соединение-глиоксиловую кислоту и С4-соединение-янтарную кислоту. Янтара кислота включается в ЦТК и через 3 ферментативные реакции превращается в ЩУК. С 2-соединение – глиоксиловая кислота поде действием фермента малат-синтетазы конденсирует с С2-соединением - Ацетил-КоА (продукт 2 этапа дыхания), что приводит к образованию яблочной кислоты, которая превращается в ЩУК. Большинство реакций ЦТК могут идти в обратном направлении (анаплеротические реакции). Эти реакции не связаны с энергетическим метаболизмом, а работают на конструктивый метаболизм. Общая формула дыхания: С6Н12О6+6О2=6СО2+6Н2О+38 АТФ Дыхательная цепь Н2 с восстановленных переносчиков НАД, НАДФ, ФАД, которые образуются при окислении глюкозы на всех этапах дыхания поступает в дыхательную цепь (ДЦ). ДЦ это система белковых и небелковых переносчиков, которые располагаются в липидной части ЦПМ. Для них характерно: структурно и функционально связанны друг с другом (локализованы в ЦПМ, все переносчики располагаются друг за другом согласно своему окислительно-восстановительному потенциалу). Конечным акцептором является О 2. В суктуру ДЦ входят 3 главных класса окислительно-восстановительных ферментов: пиримидин-, флавинзависимые дегидрогеназы, цитохромы. Кроме ферментов в структуре ДЦ имеются переносчики (2 группы) не обладающие ферментативной активностью – это FeSбелки (имеют железо-серные центры), которые имеют белковую компоненту и хиноны (небелковые вещества) в своей стуктуре. Пиримидинзависимые дегидрогеназы – это ферменты, в составе кофермента содержащие НАД или НАДФ. В бактериальной клетке обнаружены более 250 разновидностей – это свидетельствует о том, что микроорганизмы содержат свои видоспецифические ферменты этого класса. Пиримидинзависимые дегидрогеназы находятся в различной степени связанности с ЦПМ ( их главной функцией является отщепление Н 2 от субстрата и доставка на І акцептор ДЦ). Флавинзависимые дегидрогеназы – это ферменты, в качестве простетической группы содержащие ФАД или ФМН, эта группа дегидрогеназ очень плотно связана с ЦПМ. Их основное назначение – перенос Н∙ с пиримидинзависимых дегидрогеназ на FeS-белки (или
другие следующие за ними по цепи переносчики). Важными ФДГ является сукцинат дегидрогеназа, в структуру которой входит ФАД, а также НАД∙Н2 дегидрогеназа – первый акцептор ДЦ, в структуру которого включен ФМН. Первые дегидрогеназы переносят Н 2 в атомарной форме. FeS-белки. Имеют белковую компоненту и в зависимости от своего строения могут переносить1-2 электрона, что связано с изменением валентности железа в составе молекулы. Хиноны – это жирорастворимые соединения, которые могут осуществлять обратимые окислительно-восстановительные реакции за счет присоединения 2 атомов Н∙. Наиболее распространен убихинон. Цитохромы – это белки-ферменты, которые в своей структуре содержат порфириновые простетические группы – геммы. Цитохромы осуществляют перенос электронов. Обнаружены несколько групп этих молекул: в, с, а, о,которые отличаются друг от друга своим окислительно-восстановительным потенциалом. Последним цитохромом ДЦ, который обеспечивает переброс электрона на О2, называется цитохромоксидазой. Образование воды имеет место при передаче на О2 4Н∙ и образование Н2О2 при переносе 2Н∙. У микроорганизмов разных групп имеются индивидуальные наборы переносчиков ДЦ. Главное отличие касается прежде всего природы ПДГ, во-вторых, различия могут быть на уровне хинонов. Помимо убихинона у микроорганизмов может быть менохинон. Также различия могут касаться терминального участка ДЦ – цитохромов. У одних микроорганизмов цитохромоксидаза может быть а , у других о, у некоторых микроорганизмов может отсутствовать цитохром с. Функционирование ферментов дыхательной цепи Окислительное фосфорилирование ПДГ сбрасывает 2 атома Н∙ с НАД∙Н2 на І акцептор ДЦ - НАД∙Н2-дегидрогеназу. Которая в структуре своей содержит ФМН.
Схема переноса электронов в дыхательной цепи митохондрий: ФМН — простетическая группа НАД(Ф)-H2 — дегидрогеназы; ФАД — простетическая группа сукцинатдегидрогеназы; УХ — убихинон; b, c, с1, а, a3 — цитохромы. Сплошными линиями обозначены процессы, протекающие в мембране; прерывистыми — в цитозоле клетки; зигзагообразной линией показаны места действия ингибиторов
НАД∙Н2-дегидрогеназа переносит водород на FeS-белок. Но FeS-белок может быть восстановлен электроном, поэтому на уровне НАД∙Н 2-дегидрогеназы функционирует первая водородная помпа, которая приводит к разделению водорода на 2 восстановительных эквивалента на Н+ и электрон. Н+ переносится на внешнюю сторону мембраны, а электрон восстанавливает FeS-белок. Следующими по цепочке являются хиноны, переносящиеся или восстанавливающиеся водородом, поэтому на внешней стороне мембраны происходит объединение восстановленных эквивалентов (электрона и протона – получаем атомарный водород), что и восстанавливает хинон. С хинонов восстановленный эквивалент передаётся на цитохром в, переносящий электроны, поэтому на уровне хинона функционирует вторая водородная помпа, которая приводит к выбросу Н + на внешнюю поверхность мембраны и энергизацию мембраны. Восстановленный электроном цитохром в переносит электрона на гипотетический переносчик Z, природа которого
Топография компонентов дыхательной цепи митохондрий: ФМН — простетическая группа НАД(Ф)-H2-дегидрогеназы; ФАД — простетическая группа сукцинатдегидрогеназы; FeS — железхеросолержащий белок; b, c1, c, a, a3 — цитохромы. остается неизвестной, но этот переносчик должен восстанавливать Н 2 в атомарной форме, поэтому на внешней стороне мембраны происходит объединение электрона и протона и получается атомарный водород, восстанавливающий гипотетический переносчик Z. С него восстановитель передается на цитохром с, который способен переносить только электроны, поэтому на уровне цитохрома с функционирует треться водородная помпа, которая приводит к выбросу протона на внешнюю сторону мембраны. С цитохрома с электрон поступает на цитохром а, где происходит объединение протона с электроном. Атомарный водород восстанавливает кислород на внутренней части мембраны и образуется либо перекись, либо вода. Таким образом, при сбрасывании 2 водородных атомов с ПДГ в ДЦ функционирование 3 водородных помп приводит к выбросу 6Н +, которые на внешней стороне мембраны обеспечивают ей суммарный положительный заряд. Внутренняя часть мембраны несёт суммарный отрицательный заряд. Согласно теории Митчелла это приводит к генерации мембранного потенциала ∆μН. Как только значение мембранного потенциала достигает 0,2В происходит разрядка или диссипация мембраны и Н + возвращается внутрь клетки. Возвращение 6Н+ обеспечивает синтез 3 молекул АТФ. ФДГ (сукцинатдегидрогеназа, которая функционирует в ЦТК) согласно окислительновосстановительному потенциалу сбрасывает водород на уровне хинона, поэтому миграция 2 атомов водорода (2 электронов) обеспечивает в ДЦ выброс 4 протонов, поскольку на участке от хинона до кислорода функционируют 2 водородных помпы, таким образом, окисление ФАД∙Н2 эквивалентно синтезу 2 молекул АТФ.
