Взаимодействие с бактериальной клеткой

ЗАНЯТИЕ 6

ТЕМА ЗАНЯТИЯ: Вирусы, их структура. Вирусы бактерий – фаги. Фаги вирулентные и умеренные, их взаимодействие с бактериальной клеткой. Изменчивость микроорганизмов. Фенотипическая и генотипическая изменчивость.

УЧЕБНАЯ ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ: Изучить строение вирусов и бактериофагов. Изучить различия между фагами вирулентными и умеренными, их взаимодействие с бактериальной клеткой. Познакомиться с фенотипической и генотипической изменчивостью микроорганизмов.

ЗАДАЧИ ЗАНЯТИЯ:

1. Изучить структуру вирусов и бактериофагов.

2. Изучить различия между фагами вирулентными и умеренными, их взаимодействие с бактериальной клеткой.

3. Познакомиться с фенотипической и генотипической изменчивостью микроорганизмов.

Структура вирусов

Вирусы – это микроорганизмы, не имеющие клеточного строения, проходящие через бактериальный фильтр и не способные к росту вне живых клеток. Элементарной сформировавшейся вирусной частицей является вирион.

Морфологию вирусов изучают с помощью электронной микроскопии, так как их размеры малы (18 - 400 нм) и сравнимы с толщиной оболочки бактерий.

Форма вирионов может быть различной:

- палочковидной (вирус табачной мозаики);

- пулевидной (вирус бешенства);

- сферической (герпесвирусы, ВИЧ);

- нитевидной (филовирусы);

- овальной (вирус оспы);

- в виде сперматозоида (многие вирусы бактерий - бактериофаги).

Химический состав всех вирусов представлен белками и нуклеиновыми кислотами (ДНК или РНК). Вирусы средних и крупных размеров содержат также липиды, углеводы. Белки составляют от 49,1 до 89%, нуклеиновые кислоты - от 3,5 до 40% всей массы вирусов.

Вирусы состоят из центральной части - нуклеоида (генома) и белковой оболочки – капсида. Нуклеоид - это генетический аппарат вирусов, представленный РНК или ДНК. Поэтому выделяют РНК-содержащие вирусы и ДНК-содержащие вирусы. Различают просто устроенные вирусы и сложно устроенные вирусы. У просто устроенных вирусов нуклеиновая кислота окружена капсидом, образуя нуклеокапсид. Сложно устроенные вирусы кроме нуклеокапсида имеют суперкапсид - дополнительную оболочку. Суперкапсид состоит из двойного слоя липидов и специфических вирусных белков. Суперкапсид выполняет функции защиты генома, прикрепления к восприимчивой клетке и проникновения в ее цитоплазму, а также определяет многие свойства вирусов: гемагглютинацию, гемадсорбцию, слияние клеток, чувствительность к повреждающим факторам и др.

Под оболочкой некоторых вирусов находится матриксный М-белок. Это белок располагается между суперкапсидом и нуклеокапсидом.

Вирусные белки делятся на структурные и неструктурные. Структурными называются белки, входящие в состав зрелых внеклеточных вирионов. Неструктурные белки – это белки, кодируемые вирусным геномом, но не входящие в состав вириона. Они участвуют в репродукции вирусов внутри инфицированной клетки.

По признаку симметрии капсида вирусы делятся на 3 группы:

I группа - вирусы, имеющие спиральный тип симметрии. Этот тип симметрии характерен для вирусов крупных размеров (рабдовирусы, вирусы гриппа, парагриппа, коронавирусы). Капсиды их состоят из капсомеров, уложенных в спирали одинакового диаметра. Витки спирали тесно прилегают друг к другу, образуя трубочку. При этом укладка спиралей определяет форму вирусных частиц (палочковидная, пулевидная или нитевидная форма).

II группа - вирусы, имеющие кубический тип симметрии. Вирусы, имеющие кубическую симметрию, называют сферическими. Такой тип симметрии имеют аденовирусы, пикорнавирусы (вирусы герпеса, ящура, полиомиелита).

III группа - вирусы, имеющие комбинированный тип симметрии. Такой тип симметрии характерен для бактериальных вирусов (бактериофагов). Например, у Т-чётных бактериофагов головка имеет форму многогранника (кубическая симметрия), а хвостовой отросток – форму спирали (спиральная симметрия).

Бактериофаги

Бактериофаги - это вирусы бактерий.

Морфология.

