Бактериофаги. Взаимодействие фага с бактериальной клеткой

Содержание

 

Введение……………………………………………………………….………. 3

1. Бактериофаги. Взаимодействие фага с бактериальной клеткой…...……..5

2. Умеренные и вирулентные фаги ………...…………………………………9

3. Лизогения………...……………...……………………………………….…14

Заключение …...…………………………………………………….…………20

Список литературы ………………….……………………………………......21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Человек, как все другие живые существа, подвержен заражению вирусами. Вирусные эпидемии и даже пандемии не раз поражали человечество, приводя к многомиллионным жертвам (натуральная оспа, грипп, желтая лихорадка, клещевой энцефалит и др.). В конце XX века человек столкнулся с возбудителями целого ряда ранее неизвестных инфекций - вирусами геморрагической лихорадки Эболла, гепатитов В, C, D и E, атипичной пневмонии, птичьего гриппа. А в начале 80-ых гг. началась новая эпидемия, которую вызвал вирус иммунодефицита человека (ВИЧ).

Надо признать, что одной из важнейших проблем в инфекционной патологии человека являются вирусные заболевания. Вирусы обычно рассматриваются как паразиты возбудители инфекционных болезней, наносящих вред человеку, животным, растениям. Однако такой подход является однобоким, и его нельзя назвать правильным. В 70-ых годах Ждановым В.М. была высказана гипотеза, согласно которой вирусы являются важным фактором эволюции органического мира. Преодолевая видовые барьеры, вирусы могут переносить отдельные гены или группы генов, а интеграция вирусной ДНК с хромосомами клеток может приводить к тому, что вирусные гены становятся клеточными генами, выполняющими важные функции.

Особая роль бактериальных вирусов определяется тем вкладом, который был внесен при их изучении в решение общевирусологических вопросов. Исследования на бактериофагах (вирусах, размножающихся в бактериях) принесли плодотворные результаты и в разрешение важнейших проблем молекулярной биологии и молекулярной генетики. С их помощью было доказано, что материальным носителем наследственности является ДНК, открыт феномен модификации-рестрикции, открыта транскрипция, проведены важнейшие исследования по изучению репликации, рекомбинации, морфогенезу.

Все вышесказанное и определяет актуальность выбранной темы исследования. Также в последние годы вновь возрос интерес к вирусам бактерий в медицинской практике. С одной стороны это связано с все более широким их применением в качестве лекарственных препаратов на фоне нарастающего распространения штаммов микроорганизмов с множественной лекарственной устойчивостью, а с другой - с использованием бактериофагов в качестве санитарно-показательных микроорганизмов для ряда объектов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Бактериофаги. Взаимодействие фага с бактериальной клеткой

 

 

Бактериофагами называют вирусы, живущие в бактериях.

Они относятся к особым представителям царства вирусов, однако в отличие от других видов, бактериофаги умеют использовать бактериальные клетки для размножения.

Эти микроскопические создания очень разнообразны и представляют собой крупнейшую из известных групп вирусов.

На сегодняшний день бактериофаги включают в себя тринадцать семейств, которые делятся на сто сорок родов, а те в свою очередь содержат 5300 видов. Благодаря стараниям ученых и изобретению электронного микроскопа, мы можем в мельчайших деталях изучить их строение. Выяснилось, что большинство фагов имеют строение, более сложное, чем вирусы животных, растений и даже человека.

Бактериофаги очень мелкие, неклеточные организмы. Средняя величина одного экземпляра 0,1-0,2 миллимикрона, а проще говоря, миллионные доли миллиметра, что составляет 1/100 часть от клетки обычной бактерии размером около пяти микрон.

Внешний вид бактериофагов тоже непривычный. Среди них есть роскошные кристаллы, с четкими гранями, расположенные на ножках, словно космические корабли. Их стенки состоят из белковых молекул, а внутри расположена бесценная генная информация - дезоксирибонуклеиновая кислота и рибонуклеиновая кислота, или же ДНК и РНК [3, с. 156].

 Бактериофаги размножаются  в клетках, лизируют их и переходят  в др., как правило, молодые, растущие  клетки. Впервые перевиваемый лизис бактерий (сибиреязвенной палочки) наблюдал в 1898 русский микробиолог Н. Ф. Гамалея. В 1915 английский учёный Ф. Туорт описал это же явление у гнойного стафилококка, а в 1917 французский учёный Ф. Д'Эрелль назвал литический агент, проходящий через бактериальные фильтры.