АТФазный комплекс АТФаза является полиферментативным комплексом, который располагается в ЦПМ и является трансмембранным комплексом. Имеет сложное строение, состоит из 2 компонентов: F0 и F1. F0 состоит из 3 белковых субъединиц а, в, с и обеспечивает трансмембранный канал. Через который возвращается протон на внутреннюю сторону мембраны. F1 – каталитический центр фермента, состоит из 5 субъединиц α, β, γ, δ, ε. Согласно первой гипотезе, энергия мембранного потенциала затрачивается на присоединение фосфата к АДФ. Согласно второй гипотезе, образование АТФ происходит без затрат энергии, а энергия мембранного потенциала расходуется на перенос АДФ и фосфата в каталитический центр F1. АДФ3+ + РО43-+2Н+→АТФ+Н2О АТФазный комплекс обладает двойственной функцией: наряду с АТФ-синтетазной активностью этот комплекс может работать как АТФ-гидролаза: она расщепляет АТФ с образованием АДФ, фосфата, что сопровождается распадом Н 2О и 2 протона перебрасываются на внешнюю сторону мембраны. Таким образом, АТФ-гидролаза работает в качестве 4 водородной помпы в системе ЦПМ. Амонификаторы в качестве субстрата используют белки или аминокислоты. Белки как полимерные молекулы вне клетки расщепляются на пептиды протеолитическими ферментами, которые внутри клетки расщепляются в дальнеёшем до аминокислот. Далее превращение возможно по двум направлениям: с одной стороныв конструктивном метаболизме аминокислоты включаются в структуру белков; с другой стороны аминокислоты служат основным материалом как источник энергии. В этом случае аминокислоты подвергаются дезаминированию и азот выделяется в виде неорганического восстановителя – аммиака, при этом часть аминокислот после дезаминирования (аланин, аспаргин, глутаминовая кислота) образуют α-кетокислоты (пировиноградная, α-кетоглутаровая, ЩУК), которые включаются в соответствующие участки ЦТК, но большинство аминокислот подвергается превращениям с образованием соединений, которые включают гликолиз или альтернативные ему механизмы, либо на уровне второго этапа аэробного дыхания (образуется Ацетил-КоА). Например, распад L-лейцина приводит к образованию Ацетил-КоА – исходного субстрата ЦТК. Амонифицирующие микроорганизмы помимо белков могут катаболизировать сахара и органические кислоты, которые они предпоситают белкам. Амонификаторов, облигатно использующих белки, немного, в основном это Г+ спороорбразующие палочки р. Bacillus. Целлюлозные бактерии используют в качестве субстрата целлюлозу – вещество полисахаридной природы, имеют целый комплекс целлюлолитических ферментов, которые позволяют расщепить целлюлозу до глюкозы, а она включается в основной метаболизм. К разложению целлюлозы способны большая группа Прокариот – Актиномицеты. Они имеют мощный комплекс целлюлолитических ферментов.
Анаэробное дыхание У микроорганизмов очень пластичный метаболизм. Анаэробное дыхание – это процесс, при котором конечным акцептором электроном являетсяне кислород, а другой органический или неорганический субстрат. Неполное окисление – еще один механизм – разновидность аэробного дыхания, но продукты сами по себе богаты энергией, поэтому энергетический выход неполного окисления меньше, чем при аэробном дыхании. Анаэробное дыхание. В процессе биохимической эволюции возник такой тип метаболизма, который позволил микроорганизмам переносить электрон в дыхательной цепи в безкислородных условиях. В результате такого безкислородного процесса обеспечивался синтез АТФ по механизму окислительного фосфорилирования. Безусловно, что такое анаэробное дыхание позволяло извлекать энергии в гораздо большем объеме , чем при
брожении. У анаэробно дышащих микроорганизмов существует ДЦ и ЦТК. В зависимости от природы конечного акцептора ДЦ различают следующие виды: Энергетический процесс
Конечный акцептор электронов
Продукты восстановления
Нитратное дыхание и денитрификация
NO3–, NO2–
NO2–, NO, N2O, N2
Сульфатное и серное дыхание
SO42–, S0
H2S
Карбонатное дыхание
CO2
ацетат
Фумаратное дыхание
Фумарат
сукцинат
К анаэробному дыханию способны не только облигатные анаэробы, но и факультативные микроорганизмы, которые в аэробной среде осуществляют аэробное дыхание, а в анаэробной среде – анаэробное. Так в анаэробной среде у таких микроорганизмов в отсутствии кислорода происходит изменение направления восстановительных эквивалентов (протона, электона и атомарного водорода) с кислородом на из перечисленных акцепторов, так например, микроорганизмы, которые осуществляют нитратное дыхание имеют разветвление дыхательной цепи на уровне цитохрома в: НАД→ФАД+Q→цитохром в→с →а →О2 нитроредуктаза NO3Фермент, который перебрасывает электрон (восстановительный эквивалент) на неорганический субстрат – редуктаза. Нитратное дыхание. При нитратном дыхании 1 из продуктов – нитрит, который накапливается в культуральной жидкости, питьевой воде. Поступление нитритов в организм вызывает заболевание – цианоз. Ионы нитрита связываются с гемоглобином и препятствуют переносу кислорода. Сульфатное дыхание. Осуществляется сульфатредуцирующими бактериями р. Desulfovibrio и Desulfotomaculum. Эти микроорганизмы – основная группа микроорганизмов, потребляющих Н2S, образуемый в природе и способствуют отложению суьфид минералов в природе. Накопление сероводорода в водоёмах отрицательно влияет на флору и фауну, приводит к их гибели. Серное дыхание приводит к образованию сероводорода как конечного акцептора дыхательной цепи. Карбонатное дыхание. Осуществляют архебактерии-метанообразующие. Акцептор электрона – СО2, а окисленный продукт Н2. В качестве супстрата используют навоз и получают биогаз и биоудобрения. Железное дыхание. Осуществляют почвенные бактерии в анаэробной среде. Соли Fe3+ должны проникнуть внутрь клетки. У этих бактерий есть переносчики – сидерофоры, которые переводят железо в растворимую форму. Фумаратное дыхание. Осуществляют хемоорганотрофные анаэробные бактурии. Фумарат восстанавливается до сукцината. Неполное окисление Неполное окисление – исключительно аэробный процесс, АТФ-окислительное фосфорилирование. Конечные продукты неполностью окислены, то есть сами по себе содержат достаточно большой запас энергии ( фумаровая кислота, уксусная кислота) продукты напоминают брожение. Инода процесс называют окислительное брожение. Все микроорганизмы имеют полноценную дыхательную цепь и конечным акцептором является О2 Усксусно-кислое брожение (неполное окисление). Осуществляют уксусно-кислые бактерии- Г-, неспороорбразующие палочки, подвижные за счет перетрихиально или полярно
расположенных жгутиков. Есть неподвижные. Строгие (иногда факультативные) аэробы. Объединены в р.Acetomonas (Gluconobacter), Acetobacter. Все микроорганизмы нуждаются в сложных питательных средах, в определенных витаминах. В качестве исходного энергетическоо продукта используют спирты этиловый, глицерол, глюконовый). Переводят их в уксусную кислоту, глицериновую, глюконовую. Процесс идёт в две стадии: СН3 – СН2 – ОН + НАД+→СН3СНО+НАД∙Н2 СН3СНО+НАД+ +Н2О→СН3СООН+НАД∙Н2 Ацетомонас – 6 АТФ из 1 молекулы этилового спирта Ацетобактер – 18 АТФ Микроорганизмы рода ацетомонас накапливают уксусную кислоту в культуральной жидкости до тех пор, пока в среде есть спирт, который они окисляют. Как только спирт утилизируется полностью из среды, микроорганизмы используют уксусную кислоту как энергетический субстрат , включая ее в ЦТК, который у этих микроорганизмов функционирует полноценно. Процесс утилизации уксусной кислоты до СО 2 и Н2О проходит по типу аэробного дыхания. Хемолитотрофные микроорганизмы В качестве источника энергии используют неорганические вещества. Известно групп Прокариот, которые окисляют 5 элементов : Н, S, N, Fe, C, Sb. Получеие энергии происходит в результате дыхания, так как конечный акцептор электронов в ДЦ является кислород, и лишь немногие могут получать энергию за счет анаэробного дыхания. Так как всем необходим Карбон, то подавляющее большинство микроорганизмовлитотрофов являются хемолитотрофами, используют СО 2 воздуха, который фиксируется в цепи Кальвина. Имеют полноценную ДЦ. Разнообразность наблюдается на начальных участках энергетического метаболизма, так как для окисления неорганических соединений, связанных с получением энергии, необходима соответствующая ферментативная система. Используют в качестве доноров электронов неорганические соединения различного окислительно– восстановительного потенциала. Это определяет место включения электрона в ДЦ из окисляемого субстрата. При окислении Н2 происходит восстановление НАД+ ( первичного акцептора ДЦ), при окислении S, Fe, N, электрон сбрасывается на терминальный участок ДЦ на уровне цитохрома. То что электрон сбрасывается на цитохромы порождает 2 проблемы хемолитотрофных микроорганизмов: 1. Связана с тем, что получать незначительную порцию энергии в виде АТФ. Эта проблема решена за счет увеличения скорости окисления субстрата. 2. Включение электрона в терминальной части ДЦ не позволяет микроорганизмам получать восстановитель НАД∙Н2, который необходим для биосинтетических нужд. Эта проблема решена за счет обратного переноса электрона на НАД∙Н 2 по ДЦ против электрохимического потенциала. Обратный перенос электрона сопровождается затратой АТФ. Энергия АТФ микроорганизмов используется на биосинтетические процессы, в том числе и на фиксацию СО2 в цикле Кальвина.
