Вирусы: отличия от клеточных форм жизни, происхождение. РНК-, ДНК-геномные вирусы. Структурная организация вириона. Взаимоотношения вирусов с клеткой хозяина. Бакте-риофаги.

Ви́рус (лат. virus — «яд») — неклеточный инфекционный агент, который может воспроизводиться только внутри живых клеток. Это мельчайшие организмы, их размеры колеблются от 2 до 500 мкм. Они имеют разнообразную форму: палочковидную» нитевидную, сферическую форму параллелепипеда, сперматозоидную. Вирусы принципиально отличаются от всех других организмов. важнейшие особенности: 1. Они могут существовать только как внутриклеточные паразиты и не могут размножаться вне клеток тех организмов, в которых они паразитируют. 2. Содержат лишь один из типов нуклеиновых кислот — либо РНК, либо ДНК (все клеточные организмы содержат и ДНК, и РНК одновременно). 3. Имеют очень ограниченное число ферментов, используют обмен веществ хозяина, его ферменты, энергию, полученную при обмене веществ в клетках хозяина. 4. Зрелые вироспоры («споры» вирусов) могут существовать вне клетки хозяина, в этот период они не обнаруживают никаких признаков жизни.

Вирусы впервые были открыты в 1892 г. Д. И. Ивановским. По своему строению вирусы представляют собой упакованный в защитную белковую оболочку (каспид) генетический материал в виде ДНК или РНК кода (геном вируса). Различают три типа взаимодействия вируса с клеткой: продуктивный, абортивный и интегративный.

Продуктивный тип — завершается образованием нового поколения вирионов и гибелью (лизисом) зараженных клеток (цитолитическая форма). Некоторые вирусы выходят из клеток, не разрушая их (нецитолитическая форма).

Абортивный тип — не завершается образованием новых вирионов, поскольку инфекционный процесс в клетке прерывается на одном из этапов.

Интегративный тип, или вирогения — характеризуется встраиванием (интеграцией) вирусной ДНК в виде провируса в хромосому клетки и их совместным сосуществованием (совместная репликация).

Репродукция вирусов осуществляется в несколько стадий, последовательно сменяющих друг друга: Адсорбция Вирус адсорбируется на определенных участках клеточной мембраны —рецепторах. Число специфических рецепторов на поверхности одной клетки 104 - 105. Следовательно, на клетке могут адсорбироваться десятки и даже сотни вирусных частиц. Проникновение в клетку Существует два способа проникновения вирусов животных в клетку: виропексис и слияние вирусной оболочки с клеточной мембраной. При виропексисе после адсорбции вирусов происходят инвагинация (впячивание) участка клеточной мембраны и образование внутриклеточной вакуоли, которая содержит вирусную частицу. Процесс слияния осуществляется одним из поверхностных вирусных белков капсидной или суперкапсидной оболочки. Этапы: «Раздевание» Процесс «раздевания» заключается в удалении защитных вирусных оболочек и освобождении внутреннего компонента вируса, способного вызвать инфекционный процесс. Конечными продуктами «раздевания» являются сердцевина, нуклеокапсид или нуклеиновая кислота вируса. Биосинтез компонентов вируса Проникшая в клетку вирусная нуклеиновая кислота подавляет собственный метаболизм клетки и заставляет ее синтезировать новые вирусные белки и нуклеиновые кислоты, идущие на построение вирусного потомства. Реализация генетической информации вируса осуществляется в соответствии с процессами транскрипции, трансляции и репликации. Формирование (сборка) вирусов Синтезированные вирусные нуклеиновые кислоты и белки обладают способностью специфически «узнавать» друг друга и при достаточной их концентрации самопроизвольно соединяются в результате гидрофобных, солевых и водородных связей. Выход вирусов из клетки Различают два основных типа выхода вирусного потомства из клетки. Первый тип — взрывной — характеризуется одновременным выходом большого количества вирусов. При этом клетка быстро погибает. Такой способ выхода характерен для вирусов, не имеющих суперкапсидной оболочки. Второй тип — почкование. Он присущ вирусам, имеющим суперкапсидную оболочку. На заключительном этапе сборки нуклеокапсиды сложно устроенных вирусов фиксируются на клеточной плазматической мембране, модифицированной вирусными белками, и постепенно выпячивают ее. В результате выпячивания образуется «почка», содержащая нуклеокапсид. Затем «почка» отделяется от клетки. Таким образом, внешняя оболочка этих вирусов формируется в процессе их выхода из клетки. При таком механизме клетка может продолжительное время продуцировать вирус, сохраняя в той или иной мере свои основные функции.

Бактериофаги. Особую группу представляют вирусы бактерий — бактериофаги, или фаги, которые способны проникать в бактериальную клетку и разрушать ее. Это вирусы, избирательно поражающие бактериальные клетки. Чаще всего бактериофаги размножаются внутри бактерий и вызывают их лизис. Как правило, бактериофаг состоит из белковой оболочки и генетического материала одноцепочечной или двуцепочечной нуклеиновой кислоты (ДНК или, реже, РНК). Тело фага кишечной палочки состоит из головки, от которой отходит полый стержень, окруженный чехлом из сократительного белка. Стержень заканчивается базальной пластинкой, на которой закреплены шесть нитей. Внутри головки находится ДНК. Бактериофаг при помощи отростков прикрепляется к поверхности кишечной палочки и в месте соприкосновения с ней растворяет с помощью фермента клеточную стенку. После этого за счет сокращения головки молекула ДНК фага впрыскивается через канал стержня в клетку. Примерно через 10—15 мин под действием этой ДНК перестраивается весь метаболизм бактериальной клетки, и она начинает синтезировать ДНК бактериофага, а не собственную. При этом синтезируется и фаговый белок. Завершается процесс появлением 200— 1 000 новых фаговых частиц, в результате чего клетка бактерии погибает. Бактериофаги, образующие в зараженных клетках новое поколение фаговых частиц, что приводит к лизису (распаду) бактериальной клетки, называются вирулентными фагами. Некоторые бактериофаги внутри клетки хозяина не реплицируются. Вместо этого их нуклеиновая кислота включается в ДНК хозяина, образуя с ней единую молекулу, способную к репликации. Такие фаги получили название умеренных фагов или профагов.

