Основы цитологии

Терминация. Сущность терминации заключается в окончании синтеза полипептидной цепи. Рибосома под воздействием определенных белков вновь разделяется на субъединицы.

В конце концов, рибосома достигает такого кодона мРНК, которому не соответствует ни одна тРНК (и ни одна аминокислота). Существует три таких нонсенс-кодона: УАА ("охра"), УАГ ("янтарь"), УГА ("опал"). На этих кодонах мРНК рабочий цикл рибосомы прерывается, и наращивание полипептида прекращается.

Модификация белков. Как правило, синтезированный полипептид подвергается дальнейшим химическим превращениям. Исходная молекула может разрезаться на отдельные фрагменты; затем одни фрагменты сшиваются, другие гидролизуются до аминокислот. Простые белки могут соединяться с самыми разнообразными веществами, образуя гликопротеины, липопротеины, металлопротеины, хромопротеины и другие сложные белки. Кроме того, аминокислоты уже в составе полипептида могут подвергаться химическим превращениям. Например, аминокислота пролин, входящая в состав белка проколлагена, окисляется до гидроксипролина. В результате из проколлагена образуется коллаген - основной белковый компонент соединительной ткани. Реакции модификации белков называются ступенчатыми (они не являются реакциями матричного типа).

Энергетика биосинтеза белков

Биосинтез белков - очень энергоемкий процесс. При аминоацилировании тРНК затрачивается энергия одной связи молекулы АТФ, при кодонзависимом связывании аминоацил-тРНК - энергия одной связи молекулы ГТФ, при перемещении рибосомы на один триплет - энергия одной связи еще одной молекулы ГТФ. В итоге на присоединение аминокислоты к полипептидной цепи затрачивается около 100 кДж/моль. При гидролизе же пептидной связи высвобождается лишь 2 кДж/моль. Таким образом, при биосинтезе большая часть энергии безвозвратно теряется (рассеивается в виде тепла).

Ген и его роль в биосинтезе белков

В ходе реакций матричного синтеза на основании генетического кода синтезируется полипептид с наследственно обусловленной структурой. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре определенного полипептида, называется ген.

Отражение одних объектов с помощью других называется кодированием. Отражение структуры белков в виде триплетов ДНК называется кодом ДНК, или генетическим кодом. Благодаря генетическому коду устанавливается однозначное соответствие между нуклеотидными последовательностями нуклеиновых кислот и аминокислотами, входящими в состав белков.

Общие свойства генетического кода:

1. Генетический код триплетен: каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов ДНК и соответствующим триплетом иРНК. При этом кодоны ничем не отделены друг от друга (отсутствуют "запятые").

2. Генетический код является избыточным (вырожденным): почти все аминокислоты могут кодироваться разными кодонами. Только двум аминокислотам соответствует по одному кодону: метионину (АУГ) и триптофану (УГГ). Зато лейцину, серину и аргинину соответствует по 6 разных кодонов.

3. Генетический код является неперекрывающимся: каждая пара нуклеотидов принадлежит только одному кодону (исключения обнаружены у вирусов).

4. Генетический код един для подавляющего большинства биологических систем. Однако имеются и исключения, например, у инфузорий и в митохондриях разных организмов. Поэтому генетический код называют квазиуниверсальным.

Ген - это не просто участок ДНК, а единица наследственной информации, носителем которой являются нуклеиновые кислоты. Установлено, что ген имеет сложную структуру.

В большинстве случаев кодирующие участки (экзоны) разделены некодирующими (интронами). В то же время, благодаря альтернативному сплайсингу, деление участка ДНК на кодирующие и некодирующие оказывается условным. Процесс экспрессии генов обладает гибкостью: одному участку ДНК может соответствовать несколько полипептидов, а один полипептид может кодироваться разными участками ДНК.

Некоторые участки ДНК могут перемещаться относительно друг друга - их называют мобильными генетическими элементами (МГЭ). Многие гены представлены несколькими копиями - тогда один и тот же белок кодируется разными участками ДНК. Еще сложнее закодирована генетическая информация у вирусов. У многих из них обнаружены перекрывающиеся гены: один и тот же участок ДНК может транскрибироваться с разных стартовых точек.

Окончательная модификация белков происходит с помощью ферментов, которые кодируются различными участками ДНК.

Регуляция экспрессии генов

Все гены организма можно разделить на две большие группы: конститутивные и индуцибельные.

Конститутивные гены - это гены с постоянной экспрессией, они постоянно включены, то есть функционируют на всех стадиях онтогенеза и во всех тканях. К конститутивным относятся гены, кодирующие тРНК, рРНК, ДНК-полимеразы, РНК-полимеразы, белки-гистоны, белки рибосом и т.д. Иначе говоря, это "гены домашнего хозяйства", без которых клетки не могут существовать.

Индуцибельные гены ("гены роскоши") - это гены с регулируемой экспрессией, они могут включаться и выключаться. У многоклеточных организмов индуцибельные гены их называют тканеспецифичными, потому что они по-разному функционируют в разных тканях на разных этапах онтогенеза. Регуляция активности генов осуществляется и на уровне транскрипции, и на уровне трансляции. Включение генов называется индукцией, а выключение - репрессией. Регуляцию активности генов производят молекулярно-генетические системы управления, в состав которых входят различные эффекторы: индукторы и репрессоры - вещества, осуществляющие индукцию и репрессию.