ВИРУСОЛОГИЯ Вирусология — наука о вирусах — микроскопических надмолекулярных созданиях природы, которые являются своеобразной паразитической формой жизни. Общая вирусология изучает природу вирусов, их строение, размножение, биохимию, генетику. Медицинская, ветеринарная и сельскохозяйственная вирусология исследует патогенные вирусы, их инфекционные свойства, разрабатывает меры предупреждения, диагностики и лечения вызываемых ими заболеваний. Вирусология решает фундаментальные и прикладные задачи и тесно связана с другими науками. Открытие и изучение вирусов, в частности бактериофагов, внесло огромный вклад в становление и развитие молекулярной биологии. Раздел вирусологии, изучающий наследственные свойства вирусов, тесно связан с молекулярной генетикой. Вирусы не только предмет изучения, но и инструмент молекулярно-генетических исследований, что связывает вирусологию с генетической инженерией. Вирусы — возбудители большого количества инфекционных заболеваний человека, животных, растений, насекомых. С этой точки зрения вирусология тесно связана с медициной, ветеринарией, фитопатологией и другими науками. Возникнув в конце XIX века как ветвь патологии человека и животных, с одной стороны, и фитопатологии — с другой, вирусология стала самостоятельной наукой, по праву занимающей одно из основных мест среди биологических наук. Вирусология — молодая наука, ее история насчитывает немногим более 100 лет. Начав свой путь как наука о вирусах, вызывающих болезни человека, животных и растений, в настоящее время вирусология развивается в направлениях изучения основных законов современной биологии на молекулярном уровне, основываясь на том, что вирусы являются частью биосферы и важным фактором эволюции органического мира. ИСТОРИЯ ВИРУСОЛОГИИ История вирусологии необычна тем, что один из ее предметов — вирусные болезни — стал изучаться задолго до того, как были открыты собственно вирусы. Начало истории вирусологии — это борьба с инфекционными заболеваниями и только впоследствии — постепенное раскрытие источников этих болезней. Подтверждением тому служат работы Эдуарда Дженнера (1749-1823 гг.) по предупреждению оспы и работы Луи Пастера (18221895 гг.) с возбудителем бешенства. К концу XIX-го столетия выяснилось, что целый ряд заболеваний человека, таких как бешенство, оспа, грипп, желтая лихорадка являются инфекционными, однако их возбудители не обнаруживались бактериологическими методами. Благодаря работам Роберта Коха (1843-1910 гг.), который впервые использовал технику чистых бактериальных культур, появилась возможность различать бактериальные и небактериальные заболевания. В 1890 г. на X конгрессе гигиенистов Кох вынужден был заявить, что «…при перечисленных болезнях мы имеем дело не с бактериями, а с организованными возбудителями, которые принадлежат к совсем другой группе микроорганизмов». Это высказывание Коха свидетельствует, что открытие вирусов не было случайным событием. Не только опыт работы с непонятными по своей природе возбудителями, но и понимание сущности происходящего способствовали тому, что была сформулирована мысль о существовании оригинальной группы возбудителей инфекционных заболеваний небактериальной природы. Оставалось экспериментально доказать ее существование. Первое экспериментальное доказательство существования новой группы возбудителей инфекционных заболеваний было получено нашим соотечественником — физиологом растений Дмитрием Иосифовичем Ивановским (1864-1920 гг.) при изучении мозаичных
заболеваний табака. Это неудивительно, так как инфекционные заболевания эпидемического характера часто наблюдались и у растений. Еще в 1883-84 гг. голландский ботаник и генетик де Фриз наблюдал эпидемию позеленения цветов и предположил инфекционную природу заболевания. В 1886 г. немецкий ученый Майер, работавший в Голландии, показал, что сок растений, больных мозаичной болезнью, при инокуляции вызывает у растений такое же заболевание. Майер был уверен, что виновником болезни является микроорганизм, и безуспешно искал его. В 19 веке заболевания табака наносили огромный вред сельскому хозяйству и в нашей стране. В связи с этим, для изучения заболеваний табака на Украину была направлена группа исследователей, в которую, будучи студентом Петербургского университета, входил Д.И. Ивановский. В результате изучения заболевания, описанного в 1886 г. Майером как мозаичная болезнь табака, Д.И. Ивановский и В.В. Половцев пришли к выводу, что оно представляет собой два различных заболевания. Одно из них — «рябуха» — вызывается грибком, а другое — неизвестного происхождения. Изучение мозаичной болезни табака было продолжено Ивановским в Никитском ботаническом саду под руководством академика А.С. Фамицина. Используя сок пораженного болезнью листа табака, профильтрованный через свечу Шамберлана, задерживающую самые мелкие бактерии, Ивановский вызвал заболевание листьев табака. Культивирование зараженного сока на искусственных питательных средах не дало результатов и Ивановский приходит к выводу, что возбудитель болезни имеет необычную природу — он фильтруется через бактериальные фильтры и не способен расти на искусственных питательных средах. Прогревание сока при 60-70 °C лишало его инфекционности, что свидетельствовало о живой природе возбудителя. Ивановский сначала назвал новый тип возбудителя «фильтрующиеся бактерии». Результаты работы Д.И. Ивановского были положены в основу его диссертации, представленной в 1888 г., и опубликованы в книге «О двух болезнях табака» в 1892 году. Этот год и считается годом открытия вирусов. Определенный период времени в зарубежных публикациях открытие вирусов связывали с именем голландского ученого Бейеринка (1851-1931 гг.) который также занимался изучением мозаичной болезни табака и опубликовал свои опыты в 1898 г. Профильтрованный сок зараженного растения Бейеринк поместил на поверхность агара, проинкубировал и получил на его поверхности бактериальные колонии. После этого верхний слой агара с колониями бактерий был удален, а внутренний слой был использован для заражения здорового растения. Растение заболело. Из этого Бейеринк сделал вывод, что причиной заболевания являются не бактерии, а некая жидкая субстанция, которая могла проникнуть внутрь агара, и назвал возбудителя «жидкий живой контагий». В связи с тем, что Ивановский только подробно описал свои опыты, но не уделил должного внимания небактериальной природе возбудителя, возникло недопонимание ситуации. Известность работы Ивановского приобрели только после того, как Бейеринк повторил и расширил его опыты и подчеркнул, что Ивановский впервые доказал именно небактериальный характер возбудителя самой типичной вирусной болезни табака. Сам Бейеринк признал первенство Ивановского и в настоящее время приоритет открытия вирусов Д.И. Ивановским признан во всем мире. Слово ВИРУС означает яд. Этот термин применял еще Пастер для обозначения заразного начала. Следует отметить, что в начале 19 века все болезнетворные агенты назывались словом вирус. Только после того, как стала понятна природа бактерий, ядов и токсинов терминами «ультравирус», а затем просто «вирус» стали обозначать «новый тип фильтрующегося возбудителя». Широко термин «вирус» укоренился в 30-е годы нашего столетия. Вирусы − уникальный класс, мельчайший класс инфекционных агентов, которые проходят через бактериальные фильтры и отличаются от бактерий по своей морфологии, физиологии и способу размножения. Вирусы − внеклеточные формы жизни, надцарство Безядерных (аккариоты), царство Вира.
В настоящее время ясно, что вирусы характеризуются убиквитарностью, то есть повсеместностью распространения. Вирусы поражают представителей всех царств живого: человека, позвоночных и беспозвоночных животных, растения, грибы, бактерии. ПРИРОДА ВИРУСОВ 1. Вирусы – внеклеточная форма жизни. 2. Вирусы − мельчайшие инфекционные агенты 3. Вирусы являются облигатными паразитами (м/о риккетсии и хламидии), но паразитизм вирусов отличается от паразитизма бактерий, потому что вирусы – облигатные паразиты на генетическом уровне. Вирусная частица, попадая внутрь клетки, заставляет геном клетки работать на себя, а бактериальный паразитизм – это паразитизм на метаболическом уровне. 4. Способ размножения. Вирусы не размножаются делением, размножение вирусов – репродукция – сборка отдельных вирусных компонент в вирусную частицу. 5. Вирусы встречаются в природе в двух состояниях: вне клетки вирусная частица находится в форме вириона – структуры вируса, в которой можно обнаружить все основные вирусные компоненты; внутри клетки вирус находится в вегетативной форме – это реплецирующаяся вирусная нуклеиновая кислота. 6. Вирусы не могут размножаться на обычных питательных средах, а только - в клетках, тканях или организмах. 7. Химический состав. Вирусная частица имеет белковую оболочку – белок, один тип нуклеиновой кислоты , либо РНК, либо ДНК, а также – зольный компонент. Сложно устроенные вирусы имеют ещё капсиды и углеводы. 8. Структура нуклеиновой кислоты (НК). НК вирусов (РНК или ДНК) являются хранителями генетической информации. У вирусов встречаются атипичные формы НК – двухцепочечные РНК и одноцепочечные ДНК. 9. Вирусные частицы не растут. РАЗМЕРЫ ВИРУСОВ Вирусы – мельчайшие агенты, 10-350 нм (0,01-0,35 мкм). Они не видны в обычный световой микроскоп, и для определения размера вирусов используют различные методы: 1. фильтрация через фильтры с известной величиной пор; 2. определение скорости осаждения частиц при центрифугировании; 3. фотографирование в электронном микроскопе. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВИРУСОВ Вирусы имеют три основных компонента: белок, НК, зольный компонент. 1.
