1. Характеристика схожести и отличия прокариотических и эукариотических клеток

Обоснование того, что прокариотный и эукариотный типы клеточной организации являются наиболее существенной границей, разделяющей все клеточные формы жизни, связано с работами Р. Стейниера (R. Stanier, 1916--1982) и К. ван Ниля, относящимися к 60-м гг. Поясним разницу между прокариотами и эукариотами. Клетка -- это кусочек цитоплазмы, отграниченный мембраной. Последняя под электронным микроскопом имеет характерную ультраструктуру: два электронно-плотных слоя каждый толщиной 2,5--3,0 нм, разделенных электронно-прозрачным промежутком. Такие мембраны получили название элементарных. Обязательными химическими компонентами каждой клетки являются два вида нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), белки, липиды, углеводы. Цитоплазма и элементарная мембрана, окружающая ее, -- непременные и обязательные структурные элементы клетки. Это то, что лежит в основе строения всех без исключения клеток. Изучение тонкой структуры выявило существенные различия в строении клеток прокариот (бактерий и цианобактерий) и эукариот (остальные макро- и микроорганизмы).

Прокариотная клетка отличается тем, что имеет одну внутреннюю полость, образуемую элементарной мембраной, называемой клеточной, или цитоплазматической (ЦПМ). У подавляющего большинства прокариот ЦПМ -- единственная мембрана, обнаруживаемая в клетке. В эукариотных клетках в отличие от прокариотных есть вторичные полости. Ядерная мембрана, отграничивающая ДНК от остальной цитоплазмы, формирует вторичную полость. Наружные мембраны хлоропластов и митохондрий, окружающие заключенные в них функционально специализированные мембраны, играют аналогичную роль. Клеточные структуры, ограниченные элементарными мембранами и выполняющие в клетке определенные функции, получили название органелл. Ядро, митохондрий, хлоропласты -- это клеточные органеллы. В эукариотных клетках помимо перечисленных выше есть и другие органеллы.

В клетках прокариот органеллы, типичные для эукариот, отсутствуют. Ядерная ДНК у них не отделена от цитоплазмы мембраной. В цитоплазме находятся функционально специализированные структуры, но они не изолированы от цитоплазмы с помощью мембран и, следовательно, не образуют замкнутых полостей. Эти структуры могут быть сформированы и мембранами, но последние не замкнуты и, как правило, обнаруживают тесную связь с ЦПМ, являясь результатом ее локального внутриклеточного разрастания. В клетках прокариот есть также образования, окруженные особой мембраной, имеющей иное по сравнению с элементарной строение и химический состав.

Таким образом, основное различие между двумя типами клеток -- существование в эукариотной клетке вторичных полостей, сформированных с участием элементарных мембран. Сопоставление некоторых черт клеточной организации прокариотных и эукариотных организмов представлено в таблица 1. Сопоставление некоторых черт прокариотной и эукариотной клеточной организации:

Признак	Прокариотная клетка	Эукариотная клетка
Организация генетического материала	нуклеоид (ДНК не отделена от цитоплазмы мембраной), состоящий из одной хромосомы; митоз отсутствует	ядро (ДНК отделена от цитоплазмы ядерной оболочкой), содержащее больше одной хромосомы; деление ядра путем митоза
Локализация ДНК	в нуклеоиде и плазмидах, не ограниченных элементарной мембраной	в ядре и некоторых органеллах
Цитоплазматические органеллы	отсутствуют	имеются
Рибосомы в цитоплазме	70S-типа	80S-типа
Цитоплазматические органеллы	отсутствуют	имеются
Движение цитоплазмы	отсутствует	часто обнаруживается
Клеточная стенка (там, где она имеется)	в большинстве случаев содержит пептидогликан	пептидогликан отсутствует
Жгутики	нить жгутика построена из белковых субъединиц, образующих спираль	каждый жгутик содержит набор микротрубочек, собранны в группы: 2·9-2

В связи с тем что прокариотная и эукариотная организация клеток принципиально различна, было предложено только на основании этого признака выделить все прокариоты в особое царство. Р. Меррей (R. Murray) в 1968 г. предложил все клеточные организмы разделить на две группы по ТИПУ их клеточной организации: царство Prokaryotae, куда вошли все организмы с прокариотным строением клетки, н царство Eukaryotae, куда включены все высшие протисты, растения и животные.

Р. Виттэкер (R. Whittaker) предложил схему, по которой все живые организмы, имеющие клеточное строение, представлены разделенными на пять царств (рис. 2). Такая система классификации живого мира отражает три основных уровня его клеточной организации: Monera включает прокариотные организмы, находящиеся на самом примитивном уровне клеточной организации; Protista -- микроскопические, в большинстве своем одноклеточные, недифференцированные формы жизни, сформировавшиеся в результате качественного скачка в процессе эволюции, приведшего к возникновению эукариотных клеток; многоклеточные эукариоты представлены в свою очередь тремя царствами Plantae, Fungi и Animalia.

Три последние таксономические группы различаются по способу питания: фототрофный тип питания за счет процесса фотосинтеза характерен для растений (Plantae): грибы (Fungi) в основном характеризуются осмотрофным типом питания, т. е. питанием растворенными органическими веществами; животные (Animalia) осуществляют голозойное питание, заключающееся в захватывании и переваривании твердой пищи. Способы питания, специфические для растений и грибов, возникли в процессе эволюции на уровне Monera. На уровне Protista они получили свое дальнейшее развитие; здесь же сформировался третий тип питания -- голозойный.

Не берясь судить о целесообразности деления живой природы на пять или шесть царств, можно с определенностью утверждать, что обособление прокариотных микроорганизмов в отдельное царство Prokaryotae правомерно, поскольку основано на принципиальных различиях в структуре прокариотных и эукариотных клеток, т. е. тех единиц, из которых построены все клеточные формы жизни.