Переключение генов. У многоклеточных эукариот в ходе онтогенеза из исходной клетки развивается целостный организм. На разных этапах онтогенеза в разных тканях с разной интенсивностью экспрессируются разные гены. Активность генов у эукариот регулируется разнообразными эффекторами, в том числе, и гормонами.

Способность исходной клетки реализовывать генетическую информацию в ходе клеточных делений и дифференцировки клеток называется тотипотентностью. У растений тотипотентны и оплодотворенные яйцеклетки, и почти все соматические клетки. У животных тотипотентна только зигота (а также некоторые клетки низших беспозвоночных). Поэтому методы клонирования животных основаны на пересадке ядер из соматических клеток в энуклеированные яйцеклетки (то есть яйцеклетки с убитым ядром).

9. Прокариоты (бактерии)

Прокариоты (бактерии) как предъядерные организмы. Морфология прокариот. Особенности строения прокариотической клетки. Генетический аппарат прокариот. Размножение прокариот. Распространение прокариот. Экология прокариот. Патогенные (болезнетворные) прокариоты. Использование прокариот в хозяйстве. Разнообразие прокариот: архебактерии, эубактерии (собственно бактерии), актиномицеты, микоплазмы, спирохеты, цианобактерии.

Общая характеристика прокариот

Прокариоты, или бактерии - это предъядерные организмы, у которых отсутствует настоящее ядро. К прокариотам относятся настоящие бактерии (эубактерии), архебактерии и цианобактерии.

По типам обмена веществ выделяются следующие группы прокариот: гетеротрофные (свободноживущие и обитающие в других организмах) и автотрофные (фотосинтезирующие и хемосинтезирующие), аэробные и анаэробные.

Тело прокариот, как правило, состоит из одной клетки. Реже встречаются нитчатые и колониальные формы. Форма клеток бактерий изменчива, однако можно выделить несколько основных морфологических типов:

1. Кокки - шаровидные формы. К коккам относятся: микрококки - одиночные клетки, диплококки - парные кокки; стрептококки - колонии в виде цепочек; стафилококки - гроздевидные колонии; сарцины - колонии кубической формы.

2. Палочки. К палочкам относятся: собственно бактерии (которые, как правило, не образуют споры), а также бациллы и клостридии (которые образуют споры). Споры у бактерий служат не для размножения, а для перенесения неблагоприятных условий - одна клетка образует одну спору. Споры могут образовываться в центральной части клетки или на одном из концов палочки.

3. Извитые формы. К извитым формам относятся одноклеточные бактерии: спириллы (клетки в виде длинной спирали) и вибрионы (клетки, изгиб которых составляет 1/4 спирали).

4. Нитевидные формы. К нитевидным формам относятся как одноклеточные, так и многоклеточные прокариоты. Тело нитевидных прокариот может быть неразветвленным и разветвленным.

Многие прокариоты способны к активному движению, которое, как правило, осуществляется с помощью жгутиков.

Особенности строения прокариотической клетки

В клетках прокариот отсутствуют постоянные двумембранные и одномембранные органоиды: пластиды и митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и их производные. Их функции выполняют мезосомы - складки плазматической мембраны. У фотоавтотрофных прокариот имеются разнообразные мембранные структуры, на которых протекают реакции фотосинтеза. Иногда их называют бактериальными хроматофорами. Специфическим веществом клеточной стенки прокариот является муреин (у некоторых прокариот муреин отсутствует). По характеру окрашивания клеточной стенки различают грамположительные и грамотрицательные бактерии. Поверх клеточной стенки часто имеется слизистая капсула. Пространство между мембраной и клеточной стенкой служит резервуаром протонов при фотосинтезе и аэробном дыхании.

Генетический аппарат прокариот представлен бактериальными хромосомами и плазмидами. Бактериальная хромосома - это кольцевая молекула ДНК длиной в несколько миллионов нуклеотидных пар, структура которой стабилизирована молекулами РНК и негистонными белками. Область цитоплазмы, в которой находится бактериальная хромосома, называется нуклеоид. Обычно в бактериальной клетке имеется одна бактериальная хромосома, в которой локализованы основные гены. Однако существуют прокариоты, у которых бактериальная хромосома представлена множеством копий. Плазмиды - это мелкие кольцевые молекулы ДНК, несущие дополнительную генетическую информацию. Некоторые плазмиды участвуют в обмене генетической информацией между разными клетками.

Размножение бактерий

Бесполое (вегетативное) размножение бактерий происходит путем бинарного деления клеток (дробления). У некоторых видов известен половой процесс (конъюгация). При конъюгации одна из клеток передает генетическую информацию другой клетке. При этом увеличения числа особей не происходит. Перенос генетической информации может происходить с помощью вирусов (трансдукция) или путем прямого переноса ДНК через мембрану (трансформация).

