Грамположительные бактерии

Грамположительные бактерии (Firmicutes) объединяют все прокариоты с эндогенными спорами и актиномицеты с примы­кающими к ним группами организмов. Характерны следующие признаки: 1) наличие ригидной клеточной стенки грамположительного типа, хотя окраска по Граму у некоторых представите­лей может изменяться; 2) движение, если оно есть, всегда осущест­вляется за счет жгутиков, которые, как правило, многочисленны и располагаются по всей поверхности клетки (перитрихиальный тип жгутикования).

Филогенетически грамположительные бактерии составляют отдельные ветви 16S рРНК дерева, разделяясь на бактерии с низ­ким и высоким содержанием нуклеотидов гуанина (Г) и цитози­на (Ц) в молекуле ДНК.

Грамположительные бактерии с низким содержанием Г+Ц

Образующие эндоспоры грамположительные организмы — обычные обитатели почвы. Почти все хемогетеротрофы, исполь­зующие органические субстраты в процессах аэробного или ана­эробного дыхания, либо брожения. Общий признак всех пред­ставителей этой группы — способность образовывать покоящиеся клетки, эндоспоры, которые обладают уникальной устойчиво­стью к нагреванию, токсическим веществам, ультрафиолетово­му облучению и ионизирующей радиации. Вегетативные клетки спорообразующих бактерий обычно подвижны; размножаются они поперечным делением. В большинстве это палочки, ред­ко — кокки. Есть аэробы (Bacillus) и анаэробы (Clostridium, Desulfotomaculum).

Бациллы (Bacillus) — аэробные в основном свободноживущие, редко облигатно-патогенные организмы палочковидной формы. Палочки одиночные или соединены в цепочки разной длины. В большинстве случаев бациллы подвижны. Некоторые виды обра­зуют на поверхности агаризованных сред подвижные колонии. При спорообразовании клетки иногда раздуваются, приобретая форму веретена или барабанной палочки. Все виды — гетеротрофы, в основном мезофилы, но есть небольшая группа экстре­мальных термофилов. К последним близок вид Thermoactinomyces vulgaris, который из-за наличия мицелия рассматривается в груп­пе актиномицетов. Бациллы широко распространены в природе, в том числе в разных почвах. При изучении почвенных бацилл Е.Н. Мишустиным были выявлены закономерности эколого-географического распространения разных видов по зонам природы. В почве бациллы участвуют во многих процессах, связанных с разложением разных органических субстратов (белков, крахмала и других полисахаридов), составляя группу гидролитиков. Среди бацилл есть патогенные виды для человека (возбудитель сибир­ской язвы В. anthracis) и насекомых. Последние составляют груп­пу энтомопатогенных видов, которые используются для борьбы с вредными насекомыми. Например, В. thuringiensis образует в спо­рангиях кристаллы токсина, губительно действующего на гусе­ниц сибирского шелкопряда. Бациллы находят широкое приме­нение в промышленности для получения некоторых ферментов, например протеаз.

Анаэробные спорообразующие бактерии были впервые описаны Л. Пастером в 1861 г. как возбудители маслянокислого броже­ния. Это было большое открытие в биологии — обнаружение жизни без участия свободного кислорода. Позже анаэробы были найдены среди других бактерий: неспорообразующих палочек, кокков, вибрионов, спирилл, спирохет и актиномицетов.

Спорообразующие анаэробы представлены в почвах родами Clostridium, Desulfotomaculum, Anaerobacter. Это довольно крупные палочки с тупыми, закругленными или заостренными концами. Срсдиие размеры клостридиев от Здо 8 мкм, но среди них есть гиганты длиной 15-30 и толщиной до 2,5 мкм. Так как их споры устойчивы не только к нагреванию, но и к кислороду, то они могут долго сохраняться в аэробных условиях, где вегетативные клетки погибают. Среди спорообразующих анаэробов можно выделить несколько групп по физиологическим функциям. 1. Сахаролитические, сбраживающие простые углеводы, крахмал, пек­тин, целлюлозу. Бактерии этой группы способны активно фик­сировать молекулярный азот. К этой группе относятся, например, Clostridium pasteurianum, многоспоровая бактерия Anaerobacter polyendosporus, термофильная Clostridium thermocellum. 2. Клостридии, разлагающие в анаэробных условиях белки и вызывающие гниение. Среди них — возбудители раневых инфекций (столбня­ка, гангрены), пищевых отравлений (ботулизм) С/, tetani, Cl. botuliпит. 3. Пуринолитические, сбраживающие азотсодержащие гете­роциклические соединения — пурины и пиримидины С/, acidurici, Cl. cylindrosporum. 4. Сульфатредуцирующие, окисляющие органи­ческие кислоты или водород с использованием сульфатов в каче­стве акцептора водорода (Desulfotomaculum).

Среди спорообразующих анаэробов обнаружено два вида грам­отрицательных бактерий, отнесенных к новому роду Sporomusa. Это единственное исключение из общего правила, гласящего, что эндогенные споры образуют только грамположительные бактерии.