Строение и химический состав. Частицы многих бактериофагов состоят из головки округлой, гексагональной или палочковидной формы диаметром 45—140 нм и отростка толщиной 10—40 и длиной 100—200 нм. Другие бактериофаги не имеют отростка; одни из них округлы, другие — нитевидны, размером 8х800 нм. Содержимое головки состоит преимущественно из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) (длина её нити во много раз превышает размер головки и достигает 60-70 мкм, эта нить плотно скручена в головке) или рибонуклеиновой кислоты (РНК) и небольшого количества (около 3%) белка и некоторых других веществ. Отросток имеет вид полой трубки, окруженной чехлом, содержащим сократительные белки, подобные мышечным. У ряда бактериофагов чехол способен сокращаться, обнажая часть стержня. На конце отростка у многих бактериофагов имеется базальная пластинка с несколькими шиловидными или другие формы выступами. От пластинки отходят тонкие длинные нити, которые способствуют прикреплению фага к бактерии. Оболочки головки и отростка состоят из белков. Общее количество белка в частице фага 50-60%, нуклеиновых кислот - 40-50%. Каждый бактериофаг обладает специфическими антигенными свойствами, отличными от антигенов бактерии-хозяина и других фагов. Имеются антигены, общие для ряда фагов (особенно содержащих РНК).

Бактериофаги найдены для большинства бактерий, в том числе патогенных и сапрофитных, а также для актиномицетов (актинофаги) и сине-зелёных водорослей. Встречаются бактериофаги в кишечнике человека и животных, в растениях, почве, водоёмах, сточных водах, навозе и т. д. Бактериофаги почвенных микроорганизмов влияют на течение микробиологических процессов в почве [5, с. 264].

Некоторые фаги (одни или в сочетании с антибиотиками) применяли для профилактики (фагопрофилактики) и лечения (фаготерапии) ряда бактериальных инфекционных болезней человека (дизентерия, брюшной тиф, холера, чума, стафилококковые и анаэробная инфекции и др.) и животных. Однако антибиотики и другие химиотерапевтические средства оказались эффективнее фагов, в связи с чем применение их с лечебной целью сузилось. Бактериофаги успешно применяются при определении вида бактерий, актиномицетов. Бактериофаги могут вредить производству антибиотиков, аминокислот, молочных продуктов, бактериальных удобрений и в других отраслях микробиологического синтеза. Велико значение бактериофагов для теоретических работ по генетике и молекулярной биологии.

Среда обитания, как и морфология, бактериофагов очень разнообразна. Их можно встретить везде, где обитают бактерии - в земле, воздухе, воде, в атмосферных осадках, на предметах, одежде и еде, на шерсти животных и коже, а также внутри нашего организма.

Словом, там, где много микроорганизмов, можно встретить много бактериофагов. Самым излюбленным местом обитания фагов является вода и почва с органическими удобрениями и чернозем.

Если же попытаться замерять число бактериофагов в 1 мм куб. проточной воды, то там их содержится более миллиарда. Человек избегает пить сырую воду из естественных водоемов, однако купается в них. Что же касается водопроводной воды, то она проходит тщательную очистку и хлорирование, поэтому все микроорганизмы, в том числе и бактериофаги, погибают. Уничтожая все вредоносные бактерии, мы, к сожалению, избавляемся от многих полезных микроорганизмов.

Благодаря фагам можно не только вылечить, но и обеспечить надежную профилактику инфекций. Однако многие доктора предпочитают назначать антибиотики, когда можно прекрасно обойтись без них. Зачем же назначать такие сильно действующие средства, когда пациент еще не настолько болен, чтобы применять их? Дело в том, что антибиотики уничтожают всю популяцию бактерий, но вместе с тем убивают полезную микрофлору, вызывая дисбактериоз и другие заболевания [4, с. 150].

Достоинства фагов перед антибиотиками:

- бактериофаги помогают уничтожить микробы, малочувствительные к антибиотикам, причем они действуют целенаправленно;

- фаги постоянно эволюционируют;

- не вызывают привыкания и побочных эффектов;

- не подавляют и не нарушают действия человеческого организма;

- не оказывают негативного воздействия на иммунитет;

- не вызывают привыкания патогенных бактерий;

- их можно сочетать со всеми лекарственными препаратами;

- можно использовать в качестве профилактики бактериальных инфекций;

- они оказывают положительное влияние на становление иммунитета.