2. Характеристика морфологических и структурных признаков бактерий Firmicutes и gracilicutes

Firmicutes - тип бактерий, большинство из которых грамм-положительные. Некоторые (класс Mollicutes), совсем не имеют клеточной стенки и не красятся за Граммом, но не имеют и внешней мембраны, найденной в других грамм-отрицательных формах. Сначала к Firmicutes включали всех грамм-положительных бактерий, но сейчас они ограничиваются основной группой связанных форм, так называемой группой низкого содержимого G+C, в отличие от Actinobacteria. Они имеют круглые клетки, которые называют коками (хотя некоторые представители имеют палочковидные и спиральные формы).

Електронна мікрофотографія колонії

Staphylococcus aureus

Много Firmicutes образовывают эндоспоры, которые есть очень стойкими к высушиванию и могут выдерживать экстремальные условия. Они найдены в разных окружающих средах, некоторые из них - известные патогены. Члены одной семьи, Heliobacteriaceae, получают энергию через фотосинтез.

Группа традиционно делилась на Clostridia (преимущественно анаэробы), Bacilli (облигатные или факультативные аэробы), и Mollicutes. На молекулярных деревьях первые две группы часто показываются как парафилетические или полифилетические к их основным родам, Clostridium и Bacillus, хотя поддержка этих данных слабая. Возможно, позднее эти группы будут пересмотрены.

Наиболее известные роды Firmicutes включают:

Bacilli, ряд Bacillales

Bacillus

Listeria

Staphylococcus

Bacilli, ряд Lactobacillales

Enterococcus

Lactobacillus

Lactococcus

Leuconostoc

Streptococcus

Clostridia

Acetobacterium

Clostridium

Eubacterium

Heliobacterium

Heliospirillum

Sporomusa

Mollicutes

Mycoplasma

Spiroplasma

Ureaplasma

Erysipelothrix

Способность образовывать более или менее терморезистентные споры, за немногими исключениями, ограничивается группой палочек, большинство из которых имеет перитрихально расположенные жгутики. Это грам-положительные бактерии. Аэробные и факультативно-анаэробные палочки сведены в роды Bacillus, Sporolactobacillus и Sporosarcina, а анаэробные роды Clostridium и Desulfotomaculum. Многие спорообразую-шие виды хорошо известны благодаря своим биохимическим особенностям. Здесь будут рассмотрены лишь некоторые представители больших родов Bacillus и Clostridium.

Рис. 2. Схематическое изображение типичных форм спорообразующих клеток. 1 -центрально расположенная спора, которая не увеличивает размера материнской клетки (Bacillus megaterium); 2-терминальная спора, не увеличивающая размеров материнской клетки (Bacillus thuringiensis), с белковыми включениями; 3 - терминальная спора, расширившая материнскую клетку булавовидно (Bacillus macerans); 4-центральная спора, придающая материнской клетке веретенообразную (клостридиеподобную) форму (Bacillus polymyxa); 5-круглая терминальная спора, придавшая материнской клетке форму барабанной палочки (плектри-диальную форму) (Bacillus sphaericus); 6-латеральная спора; материнская клетка увеличилась в размерах, приняв форму веретена (Bacillus laterosporus).

Аэробные спорообразующие бактерии. Бактерии этого типа обитают в почве. Многие бациллы образуют цепочки клеток или нити. По форме спор и материнских клеток (рис. 3.6) бациллы могут быть разделены на три группы:

(I) Споры овальные или цилиндрические, не толще материнской клетки. Таковы споры большинства бацилл (В. megaterium, В. cereus, В. subtilis, В. licheniformis, B. anthracis, B. thuringiensis).

(II) Овальные споры шире материнской клетки; они «раздувают» клетку изнутри в ходе споруляции (В. polymyxa, В. macerans, В. stearothermophilus, В. circulans).

(III) Почти круглая спора в набухшем конце материнской клетки (В. pasteurii).

I. Bacillus megaterium с клетками величиной 2x5 мкм является гигантом среди эубактерий. Несколько меньше В. cereus; к этому виду теперь причисляют также вариант, получивший название «mycoides» за грибовидный рост на поверхности агара (В. cereus var. mycoides). Существуют «право- и левозакрученные» штаммы, но общий вид колоний очень типичен. В близком родстве с В. cereus находятся возбудитель сибирской язвы В. anthracis, который не имеет жгутиков и окружен капсулой из глутаминовой кислоты, и патогенная для насекомых бактерия В. thuringiensis. Вид Bacillus subtilis, получивший название «сенной палочки» (так как накопительные культуры получают из сенного экстракта), а также В. licheniformis образуют полипептидные антибиотики. Вторая из названных бацилл способна расти, получая энергию не только за счет кислородного дыхания, но также за счет брожения и анаэробного нитратного дыхания.

П. Бактерия В. polymyxa (ранее называвшаяся В. asterosporus) получила нынешнее свое название из-за того, что образует большое количество слизи (а также боченкообразные, в поперечном сечении звездчатые споры). Как и В. licheniformis, она образует 2,3-бутандиол. В. stеarothermophilus - выраженный термофил (температурный оптимум для роста 50-65°С).

III. Вид В. pasteurii известен как классический пример бациллы, разлагающей мочевину; он конститутивно синтезирует уреазу, гидролизует мочевину до С02 и аммиака и приспособлен к высоким значениям рН. По своей физиологии с ним сходна Sporosarcina ureae, которая в морфологическом отношении, собственно, относится к сарцинам, но по основным физиологическим признакам должна быть отнесена к бациллам (аэроб; образует терморезистентные споры, содержащие дипиколино-вую кислоту).

Анаэробные спорообразующие бактерии. Для роста этих бактерий кислород не нужен. Виды, объединенные в род Clostridium, как правило, не имеют цитохромов и каталазы. Из-за высокого содержания флавиновых ферментов многие клостридии при контакте с кислородом воздуха образуют перекись водорода, которая оказывает на их клетки токсическое действие. Ввиду того что сульфатредуцирующие бактерии, образующие споры, содержат протогеминовые пигменты, их выделили из рода Clostridium в новый род Desulfotomaculum (D. nitrificans, D. orientis, D. ruminis). У анаэробных спорообразующих бактерий спора обычно значительно шире, чем вегетативная клетка. Материнская клетка в зависимости от положения споры может иметь различную форму.