Все анаэробные спорообразующие бактерии, включая возбудителей болезней, обитают в почвах. По-видимому, в природе их чрезвычайно много и они очень разнообразны, но из-за трудностей выделения и культивирования анаэробов они относительно слабо изучены. Роль анаэробов в круговороте веществ на Земле
очень велика. Они участвуют в превращениях углерода, азота, серы.

Гелиобактерии — единственные грамположительные фототрофы,
способные к образованию настоящих эндоспор. Это облигатные анаэробы и фотогетеротрофы, содержащие в клетках уникальный бактериохлорофилл g. Как и большинство аноксигенных фототрофных бактерий, гелиобакгерии являются активными азотфи ксаторами. Они встречаются в почвах и содовых озерах. Пока известно немного родов, типичные из которых — HeliobacteriumиHeliobacillus. Грамположительные кокки. Аэробные микрококки составляют обширную группу органотрофных бактерий, образующих различные по форме агрегаты клеток. Сре- ди них много патогенных форм. К ним относятся роды Micrococcus, Staphylococcus, Streptococcus. К анаэробным коккам, осуществляющим разные брожения, относятся молочнокислые стрептококки, крупная анаэробная Sarcina ventriculi — обитатель желудка при крайне низком pH, обитатели рубца — разнообразные Ruminococcus, а также сбраживающие азотистые соединения Peptococcus.

Грамположительные бактерии с высоким содержанием Г+Ц

Коринеподобные бактерии (от греч. koryne — булава) — грампо­ложительные неспорообразующие палочки неправильной формы. Эти бактерии представлены группой родов, характеризующихся плеоморфным ростом с жизненным циклом «кокк-палочка-кокк» и специфическим способом деления клеток, приводящим к об­ разованию T-X-V-У-форм. У многих представителей коринеподобных бактерий клетка претерпевает дробление, при котором одновременно образуется несколько нерегулярных септ. Группа не имеет определенного таксономического ста­туса. Под названием «микобактерии» и «микококки» эти микроорганизмы были описаны Н.А. Красильниковым еще в 1938 г. и отнесены им к организмам, родственным актиномицетам. Позже эта идея получила серьезное подтверждение благодаря исследо­ваниям молекулярной структуры нумеиновых кислот — ДНК и рибосомальных РНК. Бактерии этой группы, наряду с мицелиальными бактериями — актиномицетами составляют класс Actinobacteria — одну из ветвей филогенетического древа домена Eubacteria, построенного на основе анализа последовательности нуклеотидов молекулы 16S рРНК Среди коринеподобных бактерий в почве наиболее распро­странены артробактерии (род Arthrobacter). С.Н. Виноградский на­зывал их представителями собственно почвенной — автохтонной микрофлоры. В виде кокков эти бактерии существуют только в определенный период жизненного цикла. На свежих питатель­ных средах кокки удлиняются, превращаясь в палочки непра­вильной формы, которые при делении резко изгибаются под уг­лом (bending тип деления). Некоторые виды обнаруживают тенденцию к ветвлению, напоминая ранние стадии развития мицелиальных бактерий-актиномицетов.

Артробактерии — гетеротрофы, участвующие в процессах ми­нерализации органических веществ в аэробных условиях. Хотя эти бактерии не образуют таких устойчивых эндоспор, как ба­циллы, их клетки длительно сохраняют жизнеспособность при многих неблагоприятных условиях (при высушивании, сниже­нии температуры до 0°С), а популяции выживают в «голодных» средах благодаря очень экономному расходованию эндогенных субстратов. Эти бактерии — обычные обитатели тундровых почв, пустынь и высокогорных районов. В почве они участвуют в ми­нерализации органических веществ, некоторые виды при этом образуют перекись водорода, которая участвует в осаждении и окислении железа и марганца.

Широко распространены в почвах целлюлолитические бакте­рии рода Cellulomonas.

Актиномицеты составляют своеобразную группу бактерий, многим из которых свойственно морфологическое разнообразие клеток, в том числе способность к формированию ветвящегося мицелия. Мицелиальная организация определяет сходство актиномицетов с грибами. Они подобны грибам и по способности продуцировать внеклеточные ферменты — гидролазы, способные разлагать сложные полимерные соединения. Мицелиальная орга­низация и функциональное сходство с грибами дает основание для выделения группы актиномицетов среди прочих бактерий и отдельного рассмотрения экологии этих организмов в природе.

Мицелиальная организация сама по себе является признаком, связанным с генетическими возможностями организма, более свойственным грибам, нежели бактериям. Современному уров­ню знаний отвечает определение актиномицетов как бактерий, которые реализуют мицелиальный план организации, свойствен­ной эукариотам-грибам.

Мицелий актиномицетов очень тонкий (диаметром 0,5- 1,0 мкм). При росте на плотных средах часть мицелия проникает в питательный субстрат (субстратный мицелий), а часть развива­ется над субстратом (воздушный мицелий). Размножаются акти­номицеты фрагментами мицелия и спорами, которые образуются на воздушном и/или субстратном мицелии. Споры могут быть одиночными, двойными, собранными в цепочки разной формы и длины или в спорангиях. Спороносцы бывают прямыми, вол­нистыми, спиральными, располагаются на мицелии поочередно, либо мутовками. Споры чаще неподвижные, иногда снаб­жены жгутиками, с помощью которых они активно передвигают­ся. Поверхность спор может быть гладкой или покрытой шипа­ми, волосами.