Белок Белки построены из аминокислот (а/к) L-ряда. Все а/к тривиальной природы, как правило, в структуре преобладают нейтральные и кислые дикарбоновые кислоты. В составе сложных вирусов имеются основные гистоноподобные белки, связанные с НК, для стабилизации структуры и для увеличения антигенной активности. Все вирусные белки делятся на: структурные – формируют белковую оболочку – капсид; функциональные – белки ферменты, часть белков ферментов находятся в структуре капсида, этими белками связана ферментативная активность и способность вируса проникать внутрь клетки (например, АТФаза, сиалаза – неиромеидаза, которые встречаются в структуре вируса человека и животных, а также лизоцим). Капсид состоит из длинных полипептидных цепей, что могут состоять из одного или нескольких белков с маленькой молекулярной массой. В структуре полипептидной цепи различают химическую, структурную и морфологическую единицы. Химическая единица – это отдельный белок, формирующий полипептидную цепь. Структурная единица – это повторяющаяся единица в структуре полипептидной цепи.
Морфологическая единица – это капсомер, который наблюдается в структуре вируса, что видна в электронном микроскопе. Белки вирусного капсида имеют ряд свойств: они устойчивы к протеазам и причина устойчивости в том, что белок организован так, что пептидная связь, на которую действует протеаза, спрятана внутрь. В такой устойчивости большой биологический смысл: так как вирусная частица собирается внутри клетки, где высока концентрация протеолитических ферментов. Такая устойчивость предохраняет вирусную частицу от разрушения внутри клетки. Вместе с тем, эта устойчивость вирусной оболочки к протеолитическим ферментам теряется в момент прохождения вирусной частицы через клеточные покровы, в частности через ЦПМ. Предполагают, что в процесс транспортировки вирусной частицы через ЦПМ, происходят изменения конформационной структуры и пептидная связь становится доступной для ферментов. Функции структурных белков: - защитная (предохраняют НК, которая расположена внутри капсида); - некоторые белки капсиды несут адресную функцию, что рассматривается как рецепторы вирусов, с помощью которых вирусная частица прикрепляется на поверхности специфических клеток; - в составе вирионов обнаружен внутренний гистоноподобный белок связанный с НК, который обладает антигенной функцией и ещё участвует в стабилизации НК. Функциональные белки-ферменты связанные с капсодом: - сиалаза-неиромиедаза. Обнаружен в вирусах животных и человека, облегчает выход вирусной частицы из клетки и делает дырку (плешь) в вирусных структурах; - лизоцим. Структурно связан с вирусной частицей, разрушает β-1,4-гликозидную часть в муреиновом каркасе и облегчает проникновение НК бактериофага внутрь бактериальной клетки. АТФаза. Встроен в структуру бактериофага и некоторых вирусов человека и животных клеточного происхождения. Функции изучены на примере бактериофагов, с помощью АТФазы происходит гидролиз АТФ, которые интеркалированы в структуру вируса и имеют клеточное происхождение, выделяющаяся энергия расходуется сокращение хвостового отростка, это облегчает транспортировку НК внутрь бактериальной клетки. 2. Нуклеиновые кислоты (НК) Молекулярная масса вирусной ДНК колеблется 106-108 Д, а РНК – меньше 106-107 Д. НК вирусов в 10 раз меньше, чем НК самых мелких клеток. Количество нуклеотидов в ДНК варьирует от нескольких тысяч до 250 тысяч нуклеотидов. 1 ген – 1000 нуклеотидов, это означает, что в структуре вирусов встречается от 10 до 250 генов. В состав НК наряду с пятью азотистыми основаниями, имеют место и аномальные основания – основания, которые полностью способны замещать стандартные: 5оксиметилцитозин – полностью замещает цитозин, 5-оксиметилурацил − замещает тимин. Аномальные основания встречаются только у бактериофагов, у остальных – классические основания. Функции аномальных оснований: блокируют клеточную ДНК, не дают возможность реализовать информацию заложенную в ДНК, в момент, когда вирусная частица попадает в клетку. Помимо аномальных, обнаружены и минорные основания: малое количество 5метилцитозина, 6-метиламино пурин. У некоторых вирусов могут встречаться метилированые производные цитозина и аденина. НК вирусов как РНК, так и ДНК, могут встречаться в двух видах: - в виде кольцевых цепей; - в виде линейных молекул.
Кольцевые цепи имеют две формы: - ковалентно-замкнутые цепи (не имеют 3’ – 5’ свободных концов, на них не действуют экзонуклеазы); - релаксированая форма, когда одна цепь ковалентно замкнутая, а вторая имеет один или несколько разрывов в своей структуре. Линейные молекулы делятся на две группы: - линейная структура с фиксированной последовательностью нуклеотидов (начинается всегда одним нуклеотидам); - линейная структура с пермитированной последовательностью (определенный набор нуклеотидов, но последовательность разлмчная). В структуре РНК встречаются одноцепочечные +РНК и −РНК цепи. +РНК – с одной стороны хранитель генетической информации, а с другой стороны – выполнять функцию иРНК и узнается рибосомами клетки как иРНК. −РНК − выполняют только функцию хранителя генетической информации, а иРНК синтезируется на её основе. 3. Зольный компонент В вирусных частицах встречаются катионы металлов: калия, натрия, кальция, мангана, магния, железа, меди, и их содержанием может достигать несколько мг на 1 г вирусной массы. Функции Ме2+: играют важную роль в стабилизации вирусной НК, формируют упорядоченную четвертичную структуру вирусной частицы. Состав металлов непостоянный и определяется составом окружающей среды. У некоторых вирусов имеются поликатионы связанные с полиаминами, которые играют огромную роль в физической стабильности вирусных частиц. Также ионы металлов обеспечивают нейтрализацию отрицательного заряда НК, которые формируют фосфорно-кислые (фосфатные группы) НК. МОРФОЛОГИЯ И СТРУКТУРА ВИРУСОВ Для вирусов характерна однородность формы и величины, они также не подвижны индивидуальному росту и в процессе своего онтогенеза имеют одинаковый размер. Морфологические формы вирусов меньше, чем у бактерий. Основными компонентами вириона (вируса вне клетки) является белковая оболочка – капсид – и с заключенной в неё НК – нуклеокапсид. Морфологические единицы капсида – капсомеры – построены из одного или нескольких белков. Эти капсомеры связаны типом симметрии, располагаются в однозначном порядке: - спиральная симметрия – формирует цилиндрические структуры; - кубическая симметрия – формирует структуры близкие к сфероидам. Вирионы по типу формирования их структуры делятся на: - простые вирионы – построены по одному типу симметрии; - сложные вирионы – смешанный тип симметрии (спиральная и кубическая). Структура простых вирионов Существуют два типа простых вирионов: - спиральные; - сферические. Спиральные вирионы. Различают: 1. Жесткие палочковидные вирусы имеющие форму жесткого негнущегося очень ломкого цилиндра. Сюда входят вирусы, которые различаются по своей длине 1300-3150 Ǻ при длине вирионов 180-250 Ǻ (вирус табачной мозаики). Строение вируса табачной мозаики (ВТМ). В электронном микроскопе ВТМ ,имеет форму палочек, толщиной 150-180 Ǻ, длина 3000 Ǻ (300 нм). Встречаются и с меньшей длиной, но они не обладают инфекционностью. Капсомеры вириона расположены по спиральному типу симметрии.