Клостридии сбраживают большое число субстратов, включая полисахариды, белки, аминокислоты и пурины. По предпочитаемым субстратам можно различать сахаролитические клостридии (например, Clostridium butyricum, С. acetobutylicum, С. cellulosae-dissolvens), пептолитические клостридии (С. histolyticum, С. sporogenes, С. tetani, С. botulinum) и клостридии, разлагающие мочевую кислоту (С. acidi-urici). Продуктами брожения являются бутират, бутанол, ацетон, 2-пропанол и во многих случаях большие количества газа (Н2, С02). С. Pasteurianum и многие другие сахаролитические клостридии фиксируют молекулярный азот. С. aceticum превращает фруктозу или смесь С02 и молекулярного водорода в ацетат.

В качестве дополнения следует указать на Oscillospira guilliermondii--необычно крупную (5 х 100 мкм) анаэробную бактерию, разделяющуюся на клетки и образующую споры. Ее часто находят в слепой кишке морской свинки и в рубце жвачных.

ОТДЕЛ GRACILICUTES

Протеобактерии (proteobacteria) это одна из основных групп бактерий. Они насчитывают большое количество патогенов, таких как кишечная палочка (E.coli), сальмонела (Salmonella), вибрион (Vibrio), чумная палочка (Yersinia pestis), Helicobacter pylori и много других видов. Другие есть свободно живучими организмами, и насчитывают много бактерий, отвечающих за фиксацию азота. Как и для других бактерий, группа определяется по последовательностью рибосомной РНК (16S ррнк), и названная за именем греческого бога Протея (также как и один из родов бактерий сред протеобактерий), который мог изменять свою форму, в результате большого разнообразия форм, найденных в этой группе.

Все протеобактерии грамм-отрицательные, с внешней мембраной преимущественно построенной из полисахаридов. Многие из них двигаются применяя джгутики, но некоторые недвижимые, а другие викорустовують ворсинки или другие механизмы бактериального скольжения. Последние включают миксобактерий, уникальную группу бактерий, которые могут агрегуватися чтобы создать многоклеточные плодовые тела. Между протеобактерий также существует большое разнообразие типов метаболизма. Большинство членов являются факультативными или облигатними анаеробами и гетерофами, но также существуют множество исключения. Разные виды, не будучи родственными, превращают энергию света, применяя фотосинтез. Также среди протеобактерий существуют пурпурные бактерии, названные так за их красновату пигментацию.

Альфа-протеобактерии охватывают большинство фототрофных видов, но также несколько видов, метаболизующих C 1-вещества, симбиоты с растениями (ризобии) и животными, и группу опасных патогенов, Rickettsiaceae. Больше того, ученые считают, что предтечи митохондрий клеток эукариотов также возникли из этой группы.

Бета-протеобактерии содержат несколько групп аэробных или факультативных бактерий, которые часто очень разнообразные за своими возможностями метаболизма, крот того, хемолоитотрофные роды (т.е., окисляющий аммиак род Nitrosomonas) и фототрофов (роды Rhodocyclus и Rubrivivax). Многие из них найденные только в естественных образцах, например, видбросах и грунту. Этот класс содержит и некоторое количество патогенных видов: Neisseriaceae (gonorrhoe и meningoencephalitis) и виды рода Burkholderia.

Гамма-протеобактерии охватывают несколько клинично и научно важных групп of бактерий, таких как Enterobacteriaceae, Vibrionaceae и Pseudomonadaceae. Значительное число важных патогенив принадлежит к этому классу, т.е. Salmonella (вызывает энтерит и тиф), Yersinia (чума), Vibrio (холера), Pseudomonas aeruginosa (инфекции легких госпителизованых или клиничных пациентов с кистозным фиброзом).

Дельта-протеобактерии охватывают подраздел большей частью аэробных бактерий, бактерий образующих плодовые тела миксобактерии, и подраздел строго аэробных видов, который содержит большинство известных сульфат- (Desulfovibrio, Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfonema, и т.п.) и серо-восстанавливающие бактерии (e.g. Desulfuromonas) и также несколько других анаеробных бактерии с другой физиологией (т.е. зализо-видновлюючи Geobacter и синтропичные виды: Pelobacter и Syntrophus).

Эпсилон-протеобактерии содержат лишь несколько видов, преимущественно вигнети и спиральные Wolinella, Helicobacter, и Campylobacter. Они все насиляють травный тракт животных и человека и служат как симбиоти (Wolinella в коровах) или патогени (Helicobacter в желудке, Campylobacter в двнадцатиперсний кишке).

Планктомицети - облигатно аэробные водные бактерии, найденные в образцах соленой и пресной воды. Они размножаются почкованием. По структуре, организмы этой группы яйцевидные и имеют структуру непепродуктивного конца, которая помогает им соединяться на протяжении почкования, так называемое стебель.

Организмы, которые принадлежат к этой группе не имеют пептидогликанив в клитиннии стенке. Пептидогликан - важный гетерополимер, присутствующий клеточных стенках большинства бактерий, который служат защитным компонентом. Вместе с тем стенки планктомицетов составлены с гликопротеинив богатых на глутамин. Планктомицети имеют внутренние структуры, более сложные, чем обычно ожидаются в прокариотах. Тогда как они не имеют клидинного ядра такой структуры как в эукариот, ядерный материал иногда может быть окружен в двойной мембране. В дополнение к этому нуклеоиду, эти бактерии содержат два других отдела, отделенных мембраной, пирреллюлозому или рибоплазму, которая содержит рибосомы и связанные белки, и свободный от рибосом парафоплазму (Glockner, 2003).

3. Характеристика общих свойств микроорганизмов

Микроорганизмы - это организмы, невидимые невооруженным глазом из-за их незначительных размеров. Этот критерий - единственный, который их объединяет. В остальном мир микроорганизмов еще более разнообразен, чем мир макроорганизмов. Согласно современной систематике, микроорганизмы относятся к трем царствам:

Vira - к ним относятся вирусы;

Eucariotae - к ним относятся простейшие и грибы;

Procariotae - к ним относятся истинные бактерии, риккетсии, хламидии, микоплазмы, спирохеты, актиномицеты.

Количество и жизнедеятельность микробов зависят от условий существования (питания, температуры, влажности).