Современная систематика актиномицетов основана на тради­ционно используемых морфологических и физиолого-биохимических признаках этих организмов, а также на сведениях о хими­ческом составе клеточных компонентов— составе оснований

ДНК, характеристике липидов, составе компонентов клеточной стенки. На основе результатов определений олигонуклеотидного состава молекулы 16S рРНК создана филогенетическая система актиномицетов и родственных им бактерий. Актиномицеты со­ставляют порядок Actinomycetales, включающий более 100 родов и входящий в класс Actinobacteria. Одни роды являются родами- гигантами», включающими многие сотни видов (например, род Streptomyces), другие — «карликами», включающими один или несколько видов.

Некоторые представители — патогены человека, животных и растений. Образуют симбиотические азотфиксирующие ассоциа­ции с растениями.

Природное местообитание актиномицетов — почва, их основ­ная экологическая роль — разложение органического вещества на поверхности и в толще почвы. Актиномицеты образуют гид­ролитические ферменты и участвуют в почве в разложении цел­люлозы, хитина, лигнина, гумусоподобных соединений.

Актиномицеты являются продуцентами примерно половины всех известных антибиотиков (в том числе антибиотиков с анти­бактериальным, противоопухолевым, противовирусным, проти­вогрибковым, противопаразитарным действием).

Среди актиномицетов в почве распространены нокардиоформные организмы, геодерматофилы и франкии, актинопланы, стрептомицеты, мадуромицеты, термоактиномицеты.

Нокардиоформныеактиномицеты представляют собой гетеро­генную группу, многие представители которой образуют нити, распадающиеся на более короткие элементы. Для некоторых ро­дов характерно образование воздушного мицелия с цепочками спор. Типовым родом группы служит род Nocardia, ко­торый можно рассматривать как типичного представителя «ав­тохтонной» микрофлоры, способной использовать устойчивые органические вещества, остающиеся в конце процесса деструк­ции, в том числе гуминовые кислоты. Rhodococcus представляют собой аэробные относительно медленно растущие органотрофы, известные своей способностью эффективно использовать угле­водороды нефти.

Геодерматофилы и франкии рассматриваются как не образую­щие мицелия актиномицеты. Образующиеся нити делятся в по­перечном и продольном направлениях, в культуре отмечается большое количество кокковидных элементов, подвижных (род Geodermatophilus) или неподвижных (род Frankid). Геодерматофилы широко распространены в почвах и развиваются в виде мик­роколоний, сложенных паренхиматозной массой клеток, часто окрашенных в черный цвет. Франкии — азотфиксирующие симбионты ольхи и других небобовых растений, образующие на ее корнях клубеньки, подобно ризобиям. Франкии имеют ти­пичный воздушный мицелий со спорангиями, разделенными на множество спор.

Актинопланы— группа актиномицетов, представители кото­рой распространены в почве, лесной подстилке, на живых расте­ниях и в воде природных источников. Актиномицеты этой груп­пы имеют не распадающиеся на фрагменты нити, спорангии с подвижными спорами (род Actinoplanes) или неподвижные споры одиночные (род Micromonospord) или в цепочках (род Catellatospora). Актинопланы часто развиваются на пыльце расте­ний, плавающей на поверхности воды.

Стрептомицеты — гетерогенная группа актиномицетов, обра­зующих нити, не распадающиеся на фрагменты. Представители одних родов (род Streptomyces) образуют обильный воздушный мицелий с цепочками спор разной длины; для пред­ставителей других родов (Intrasporangium, Kineosporia, Sporichtya) характерно слабое развитие воздушного мицелия, либо полное его отсутствие и разнообразные по форме споры. Стрептомицеты — это, прежде всего, почвенные организмы, проявляющие гидроли­тическую активность, в том числе хитинолитическую.

Мадуромицеты — организмы, образующие нити, не распада­ющиеся на фрагменты. У нескольких ролов образуются короткие цепочки спор (род Actinomadura), у других — спорангии (род Streptosporangium) на воздушном мицелии. Споры мо­гут быть подвижными и неподвижными.

Термоактиномицеты выделяют по их умеренной термофилии.

Микоплазмы и Архебактерии

Микоплазмы (Mollicutes, мягкокожие) — организмы, состав­ляющие эту группу, являются очень мелкими прокариотами, пол­ностью лишенными ригидных клеточных стенок. Клетки огра­ничены только цитоплазматической мембраной и не способны к синтезу предшественников пептидогликана — мурамовой и диаминопимслиновой кислот. Они не чувствительны к пеницилли­ну и его аналогам. Пограничный слой их клеток содержит стерины, в частности эргостерин. Большинство микоплазм стерины не синтезируют и нуждаются в поступлении их из других живых клеток, с которыми они находятся в контакте. Некоторые ми­коплазмы синтезируют каротиноиды, которые концентрируются в мембране и заменяют холестерин.