Выделяют 5 основных типов бактериофагов в зависимости от типа нуклеиновых кислот (ДНК-содержащие и РНК-содержащие фаги), строения, типа симметрии:

1. Нитевидные ДНК-содержащие фаги, которые лизируют клетки бактерий, несущих F-плазмиду.

2. Фаги с аналогом отростка.

3. Фаги с коротким отростком.

4. Фаги с несокращающимся чехлом.

5. ДНК-содержащие фаги с сокращающимся чехлом отростка, заканчивающимся базальной пластиной. Их строение:

1. Головка фагов имеет кубический тип симметрии, состоит из белковой оболочки, построенной из отдельных субъединиц и заключенного в ней ДНКового генома, размеры головки около 100нм. Геном фагов образован спирально упакованной двойной нитью ДНК.

2. Отросток (хвост) фагов имеет длину около 100 нм, включает полый стержень, сконструированный по типу спиральной симметрии и сократительный чехол. В дистальном отделе стержня расположена 6-угольная базальная пластина с 6-ю шипами и 6-ю отростками (фибриллами). У некоторых фагов в дистальной части отростка находится фермент лизоцим, растворяющий клеточную стенку бактерии.

По сравнению с вирусами человека бактериофаги более устойчивы к различным физическим и химическим воздействиям. Они хорошо переносят высокие температур (50-60 ⁰С), действие дезинфицирующих средств, УФ-облучение в низких дозах.

Взаимодействие с бактериальной клеткой

Строго специфично, т.е. бактериофаги способны инфицировать бактерии только определенного вида. Происходит в несколько этапов.

1. Адсорбция на бактериальной клетке происходит за счет наличия на ее поверхности специфических рецепторов для бактериофага. На бактериях, лишенных клеточной стенки, адсорбция не происходит.

2. Внедрение вирусной ДНК (инъекция фага). После адсорбции происходит расщепление фрагмента клеточной стенки лизоцимом, который содержится в капсиде фага. Чехол сокращается и вирусная ДНК впрыскивается в цитоплазму. Фаговая частица в клетку не проникает.

3. Репродукция фага. Происходит в 3 этапа: 1) синтез фаговых белков, 2) репликация нуклеиновых кислот, и синтез белков, 3)сборка фага.

Бактериофаги подразделяются на вирулентные и умеренные.

Вирулентные бактериофаги имеют непрерывный цикл репродукции. Через 30 минут от момента инфицирования в бактериальной клетке образуется около 100 вирусных частиц, происходит лизис клетки и фаговое потомство выходит в окужающую среду.

ДНК умеренных бактериофагов после попадания в цитоплазмуспособна встраиваться (интегрироваться) в геном бактериальной клетки и существовать в форме профага неопределенно долго, не проявляя активности (интегративная форма инфекции). В результате делений все потомство инфицированной клетки несет в своем геноме профаг. Явление встраивания фаговой ДНК в бактериальный геном называется лизогенией, а зараженная умеренным фагом бактериальная культура называется лизогенной культурой.

Под влиянием некоторых физических (ультрафиолетовое облучение) или химических факторов может происходить активация умеренного фага. Активация сопровождается синтезом фаговой иРНК, ДНК и белков с последующей сборкой дочерних фаговых частиц, лизисом бактериальной клетки и выходом фагового потомства в окружающую среду.

Умеренные фаги в своем геноме могут содержать гены сильных экзотоксинов, поэтому инфицированная такими фагами бактериальная клетка приобретает способность синтезировать токсин и становится патогенной (дифтерийная палочка). Появление у бактерий новых признаков в результате инфицирования умеренным фагом называется лизогенной (фаговой) конверсией..

Практическое применение бактериофагов.

1. Эпидемиологические наблюдения – определение количества бактериофагов в водоемах позволяет оценить наличие патогенных бактерий.

2. Применение с лечебной и профилактической целью. Используют дизентерийные, сальмонеллезные, стафилококковые, коли-протейные, холерные бактериофаги.

3. Применение с диагностической целью. Бактериофагам свойственна строгая видовая специфичность, то есть способность инфицировать бактериальные клетки определенного вида. Некоторые бактериофаги обладают штаммовой специфичностью, то есть способны инфицировать только определенные штаммы (фаговары) бактерий внутри вида. Это свойство бактериофагов используется в диагностике для определения принадлежности выделенного штамма бактерий к тому или иному биовару (фаготипирование).