По характеру питания микробы делятся на автотрофные, питающиеся минеральными веществами, и гетеротрофные, питающиеся готовыми органическими соединениями. Гетеротрофные микробы делятся на сапрофиты (метатрофы), разлагающие органические вещества в природе и вызывающие порчу пищевых продуктов, и паразиты (паратрофы), развивающиеся в теле других организмов и питающиеся сложными органическими веществами. К группе паразитов относятся разнообразные возбудители заболеваний человека и животных.

По типу дыхания микробы делятся на аэробы, развивающиеся только при доступе кислорода воздуха, и анаэробы, не нуждающиеся в кислороде воздуха. Анаэробные микробы подразделяются на облигатные, для которых кислород вреден, и факультативные, которые могут жить как при доступе воздуха, так и без него Температура является одним из наиболее важных факторов, влияющих на жизнедеятельность микробов.

По отношению к температуре микробы подразделяют на три группы мезофилы, психрофилы и термофилы.

Большинство микробов, находящихся в стадии активного размножения (вегетативная стадия), погибает при температуре около 70° С за 1--5 мин. Споры некоторых бактерий выдерживают кипячение в течение нескольких часов. Во влажной среде споры бактерий погибают при 120° С через 20--30 мин, а в с^хой -- при 160--170° С через 1--2 ч Споры большинства дрожжей и плесеней менее устойчивы к воздействию высоких температур, чем споры бактерий и быстро погибают при нагревании до 65--80° С

Влияние температуры на жизнедеятельность микробов обусловливает возможность хранения пищевых продуктов (рыба, мясо и др.) при пониженных температурах, замедляющих размножение микробов и угнетающих деятельность ферментов. Наблюдения показывают, что количество микробов, погибших при замораживании продуктов, нередко достигает 80--90% от их первоначального содержания. Микроорганизмы, оставшиеся в живых, вначале инактивируются холодом, но при дальнейшем хранении охлажденного или замороженного продукта при температуре не ниже минус 8° С их жизнедеятельность постепенно восстанавливается Губительно действуют на микробы повторное замораживание и оттаивание продукта.

Большое влияние на жизнедеятельность микробов оказывает влажность среды. В результате высушивания продукта останавливается развитие многих видов содержащихся в нем микробов, так как при отсутствии воды они не могут питаться. Так, минимум содержания влаги в среде обитания для развития бактерии составляет 30%, а для многих плесеней -- около -13% . Споры некоторых плесневых грибов сохраняют способность к прорастанию при отсутствии влаги в течение нескольких лет.

4. Особенности строения муреина у бактерий.

Опорный скелет бактериальной стенки тоже состоит в значительной степени из однородного полимера-пептидогликана муреина. Эта макромолекула - гетерополимер, построенный из цепочек, в которых чередуются остатки N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты (N-ацетилглюкозаминлактата), соединенные между собой рЧ,4-глико-зидными связями.

Такие неразветвленные гетерополимерные цепи образуют основу муреина. Остатки мурамовой кислоты через лактильные группы соеди нены пептидной связью с аминокислотами. К типичным аминокислотам муреина относятся L-аланин, D-глутаминовая кислота, .мезодиаминопи-мелиновая кислота или L-лизин и D-аланин. Диаминокислоты мезо-(или LL-) диаминопимелиновая кислота и L-лизин играют большую роль в межмолекулярных сшивках, так как образуют пептидные связи с участием обеих аминогрупп и, таким образом, могут связать две гетерополимерные цепи между собой. Место диаминопимелино-вой кислоты или лизина могут занять орнитин или диаминомасляная кислота. Пептидными мостиками гетерополимерные цепи связаны между собой в мешкообразную гигантскую молекулу -муреиновый мешок.

Муреиновый мешок выполняет функцию опорного каркаса клеточной стенки. На нем откладываются и его инкрустируют различные другие вещества. По строению этого каркаса, а также по содержанию других веществ в клеточной стенке грам-положительные бактерии отличаются от грам-отрицательных.

Существуют 2 типа строения клеточной стенки:

· у бактерий первого типа пептидогликан муреин составляет до 90% массы клеточной стенки и образует многослойный (до 10 слоев) каркас, при этом он ковалентно связан с тейхоевыми кислотами. Такие бактерии при окраске по методу Грама прочно удерживают комплекс генцианового фиолетового и йода; они окрашиваются в сине-фиолетовый цвет и называютсяграмположителъными:

· у бактерий со вторым типом строения клеточной стенки поверх 2--3 слоев пептидогликана муреина располагается слой липополисахаридов. Эти бактерии при окраске по методу Грама неспособны прочно удерживать комплекс генцианового фиолетового и йода и соответственно обесцвечиваются спиртом, прокрашиваясь дополнительным красителем -- фуксином -- в розово-красный цвет. Они называются грамотрицательными.

5. Характеристика микроорганизмов по способам питания

Объединить типы конструктивного и энергетического метаболизма можно в следующей таблице:

Способы существования живых организмов (матрица Львова)
Источник энергии	Донор электрона	Источник углерода	Название способа существования	Представители
ОВР	Неорганические соединения	Углекислый газ	Хемолитоавтотрофия	Нитрифицирующие, тионовые, ацидофильные железобактерии
		Органические соединения	Хемолитогетеротрофия	Метанообразующие архебактерии, водородные бактерии
	Органические вещества	Углекислый газ	Хемоорганоавтотрофия	Факультативные метилотрофы, окисляющие муравьиную кислоту бактерии
		Органические соединения	Хемоорганогетеротрофия	Большинство прокариот, из эукариот: животные, грибы, человек
Свет	Неорганические соединения	Углекислый газ	Фотолитоавтотрофия	Цианобактерии, пурпурные, зелёные бактерии, из эукариот: растения
		Органические соединения	Фотолитогетеротрофия	Некоторые цианобактерии, пурпурные, зелёные бактерии
	Органические вещества	Углекислый газ	Фотоорганоавтотрофия	Некоторые пурпурные бактерии
		Органические вещества	Фотоорганогетеротрофия	Галобактерии, некоторые цианобактерии,пурпурные, зелёные бактерии

Из таблицы видно, что разнообразие типов питания прокариот в разы больше чем у эукариот (последние способны лишь к хемоорганогетеротрофии и фотолитоавтотрофии).