Долгое время было нелегко выяснить структуру и развитие микоплазм, потому что из-за отсутствия клеточной стенки они пластичны, легко деформируются и повреждаются. Микоплаз­мы — хемогетсротрофы со сложными пищевыми потребностя­ми, что затрудняет их культивирование на искусственных средах. Большинство видов — факультативные анаэробы, погибающие в присутствии минимального количества кислорода. Колонии на плотных средах очень мелкие, обычно диаметром менее 1 мм. Эти организмы часто проникают внутрь среды, врастая в нее. В подходящих условиях большинство видов образует колонии с характерным видом яичницы-глазуньи: непрозрачная частично погруженная в субстрат центральная зона и просвечивающая пе­риферическая.

Размножаются микоплазмы неправильным делением, в свя­зи с этим в культуре наблюдаются клетки разной формы и раз­меров. Клетки микоплазм имеют форму кокков, пало­чек, дисков, спирально закрученных нитей, грушеобразную, иногда с нитевидными отростками. Микоплазмы способны об­разовывать также мелкие клетки, которые нельзя увидеть в све­товой микроскоп, так как их размеры лежат вне пределов раз­решающей способности (менее 0,2 мкм). Они фильтруются через бактериальные фильтры. Клетки мельче 0,1 мкм не способны к воспроизведению. Таким образом, микоплазмы можно считать самыми мелкими из всех известных организмов, имеющих кле­точную структуру; они мельче даже некоторых крупных виру­сов. Геном микоплазм прокариотный состоит из кольцевой дву­нитчатой молекулы ДНК, но имеет значительно меньшую массу и несет информации в четыре раза меньше, чем геном у Escherichia coli.

Первым из этой группы был описан возбудитель плевропнев­монии крупного рогатого скота, позднее — ряд патогенных ми­коплазм. Микоплазмы могут вызывать заболевания у человека — микоплазмозы, пневмонию; болезни у растений, например, столбур томатов, бледно-зеленую карликовость пшеницы. Свободноживущие микоплазмы найдены в горячих источниках. В почве и водах существенное значение имеют микоплазмы Gallionella, «Metallogenium» «Siderococcus». В почве они участвуют в процес­сах превращения железа и марганца и часто живут в ассоциациях с другими организмами. Например, «Metallogenium symbioticum»распространен в почве, живет в ассоциациях с грибами и уча­ствует в окислении марганца и железа. Стадии жизненного цик­ла этого организма включают кокки и кокки с сужающимися нитями, которые расходятся радиально от центра и покрыты ок­сидами марганца.

Архебактерии

Архебактерии (археи) (Archaebacteria) — группа организмов, которые согласно филогенетической классификации составляют домен Archaebacteria. Основанием для выделения этих организмов в отдельный домен послужили результаты сравнительного анализа первичной структуры рибосомальной РНК, по которым архебак­терии отличаются от всех других прокариот. Это открытие было сделано в 1978 г. группой ученых из США во главе с К. Везе.

Архебактерии отличаются от всех других организмов, только они способны к образованию метана. Многие из них являются экстремофилами, развивающимися в условиях крайних темпера­тур, кислотности и солевой концентрации.

По форме и размерам клеток, общим принципам их организа­ции и характеру деления археи сходны с эубактериями, хотя только среди них обнаружены организмы кубической формы. Многие археи подвижны и имеют жгутики, похожие на бактериальные, но несколько отличающиеся деталями организации. Однако пред­ставители этого домена имеют существенные особенности.

Важнейшей особенностью архей является своеобразие их рибосомальных и транспортных РНК, их рибосомы отличаются также и по форме. Отличительные черты обнаружены и в других компонентах системы синтеза белка.

Покровы клеток у разных архей могут иметь разное строе­ние и химический состав, но им часто присуще наличие поверх­ностных слоев, образованных белковыми или гликопротеидными молекулами правильной или довольно причудливой формы.

Некоторые археи осуществляют биохимические процессы, не свойственные никаким другим организмам. Например, толь­ко определенные представители архей в процессе своей жизне­деятельности образуют метан.

Большинство архей — экстремофилы, т.е. развиваются в экстремальных условиях: при высокой температуре, кислотно­сти, в насыщенных соленых растворах.

Археи, видимо, не способны к паразитизму. По крайней мере, к настоящему времени археи, приносящие вред каким-либо другим организмам, неизвестны, хотя среди них много симбион­тов, к взаимной пользе живущих совместно с другими организ­мами. Среди архей много автотрофных форм, не нуждающихся в органической пище и получающих необходимую для жизни энер­гию за счет окислительно-восстановительных реакций, в кото­рые вовлечены неорганические молекулы.

Архебактерии разделяются на три группы организмов: 1) метанобразующих, 2) экстремальных галофилов, 3) экстремальных термофилов.

Метаногены. Биологическое образование метана осуществля­ется только архебактериями. Основным путем образования мета­на является окисление молекулярного водорода углекислотой — «карбонатное дыхание» (4Н₂+ С0₂-> СН₄ + 2Н₂0). В некоторых случаях могут быть использованы соли муравьиной и уксусной кислот, метиловый спирт и метиламины. Таким образом, эти археи получают необходимую им энергию. Метаногены относятся к строгим анаэробам и быстро погибают при контакте с воздухом.