При размножении бактерий в искусственных условиях (в ограниченном объеме питательной среды) в развитии культуры выделяется 4 периода, или фазы.

1 фаза - лаг-фаза. Численность бактерий увеличивается очень медленно (иногда даже снижается). Бактерии как бы осваивают новую среду.

2 фаза - фаза экспоненциального роста. Численность бактерий увеличивается лавинообразно, в геометрической прогрессии.

3 фаза - стационарная фаза. Численность бактерий стабилизируется.

4 фаза - фаза отмирания. Численность бактерий начинает уменьшаться и вскоре активных бактерий не остается. Наличие стационарной фазы и фазы отмирания связано с уменьшением концентрации питательных веществ и накоплением вредных продуктов обмена.

Распространение и экология прокариот

Прокариоты распространены повсеместно: в почве, воде, воздухе, на продуктах питания, в организме растений, животных и человека. Наиболее велико содержание прокариот в почве: до 5 млрд. бактериальных клеток в одном грамме чернозема. На одном гектаре пашни содержится до 5 тонн микробной массы. В почве обнаруживаются споры патогенных для человека видов: возбудителей сибирской язвы, столбняка, газовой гангрены, ботулизма. В воде содержание прокариот меньше: даже в загрязненной воде обычно не более 1 млн. бактериальных клеток в 1 мл. В питьевой воде содержание бактериальных клеток не должно превышать 1000. В воде могут встречаться возбудители брюшного тифа, холеры, дизентерии. Содержание прокариот в воздухе может достигать десятков тысяч клеток на 1 куб. м (особенно, в промышленных центрах). В горных районах содержание прокариот может уменьшаться до 1 клетки на 10 куб. м. В организме человека прокариоты встречаются на поверхности кожи, в полости рта, в желудочно-кишечном тракте, в дыхательных путях, в мочеполовых путях. Совокупность всех прокариот в организме человека называется микрофлора.

Экология прокариот определяется типами обмена веществ. По типам обмена веществ выделяются следующие группы прокариот: гетеротрофные (свободноживущие и обитающие в других организмах) и автотрофные (фотосинтезирующие и хемосинтезирующие), аэробные и анаэробные.

Гетеротрофы нуждаются в готовых органических веществах. Среди гетеротрофных эубактерий имеются сапротрофы (свободноживущие формы), комменсалы (нахлебники), факультативные паразиты и облигатные паразиты.

К сапротрофам относятся, например, молочнокислые бактерии, чья деятельность используется при изготовлении молочнокислых продуктов, при квашении, силосовании. Благодаря деятельности других сапротрофов возможно получение и отбеливание льняных тканей. В природе сапротрофы выполняют функции деструкторов и минерализаторов (редуцентов), например, сенная палочка.

К комменсалам относится кишечная палочка. Эти бактерии составляют значительную часть содержимого толстого кишечника человека, а также кишечника других животных. Они вырабатывают некоторые витамины и препятствуют развитию болезнетворных (патогенных) бактерий. Однако некоторые формы кишечной палочки вызывают воспаления кишечника (энтериты), тогда этот вид ведет себя как факультативный паразит. В то же время кишечная палочка встречается и вне организма человека (в воде и почве), тогда этот вид является сапротрофным. Кишечная палочка широко используется в научных исследованиях, является основным объектом биотехнологии.

Среди гетеротрофных прокариот существует множество патогенных видов (см. ниже).

Автотрофы способны к фиксации углекислого газа. В некоторых экосистемах автотрофные прокариоты являются важными продуцентами органического вещества. К автотрофным прокариотам относятся хемоавтотрофы (литотрофы) и фотоавтотрофы. Хемоавтотрофы способны к хемосинтезу: для фиксации углекислого газа они используют энергию химических реакций. Хемотрофные прокариоты обеспечивают круговорот важнейших элементов: азота, серы, железа. Фотоавтотрофы - это фотосинтезирующие прокариоты: для фиксации углекислого газа они используют световую энергию. Многие прокариоты могут переходить с одного типа питания на другой (миксотрофы).

По характеру энергетического обмена прокариоты делятся на аэробов, облигатных (обязательных) анаэробов и факультативных анаэробов. Представители аэробных прокариот - стафилококки, облигатных анаэробов - клостридии (возбудители газовой гангрены), факультативных анаэробов - холерный вибрион.

Особую группу прокариот составляют азотфиксаторы. Они переводят атмосферный азот в аммиачную форму, доступную высшим растениям. Существуют свободноживущие аэробные азотфиксаторы (азотобактер) и анаэробные (клостридиум). Симбиотические азотфиксаторы (ризобиум) в виде специальных препаратов специально вносятся в почву совместно с семенами бобовых культур. Прокариоты и бобовые растения вступают в симбиоз, на корнях бобовых образуются клубеньки, содержащие азотфиксирующие бактерии. В результате азота фиксируется больше, чем требуется симбионтам; тогда избыток фиксированного азота накапливается в почве.