6. Химическое строение и структурная организация вирусов, морфология, особенности взаимодействия с клеткой-хозяином.

Вирусы не имеют клеточного строения. Каждая вирусная частица состоит из расположенного в центре носителя генетической информации и оболочки. Генетический материал представляет собой короткую молекулу нуклеиновой кислоты, это образует сердцевину вируса. Нуклеиновая кислота у разных вирусов может быть представлена ДНК или РНК, причем эти молекулы могут иметь необычное строение: встречается однонитчатая ДНК и двух нитчатая РНК.

Оболочка называется капсид. Она образована субъединицами - капсомерами, каждый из которых состоит из одной или двух белковых молекул. Число капсомеров для каждого вируса постоянно (в капсиде вируса полиомиелита их 60, а у вируса табачной мозаики - 2130). Иногда нуклеиновая кислота вместе с капсидом называется нуклеокапсидом. Если вирусная частица кроме капсида, больше не имеет оболочки, её называют простым вирусом, если имеется ещё одна - наружная, вирус называется сложным. Наружную оболочку также называют суперкапсидом, генетически она не принадлежит вирусу, а происходит из плазматической мембраны клетки-хозяина и формируется при выходе собранной вирусной частицы из инфицированной клетки.

У каждого вируса капсомеры капсида располагаются в строго определённом порядке, благодаря чему возникает определённый тип симметрии. При спиральной симметрии капсид приобретает трубчатую (вирус табачной мозаики) или сферическую (РНК-содержащие вирусы животных) форму. При кубической симметрии капсид имеет форму икосаэдра (двадцатигранника), такой симметрией обладают изометрические вирусы. В случае комбинированной симметрии капсид обладает кубической формой, а расположенная внутри нуклеиновая кислота уложена спирально. Правильная геометрия капсида даже позволяет вирусным частицам совместно образовывать кристаллические структуры.

Непременным компонентом вирусной частицы является одна из двух нуклеиновых кислот, белок и зольные элементы. Эти три компонента являются общими для вирусов, тогда как остальные двалипоиды и углеводы - входят в состав далеко не всех вирусов.

Вирусы, состоящие только из белка нуклеиновой кислоты и зольных элементов, чаще всего принадлежат к группе простых вирусов, лишенных дифференциации, собственных ферментов или каких-либо специализированных структур - вирусы растений, некоторые вирусы животных и насекомых. В то же время практически все бактериофаги, которые по химическому составу, принадлежат к группе минимальных вирусов, на самом деле являются очень сложными и высокодифференцированными структурами.

Вирусы, в состав которых наряду с белком и нуклеиновой кислотой входят также липоиды и углеводы, как правило, принадлежат к группе сложно устроенных вирусов. Большая часть вирусов этой группы паразитирует на животных.

Белки вирусов

Белок всех исследованных до настоящего времени вирусов построен из обычных аминокислот, принадлежащих к естественному L-ряду. Соотношение аминокислот в вирусных белках достаточно близко к таковому в белках животных, бактерий и растений.

Вирусные белки не содержат обычно большого количества основных аминокислот (аргинина, муцина). Не учитывая нейтральных аминокислот, можно сказать, что в вирусном белке преобладают кислые дикарбоновые кислоты. Это справедливо для вирусов с низким и высоким содержанием нуклеиновых кислот.

Вирусная ДНК

Молекулы вирусных ДНК могут быть линейными или кольцевыми, двух цепочечными или одно цепочечными по всей своей длине или же одно цепочечными только на концах. Кроме того, выяснилось, что большинство нуклеотидных последовательностей в вирусном геноме встречается лишь по одному разу, однако на концах могут находиться повторяющиеся, или избыточные участки. Помимо различий в форме молекулы и в структуре концевых участков вирусных ДНК существуют также различия в величине генома.

Вирусная РНК

Исследования вирусной РНК составили один из самых значительных вкладов вирусологии в молекулярную биологию. Тот факт, что у вирусов растений реплицируемая генетическая система состоит только из РНК, ясно показал, что и РНК способна сохранять генетическую информацию. Была установлена инфекционность РНК вируса табачной мозаики, и выяснилось, что для инфекции необходима вся ее молекула.

Размеры вирионов РНК - вирусов сильно варьируют - от 7^.10⁶ до 2^.10⁸ дальтон, однако размеры РНК и, следовательно, объем содержащейся в ней информации различаются в значительно меньшей степени.

Углеводы

Четверым компонентом, обнаруживаемым иногда в очищенных вирусных препаратах, являются углеводы (в количестве, превышающем содержание сахара в нуклеиновой кислоте). Глюкоза и гентибиоза обнаружена в составе некоторых фагов. Помимо этих углеводов, в составе бактериофагов могут быть и другие полисахариды. Единственная группа вирусов, в которой наличие углеводов точно доказано - вирусы животных. В составе элементарных телец вируса гриппа и классической чумы птиц находятся до 17 % углеводов.

Другие компоненты вирионов

Наиболее важный из таких компонентов двойной слой липидов, образующий основную массу наружной оболочки у тех вирусов, у которых она имеется. Полагают, что липиды оболочек просто заимствуются из плазматической мембраны клетки-хозяина и поэтому, строго говоря, не могут считаться вирус специфическими.

Высокоочищенные препараты вирионов содержат ряд низкомолекулярных компонентов. У бактериофагов и вирусов животных и растений обнаружены полиамины. Возможно, что их физиологическая функция состоит в нейтрализации отрицательного заряда нуклеиновой кислоты. Например, вирус герпеса содержит достаточно спермина, чтобы нейтрализовать половинку вирусной ДНК, а в вирусной оболочке присутствует спермидин.

В состав некоторых вирусов растений (морщинистости турнепса, крапчатости фасоли, табачной мозаики) входит бис амин.