Морфологически метаногены очень разнообразны: среди них есть палочки Methanobacterium с клеточной стенкой из псевдомуреина, кокки Methanococcus с белковой клеточной стенкой, плоские угловатые формы Methanohalobium, псевдопаренхиматозные агрегаты Methanosarcim гетерополисахаридом, цепи палочек в трубчатых чехлах Methanothrix (Methanosaeta) и спириллы Methanospirillum с белковой
клеточной стенкой.

В таксономии метаногенов употребляется обозначение Methano- в отличие от аэробных метанокисляющих метанотрофов Methylo-. Существуют экстремально термофильные формы, развивающие­ся в зонах горячих источников. Метанообразование происходит в почве. Некоторые метанообразующие археи входят в состав ки­шечной микрофлоры, живут в рубцах жвачных, образуют вита­мин В₁₂ и снабжают им хозяев. Метанобразующие бактерии час­то являются симбионтами простейших и человека.

Экстремальные галофилы представлены небольшой группой архебактерий (галобактерий), развивающихся в рассолах при со­держании NaCl не менее 10%. К ним относятся палочковидные Halobacterium, кокковидные Halococcus, плеоморфные Haioarcula, Haloferax. Группа натронобактерий Natronobocterium иNatronococcus развивается при pH 10 и насыщении раствора содой. Галобактерии развиваются в лагунах или соляных чеках, где испарение приводит к концентрации солей и сопутствующему этому накоп­лению органических веществ, позволяющему отнести эти орга­низмы к копиотрофам При отсутствии кислорода и наличии света у этих архей происходит образование так называемых пурпурных или фиолетовых мембран — это участки поверхностной мемб­раны клетки, содержащие пигмент родопсин, аналогичный ро­допсину человеческого глаза. В пурпурных мембранах за счет энергии света происходит синтез АТФ (аденозинтрифосфата), яв­ляющегося основным носителем энергии в клетках живых орга­низмов. Клетки галофилов содержат также красные каротиноидные пигменты, при их массовом развитии субстрат окрашивается в красный цвет.

Экстремальные термофилы (Crenarchaeota) представляют со­бой обитателей гидригерм и наиболее тесно связаны с эндоген­ными процессами в геосфере. Название происходит от греческих корней «крен» — источник, ключ и «архе» — древний. Действи­тельно, эти археи обитают исключительно в горячих источниках, на поверхности Земли или на дне океана, обычно в зонах вулка­нической активности. Местом их обитания являются, в частно­сти, окрестности глубоководных вулканических источников — «черных курильщиков», расположенных в океанах на тысячемет­ровых глубинах. Благодаря высокому давлению температура в них может достигать 200-300°С. При взаимодействии воды источни­ка с морской водой образуется темный осадок, источник как бы дымит. Отсюда происходит их название. Около таких источни­ков развиваются экстремальные термофильные археи, некото­рые из них растут даже при температуре 100-120 °С. Это гипер­термофилы.

Представитель кренархеот Sulfolobus acidocaldarius растет при температуре до 100°С. Он использует энергию окис­ления элементарной серы молекулярным кислородом: 2S + 0₂ + + 2Н₂0 -» 2H₂S0₄. Очевидно, что в результате жизнедеятельнос­ти этих организмов происходит сильное подкисление среды, но это для организма только полезно, так как он растет в среде при pH 1. Он не имеет строго определенной формы и легко ее изме­няет, так как окружен только структурированным слоем гликопротеиновых субъединиц. На его поверхности при­сутствуют волоски — пили, при помощи которых он может прикрепляться к частичкам серы, используемым им в качестве субстрата для дыхания.

Особую группу эвриархеот составляют кислотолюбивые ар­хеи, использующие при жизни органические соединения. Сюда относятся так называемые термоплазмы ( Thermoplasma ), разви­вающиеся в горячих и кислых вулканических источниках или шенные клеточной стенки, подобно микоплазмам. Цитоплазма­тическая мембрана этих клеток обладает удивительной устойчи­востью. Это анаэробные серовосстанавливающие бактерии с оп­тимумом роста при температуре от 85 до 105 °С.

Picrophilus(в переводе кислотолюб) растет при pH 0-2,2 и тем­пературе 105 °С. Кроме цитоплазматической мембраны их клет­ка имеет слой белковых субъединиц, окружающих протопласт.

На древней Земле в начальные периоды эволюции, архебакте­рии, видимо, доминировали в биосфере и играли ведущую роль в биологических процессах трансформации элементов. В то время особенное значение имели процессы получения энергии прока­риотами за счет окисления молекулярного водорода и использо­вания в окислительно-восстановительных реакциях соединений серы. Эти вещества есть среди продуктов вулканической деятель­ности, и их использование микроорганизмами должно было иметь особое значение в периоды, когда органическое вещество содер­жалось в биосфере еще в очень незначительном количестве. В океанических глубинах около вулканических источников типа «чер­ных курильщиков» могла развиваться жизнь, независимая от энер­гии Солнца, возможность существования которой еще недавно трудно было себе представить. Влияние, которое оказали архебак­терии на эволюцию жизни на Земле, трудно оценить. Сведения об этой группе живых организмов стремительно расширяются.

Слайды, презентации

Контрольные вопросы:

1 История образования прокариот и эукариотов?

2 Цианобактерии и Протеобактерии классификация?