Патогенные (болезнетворные) прокариоты

Среди прокариот различают патогенные виды (безусловно вызывают инфекционные заболевания), непатогенные виды (комменсалы) и условно патогенные виды. Условно патогенные виды вызывают заболевания при ослаблении защитных реакций организма: при охлаждении, истощении, недостатке витаминов, при травмах дыхательных путей. К безусловно патогенным прокариотам относятся: многие клостридии (вызывают ботулизм, столбняк), многие сальмонеллы (брюшной тиф, паратиф, пищевые отравления), многие стрептококки (ангины, скарлатина), риккетсии (сыпной тиф, Q-лихорадка), холерный вибрион, возбудители дизентерии, пневмонии, чумы, сибирской язвы, столбняка, гонореи и другие. Бактериальные инфекции остаются бичом человечества. Например, в 1990 г. палочкой Коха (возбудитель туберкулеза) было инфицировано ? 1,7 млрд. людей, из них 3,3 млн. скончались. От прочих инфекций дыхательных путей погибло 6,9 млн. людей (из них 4,3 млн. - дети до 5 лет). От кишечных инфекций погибло 4,2 млн. людей (из них 4,2 млн. - дети до 5 лет). Борьба с болезнетворными микроорганизмами включает целый ряд мероприятий. Во-первых, должна вестись профилактика заболеваний, которая включает соблюдение правил личной гигиены, употребление в пищу продуктов, свободных от возбудителей заболеваний и их токсинов (например, ботулинов), проведение профилактических прививок (например, против столбняка, дифтерии). Во-вторых, при заболевании необходимо точно поставить диагноз, назначить лечение и выполнять все требования лечащего врача. И, наконец, следует принимать все санитарные меры для того, чтобы исключить передачу возбудителя заболевания от больного человека (или другого носителя) к здоровым людям. В природных очагах заболеваний необходимо бороться как с носителями заболеваний (например, с грызунами), так и переносчиками (например, вшами, блохами и другими паразитами). Борьба с патогенными микроорганизмами должна вестись на строго научной основе, на знании биологии микроорганизмов и способах инфицирования. Следует быть крайне осторожным при использовании нетрадиционных методов лечения (методов народной медицины). При инфекционных заболеваниях и нерациональном использовании антибиотиков может произойти нарушение видового состава микрофлоры - такое нарушение называется дисбактериоз. При дисбактериозе увеличивается численность патогенных прокариот.

Использование прокариот (бактерий) в хозяйстве

Разнообразие типов обмена веществ у бактерий позволяет использовать их в различных областях биотехнологии: для производства кормового белка и аминокислот, биологически активных соединений (витаминов, гормонов, стимуляторов), биотоплива, бактериальных удобрений и средств защиты растений, для обогащения металлургического сырья, утилизации отходов и т.д.

Разнообразие прокариот

Специфика строения прокариотической клетки позволяет выделить прокариот в отдельное надцарство живой природы. Известно около 3 тысяч видов прокариотических организмов. Однако это те виды, которые культивируются в лабораторных условиях. Однако существуют прокариоты, которые не выделены в виде чистых культур. Поэтому истинное их видовое разнообразие может достигать 10...100 тысяч видов.

Морфологически прокариоты очень изменчивы, поэтому идентификация видов осуществляется, как правило, биохимическими методами. Рассмотрим основные группы прокариот.

Архебактерии. Это небольшая группа непатогенных прокариот, у которых структура генов и строение рибосом сходны с эукариотическими. К архебактериям относятся многие термофилы, галофилы и метанобразующие бактерии. Архебактерии разнообразны по морфологии. Плазмалемма и клеточная стенка у них имеют специфическое строение. По способу питания - гетеротрофы. Окисление органических веществ происходит и за счет брожения, и за счет кислородного дыхания (факультативные анаэробы).

Эубактерии (собственно бактерии). Это наиболее многочисленная группа бактерий. Основные морфологические типы: кокки, палочки, вибрионы, бациллы. В состав клеточной стенки входит муреин. По особенностям строения клеточной стенки делятся на грамотрицательные и грамположительные. По способам питания эубактерии делятся на несколько групп.

Гетеротрофные эубактерии. К ним относится большинство эубактерий: кишечная палочка, сальмонеллы, молочнокислые бактерии и многие другие. Все эти бактерии в качестве источника углерода используют органические вещества, однако по характеру энергетического обмена они делятся на несколько групп.

1. Анаэробные гетеротрофы. Получают энергию за счет различных видов брожения углеводов и гниения белков.

2. Аэробные гетеротрофы. Получают энергию за счет кислородного окисления органических веществ.

3. Факультативные анаэробные гетеротрофы. Способны получать энергию и за счет брожения или гниения, и за счет кислородного окисления.

4. Анаэробные хемогетеротрофы. Получают энергию путем окисления неорганических веществ с помощью неорганических окислителей: серы (серобактерии), сульфатов (сульфатредуцирующие бактерии), трехвалентного железа, нитратов (денитрификаторы).

5. Аэробные хемогетеротрофы. Получают энергию путем окисления неорганических веществ (сероводорода, двухвалентного железа) с помощью кислорода.