Размножение вирусов

Вирусная частица - это инертная статическая форма вируса. Когда вирионы находятся вне клетки, они не размножаются и в них не происходит никаких метаболических процессов. Все динамические события начинаются лишь тогда, когда вирус проникает в клетку. Даже у многоклеточного хозяина решающие события при вирусной инфекции происходят на клеточном уровне. Распространение вируса совершается в результате повторных циклов взаимодействия вируса с клетками и рассеяния вирионов во внеклеточной среде.

В зараженных вирусом клетках происходит глубокая перестройка вирусного материала, а часто также и компонентов клетки-хозяина. Возникает новая система - комплекс вирус-клетка. Репродукция вирусов - процесс многоэтапный, который можно разделить на семь стадий:

Адсорбция. Это процесс прикрепления вирусов к поверхности восприимчивой клетки. Вначале вирионы адсорбируются посредством электростатического взаимодействия или за счёт ван-дер-ваальсовых сил. Эта стадия обратима: вирус можно отделить обычным встряхиванием.

Инъекция. Связана с введением (инъекцией) в клетку инфекционной нуклеиновой кислоты вируса (как у фагов) или проникновением в клетку целой вирусной частицы с последующим «раздеванием» вируса от белковой оболочки и высвобождением инфекционной нуклеиновой кислоты.

Депротеинизация. В ходе её происходит освобождение носителя генетической информации вируса - его нуклеиновой кислоты. У бактериофагов этот процесс совпадает с предыдущей стадией.

Репликация вирусных молекул нуклеиновой кислоты. Репликация идёт за счет нуклеотидов, накопленных в клетке хозяина.

Синтез вирус специфических структурных белков и ферментов. Процесс синтеза идёт в рибосомах клетки хозяина.

Сборка (самоорганизации) вирусных частиц. Для этого необходимо, чтобы концентрация компонентов вириона достигла высокого (критического) уровня. Компоненты вирусной частицы синтезируются раздельно и в разных частях клетки. Сначала происходит комплексирование нуклеиновых кислот с частью белков и образование нуклеопротеидов. Последние покрываются оболочками. В состав этих оболочек входят часто некоторые компоненты клеточной мембраны.

Лизис. У бактерий распад клеток происходит под влиянием ферментов фага, а у клеток высших организмов - путём выпячивания оболочки клеток и «выталкивания» вирусных частиц в окружающую среду.

Бактериофаги вирусы бактерий. Впервые описаны Ф. Туортом (1915), а термин был введён Ф. Д'Эреллем (1917).

Рассмотрим типичный бактериофаг на примере вируса кишечной палочки. Тело фага состоит из головки, от которой отходит полый стержень, окружённый 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 счёт 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 200-1000 новых фаговых частиц, в результате чего клетка бактерии погибает.

Бактериофаги, образующие в заражённых 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.

Прокариоты не дифференцируются в стволовые или специализированные клетки, а являются популяцией более или менее сходных клеток, которые продолжают размножаться, пока имеется соответствующая питательная среда. Поэтому взаимодействие фагов с бактериями происходит в бактериальной культуре циклически, пока не наступит некое равновесное состояние, которое определяется числом клеток-хозяев и вирусных элементов и скоростью их воспроизведения.

7. Понятие биологической системы, биологического объекта, гомеостаз.

Понятие открытой системы ввел Л. фон Берталанфи. Основные отличительные черты открытых систем - способность обмениваться со средой массой, энергией и информацией. К ним безусловно относятся биологические системы.

Одна из наиболее полных и интересных классификаций по уровням сложности предложена К. Боулдингом. Выделенные в ней уровни приведены в табл. 1.

Тип системы	Уровень сложности	Примеры
Живые системы	Открытые системы с самосохраняемой структурой (первая ступень, на которой возможно разделение на живое и неживое)	Клетки, гомеостат
	Живые организмы с низкой способностью воспринимать информацию	Растения
	Живые организмы с более развитой способностью воспринимать информацию, но не обладающие самосознанием	Животные
	Системы, характеризующиеся самосознанием, мышлением и нетривиальным поведением	Люди
	Социальные системы	Социальные организации
	Трансцендентные системы или системы, лежащие в настоящий момент вне нашего познания

Мир живых существ, включая человека, представлен биологическими (живыми) системами различной структурной организации и разного уровня соподчинения, или согласованности. Остановимся на понятии «биологическая система», признаках биологических систем и их уровнях.

Биологические системы - это объекты различной сложности, имеющие несколько уровней структурно-функциональной организации и представляющие собой совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих элементов.

Примерами биологических систем являются: клетка, ткани, органы, организмы, популяции, виды, биоценозы, экосистемы разных рангов и биосфера.

Элементарной биологической системой, т.е. системой самого низшего ранга, является клетка, т.к. нет систем еще более низкого ранга, которые бы обладали всей совокупностью признаков, присущих биологическим системам.

Человек занимает особое место среди систем, он не только живет в мире систем, но и сам является системой, персонифицированной составляющей природы.

Гомеостаз

Жизнедеятельность организма, как открытой биосистемы обеспечивается процессами, упорядоченными во времени и пространстве, приуроченными к определённой системе жизнеобеспечения. Эти процессы образуют три потока:

1.информационный 2.поток веществ 3.поток энергии

Вследствие целого ряда сложных химических превращений вещества из окружающей среды уподобляются веществам живого организма и из них строится тело. Эти процессы называют ассимиляцией или пластическим обменом.

С другой стороны сложные органические соединения распадаются на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза. Эти процессы называют диссимиляцией или энергетическим обменом.

Обмен веществ обеспечивает гомеостаз организма.

Эти потоки осуществляются непрерывно и составляют условия существования организма в постоянно меняющейся окружающей среде.

Под руководством нервной и эндокринной систем системы жизнеобеспечения поддерживают процессы внутри организма в оптимальном режиме.

"Гомеостаз - относительное динамическое постоянство состава и свойств внутренней среды, а также устойчивость физиологических функций организма".

К. Бернар Гомеостаз - это способность организма поддерживать основные параметры жизнедеятельности на оптимальном уровне. Важным аспектом гомеостаза организма является стабильность развития (морфогенетический гомеостаз) -способность организма к формированию генетически детерминированного фенотипа при минимальном уровне онтогенетических нарушений.