Химической, структурной и морфологической единицей является белок с молекулярной массой 17400 Д. Причем на каждые три витка спирали приходится 49 морфологических единицы. Внутри полого цилиндра располагается одноцепочная РНК, размер РНК превышает размер вириона, но РНК упакована компактно и расположена также по винтовой линии между капсомерами. На каждый борот спирали приходится 49 нуклеотидов, каждая молекула белка связана с тремя нуклеотидными остатками. 2. Нитевидные вирусы имеют форму эластичных легко изгибающихся и перекрещивающихся между собой нитей. Сферические вирионы построены по кубической симметрии. В основе этой структуры лежит структура двадцатигранника – икосаэдр. Самый простой икосаэдр имеет 12 вершин и 20 граней, более сложные – содержат 20Т граней, где Т – число триагулирования. Т=Р×f2, Р - размер, класс икосаэдра, принимает значение 1, 3, 7, 13, 19, 21, 37, f - любое целое число, f 2 – указывает сколько равнобедренных треугольников расположено на одну грань икосаэдра. Так, простейшие икосаэдры класса 1 при f =1, имеют 20 граней, при f =2 – 80 граней. У вирусов с кубическим типом симметрии имеется два типа копсомеров: по вершинам располагаются капсомеры построены из 5-ти идентичных субъединиц (пентомеры), а по боковым граням – из 6 –ти субъединиц (гексомеры). Размеры вируса определяются числом капсомеров, наименьший сферический вирус класса 1 имеет 12 пентомеров и не содержит гескомеров, а самый крупный вирус содержит 1472 капсомера. РНК или ДНК уложена очень компактно, образуя впячивания внутрь капсомеров по спирали. Структура сложных вирусов К сложным вирусам относятся вирусы, которые имеют сложный тип симметрии или дополнительные липидные или углеводные компоненты. Дополнительные оболочки, либо липидные, либо углеводные, но структура этих оболочек не закодирована в НК. Эти оболочки клеточного происхождения и определить их содержание сложно, часто это фрагменты ЦПМ, которые захватывает вирус при выходе из клетки. Функции оболочек: - защитная (нечувствительны к некоторым химическим, токсическим веществам); - они служат частью механизма, что облегчает проникновение вируса внутрь клетки, за счет того, что эти оболочки легко сливаются с ЦПМ. - оболочки могут иметь трубчатые выросты, которые обладают антигенной активностью и служат рецепторами для прикрепления ви руса на клеточной поверхности.
Вирусы, которые имеют дополнительные оболочки, полиморфны и напоминают форму пули или наперстка. Бактериофаги – группа вирусов со сложным типом симметрии. В 1917 г. Де Еррель обнаружил лизис клеток бактерий на поверхности чашки Петри и назвал этот агент неизвестной природы бактериофагом – пожиратель бактерий. Встречаются как сложные вирусы, так и простые, они имеют 5 морфологических форм: - фаги нитевидные (спиральный тип симметрии, в основном ДНК-содержащие); - фаги с кубическим типом симметрии (имеют зачатки хвостового отростка, это РНКили одноцеп. ДНК-содержащие); - фаги с коротким отростком; - фаги, имеющие два типа симметрии (головку – кубического типа симметрии и несокращающийся чехол – хвостовой отросток - построенный по спиральному типу симметрии) с двуцепочечной ДНК; - самого сложно типа симметрии (с головкой и сокращающимся чехлом, ДНКсодержащие). Модель фага Т2. Это бактериофаг содержащий головку и отросток. Головка построена по кубическому типу симметрии, внутри содержится двуцепоч. ДНК, которая во много раз превышает размеры фага. ДНК компактно уложена и во многом определяется стабилизирующей функцией белков путрисцина и спермицина, что связаны с двухвалентными металлами, их функция блокировать силы отталкивания и нейтрализуют отрицательный заряд частицы. Отросток имеет сложное строение, состоит их воротничка, который примыкает к головке, сокращающегося чехла построенного по спиральному типу симметрии, внутри которого располагается полый цилиндр, а на конце отростка расположена шестиугольная базальная пластина, от которой отходят 6 нитей. Базальная пластина служит фактором адсорбции на поверхности клетки, а полый стержень обеспечивает транспортировку ДНК фага внутрь бактериальной клетки. Вироиды. Вироиды представляют собой молекулу одноцепочечной РНК, ковалентно замкнутой в кольцо, и не содержат белковой оболочки. Вироиды относятся к инфекционным объектам. Некоторые заболевания растений имеют вироидную итеологию, но возбудителей болезней человека и животных – нет. Вироиды обладают трансмессивностью – способностью передаваться от объекта к объекту, часто от растения к растению механическим путем (ветром, насекомыми). Культивирование вирусов 1. Использование лабораторных животных, но в связи с ограниченной специфичностью для культивирования вирусов необходимо иметь определенных лабораторных животных, также необходимы ткани человека, а это неудобства и нарушение биоэтики. 2. Культивирование виру сов на куриних эмбрионах, но это подходит не для всех вмрусов. 3. Использование культуры клеток или тканей лабораторных животных или человека, которые обладают пермессивностью для вируса – способностью размножать вирусы. Недостаток: клетки при культивировании стареют. 4. Культивирование с использованием гибридных клеток – гибрид нормальной клетки пермессивной для вируса с раковой клеткой. Раковые клетки обладают неконтролируемыми митозами, тем самым продлевая жизнь пермесссивным клеткам. Влияние факторов внешней среды 1. Нагревание. Большинство вирусов устойчивы при комнатной температуре, но уменьшение инфекционности наступает при 50-60о С. Скорость репродукции у вируса
гриппа уменьшается при 38-39о С, а вирус табачной мозаики стабилен при 65 о С, но богибает при 70о С. 2. Механическое воздействие - большинство вирусов устойчивы к осмотическому давлению, - ультразвук разрушает палочковидные вирусы за несколько минут и слабо действует на сферические вирусы, - высушивание – одни вирусы легко переносят, а другие при понижении влажности инактивируются при комнатной температуре. 3. Излучение : УФ и ионизирующая радиация вызывают гибель, а в низких дозах – мутации. 4. Химические факторы: - спирт, йод, перекись водорода, - антибиотики, но эффективных для системного лечения нет. Есть антибиотики профилактические и есть те, которые используют для местного лечения. Агентом против вирусов является система интерферонов, продуцируемых человеческим организмом. Хранение вирусов в лабораториях Вирусы хранят в лиофильновысушенном состоянии состоянии в системе криопротекторов, высушивание при 60оС из замороженного состояния. При этом вирусная частичка помещается в криопротекторы, что защищают вирусы от повреждения частичками льда. Также вирусы можно хранить в сыворотке крови в атмосфере СО 2 при -70о С, в виде стабилизатора используют глицерин. Основные группы вирусов Вирусы в зависимости от объекта воздействия делят на : вирусы бактерий, растений, насекомых, животных и человека. Имеется искусственная классификация вирусов, которая закладывает: - тип НК (ДНК или РНК), - структура одно- или двоцепочечная, - наличие или отсутствие внешней оболочки, - если одноцепочечная РНК, то +РНК или –РНК, - наличие в структуре обратной транскриптазы. МЕХАНИЗМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВИРУСОВ И КЛЕТКИ Под взаимодействием между вирусом и клеткой понимают такой тип взаимодействия, при котором образуется новый биологический комплекс: вирус-клетка. Этот комплекс содержит геном как и вирусный, так и клеточный, функции этого генома могут переплетаться самым неимоверным образом, образовывая некоторый гибридный организм. Все взаимодействия можно свести к трем основным: 1. Продуктивная инфекция. Вирусная частица, попадая внутрь клетки, находится в автономном от клеточного генома состоянии. Вирусная частица репродуцируется независимо от генома клетки, т.е. репликация НК вируса происходит автономно. Вирусы, вызывающие продуктивную инфекцию, называются вирулентными. Если развитие вирулентного вируса приводит к гибели клетки, то такая реакция на вирусную частицу называется литической. С другой стороны, зараженная клетка может продуцировать вирус во внешнюю среду сохраняя при этом жизнеспособность. 2. Абортивная инфекция. Вирусная частица, попав в клетку, по определенным причинам не может репродуцироваться в клетке и клетка при делении в таком случае распределяет этот вирус в одну дочернюю клетку. При n-ом количестве делений на N количество клеток, только дона клетка будет содержать вирус, а популяция освобождается от вирусной частицы. 3. Вирогения. Лизогения.