Фотогетеротрофные эубактерии. В качестве источника углерода используют готовые органические вещества, однако в качестве источника энергии используют свет. Донорами электронов для восстановления органических веществ служат органические вещества, водород. Акцепторами электронов при дыхании служат органические окислители, при этом полного окисления органических веществ не происходит. Представители: пурпурные несерные бактерии.

Хемоавтотрофные (хемосинтезирующие) эубактерии. Способны к фиксации углекислого газа. Получают энергию путем окисления различных веществ.

1. Анаэробные хемоавтотрофы. Энергию получают путем окисления серы, сероводорода и серосодержащих аминокислот с помощью нитратов (то есть все они - денитрификаторы).

2. Аэробные хемоавтотрофы. Энергию получают путем окисления неорганических веществ и серосодержащих аминокислот с помощью кислорода. Превращение аммиака в нитриты и нитраты осуществляется нитрифицирующими бактериями.

Фотоавтотрофные (фотосинтезирующие) эубактерии. В качестве источника углерода используют углекислый газ. Для восстановления углекислого газа используют световую энергию. В клетках содержатся фотосинтетические пигменты: бактериохлорофиллы. Донорами электронов для восстановления углекислого газа служат органические вещества, водород, сероводород. Анаэробы: акцепторами электронов при дыхании служат органические окислители, при этом полного окисления органических веществ не происходит. Представители: фотосинтезирующие пурпурные серные бактерии, зеленые бактерии.

Актиномицеты. Это прокариоты, конвергентно сходные с грибами по жизненному циклу и биохимическим особенностям. Их тело представлено неклеточным мицелием сложной формы. Клеточная оболочка муреиновая (как и у всех прокариот). Аэробы, факультативные анаэробы. Обычно сапрофиты; в экосистемах актиномицеты - важнейшие редуценты. Некоторые из них - важнейшие продуценты антибиотиков (стрептомицина, левомицетина, эритромицина, нистатина и других). Есть и патогенные виды - возбудители актиномикозов, дифтерии, лепры (проказы).

Микоплазмы. Это группа исключительно мелких прокариот, неспособных самостоятельно синтезировать большинство необходимых для клетки веществ. Отличаются высоким уровнем полиморфизма. Сапрофиты, комменсалы, паразиты. Некоторые виды микоплазм вызывают атипичные пневмонии, воспаления и ОРЗ. Микоплазмы устойчивы к пенициллину.

Спирохеты. Это прокариоты, вдоль тела которых тянется осевая нить; вокруг этой нити обвивается цитоплазма (форма клетки штопоровидная). Сапрофиты, комменсалы. Патогенные виды встречаются довольно редко, например, бледная спирохета. Клеточная стенка имеет специфическое строение. По отношению к кислороду спирохеты могут быть и аэробами, и анаэробами.

Цианобактерии - это особый отдел фотоавтотрофных прокариот. Фотосинтез у цианобактерий принципиально не отличается от фотосинтеза у растений, поэтому раньше их называли сине-зелеными водорослями. Однако генетический аппарат цианобактерий - прокариотического типа: он представлен нуклеоидом, в состав которого входит кольцевая хромосома без белков-гистонов; ядерная оболочка отсутствует. В состав клеточных стенок входит муреин, что также характерно для прокариот. Хроматофоры отсутствуют - их функции выполняют одиночные тилакоиды. Запасным углеводом является гликоген (как у животных и грибов). Клеточная стенка многослойная. Жгутики отсутствуют. Организация тела (таллома) разнообразная: монадная, колониальная, нитчатая. Для цианобактерий характерны особые фотосинтетические пигменты (фикобилины), что дает им возможность осуществлять фотосинтез при низкой освещенности. Цианобактерии способны к фиксации атмосферного азота, поэтому они способны развиваться при недостатке этого элемента. Однако лимитирующим фактором является высокое содержание марганца, поэтому их массовое размножение начинается после связывания этого элемента (во второй половине лета).

Генетический аппарат прокариот

Рассмотрим организацию генетического аппарата прокариот подробнее.

В одной бактериальной клетке имеется одна бактериальная хромосома, входящая в состав нуклеоида. Нуклеоид по морфологии напоминает соцветие цветной капусты и занимает примерно 30% объема цитоплазмы. Бактериальная хромосома представляет собой кольцевую двуспиральную правозакрученную молекулу ДНК, которая свернута во вторичную спираль. Вторичная структура поддерживается с помощью гистоноподобных (основных) белков и РНК. Точка прикрепления бактериальной хромосомы к мезосоме (впячиванию мембраны) является точкой начала репликации ДНК (участок Ori C). Бактериальная хромосома удваивается перед делением клетки, и сестринские копии распределяются по дочерним клеткам с помощью мезосомы. Репликация ДНК идет в две стороны от точки Ori C и завершается в точке Ter C. Молекулы ДНК, способные себя воспроизводить путем репликации, называются репликоны.