Бактериофаг прикрепляется своим отростком к бактериальной клетке и, выделяя фермент, растворяет клеточную стенку; затем содержимое его головки через канадец отростка переходит внутрь клетки, где под влиянием нуклеиновой кислоты фага останавливается синтез бактериальных белков, ДНК и РНК и начинается синтез нуклеиновой кислоты, а затем и белков фага. Часть этих белков — ферменты, другая часть образует оболочку зрелой частицы бактериофага. Более мелкие, сферические фаги попадают в бактерии без участия отростка. Если клетка бактерии заражена одновременно частицами бактериофага, различающимися между собой по ряду свойств, то среди потомства, кроме частиц, подобных родителям, будут и такие, у которых эти свойства встречаются в новой комбинации, т. к. при размножении бактериофагов наблюдается рекомбинация — обмен кусками нитей нуклеиновой кислоты, являющейся носителем наследственной информации. Частицы крупных фагов выходят из бактерии, разрушая её, а некоторых мелких и нитевидных — из живых бактерий. Одни бактериофаги весьма специфичны и способны лизировать клетки только одного какого-либо вида микроорганизмов (монофаги), другие — клетки разных видов (полифаги) [6, с. 286].

 

 

 

 

 

2. Умеренные и вирулентные фаги

 

Бактериофагов делят на вирулентные, вызывающие лизис клетки с образованием новых частиц, и умеренные (симбиотические), которые адсорбируются клеткой и проникают в неё, но лизиса не вызывают, а остаются в клетке в латентной (скрытой) неинфекционной форме (профаг).

Процесс взаимодействия вирулентного фага с бактериальной клеткой состоит из последовательной смены отдельных стадий. Стадии продуктивной инфекции:

I стадия - адсорбция. На клеточной  стенке бактерий имеются рецепторы, на которых адсорбируются соответствующие  фаги. Рецепторы различаются по химическому составу. Рецепторы для одних фагов находятся в липопротеиновом слое, для других - в липополисахаридном. Для ряда фагов рецепторы находятся на отростках клеток - жгутиках или пилях. Фагорезистентность некоторых бактерий определяется, вероятно, отсутствием у них соответствующих рецепторов в результате мутаций. При избытке бактериофага на одной клетке может адсорбироваться 200-300 фаговых частиц, хотя для заражения достаточно и одной.

Фаг может адсорбироваться и на изолированных клеточных стенках, в то время как на протопластах, полностью лишенных клеточной стенки, адсорбции не происходит.

Литический цикл инфекции начинается с того, что частица бактериофага случайно сталкивается с клеткой-хозяином. Если у вириона имеется участок адсорбции, химически комплементарный специфическому рецепторному участку на поверхности бактериальной клетки, то происходит необратимая адсорбция.

На процесс адсорбции фага большое влияние оказывают условия среды: солевой состав, рН, температура, а также наличие в среде строго определенных веществ - кофакторов адсорбции, например, триптофана для адсорбции фагов Т4, Т6. Некоторые фаги в качестве рецепторов используют половые пили бактерий [1, с. 129].

II стадия - пенетрация (проникновение). Фаги, имеющие сократительный механизм в хвостовой части, такие, как Т3, подобно шприцу инъецируют свою ДНК в периплазматическое пространство между клеточной стенкой и клеточной мембраной. Затем ДНК проникает в клетку через мембрану с затратой энергии хозяина.

Некоторые мелкие кубические фаги, способные адсорбироваться на половых пилях, вводят свою нуклеиновую кислоту через канал этих пилей.

Известен механизм пенетрации и других фагов. Нитевидные ДНК-содержащие фаги проникают в клетку по другому механизму. В этом случае через клеточную стенку проникает весь вирион.

 Белок, преобладающий в оболочке  фаговой частицы, остается на  клеточной мембране (ЦПМ), а фаговая  ДНК, вместе с минорным оболочечным  белком (А-белком) проникает в цитоплазму.

Установление фагового генома:

Однонитевая ДНК - к репликативному аппарату для синтеза комплементарной ей нити и образования репликативной формы; далее - аналогично двунитевой.

Двунитевая ДНК - к транскрипционному аппарату для синтеза мРНК и последующей трансляции вирусспецифических белков (ферментов и структурных).

РНК-геном - к трансляционному аппарату для синтеза вирусспецифических белков (ферментов репликации и структурных).

III стадия - биосинтез фаговой НК  и белков капсида. В первые  минуты после проникновения НК  внутрь бактериальной клетки  в течение латентного периода фаговые частицы обнаружить не удается. У E. coli этот период продолжается в среднем 25 мин, в искусственно разрушенных бактериальных клетках также не удается обнаружить фага [4, с. 207].

Инъецированная ДНК фага, прежде всего, вызывает полную перестройку метаболизма зараженной клетки. Сразу же прекращается синтез бактериальной ДНК, через несколько минут прекращается также синтез бактериальной РНК и бактериальных белков, хотя общее количество белка продолжает непрерывно возрастать. Синтез ДНК возобновляется, даже с повышенной скоростью. Сначала фаговая ДНК образуется за счет распавшейся бактериальной.