Вирус, что попал в клетку хозяина, не репродуцируется, зрелые вирусные частицы не образуются. Вместе с тем, вирусная НК реплицируется синхронно с геномом клетки хозяина. Чаще всего такой тип инфекции сопровождается интеграцией вирусного генома в геном клетки хозяина. В этом случае геном вируса можно рассматривать как часть генома клетки. Такие вирусы называются умеренными вирусами. Между умеренными и вирулентными вирусами нет четкой грани, потому что умеренные вирусы могут вызывать и продуктивную инфекцию, а вирулентные вызывают только продуктивную инфекцию, но не вирогенную. РАЗВИТИЕ ПРОДУКТИВНОГО ИНФЕКЦИОННОГО ПРОЦЕССА При развитии продуктивного механизма выделяют несколько стадий: 1. адсорбция вируса на клеточной поверхности; 2. проникновение вируса внутрь клетки хозяина и «раздевание» вириона, либо поступление внутрь только НК; 3. транскрипция вирусного генома с образованием ранних иРНК; репликация вирусного генома; образование поздней иРНК; синтез белков вируса; 4. сборка вирионов (репродукция); 5. выход вирусных частиц из клетки. 1. Адсорбция вируса Под адсорбцией понимают прикрепление вируса к клетке. Этот специфический процесс связан с взаимодействием между рецепторами вируса и рецепторами на поверхности клетки хозяина. Клетка может сортировать определенное количество вирусов, это связано с размерами и рецепторами клеточной поверхности. Процесс адсорбции является обратимым и становится необратимым, когда происходит взаимодействие между рецепторами. Клеточными рецепторами бактериальной клетки являются тейхоевые кислоты у Г + либо липопротеиды и липополисахариды у Г-. Фагорецепторы – жгутики, фимбрии и пили. У клеток эукариот фагорецепторы – липопротеиды или мукополисахариды. У бактериофагов в качестве рецепторов выступают6 нитей, которые отходят от 6-ти угольной базальной пластины. У кубических вирусов отросток расположен внутри пентомеров. На поверхности образуется не ковалентное связывание. На адсорбцию влияют: + катионы – нейтрализуют отрицательные группировки. Кофакторы адсорбции – триптофан и изо лейцин – улучшают процесс сорбции фага, засчет придания отрестку определенной конформации и помогают закрепляться на поверхности. Но существуют и вещества, что угнетают адсорбцию – это нитраты, индол, некоторые химиотерапевтические вещества, они препятствую адсорбции вируса на поверхности клетки. Вирусные частицы в процессе мутации могут изменять структуру своих рецепторов и вирус, который может поразить клетку, не вызывает инфекцию, потому что не закрепляется на поверхности. С другой стороны клетка тоже может изменять структуру клеточных рецепторов и приобретает резистентность к вирусу. Не всегда процесс развития продуктивной инфекции начинается с адсорбции. Для вируса человеку и животных характерен путь поступления – пиноценоза (слияние поверхностных образований с ЦПМ) и адсорбция – не обязательная стадия. 2. Проникновение После закрепления наступает модификация вирусной частицы. Шестиугольная пластина приобретает форму шестиугольной звезды – это пусковой механизм для сокращения чехла хвостового отростка. При этом происходит гидролиз АТФ за счет АТФазы ( в хвостовом отростке находится около 170 АТФ). Выдвигается стержень из хвостового отростка, убирается пробка, которая запирала канал, высвобождается лизоцим и через абортивную дырку из стержня впрыскивается НК внутрь бактериальной клетки. У вирусов человека и животных, которые поступают путем пиноцетоз, вирусная частица поступает вместе с её белковой оболочкой, но для проявления инфекционности вируса, белковая оболочка разрушается гидролитическими ферментами клетки. Некоторые также могут поступать в клетку через брешь, образованную сиалазой.
3. Транскрипция После попадания вирусной НК в клетку, происходит транскрибирование отдельных генов НК вируса, в которых закодирована информация о ранних белках вируса – это белкиферменты принимающие участие в репликации вирусной НК. В результате транскрибирования этих генов образуются ранние иРНК, которые объединяются с клеточными рибосомами, образовывая белок синтезирующий аппарат, который использует клеточные аминокислоты и энергию для синтеза вирусных белков. Ранние белки ферменты участвуют в репликации НК, немного позже происходит транскрибирование других, в которых заложена информация о структурных белках вируса, образуются поздние иРНК, которые также формируют белок синтезирующий аппарат. В клетке создаются пулы НК и белков, которые объединяются друг с другом с образованием зрелой вирусной частицы. Механизм репликации двухнитчатых ДНК Линейная реплицируется по классическому полу консервативному механизму. Кольцевая двухчепочечная также по полу консервативному механизму по модели катящегося колеса. Одноцепочечная ДНК в этом случае под действием ДНК полимерезы превращается в двухцепочечную форму, в которой одна цепь аналогична вирусной, а другая – ей комплементарна. Сушествует два варианта синтеза одноцепочечной ДНК: - двухцепочечная ДНК служит матрицей для образования вирусной ДНК; - репликация по полу консервативному механизму, накапливается целый пул ДНК, а потом комплементарная цепь разрушается и образуется только много вирусных ДНК. Синтез вирусных РНК У вирусов , у которых имеется одна цепь РНК, различают две их разновидности. У одних +РНК, у других –РНК. Репликация +РНК Идет одновременно с иРНК , поэтому попадая в клетку, на +РНК «нападают» рибосомы и начинается синтез ранних белков. –РНК не может узнаваться рибосомами как иРНК, поэтому на основе её синтезируется комплементарная ей +РНК, которая и есть иРНК. Механизм репликации одноцепочечной РНК Имеются два механизма : для онкогенных и для не онкогенных вирусов. У раккогенных вирусов синтез вирусной НК происходит в результате образования промежуточной двухцепочечной РНК. Двухцепочечная РНК служит матрицей для образования одноцепочечной мРНК. Каждая последующая выделяет предыдущую из этой репликативной формы. У онкогенных вирусов образуется химерная молекула одна цепь РНК, а другая – ДНК. Эта молекула реплицируется и образует две молекулы: дона РНК-ДНК, а другая - ДНК-ДНК. Эта двухцепочечная ДНК и есть матрицей для синтеза одноцепочечной вирусной РНК.
4. Сборка вирионов Сборка вирионов – это формирование вирусной частицы, сборка отдельных компонентов в единую структуру. В основе лежит агрегация по типу кристаллизации, этот процесс безусловно исправляется ферментными системами. Вирусы с наружной оболочкой включают эти структуры (липиды, углеводы) за счет разных механизмов. В одном случае, вирусы могут захватывать, покидая клетку, кусок ЦПМ, из которой образуется оболочка вируса. Во втором случае, эти компоненты могут синтезироваться внутри клетки на основе клеточных механизмов. В геноме вирусов нет генов, которые кодируют природу липидов и углеводов. 5. Выход вируса Существует два механизма выхода вируса:
- взрывной: характерен для всех бактериофагов, а также некоторых вирусов человека и животных. Вирусные частицы выходят, одновременно при этом повреждая поверхность клетки во многих местах, и клетка лизируется. - продолжительный: при этом вирус покидает клетку долгое время и клетка сохраняет свою жизнеспособность. Покинувший клетку вирус становится инфекционным для клеток. В некотором случае вирусу не нужно покидать клетку, он передается через плазмодесмы. ВИРОГЕНИЯ И УМЕРЕННЫЕ ВИРУСЫ (ЛИЗОГЕНИЯ) Умеренные вирусы обнаруживают среди бактериофагов, к ним относятся онкогенные вирусы и некоторые вирусы насекомых. ЛИЗОГЕНИЯ. Развитие умеренных вирусов (УВ). Все умеренные фаги имеют двухцепочечную ДНК. Процесс проникновенная УВ аналогичен предыдущему. 1. Адсорбция и проникновение. ДНК, попавшая внутрь клетки, стимулирует развитие в клетке трёх механизмов, которые протекают практически одновременно. Транскрипция части генома вируса с образованием ранней иРНК и ранних белков. У УВ наряду с ферментами, которые участвуют в репликации ДНК, синтезируется белок репрессор (это и отличает их от вирулентных), образуется прочный комплекс с вирусной НК и тем самым препятствует реализации её функции как матрицы. 2. Репликация генома вируса. 3. Развитие продуктивного инфекционного процесса либо переход одного из умеренных вирусов в состояние профага. Профаг - это вирус, включенный в структуру ДНК клетки хозяина. Судьба клетки зависит от того, по какому пути пойдет инфекция, это зависит от скорости образования белка репрессора. Если белок реп рессор накопится раньше, чем образование зрелых частиц, то развитие инфекции пойдет по пути вирогении. Если зрелые вирусные частицы успеют синтезироваться раньше, чем проявится действие реп рессора, то инфекция станет продуктивной. У бактериофагов два типа лизогении: λ-тип – фаг λ может включаться в бактериальный геном в строго определенном месте, все другие могут встраиваться в бактериальный геном также в определённом месте. ДНК фага λ представляет собой линейную двухцепочечную ДНК, в центре которой имеется область гомологии att, что гомологична участку бактериальной хромосомы, который расположен галактохным опереном (gal) и биотиновым локусом (bio). Попадая внутрь клетки, молекула ДНК, которая на концах имеет липкие концы, замыкается в колцевую структуру. Эта структура ДНК фага своим участком att подходит к области гомологии, расположенной не бактериальной хромосоме, и, в результате ферментативного разрыва и воссоединения, происходит интеграция вирусного генома в геном бактериальной клетки. Обнаружены ферменты интегралы, которые осуществляют разрыв фосфодиэфирных связей ДНК и их воссоединение. ДНК фага реплицируется синхронно с бактериальной ДНК и полностью подчиняется общим законам клеточной репликации. При этом гены вирусов, с которыми звязана репродукция фаговой частицы, не экспресируются, потому что действует белок реп рессор, продукт одного из генов фага. Кроме того, некоторые вирусные гены, которые не связаны с репродукцией, могут считываться (идет считывание гена, в котором закодирована информация о репрессре). Именно поэтому в клетке поддерживается определенная концентрация реп рессора и при делении клетки не происходит разбавление, поэтому потомство лизогенной клетки является лизогенным. Кроме того могут считываться и другие гены фага, которые могут изменять фенотипические свойства клетки – лизогенная конверсия. Если в лизогенную клетку попадают другие вирусы, отличные от профага (вирулентный или умеренный) то развитие суперинфекции будет происходить в зависимости от природы вируса. Если в лизогенную клетку попадает вирулентный вирус, то в этом случае развитие вирулентного вируса будет происходить независимо от наличия профага.