8. Отличия в строении рибосом прокариотов и эукариотов.

Процесс трансляции у про- и эукариот отличается незначительно. Идет он с помощью рибосом - самых мелких и самых многочисленных из клеточных органоидов.

Прокариотическая клетка содержит несколько тысяч рибосом, в эукариотической клетке их в десятки раз больше.

Рибосомы про- и эукариот отличаются по размерам (у прокариот они мельче, чем у эукариот), но принцип их строения одинаков. Состоят рибосомы из двух частей: большой и малой субъединиц. В их состав кроме белков входят РНК. Эти РНК получили название рибосомных, рРНК.

Величину рибосом и составляющих их частей принято указывать в специальных единицах - S (Сведберг). S - это коэффициент седиментации, который характеризует скорость перемещения молекул или частиц в центробежном поле при центрифугировании. Скорость перемещения зависит от массы частиц, их размеров и формы. Величина рибосом прокариот и эукариот - 70S и 80S соответственно.

В рибосомы прокариот входит три разных вида молекул рРНК (16S рРНК - в малую; 23S рРНК и 5S рРНК - в большую субъединицы) и 55 различных белков (21 - в малую и 34 - в большую субъединицы). В состав эукариотических рибосом входят четыре вида молекул рРНК (18S рРНК - в малую; 28S рРНК, 5.8S рРНК и 5S рРНК - в большую субъединицы) и около 80 белков.

В митохондриях и хлоропластах также обнаружены рибосомы. Они характеризуются теми же свойствами и параметрами, что и рибосомы прокариот.

Молекулы рРНК взаимодействуют друг с другом и с белками, образуя компактные структуры - субъединицы рибосом.

У эукариот соединение рРНК с рибосомными белками происходит в ядрышке. В центре ядрышка расположен участок хромосомы, в котором находятся гены рибосомных РНК. Синтезированные рРНК соединяются с рибосомными белками, которые поступили через ядерные поры из цитоплазмы, где они были синтезированы на уже существовавших рибосомах. Они соединяются с молекулами рРНК, образуя субъединицы рибосом. Готовые субъединицы через поры выходят в цитоплазму, где будут участвовать в синтезе белка.

Таким образом, ядрышко - это не только место синтеза рибосомных РНК, но и место сборки субъединиц рибосом. Рибосомы нужны в огромных количествах, поскольку в клетке постоянно идут процессы синтеза белка. Поэтому на хромосомах в тех местах, где расположены гены рРНК, находится громадное скопление молекул: синтезируемые рРНК, пришедшие из цитоплазмы рибосомные белки, собираемые и готовые суъединицы рибосом. Понятно, почему ядрышко является самой плотной частью ядра и клетки.

Размеры ядрышка зависят от функционального состояния клеток. Если в клетке активно идут процессы биосинтеза белков, ядрышко может занимать до 25% от объема ядра.

Ядрышко образуется на тех хромосомах, где есть гены рРНК. Эти участки хромосом называются ядрышковыми организаторами. Например, у человека десять хромосом способны образовывать ядрышки. Каждый ядрышковый организатор представляет собой огромную хроматиновую петлю, так как содержит несколько десятков и даже сотен одинаковых последовательностей - генов рРНК. Эти последовательности расположены друг за другом и синтез рРНК идет одновременно со всех копий. Таким образом увеличивается интенсивность синтеза рРНК, на долю которой приходится более 90 % всей РНК клетки. Ядрышки, образованные разными хромосомами, очень часто сливаются друг с другом. В ядрах клеток человека обычно наблюдают одно, два или три ядрышка.

При начале трансляции малая субъединица рибосомы связывается с определенным участком иРНК, к ним присоединяется тРНК с аминокислотой, а затем с этим комплексом связывается большая субъединица. После этого рибосома готова к выполнению своей функции - синтезу белка. Белки рибосом способны выполнять свои функции только в составе рибосомы -только в комплексе с рРНК и другими рибосомными белками они приобретают небходимую конформацию.

Транспортная РНК, напоминает в развернутой форме клеверный лист. Аминокислота прикреплена к “черешку клеверного листа”, а на вершине листа находится триплет, взаимодействующий с кодоном в иРНК - антикодон.

Роль "заглавной буквы" при трансляции аминокислотной последовательности у прокариот выполняет измененная форма аминокислоты метионина - формилметионин. Ей соответствует кодон АУГ. После завершения синтеза полипептидной цепи формилметионин отщепляется и в готовом белке отсутствует. В том случае, когда триплет АУГ стоит внутри гена, он кодирует неизмененную аминокислоту метионин.

Если кодон и антикодон комплементарны друг другу, то рибосома передвигается относительно иРНК, и следующий кодон становится доступным для взаимодействия со следующей тРНК. Происходит отсоединение первой аминокислоты от первой тРНК и присоединение ее к аминокислоте, которую принесла вторая тРНК. Во время передвижения рибосомы относительно иРНК первая тРНК, свободная от аминокислоты, покидает рибосому. Вторая тРНК остается, соединенная с пептидом из двух аминокислотных остатков, и в рибосому входит третий кодон иРНК для взаимодействия с очередной тРНК и т.д.

Когда в рибосоме оказывается один из трех триплетов (УАА, УАГ, УГА), ни одна тРНК не может занять место напротив него, так как не существует тРНК с антикодонами, комплементарными этим последовательностям. Полипептидной цепи не к чему присоединиться и она покидает рибосому. Синтез белка завершен.

Таким образом, рибосома соединяет в одном месте участников трансляции: иРНК и аминокислоты в комплексе с тРНК, при этом молекулы РНК так ориентированы относительно друг друга, что становится возможным кодон-антикодоновое взаимодействие. Образование пептидной связи контролируется правильностью кодон-антикодонового взаимодействия. Рибосома осуществляет образование пептидной связи и перемещение относительно иРНК.

Молекула информационной РНК взаимодействует не с одной рибосомой, а с несколькими. Каждая рибосома проходит весь путь от "заглавного" кодона до терминирующего, синтезируя одну молекулу белка. Чем больше рибосом пройдет по иРНК, тем больше молекул белка будет синтезировано. Молекула информационной РНК с несколькими рибосомами похожа на нитку бус и называется полирибосомой, или полисомой.