В состав бактериальной хромосомы входит 4,7 млн. нуклеотидных пар (пн). Этого достаточно для того, чтобы закодировать свыше 3 тысяч белков. Однако известно лишь около 1000 структурных генов. Прочая ДНК кодирует рРНК, тРНК, выполняет регуляторные и прочие функции. В основном, это гены "домашнего хозяйства", которые необходимы для поддержания жизнедеятельности клетки: питания, роста, бесполого размножения. В лаг-фазе в клетке имеется одна бактериальная хромосома, но в фазе экспоненциального роста ДНК реплицируется быстрее, чем происходит деление клетки; тогда число бактериальных хромосом на клетку увеличивается до 2...4...8. Такое состояние называется полигаплоидностью.

Кроме бактериальной хромосомы в состав генетического аппарата прокариот входит множество мелких репликонов - плазмид - кольцевых молекул ДНК длиной порядка 100 тпн. Плазмиды такого размера содержат несколько десятков генов. Обычно это "гены роскоши", обеспечивающие устойчивость к антибиотикам, тяжелым металлам, кодирующие специфические токсины, а также гены конъюгации и обмена генетическим материалом с другими особями. Известны также мелкие плазмиды длиной 2...3 тпн, кодирующие не более 2 белков. У многих бактерий открыты мегаплазмиды длиной порядка миллиона пн, то есть немногим меньше бактериальной хромосомы. Плазмиды могут быть прикреплены к мезосомам, могут находиться в автономном состоянии и в интегрированном состоянии. В последнем случае плазмида включается в состав бактериальной хромосомы в определенных точках att B. Таким образом, одна и та же плазмида может включаться в состав хромосомы и может вырезаться из нее. Существуют плазмиды, представленные одной копией - они реплицируются синхронно с ДНК бактериальной хромосомы. Другие плазмиды могут быть представлены многими копиями, и их репликация происходит независимо от репликации бактериальной хромосомы. Репликация свободных плазмид часто протекает по принципу "катящегося кольца" - с одной кольцевой матрицы ДНК считывается "бесконечная" копия.

Таким образом, дочерние бактериальные хромосомы точно распределяются по клеткам. Плазмиды же распределяются случайным образом.

Переключение генов у прокариот

Рассмотрим механизмы регуляции активности генов на примере лактозного оперона кишечной палочки. Оперон - это участок бактериальной ДНК, включающий следующие участки ДНК: промотор (Р), оператор (О), структурные гены (в данном случае - Z, Y, А) терминатор (Т).

Промотор служит для присоединения РНК-полимеразы к молекуле ДНК. Оператор способен присоединять белок-репрессор (который кодируется соответствующим геном). Если белок-репрессор присоединен к оператору, то РНК-полимераза не может двигаться вдоль молекулы ДНК и синтезировать мРНК. Структурные гены кодируют ферменты, необходимые для расщепления лактозы (молочного сахара) на глюкозу и галактозу. Терминатор служит для отсоединения РНК-полимеразы после окончания синтеза мРНК, соответствующей структурным генам. Матричная РНК у прокариот функционирует всего несколько минут, после чего она расщепляется на нуклеотиды. Поэтому для возобновления запаса ферментов необходимо постоянно синтезировать соответствующую мРНК.

Если в клетке имеется лактоза, то она взаимодействует с белком-репрессором и превращает его в неактивную форму. Белок-репрессор, связанный с лактозой, не может присоединиться к оператору и не преграждает путь РНК-полимеразе. Таким образом, лактоза является индуктором, она включает гены, ответственные за своё же расщепление. После того, как вся лактоза будет усвоена, белок-репрессор присоединяется к оператору и преграждает путь РНК-полимеразе. Синтез ферментов, отвечающих за усвоение лактозы, прекращается.

10. Вирусы

Вирусы как особая группа организмов с неклеточным строением. Свободные вирусы (вирионы); их строение, неспособность проявлять основные свойства жизни. Интеграция вирусов в геном хозяина. Провирусы. Репродукция вирусов; самосборка вирусных частиц.

Значение вирусов. Основные группы вирусов. Бактериофаги, вирусы растений, животных и человека. ДНК-содержащие и РНК-содержащие вирусы.

Вирус иммунодефицита человека - возбудитель синдрома приобретенного иммунодефицита. Характеристика ВИЧ. СПИД как тяжелое неизлечимое заболевание. Пути передачи ВИЧ. Основные стадии развития СПИДа. Мировая эпидемия (пандемия) СПИДа. Причины бурного распространения СПИДа. Профилактика СПИДа.

Общая характеристика вирусов

Вирусы - это особая группа организмов с неклеточным строением. Вирусы резко отличаются от других форм жизни. Они способны существовать в двух формах: вне клеток и внутри клеток.

Вне клеток существуют свободные вирусы - вирионы. Вирионы не проявляют свойств биологических систем: у них отсутствует обмен веществ, и они неспособны к самовоспроизведению. Вирионы состоят из нуклеиновых кислот, заключенных в белковую оболочку - капсид. В состав капсида входит строго определенное количество повторяющихся белковых субъединиц - капсомеров. Например, у вируса полиомиелита в состав капсида входит 60 капсомеров, у аденовируса - 252, у вируса табачной мозаики - 2000.

Размеры вирусов колеблются от 20 до 350 нм. По морфологии различают следующие формы вирусов: сферическую, палочковидную, кубоидальную, сперматозоидную. По характеру симметрии капсида различают вирусы со спиральным, кубическим (икосаэдрическим) и комбинированным типом симметрии.