Если в лизогенную клетку попадает УВ близкий по природе к профагу, то в этом случае этот вирус будет чувствителен к реп рессору, который имеется в клетке. Репликация вирусной НК не происходит и эта НК удаляется по типу абортивной инфекции. Если в лизогенную клетку попадает УВ, имеющий несколько сайтов связывания на бактериальной хромосоме, он может интегрироваться в бактериальную хромосому в другой участок, незапятнанный профагом. Когда в лизогенную клетку УВ не чувствительный к репрессору и развивается он независимо от имеющегося профага, в этом случае инфекция идет по пути лизогении или продуктивной инфекции. РI-тип лизогении отличается от λ-типа тем, что геном фага не итегрируется в бактериальную хромосому. Умеренный фаг, который находится в интегрированном состоянии – профаг. Но объединяет их то, что геном фага реплицируется синхронно с бактериальной хромосомой и не происходит размножение фаговых частиц. Репродукция не происходит потому, что лизогенное состояние клетки поддерживает всё тот же белок репрессор. В период репликации генома клетки, вирусный геном прикрепляется к участку ЦПМ, где расположены ферменты инициирующие репликацию, именно это обеспечивает синхронизацию репликации двухцепочечной ДНК. Рост участка мембраны, к которому прикреплена НК, обеспечивает распространение дочерних ДНК на противоположные полюса. Процесс завершается делением клетки, в результате чего дочерние клетки являются лизогенными. Лизогенное состояние фага поддерживается действием репрессора. Такое лизогенное состояние может поддерживаться очень долго, до тех пор, пока какойто фактор не вызовет обратный переход фага из бактериальной хромосомы. К таким факторам относятся: УФИ, ионизирующая радиация, обработка клеток Н 2О2, химическими веществами, антибиотиками и т.д. Вышедший из состояния профага, фаг может привести к развитию продуктивного процесса. Огромная роль в переходе профага в вегетативное состояние принадлежит системе инактивации фагового репрессора самой клетки. Это значит, что в результате определенной мутации клетка начинает синтезировать антирепрессор, который инактивирует действие самого репрессора. ОНКОГЕННЫЕ ВИРУСЫ Онкогенные вирусы – это вирусы, которые содержат в своем геноме онкоген. Продукт этого гена может изменять метаболизм клетки хозяина, в результате чего происходит пролиферация (разрастание) клетки за счет частых аномальных митозов, которые не подчиняются законам клеточной регуляции. Такая пролиферация клеток под действием онковируса получила название трансформация. Опухоль – это ненормально разросшаяся ткань, клетки которой вышли их под регуляторного контроля и начали неограниченно делиться. Автономный рост опухоли превращает её в паразита, который живет за счет организма хозяина. В зависимости от степени паразитичного воздействия на организм различают: - доброкачественные опухоли – растут не нарушая соседние органы и на нарушая обмен веществ органов; - злокачественные опухоли имеют два важных свойства: - инвазивность – врастание опухоли в соседние органы и ткани; - метостазирвание – образование метастазов (вторичных опухолей), что образуются в результате распада первичной опухоли. Клетки, которые попадают в кроваток, разносятся в соседние органы. Прикрепление такой клетки к другим органам дает начало вторичным опухолям. Переход доброкачественных опухолей в злокачественные проходит незаметно. Причины, которые могут образовывать опухоли, различны: - наличие онкогенного вируса; - химические мутагены; - пережаренная пища, шашлыки, табачный дым; - физические факторы (УФ и рентгеновские лучи, ионизирующая радиация):
- механические воздействия (ушибы, удары). К онкогенным вирусам зачитывают как ДНК, так и РНК-содержащие. ДНК: аденовирусы, герпес вирусы, бородавки. РНК: ретровирусы. Основное отличие онкогенных вирусов – они могут трансформировать клетки. И такая трансформированная клетка обладает рядом признаков: - по морфологиии; - теряют способность к контактному торможению. Нормальная клетка делится до тех пор, пока не происходит контакт с другой нормальной клеткой, формируется моно слой ткани при контакте, деление клеток в которой подчиняется законам клеточной регуляции, делятся клетки с определенной интенсивностью по генетическим свойствам. Раковые клетки теряют эту способность и формируют многослойную модель опухоли на стекле. Трансформация – это не единственный путь взаимодействия онкогенных вирусов с клеткой хозяина – все онкогенные вирусы могут вызывать обычную продуктивную инфекцию. Направление инфекции продуктивная инфекция или лизогения будет определяться тем, в какую клетку попадет онкогенный вирус. В связи с этим, все клетки даже в пределах одной популяции делятся на два типа: - пермессивные клетки – могут поддерживать репродукцию вируса и обеспечивать продуктивную инфекцию; - непермессивные клетки – клетки, которые не могут поддерживать пермессивную активность (развитие пермессивной инфекции). В этих клетках отсутствует фактор, который обеспечивал бы репродукцию вируса, кроме того, будет инфекция идти по пути вирогении или продуктивной инфекции будет определяться видом самого вируса. Есть также вирусы, которые способны трансформировать любую клетку, в которой они развиваются. МЕХАНИЗМ ВИРОГЕНИИ Также как и в случае лизогении при вирогении происходит объединение генома вируса с ДНК клетки хозяина – интеграция двух геномов. Если это ДНК, то интеграция - разрыв и перекрестное воссоединение двух геномов. Если РНК – интеграция другая – РНК не может напрямую встроиться в структуру ДНК, поэтому у них существует оборотная транскриптаза, которая переводит язык РНК на язык ДНК, обеспечивая формирование ДНК на основе РНК матрицы, и это двухцепочечная ДНК интегрируется с геномом клетки хозяина. Между вирогенией и лизогенией имеется как ряд схожих признаков, так и различных. Сходства: - не репродуцируются; - объединение двух геномов; - происходит синхронизация репликации ДНК вируса и ДНК клетки хозяина; - некоторые гены могут экспресироваться и менять наследственные свойства клеток (в лизогении – лизогенная коверсия, а в случае онкогенного вируса это – трансформация клеток). Отличия: - лизогенное состояние бактериофагов поддерживается белком репрессором, который есть продуктом гена вируса, а лизогенное состояние человека и животного поддерживают непермессивные клетки; - но в связи с тем, что онкогенные вирусы могут вызывать два типа инфекции, они могут передаваться горизонтально – от человека к человеку при продуктивной инфекции и вертикально – из поколения в поколение при вирогении. Передача онковируса по наследству будет зависеть от того, попадёт ли онковирус в родовые пути органов человека. МЕХАНИЗМ ГЕНЕТИЧЕСКОГО И НЕГЕНЕТИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В случае, если в клетку попадет не один а несколько вирусов, то направление инфекционного процесса будет зависеть не только от взаимодействия генома клетки и генома вируса, а также от взаимодействий между геномами вирусов. ГЕНЕТИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ (ГВ)
В результате ГВ в зараженной клетке могут образовываться частицы вирусов, геном которых отличается от генома родительских частиц, что вызвали инфекционный процесс. Основным ГВ есть рекомбинация – обмен генетической информацией между вирусами. Существует два типа рекомбинации в зависимости от генома вирусов: 1. в случае, если вирус имеет одну НК, такой тип рекомбинации характерен для большинства вирусов. В этом случае геном рекомбинанта представляет собой единую полинуклеиновую цепь, последовательность нуклеотидов в которой на разных участках идентична нуклеиновой последовательности в соответствующих участках геномов разных родителей. 2. когда вирусы имеют несколько различных полинуклеиновых цепей, это могут быть фрагменты НК с идентичной закодированной в ней инфекцией. При этом типе рекомбинации вирусная частица – рекомбинант может получать часть фрагментов полинуклеиновых цепей от одного, а часть от другого. НЕГЕНЕТИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ (НГВ) При НГВ вирусное потомство не отличается по наследственным свойствам от родительских видов. Если ГВ только между близко родственными видами, но НГВ – между вирусами, которые не имеют родственных взаимоотношений. При НГВ происходит стимуляция или угнетение развития одного вируса другим. Различают три механизма НГВ: 1. Механизм комплементации сводится к тому ,что один вирус-помощник направляет в клетке синтез вирус-специфического белка, который принимает участие в репродукции вируса-партнера. Причем вирус-помощник может снабжать своего партнера структурными и неструктурными белками. 2. Механизм усиления осуществляется в результате воздействия одного из вирусов на образование клеточных продуктов (угнетает синтез интерферона, который тормозит развитие вирусной инфекции). 