3 Спирохеты и Цитофаги их роль и функции в почве?

4 Грамположительные бактерии и их значение?

5 Микоплазмы и Архебактерии что это такое и их классификация?

Литература:

9. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв: Учебник. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 2005.

10. Звягинцев Д.Г. Микроорганизмы и почва. М.: МГУ, 1987.

11. Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. М.: МГУ, 1989. с.336.

12. Мирчинк Т.Г.Почвенная микология.-М.: Изд. МГУ,1986.

13. Дополнительная литература:

14. Емцов В. Т.Микробы, почва, урожай. – М.: Изд. Колос,1980.

15. Илялетдинов А.Н.Микробиологические превращения азотосодержащих соединений в почве. Алма – Ата, 1976.

16. Почвенная микробиология./ Под ред. Д.И. Никитина /- М.: Изд. Колос,1979.

 

Лекция 7

Вирусы и фаги

Цель лекции: выявить особенности строения и жизнедеятельности вирусов и бактериофагов, их происхождение, значение в природе

Ключевые слова: вирус, бактериофаги, вироиды, прионы, строение, болезни, деление

Вопросы:

1. Вирусы и история изучения
2. Основные свойства вирусов
3. Молекулярно-генетическая организация вирусов
4. Вироиды и прионы
5. Методы культивирования вирусов
6. Бактериофаги. История и роль бактериофагов в биосфере
7. Строение бактериофагов и систематика бактериофагов
8. Взаимодействие бактериофага с бактериальными клетками
9. Жизненный цикл и применение

Вирусы и история изучения

Это особая группа организмов, значительно меньших размеров и более простого строения, чем бактерии. Они не имеют клеточной структуры (нет ядра, цитоплазмы, оболочки), величина измеряется миллимикронами.

Вирусы различимы только с помощью электронного микроскопа. Вирусы были открыты в 1892 г. Д.И.Ивановским при изучении причин гибели табака от мозаичной болезни (светлая пятнистость листьев).

Являясь внутриклеточным паразитами, вирусы вызывают многие болезни человека (оспу, грипп, бешенство, корь, полиамелит и др.), животных (ящур, чума крупно рогатого скота) и растений (мозаика).

Вирусы разнообразны по форме. Они бывают округлыми, палочковидными, спиралевидными, но чаще в виде многогранников. Размеры вирусов колеблются от десятых до сотых долей микрона, поэтому они хорошо проходят через мелкопористые бактериологические фильтры.

Вирусы неоднородны по химическому составу. Одни из них состоят только из белка и одной нуклеиновой кислоты- ДНК или РНК, другие содержат еще и липоиды, полисахариды. Нуклеиновая кислота (в виде спирали) находится внутри вируса. Снаружи она покрыта белковой оболочкой (капсидом), состоящей из отдельных белковых субъединиц. На искусственных питательных средах вирусы не растут, их выращивают обычно на культурах тканей.

Различные вирусы неодинаково устойчивы к внешним воздействиям. Так, многие инактивируются при 60С в течение 30 мин, другие выдерживают температуру 90^оС до 10 мин. Вирусы легко переносят высушивание и низкие температуры, но малоустойчивы ко многим антисептикам, ультрафиолетовым лучам, радиоактивным излучениям.

Основные свойства вирусов

Основные свойства вирусов, по которым они отличаются от всех остальных живых существ следующие:

1. ультрамикроскопические размеры;

2. содержат нуклеиновую кислоту только одного типа — или ДНК, или РНК (все другие организмы содержат нуклеиновые кислоты обоих типов, а геном у них представлен только ДНК);

3. вирусы не способны к росту и бинарному делению;

4. вирусы размножаются путем воспроизводства себя из собственной геномной нуклеиновой кислоты;

5. у вирусов отсутствуют собственные системы мобилизации энергии;

6. у вирусов нет собственных белоксинтезирующих систем.

7. вирусы – абсолютные внутриклеточные паразиты, их средой обитания являются бактерии, клетки растений, животных и человека.

С учетом перечисленных особенностей вирусам можно дать следующее определение: Вирусы – это особое царство ультрамикроскопических размеров организмов, обладающих только одним типом нуклеиновых кислот, лишенных собственных систем синтеза белка и мобилизации энергии и являющихся, поэтому абсолютными внутриклеточными паразитами.

Существует и другой взгляд на природу вирусов: «...вирусы можно рассматривать как генетические элементы, одетые в защитную оболочку и способные переходить из одной клетки в другую».

3 Молекулярно-генетическая организация вирусов. Основой таксономии вирусов является вирион, который представляет собой конечную фазу развития вируса. Вирион состоит из геномной нуклеиновой кислоты, окруженной одной или двумя оболочками. По строению вирусы можно разделить на 4 типа, которые различаются по характеру упаковки морфологических субъединиц:

а) вирусы со спиральной симметрией; б) изометрические вирусы с кубической симметрией; в) вирусы с бинарной симметрией, например фаги: у них головка имеет кубический тип симметрии, а хвостик - спиральный; г) более сложно организованные вирусы, имеющие вторую оболочку.