Степень сложности вириона может быть различной. У простых вирусов в состав вириона входит только нуклеиновая кислота и белки, которые связаны в единую нуклеопротеиновую структуру - нуклеокапсид. У сложных вирусов имеется дополнительная липопротеиновая оболочка - суперкапсид. В состав сложных вирионов могут входить углеводы и некоторые ферменты. Однако вирусы никогда не содержат метаболических систем, обеспечивающих обмен веществ.

Для собственного воспроизведения вирусы должны проникнуть в клетку. Сначала происходит адсорбция (фиксация) вирионов на поверхности клетки, а затем внутрь клетки проникает или весь вирион или только вирусная нуклеиновая кислота. В большинстве случаев вирусы проникают в клетку путем виропексиса (этот механизм проникновения вирусов в клетку сходен с фагоцитозом).

После проникновения в клетку вирусы вступают в вегетативно-репродуктивную фазу, то есть приобретают способность к обмену веществ и воспроизведению, причем, метаболизм вирусов неразрывно связан с метаболизмом клетки-хозяина. Таким образом, вирусы являются облигатными (обязательными) внутриклеточными паразитами.

В ряде случаев нуклеиновые кислоты вирусов встраиваются (интегрируются) в состав хромосом хозяина. В интегрированном состоянии вирус называется провирусом. Провирусы неотличимы от генетического материала хозяина и воспроизводится вместе с ним.

В интегрированном (вирогенном) состоянии вирусы могут находиться долгое время. Но в ряде случаев (при изменении физиологического состояния клетки, например, при облучении) начинается репродукция вируса. С помощью ферментов и пластических веществ клетки идет репликация вирусных нуклеиновых кислот и вирусных белков. Путем самосборки из этих молекул формируется множество вирионов, которые покидают клетку. При этом клетка может погибнуть или сохраниться.

Значение вирусов. Вирусы - возбудители многих инфекционных заболеваний растений, животных и человека. В то же время, вирусы - возбудители заболеваний у нежелательных для человека организмов ("враги наших врагов"). Вирусы широко используются как объекты молекулярно-генетических исследований. В генной инженерии вирусы применяются для переноса генетического материала.

Происхождение вирусов. Существует ряд теорий происхождения вирусов. Согласно одной из теорий, вирусы - крайне упрощенные прокариотические организмы, утратившие цитоплазму. Противоположные теории рассматривают вирусы как часть генетического материала клетки, вынесенного за ее пределы.

Биологическое значение вирусов в первую очередь связывается с их патогенностью - способностью вызывать заболевания. Различают острые вирусные заболевания (например, грипп), хронические и латентные (скрытые).

Борьба с вирусными заболеваниями человека и животных ведется с использованием неспецифических препаратов (например, интерферона), специфических сывороток и препаратов, подавляющих репродукцию вирусов. Для профилактики вирусных заболеваний применяют различные вакцины. Антибактериальные препараты (сульфаниламиды, антибиотики) на вирусы не действуют.

Существуют инфекционные агенты, которые не являются вирусами. К одной из этих групп относятся вироиды - мелкие однонитевые кольцевые молекулы РНК длиной до 300 нуклеотидов, не кодирующие собственных белков (не имеющие собственного капсида). Вироиды вызывают многие болезни растений, например, веретеновидность клубней картофеля. К вироидам близки вирусоиды. Это молекулы РНК, которые способны к самовоспроизведению в присутствии вируса-помощника. Вирусоиды также вызывают заболевания растений, например, преходящую полосатость люцерны.

К другой группе инфекционных агентов относятся регуляторные белки прионы. Прионы включают те гены, которые не должны функционировать в данное время и в данной ткани. Это нарушает нормальное функционирование клеток, что приводит к развитию тяжелых заболеваний, например, энцефалопатии ("бешенство коров").

Некоторые вирусы (аденовирусы, ретровирусы) могут нарушать нормальное функционирование генетического аппарата клетки хозяина, что приводит к развитию онкологических заболеваний.

Основные группы вирусов

В настоящее время известно свыше 800 видов вирусов. Вирусы классифицируются по носителям наследственной информации (ДНК-содержащие и РНК-содержащие) и по хозяевам (вирусы растений, вирусы грибов, вирусы животных и вирусы прокариот, или бактериофаги).

ДНК-содержащие вирусы

К ДНК-содержащим вирусам относятся многие вирусы бактерий - бактериофаги (или просто фаги). Некоторые мелкие фаги (например, фаг М13) при репродукции не разрушают клетку. Репродукция крупных фагов (например, фага Т-4) приводит к гибели клетки. Фаг Т-4 - это один из наиболее сложно организованных вирусов. Белковый капсид включает не менее 130 белков, образующих головку, воротничок, сократимый хвост, базальную пластинку и хвостовые нити. Такое строение капсида позволяет впрыскивать ДНК в бактериальную клетку через толстую оболочку, поэтому подобные вирусы образно называют "живыми шприцами". Т-фаги могут существовать в виде профага длительное время.