3. Интерференция (угнетение) репродукции вирусов может быть обусловлена интенсификацией образования интерферона одним вирусом, что нарушает развитие другого вируса. Этот механизм может быть связан с конкуренцией за клеточные рецепторы или конкуренцией за какие-либо клеточные продукты. РЕАКЦИЯ КЛЕТКИ ОРГАНИЗМА НА ВИРУСНУЮ ИНФЕКЦИЮ Схематически все клеточные реакции группируются так: - первая группа: реакции связаннные с цитопатической реакцией клетки на вирусную инфекцию (это патологические изменения клетки под действием вирусов). Способность вирусов вызывать цитопатическую реакцию называется цитопатогенным действием; - вторая группа: защитные реакции на вирусную инфекцию, клетка начинает продуцировать антивирусные белки, которые помогают её бороться с вирусной инфекцией; - третья группа сводиться к образованию клеточных белков и других компонентов, которые участвуют в репродукции вируса. Цитопатические реакции клетки можно сгруппировать на реакции извне и изнутри. На примере бактериофагов: воздействие извне сводится к лизису клетки за счет массовой адсорбции, заражения бактериофагом – клетка визируется под действием лизоцима вируса. Для вируса животных и человека цитопатогенное воздействие извне связано с образованием поликариоцитов или симпластов на ранних стадиях взаимодействия клеток с некоторыми вирусами. Образование симпластов характерно для сложных вирусов, которые имеют дополнительные оболочки липидные или углеводные, которые облегчают проникновение в клетку. Поликариоцит – это клетка, что покучилась в результате слияния клеток, которые имеют два или более ядра. Процесс образования поликариоцита происходит в несколько стадий:
- вирус множественно сортируется на клетке, врезультате чего вирусы приводят к слипанию клеток; - мембраны двух клеток через вирусы начинают контактировать друг с другом, происходит разрушение мембраны в том месте, где они контактируют с вирусом с образованием цитоплазматических мостиков; - мосты расширяются и клетки сливаются; - а вирионы при этом оказываются в пузырьке где они претерпевают дальнейшую деградацию. Механизм цитоплазматического действия изнутри развивается в клетке тогда, когда вирус проникает внутрь клетки. При этом наблюдается: - угнетение синтеза клеточных ДНК за счет разных механизмов, деградация клеточной ДНК вирусными ДНКазами – угнетение синтеза клеточной ДНК за счет устранения вирусом одного или нескольких компонентов, которые принимают участие в репликации ДНК. Есть также вирусы которые выводят из клеточного фонда ЦТФ; - угнетение синтеза РНК (отсутствие матрицы для синтеза РНК вследствие разрушения ДНК), угнетение вирусом активности РНК-полимераз, приостановка синтеза РНК связана с тем, что образуются репрессоры вирусного происхождения, которые могут взаимодействовать с клеточной ДНК, мешающие присоединению РНК-полимеразы, при этом не осуществляется процесс транскрибировани; - угнетение синтеза клеточных белков – нарушение синтеза за счет прекращения синтеза иРНК, вирусные ферменты могут разрушать уже имеющиеся иРНК в клетке, путем разрушения предшествующих Ирнк; - позднее повреждение клеточной структуры, под действием бактериофагов может происходить лизис клеток под действием внутреннего лизоцима бактериофага, который лизирует бактериальный каркас изнутри при выходе бактериофага из клетки. Уживотных происходит образование поздних кариоцитов при том, когда вирус покидает клетку. Сливаться могут не только зараженные клетки, но и незараженные с зараженной, с заражением незараженной клетки. При повреждении лизосом клетка может переваривать сама себя. При нарушении ЦПМ нарушается ионное равновесие ,в результате чего из клетки выходит ряд ферментов и ряд соединений. В бактериальной клетке повреждение мембран приводит кнарушению процессов окислительного фосфорилирования и синтеза АТФ, но это может происходить тогда, когда репродукция вируса подходит к концу. У животных могут повреждаться мембраны митохондрий. Потеря клетки способности к делению; - повреждение морфологии клетки под действием вируса. Это можно обнаружить в обычном световом микроскопе, некоторые вирусы, развиваясь в клетке, образуют вирусные включения, которые хорошо окрашиваются и видны в микроскоп, представляют собой скопление НК или белков. В ряде случаев это является диагностическим признаком. Некоторые вирусы могут образовывать вакуоль в клетке – вакуолизирующие вирусы образуют вакуоли. ЗАЩИТНЫЕ РЕАКЦИИ Образование интерферона. Интерферон, белок, изоэлектрическая точка которого в нейтральной или слабокислой среде, молекулярная масса зависит от клеток, которые продуцируют 2,5×104 – 105 Д. К синтезу интерферона способно большое количество клеток, но самые активные – клетки крови (лимфоциты и лейкоциты). Генетическая информация о структуре интерферона записана в нашем генотипе, но при отсутствии вирусной инфекции интерферон в организме не вырабатывается, это связано с тем, что ген несущий информацию находится в репрессированном состоянии, антирепрессором есть вирусная частица. Вирусы снимают действие репрессора и начинается синтез интерферона. Интерферон не обладает противовирусной активностью и, как правило, в зараженной клетки происходит репродукция вируса несмотря на синтез интерферона. Интерферон легко диффундирует в соседние незараженные клетки и передает им сигнал «SOS», клетки, в которых находится интерферон, начинают синтезировать противовирусный белок с противовирусной активностью. Этот белок может изменять
клеточные рибосомы и препятствовать образованию комплекса «рибосома + мРНК вируса», в результате чего не происходит транскрипция. Этот противовирусный белок напрямую взаимодействует с мРНК, переводя их в неактивную форму. Интерферон играет значительную роль в борьбе с вирусной инфекцией. У него есть ряд преимуществ по сравнению с антителами, которые также синтезируются в организме в ответ на любую инфекцию: - при первичной вирусной атаке необходимый для защиты титр антител вырабатывается на 5-й – 7-й день заболевания, а интерферон образуется сразу же ,как только вирус попал в клетку; - интерферон нейтрализует вирус, когда он находится внутри клетки. А антитела связываются с вирусами, когда он находится в межклеточном пространстве; Интерферон относится к антибиотикам животного происхождения и есть ряд преимуществ по сравнению с другими препаратами. Интерферон – природный белок, не чужеродный в то время, как другие вещества обладают токсичностью в той или иной степени. Количество интерферона необходимое для лечения выражается в миллиграммах ля лечения вирусной инфекции выражается в граммах. Интерферон не обладает специфичностью действия, это означает, что он угнетает все вирусы, в то время, как антибиотики имеют определенный спектр действия, под которым понимают совокупность микроорганизмов, на который действует данный антибиотик. Активность интерферона: - зависит от ряда факторов, прежде всего от степени патогенности вирусов. Есть группа вирусов, которые вызывают быструю цитопатическую реакцию в организме (вирусы Эбола). Вирусы, которые имеют слабую реакцию, больше поддаются действию интерферона; - определяется иммунитетом больного, при слабом иммунитете и при хронических болезнях интерферон вырабатывается слабо; - синтез интерферона зависит от индивидуальных особенностей организма. 1/3 населения планеты обладают характерными генетическими чертами, в следствии чего плохо вырабатывается интерферон. Также это зависит от возраста, хуже всего у детей до 2-х лет и у людей старше 60-ти; - зависит от климатических условий, в летне-весенний период интерферон синтезируется лучше. Применяется как для профилактики, так и для лечения вирусных заболеваний. Любой интерферон введенный извне менее эффективный, чем свой собственный, и можно заставить человеческий организм продуцировать интерферон, путем вакцинирования организма живыми вирусными вакцинами. Производство интерферона: - из лейкоцитов донорской крови, лейкоциты заражают вирусом парагриппа мышей и клетки крови через 15-18 часов начинают интенсивно синтезировать интерферон; - генноинженерные штаммы – использование клеток E. coli, в геном которой встраивают человеческий ген и клетки начинают синтезировать интерферон. По степени опасности вирусные инфекции делятся на 4 группы: 1. - вирусы Эбола; - вирусы натуральной оспы; - вирусы пневмонии; 2. - вирусы бешенства; - ВИЧ; - вирусы гепатита А, В… 3. - вирусы гриппа; - вируса полилмиелита; 4. - цитомигаловирусы; - онковирусы.
Пути распространения вирусов: - воздушно-капельный путь (дыхание, капли, пиль); - орально-фекальный (болезни грязных рук, энтеровирусы, гепатит А); - парантеральный (через кровь, гепатиты В, С, D); - половой (ВИЧ, гервпес); - через кожу и коньюктиву глаза (оспа, гепатит В, герпес); - трансмиссивный (через переносчиков, тиф, ВИЧ); - вертикальный (от матери к плоду, краснуха, цитомигаловирусы, герпес, ВИЧ).