Оболочка, в которую упакована геномная нуклеиновая кислота, называется капсидом (от греч. capsa - ящик). Наиболее просто организованные вирусы представляют собой нуклеокапсиды: они состоят только из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки, построенной из идентичных пептидных молекул. Поскольку число аминокислотных остатков в белковой молекуле всегда меньше числа нуклеотидов в гене (код триплетный), то для того, чтобы упаковать геномную нуклеиновую кислот требуется большое число одинаковых белковых молекул. А многократное повторение белок-белковых взаимодействий возможно лишь при условии симметричного расположения субъединиц. Существует всего два способа упаковки одинаковых белковых молекул в капсид, при которых он обладал бы стабильностью. Процесс образования такого полимера родствен процессу кристаллизации, он протекает по типу самосборки. Один из вариантов такой самосборки происходит с использованием спиральной симметрии, другой - кубической симметрии.

При спиральной симметрии (ее имеют нитевидные вирусы) белковые субъединицы располагают по спирали, а между ними, также по спирали, уложена геномная нуклеиновая кислота. Лучше все этот тип молекулярной организации вириона изучен у вируса мозаичной болезни табака, капсид вириона которого состоит из 2130 белковых молекул, винтообразно уложенных вокруг РНК, содержащей около 6000 нуклеотидов. С каждой белковой субъединицей связано три нуклеотида. Белковая спираль состоит из 130 витков. При спиральной симметрии белковый чехол лучше защищает геномную нуклеиновую кислоту, но при этом требуется большее количество белка, чем при кубической симметрии.

Большинство вирусов с замкнутым чехлом обладает кубической симметрией. В ее основе лежат различные комбинации равносторонних треугольников, образующихся из сочетания шаровидных белковых субъединиц. Сочетаясь определенным образом, друг с другом, они могут формировать замкнутую сферическую поверхность. Из различных сочетаний равносторонних треугольников, которые образуют общую вершину и общую ось симметрии, могут возникать различные варианты многогранников: тетраэдры, октаэдры и икосаэдры. Икосаэдры имеют 20 граней (каждая представляет равносторонний треугольник), 12 вершин и пятикратную тройную и двойную оси вращательной симметрии. Это самая эффективная и экономичная симметрия для формирования замкнутого чехла, так как в этом случае при его сборке используются строительные белки минимального размера, и обеспечивается наибольший внутренний объем вириона. Видимо, поэтому сферические вирусы животных чаще всего имеют форму икосаэдра.

Число капсомеров для вирусов данного вида является постоянным, оно имеет диагностическое значение. Например, вирион аденовирусов имеет 252 капсомера, у парвовирусов - 32, у паповавирусов - 72. Молекулярная организация всех простых вирусов сводится к использованию спиральной и кубической симметрии.

Более сложно устроены вирусы, у которых имеется вторая оболочка. Вначале она получила название «пеплоса» (накидка греческих солдат). Позднее ее стали называть суперкапсидом. Он представляет собой обычную биологическую мембрану, состоящую из двух слоев липидов, имеющих клеточное происхождение, и заключенных в них гликозилированных суперкапсидных вирусных белков, которые выступают над наружной поверхностью вириона в виде своеобразных шипов. Суперкапсидные вирусные белки, образующие шипы, обладают жизненно важными для вируса функциями: они распознают клеточные рецепторы и связываются с ними; обеспечивают слияние вирусной мембраны с мембраной клетки и ее лизосом; способствуют распространению вируса организме за счет слияния клеток; многие из них обладают свойствами протективных антигенов т. д. Многие сложные вирусы, такие как ортомиксовирусы, парамиксовирусы, коронавирусы и другие устроены таким образом, что их нуклеокапсид, имеющий палочковидную спиральную структуру, свернутую определенным образом, окружен суперкапсидной липопротеиновой оболочкой, придающей вириону сферическую форму. Вирионы рабдовирусов содержат спиральный нуклеокапсид, образующий цилиндрическую структуру, покрытую липидсодержащим суперкапсидом, который придает вириону пулевидную форму. У других вирусов, например у тогавирусов, нуклеокапсид имеет форму икосаэдра, который окружен суперкапсидной оболочкой, придающей вириону шаровидную форму. Вирион ретровирусов имеет икосаэдрический капсид, внутри которого располагается спиральный нуклеокапсид, а сам вирион покрыт липидсодержащей оболочкой, придающей ему сферическую форму.

Наиболее сложное строение имеют самые крупные вирусы, относящиеся к семейству поксвирусов. Их вирионы имеют форму параллелепипеда (или овоидную), размером 300-450 х 170-260 нм. Вирионы покрыты внешней оболочкой, под которой располагаются сложное образование из тубулярных структур и внутреннее ядро, состоящее из ДНК-содержащей сердцевины и одного или двух боковых телец. Вирион содержит более 30 структурных белков и несколько ферментов. Таким образом, структура вириона у каждого семейства вирусов имеет отличительные особенности. Форма и относительные размеры ДНК - и РНК - содержащих вирусов представлены на рисунках.

Вироиды и прионы

В природе помимо вирусов обнаружены другие очень мелкие загадочные инфекционные агенты с необычными свойствами. К ним относятся вироиды и прионы.

