Занятие 6
Тема: Вирусы, их структура. Вирусы бактерий – фаги. Фаги вирулентные и умеренные, их взаимодействие с бактериальной клеткой. Изменчивость микроорганизмов. Фенотипическая и генотипическая изменчивость.
1. Структура вирусов
Вирусы – это микробы, не имеющие клеточного строения и не способные к размножению вне живых клеток. Элементарной вирусной частицей является вирион. Морфологию вирусов изучают с помощью электронной микроскопии, так как их размеры очень малы (18 - 400 нм).
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). Некоторые вирусы содержат также липиды и углеводы. Белки составляют от 49,1 до 89%, нуклеиновые кислоты - от 3,5 до 40% всей массы вирусов.
Вирусы состоят из центральной части - генома и белковой оболочки – капсида. Геном совместно с капсидом образуют нуклеокапсид. Геном – это генетический аппарат вирусов. Он представлен либо РНК, либо ДНК. Поэтому выделяют РНК-содержащие вирусы и ДНК-содержащие вирусы. Различают просто устроенные вирусы (безоболочечные) и сложно устроенные вирусы (оболочечные). 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 является фрагментом модифицированной цитоплазматической мембраной клетки, в которой размножался этот вирус. Капсид и суперкапсид выполняют функции защиты генома, прикрепления к восприимчивой клетке и проникновения в ее цитоплазму.
Под оболочкой некоторых вирусов находится матриксный М-белок. Это белок располагается между суперкапсидом и нуклеокапсидом.
Вирусные белки делятся на структурные и неструктурные. Структурные вирусные белки входят в состав зрелых внеклеточных вирионов. Неструктурные белки – это белки, которые кодируются вирусным геномом, синтезируются внутри инфицированной клетки, участвуют в репродукции вируса, но в последующем не включаются в состав вириона.
По признаку симметрии капсида (способу укладки белковых частиц в капсиде) вирусы делятся на 3 группы:
I группа - вирусы, имеющие спиральный тип симметрии. Капсиды этих вирусов состоят из капсомеров, уложенных в спирали одинакового диаметра. Витки спирали тесно прилегают друг к другу, образуя трубочку. Такая укладка спиралей характерна для рабдовирусов, вирусов гриппа, парагриппа.
II группа - вирусы, имеющие кубический тип симметрии. У этих вирусов капсомеры уложены в виде правильного многогранника. Такой тип симметрии имеют аденовирусы, пикорнавирусы.
III группа - вирусы, имеющие комбинированный тип симметрии. Такой тип симметрии характерен для бактериальных вирусов (бактериофагов), у которых головка имеет форму многогранника (кубическая симметрия), а хвостовой отросток – форму спирали (спиральная симметрия).
2. Бактериофаги
Бактериофаги - это вирусы бактерий. Они размножаются внутри бактериальных клеток. Фаги имеют головку, отросток, базальную пластинку с шипами и фибриллами. Головка фагов имеет кубический тип симметрии, состоит из белковой оболочки, построенной из отдельных субъединиц. В головке располагается геном фага. Геном фагов представляет собой нить ДНК. Отросток (хвост) фагов включает полый стержень, сконструированный по типу спиральной симметрии, и сократительный чехол. В дистальном отделе стержня расположена шестиугольная базальная пластина с шестью шипами и шестью отростками (фибриллами).
Взаимодействие фагов с бактериальной клеткой строго специфично, то есть бактериофаги инфицируют бактерии только определенного вида. Процесс взаимодействия фага с бактериальной клеткой происходит в несколько этапов. Вначале происходит адсорбция фага на бактериальной клетке за счет наличия на ее поверхности специфических рецепторов для бактериофага. На бактериях, лишенных клеточной стенки, адсорбция фагов не происходит. После адсорбции наблюдается расщепление клеточной стенки лизоцимом, который содержится в фаговой частице. Затем наблюдается внедрение вирусной ДНК (инъекция фага). При этом чехол сокращается, и вирусная ДНК впрыскивается в цитоплазму. Белковая оболочка в клетку не проникает. В бактериальной клетке протекает репродукция фага, то есть происходит синтез фаговых белков, нуклеиновых кислот, сборка дочерних фаговых частиц и их выход из клетки.
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 бактериальной клетки и выход фагового потомства в окружающую среду.
ДНК умеренных бактериофагов после попадания в цитоплазму способна встраиваться (интегрироваться) в геном бактериальной клетки и существовать в форме профага, не проявляя активности (интегративная форма инфекции). В результате делений 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. Появление у бактерий новых признаков в результате инфицирования умеренным фагом называется лизогенной (фаговой) конверсией.
Под влиянием некоторых физических факторов или химических веществ может происходить индукция профага и активация умеренного фага. Активация сопровождается синтезом фаговой ДНК и белков с последующей сборкой дочерних фаговых частиц, лизисом бактериальной клетки и выходом фагового потомства в окружающую среду.
3. Изменчивость микроорганизмов
Генотип - это совокупность имеющихся у организма генов. Фенотип – это совокупность внешних признаков, то есть индивидуальное проявление генотипа. При изменении условий существования фенотип бактерий может изменяться при сохранении генотипа.
Изменчивость у бактерий может быть фенотипической (ненаследуемой) и генотипической (передаваемой по наследству).
Фенотипической изменчивостью называют временные, ненаследуемые изменения признаков, возникающие в ответ на изменившиеся условия окружающей среды. После устранения причины, вызвавшей изменение признака, бактерии возвращаются к исходному фенотипу.
Генотипическая изменчивость характеризуется изменениями, которые передаются по наследству. Они подразделяются на мутации и рекомбинации.
Мутации – это скачкообразные изменения наследственного признака. Они могут быть спонтанными и индуцированными, генными (изменения одного гена) и хромосомными (изменения двух или более двух участков хромосомы).
Рекомбинации – это изменения, связанные с переносом генетической информации от одной бактериальной клетки (донора) в другую клетку (реципиент). Генетические рекомбинации могут осуществляться путем трансформации, трансдукции или конъюгации.
Трансформация – это непосредственный захват, поглощение бактерией и встраивание в свой геном фрагментов ДНК из окружающей среды (ДНК разрушенных бактерий).
Трансдукция – это перенос ДНК от бактерии донора в бактерию реципиент с помощью умеренных фагов.
Конъюгация – это перенос ДНК от бактерии донора в реципиентную клетку с помощью плазмид.
Плазмиды представляют собой внехромосомные молекулы ДНК, наделяющие бактерии дополнительными селективными (полезными) свойствами.
Литература для подготовки к занятию:
1. Борисов микробиология, вирусология, иммунология. М., 2002.
2. Медицинская микробиология, вирусология и иммунология. Под ред. . М., 2004.
3. Поздеев микробиология. М., ГЭОТАР-МЕДИА, 2005.