Распространение микроорганизмов в природе. Участие микроорганизмов в круговороте веществ. Процессы трансформации веществ микроорганизмами. Взаимоотношения микроорганизмов: ассоциативные и конкурентные.

Микроорганизмы на Земле распространены повсеместно. Встречаются в почве, сточных водах, кишечном тракте животных и человека. Они встречаются во льдах Антарктики и в африканских пустынях, на дне океана, на пиках горных вершин и в воде горячих источников. Они могут жить в сильных ядах, например в солях синильной кислоты, в недрах атомного реактора, выдерживая радиацию, в 2000 раз превышающую смертельную дозу для человека, и на поверхности снега. Микроорганизмы широко распространены в природе: обитают в воздухе, в воде и в почве. В зависимости от среды обитания все микроорганизмы можно разделить на три группы: сапрофиты (находятся в основном в почве), эпифиты (находятся на поверхности живых растений), паразиты (живут в клетках хозяина).

Микрофлора почвы. Почва является главным источником распространения микроорганизмов, т. к в почве: •много питательных веществ (органические, минеральные), •достаточное количество влаги, которое защищает от воздействия прямых солнечных лучей и от резких перепадов температуры. Больше всего микробов содержится на глубине от 1 до 30 см. В песчаной почве их меньше, чем в черноземной. Микроорганизмы играют большую роль в процессах образования и обогащения почв, влияют на их плодородие. В почве встречаются и болезнетворные микроорганизмы, которые попадают с трупами животных, отбросами.

Микрофлора воды. Вода является благоприятной средой для жизнедеятельности микроорганизмов. Загрязнённость воды может составлять до миллиона микробов в 1 мл.Микроорганизмы попадают в водоемы с различными стоками с поверхности почвы, из воздуха и т. д. Количество микроорганизмов в воде зависит от ее происхождения. В открытых водоёмах (реках, озёрах, прудах) больше всего микроорганизмов; в артезианской воде – меньше, т.к. проходя через слои почвы она задерживается.

Микрофлора воздуха. Воздух является неблагоприятной средой для микроорганизмов, так как в нем нет питательных веществ и влажность его ниже необходимой для их развития. Микроорганизмы попадают в воздух с пылью. В воздухе они или погибают, или вновь оседают в виде спор на поверхности земли и различных предметов.

Микрофлора тела человека. На коже человека и во внутренних органах постоянно обитают микробы. В организм человека микробы поступают с пищей, водой, из воздуха. Очень многообразна микрофлора полости рта. Температура, влажность, щелочная реакция слюны, остатки пищи — все это благоприятствует развитию различных микроорганизмов.Органы дыхания постоянной микрофлоры не имеют и полностью зависят от содержания микробов во вдыхаемом воздухе. Микрофлора желудочно-кишечного тракта обильна и многообразна. В кишечнике постоянно обитают кишечная палочка, некоторые кокки.

Роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе С помощью микроорганизмов органические соединения растительного и животного происхождения минерализуются до углерода, азота, серы, фосфора, железа и др. Круговорот углерода. В круговороте углерода активное участие принимают растения, водоросли и цианобактерии, фиксирующие СО2 в процессе фотосинтеза, а также микроорганизмы, разлагающие органические вещества отмерших растений и животных с выделением СО2. При аэробном разложении органических веществ образуются СО2 и вода, а при анаэробном брожении -- кислоты, спирты, СО2. Так, при спиртовом брожении микроорганизмы (дрожжи и др.) расщепляют углеводы до этилового спирта и диоксида углерода. Молочнокислое брожение, вызываемое молочнокислыми бактериями, характеризуется выделением молочной и уксусной кислот и диоксида углерода. Круговорот азота. Атмосферный азот связывают только клубеньковые бактерии и свободноживущие микроорганизмы почвы. Органические соединения растительных, животных и микробных остатков подвергаются в почве минерализации микроорганизмами, превращаясь в соединения аммония. наиболее усвояемыми для растений являются нитраты - азотнокислые соли. Эти соли появляются при распаде органических веществ в процессе окисления аммиака до азотистой, а затем азотной кислоты. Данный процесс называется нитрификацией, а микроорганизмы, его вызывающие, -- нитрифицирующими. Нитрификация проходит в две фазы: в первую фазу аммиак окисляется до азотистой кислоты, образуются нитриты; во второй фазе азотистая кислота окисляется до азотной и превращается в нитраты. Две фазы нитрификации являются примером метабиоза - взаимоотношений микроорганизмов, при которых один микроорганизм размножается, используя продукты жизнедеятельности другого микроорганизма. Нитраты повышают плодородие почвы, однако существует и обратный процесс: нитраты могут восстанавливаться в результате процесса денитрификации до выделения свободного азота, что обедняет его запас в виде солей в почве, приводя к снижению ее плодородия.