Вироиды. Название «вироид» было предложено в 1971 г. Т. Динером. Оно свидетельствует о том, что симптомы заболеваний, которые вызывают эти агенты у различных растений, похожи на симптомы заболеваний, вызываемых у них вирусами. Однако вироиды отличаются от вирусов по крайней мере по следующим четырем признакам:

Вироиды, в отличие от вирусов, не имеют белковой оболочки и состоят только из инфекционной молекулы РНК.

Они не обладают антигенными свойствами и поэтому не могут быть обнаружены серологическими методами.

Вироиды имеют очень малые размеры: длина молекулы РНК вироидов равна 1 - 106 мм, она состоит из 300-400 нуклеотидов.

Вироиды - самые маленькие способные к размножению единицы, известные в природе.

Молекулы вироидов представляют собой одноцепочечные кольцевые РНК.

Молекулы РНК вироидов не кодируют собственных белков, поэтому их размножение может происходить либо аутокаталитически, либо оно зависит от клетки-хозяина.

С 1971 г. обнаружено более 10 различных вироидов, отличающихся по первичной структуре, кругу поражаемых хозяев, по симптомам вызываемых ими заболеваний. Все известные вироиды построены по одному плану: 300-400 нуклеотидов образуют кольцо, которое удерживается парами оснований и образует двухцепочечную палочковидную структуру с перемежающимися короткими одно- и двухцепочечными участками.

Вопрос о природе, происхождении вироидов и о том, каким способом они распространяются, остается открытым. Существует предположение, что вироиды образуются из нормальных клеточных РНК, однако убедительных подтверждений этому не было представлено.

Прионы. Еще более загадочную природу имеет группа особых инфекционных агентов белковой природы, получивших название прионов. Их считают возбудителями медленных летальных инфекций, характеризующихся поражением ЦНС человека и животных и объединенных в группу «подострых трансмиссивных губкообразных энцефалопатии». Она включает четыре болезни человека - куру, болезнь Крейтцфельдта-Якоба, синдром Герстманна-Штрейслера, амиотрофический лейкоспонгиоз – и четыре болезни животных: скрепи овец, губкообразную энцефалопатию коров, трансмиссивную энцефалопатию норок и хроническую изнуряющую болезнь находящихся в неволе чернохвостого оленя и лосей.

Куру («смеющаяся смерть») - эндемическая («куру» - регион в восточной части острова Новая Гвинея) медленная инфекция, характеризующаяся тяжелыми поражениями ЦНС, которые проявляются в медленно прогрессирующем нарушении координации движений, дрожании, а также в психических изменениях (эйфория, беспричинный смех и т. п.). Болезнь продолжается от 1,5 до 2 лет и заканчивается смертью. Патогенез заболевания изучен недостаточно.

Болезнь Крейтцфельдта—Якоба встречается повсеместно. Характеризуется симптомами поражения нервных путей. Заканчивается всегда смертью. В 1996 г. в Англии были зарегистрированы заболевания коров губкообразной энцефалопатией («бешенство» коров). Заражение мясом таких животных послужило причиной заболевания людей болезнью Крейтцфельдта—Якоба.

Синдром Герстманна—Штрейслера - медленная инфекция. Зарегистрирована в Великобритании, США, Японии и других странах мира. Характеризуется дегенеративными поражениями ЦНС, которые проявляются в формировании губкообразного состояния, образовании амилоидных бляшек во всем мозге. Болезнь выражается в развитии медленно прогрессирующей атаксии и деменции. Патогенез не изучен. Заболевание тянется длительно и заканчивается смертью.

Миотрофический лейкоспонгиоз - медленная инфекция человека, характеризующаяся прогрессирующим развитием атрофических парезов мышц конечностей и туловища, нарушением дыхания и смертельным исходом.

Предполагается, что прионы играют роль в этиологии шизофрении, миопатии и некоторых других заболеваний человека. Природа прионов остается неясной. Они представляют собой группу особых, не содержащих нуклеиновых кислот, низкомолекулярных белков с м. м. 27-30 кД. С вирусами их объединяют малые размеры (они способны проходить через бактериальные фильтры) и неспособность размножаться на искусственных питательных средах; специфический круг поражаемых хозяев; длительная персистенция в культуре клеток, полученной из тканей зараженного хозяина, а также в организме больного человека и животного. Вместе с тем, они существенным образом отличаются от вирусов: во-первых, у них отсутствует собственный геном, следовательно, они не могут рассматриваться, в отличие от вирусов, как живые существа; во-вторых, они не индуцируют никакого иммунного ответа; следовательно, возникает вопрос о степени их чужеродности для организма хозяина. В-третьих, прионы обладают более высокой резистентностью, чем обычные вирусы, к действию высокой температуры, УФ-облучению, ионизирующей радиации и к различным дезинфектантам; нечувствительны к интерферонам и не индуцируют их синтеза. Предполагается, что патогенное действие прионов связано с тем, что они блокируют функции определенных генов, следствием чего является нарушение нормальных физиологических реакций и синтез каких-то аномальных белков. Электронномикроскопически прионы не идентифицированы. Поскольку белки сами по себе не способны размножаться, вопрос о механизме генетического контроля репродукции прионов, как и вопрос об их истинной этиологической роли и факторах патогенности, остается открытым.