9. Основные фазы роста микроорганизмов.

При выращивании бактерий в жидкой питательной среде наблюдается несколько фаз роста культур:

1. Фаза исходная (латентная) -- микробы адаптируются к питательной среде, увеличивается размер клеток. К концу этой фазы начинается размножение бактерий.

2. Фаза логарифмического инкубационного роста -- идет интенсивное деление клеток. Длится эта фаза около 5 часов. При оптимальных условиях бактериальная клетка может делиться каждые 15--30 мин.

3. Стационарная фаза -- число вновь появившихся бактерий равно числу отмерших. Продолжительность этой фазы выражается в часах и колеблется в зависимости от вида микроорганизмов.

4. Фаза отмирания -- характеризуется гибелью клеток в условиях истощения питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма микроорганизмов.

Посевной материал, попав в свежую полноценную среду, сразу не начинает размножения. Этот период называют лаг-фазой I. Только после определенного времени, иногда через несколько часов, клетки приспосабливаются к среде и окружающим условиям. В этот период активируются ферменты, а также, если это необходимо, синтезируются новые ферментные системы. В период лаг-фазы стремительно возрастает количество нуклеиновых кислот, особенно РНК, что необходимо для биосинтеза белков.

Рис. 1. Фазы роста культуры микроорганизмов: I -- лаг-фаза, II -- логарифмическая фаза, III -- фаза замедленного роста, IV -- стационарная фаза, V --фаза отмирания, N -- число клеток (млн/мл)

После лаг-фазы следует логарифмическая, или экспоненциальная, фаза II, в которой клетки размножаются с максимальной для данной культуры скоростью. Вследствие этого запас необходимых питательных веществ в среде уменьшается, кроме того, происходит накопление различных продуктов обмена веществ, которые в определенной концентрации могут мешать нормальному протеканию биохимических процессов обмена веществ. Иногда в питательной среде накапливается так много клеток, что не хватает пространства, а конкретнее, поверхности для новых поколений клеток. Именно через поверхность происходят процессы обмена -- попадание питательных веществ в клетку и выведение метаболитов. Если клетка находится в тесном окружении других клеток, то площадь поверхности уменьшается и вместе с тем снижается интенсивность процессов обмена. Скорость роста культуры также уменьшается, если сокращается поверхность клеток на единицу объема. Это происходит при увеличении размеров клеток и, таким образом, особенно для клеток сферической формы, значительно ухудшаются условия питания.

Как известно, поверхность сферических тел изменяется пропорционально квадрату их радиуса, а объем -- пропорционально кубу радиуса. Лимитирующие поверхности находятся, очевидно, и внутри клеток. В молекулярной биологии накапливается все больше фактов, которые указывают на то, что функционирование жизненных процессов необходимо связывать с биополимерами, мембранными структурами и их поверхностью.

В ходе интенсивного роста и размножения внутри закрытой системы негативное влияние лимитирующих факторов увеличивается и в результате скорость роста уменьшается, наступает фаза замедленного роста III. Через определенное время в стационарной фазе IV масса клеток в питательной среде достигает максимального уровня. Затем наступает период, когда число отмерших и автолизированных клеток превышает прирост. В результате количество биомассы уменьшается -- наступает фаза отмирания V.

10. Характеристика молочнокислого и спиртового брожения

Молочнокислое брожение -- как обыкновенно принимают, идет согласно следующему уравнению С12H22О 11 (молочный сахар) + H2O = 4С3Н6О3 (молочная кислота), если же сбраживается декстроза или вещества, способные переходить в декстрозу, то гидратации не происходит (Bourquelot): С6Н12О6 = 2С3Н6О3. Возбудителями Молочнокислого брожения являются многие виды бактерий, среди которых можно указать кишечную палочку (Bacterium coli commune), Micrococcus prodigiosus и др., но чаще всего встречается в скисшем молоке Bacterium acidi lactici. Этот аэробный микроорганизм имеет вид коротенькой палочки, иногда перетянутой посередине, иногда состоящей из двух, трех члеников. Споры у него эндогенные, желатину не разжижает и дает на ней белую колонию. Впервые возбудитель М. брожения был описан Пастером (1857) под назв. «фермент или дрожжи М. брожения», чистых культур его Пастер не получил. Первую чистую культуру получил Листер (1877) и назвал выделенный им организм Bacterium lactis. Выделенный Гюппе (1884) из кислого молока микроорганизм, названный им Bacillus acidi lactici, по-видимому, тождествен с описанным Листером. В настоящее время описано много М. бактерий, отличающихся между собой иногда не только морфологически, но и в различной степени выраженной сбраживающей способностью. Продуктом брожения чаще всего является недеятельная молочная кислота (этиледенмолочная кислота, СН 3 -- СНОН -- СООН или так назыв. молочная кислота брожения), но одновременно с ней могут образоваться одна или обе оптически деятельные кислоты (правая или парамолочная кислота или мясомолочная кислота и левая молочная кислота). Определенные бактерии при определенных условиях образуют одинаковые кислоты; формы, образующие, наприм., правовращающую кислоту при обыкновенных условиях, дают левовращающую кислоту, если температура достигнет 50° Ц. (Лейхманн). В последнее время не осталось никаких сомнений в том, что деятельность этих микроорганизмов обусловливается специфическим энзимом. Ср. Lafar, «Handbuch d. Technischen Mykologie» (Иена) и Lafar, «Бактерии и грибки» (СПб., 1903, где можно найти относящуюся сюда литературу).

Спиртовое брожение осуществляется так называемыми дрожжеподобными организмами, а также некоторыми плесневыми грибками. Суммарную реакцию спиртового брожения можно изобразить следующим образом:

Механизм реакции спиртового брожения чрезвычайно близок к гликолизу. Расхождение начинается лишь после этапа образования пирувата. При гликолизе пируват при участии фермента ЛДГ и кофермента НАДН восстанавливается в лактат. При спиртовом брожении этот конечный этап заменен двумя другими ферментативными реакциями - пируватдекарбо-ксилазной и алкогольдегидрогеназной.