К ДНК-содержащим вирусам относятся возбудители многих заболеваний человека и животных: вирусы оспы, герпеса, гепатита В, аденовирусы млекопитающих и человека (вызывают желудочно-кишечные заболевания, ОРВИ, конъюнктивиты), вирусы бородавок человека.

К ДНК-содержащим вирусам относятся и некоторые вирусы растений (вирус золотистой мозаики фасоли, вирус мозаики цветной капусты).

Некоторые вирусы используются в генной инженерии для переноса генов от одних организмов к другим, например, обезьяний вирус SV 40.

В состав генетического аппарата ДНК-содержащих вирусов может входить либо кольцевая, либо линейная ДНК. Эта ДНК может быть одноцепочечной или двухцепочечной. Реже ДНК представлена двумя частично перекрывающимися полукольцами (например, у вируса гепатита В).

РНК-содержащие вирусы

К РНК-содержащим вирусам относятся многие вирусы растений, например, вирус табачной мозаики (ВТМ). Это первый вирус, открытый русским ученым Д.И. Ивановским в 1892 г.

К РНК-содержащим вирусам относятся многие возбудители заболеваний человека и животных: вирус полиомиелита, вирусы гриппа А, В и С, вирусы паротита (свинки), кори, чумы плотоядных животных (чумки), бешенства, вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). В отдельную группу выделяются арбовирусы, которые переносятся членистоногими (клещами, москитами), например, вирусы клещевого энцефалита, желтой лихорадки. Многие РНК-содержащие вирусы вызывают ОРВИ (например, коронавирусы), желудочно-кишечные заболевания (реовирусы птиц, млекопитающих и человека).

Некоторые РНК-содержащие вирусы используются в биотехнологии, например, вирусы полиэдроза насекомых.

Вирусная РНК обычно одноцепочечная, реже - двухцепочечная. Среди вирусов с одноцепочечной РНК выделяют несколько групп.

Первая группа - это вирусы, содержащие плюс-цепь РНК (мРНК). Плюс-цепь сразу же может использоваться для трансляции. Представители: ВТМ, вирус клещевого энцефалита, вирус желтой лихорадки, вирус бешенства, некоторые бактериофаги. Вегетативно-репродуктивная фаза этих вирусов протекает в цитоплазме. В плюс-цепи закодирована РНК-репликаза (РНК-зависимая РНК-полимераза).

Вторая группа - это вирусы, содержащие минус-цепь РНК (кРНК). Минус-цепь не может служить для трансляции. Представители: вирусы кори, бешенства, гриппа А, В, С. Вегетативно-репродуктивная фаза этих вирусов также протекает в цитоплазме. У вируса гриппа РНК состоит из 8 фрагментов, которые, будучи связаны с вирусными белками, образуют спиральный нуклеокапсид, Поверх нуклеокапсида располагается гликолипопротеиновый суперкапсид. В состав суперкапсида входит два белка, определяющих антигенные свойства вируса: гемагглютинин и нейраминидаза. Кроме того, в состав вириона входит уже готовая РНК-репликаза, обеспечивающая синтез плюс-цепи на матрице минус-цепи. Плюс-цепь служит для трансляции вирусных белков и используется как матрица для синтеза вирусной кРНК.

Третью группу образуют ретровирусы. В состав вирионов входит фермент обратная транскриптаза (ревертаза). Многие ретровирусы вызывают онкологические заболевания: лейкозы, саркомы, опухоли молочных желез. К ретровирусам относится и вирус иммунодефицита человека, вызывающий СПИД.

ВИЧ. СПИД. Профилактика СПИДа

ВИЧ - это вирус иммунодефицита человека, который вызывает тяжелое неизлечимое заболевание - синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД).

В англоязычных странах приняты следующие аббревиатуры: HIV (human immunodeficiency virus) и AIDS (acquired immunodeficiency syndrome).

СПИД - это заболевание иммунной системы, которое проявляется в том, что безопасные для здорового человека микроорганизмы приобретают способность вызывать тяжелые инфекционные заболевания. Кроме того, СПИДу сопутствуют некоторые онкологические заболевания.

В организме человека ВИЧ избирательно поражает строго определенный тип лимфоцитов - Т4-лимфоциты (Т-хелперы), отвечающие за распознавание чужеродных антигенов. У здорового человека титр (концентрация) Т4-лимфоцитов составляет 800 клеток на 1 мл крови, но при заболевании СПИДом этот показатель снижается до 100.

ВИЧ относится к ретровирусам. Его геном представлен линейной одноцепочечной молекулой РНК (это плюс-цепь, или мРНК). ВИЧ - это сложный вирус. В состав вириона входит нуклеокапсид (собственно вирион) и внешняя липопротеиновая оболочка. В состав нуклеокапсида входит РНК (две молекулы) и 13 вирусных белков, в том числе, и обратная транскриптаза (ревертаза). В состав липопротеиновой оболочки вириона входят фрагменты мембран погибших лимфоцитов, содержащие комплекс из двух особых белков: гликопротеидов gp41 и gp120. Белок gp120 распознает Т-лимфоциты, а белок gp41 "пробивает" мембрану Т-лимфоцита и обеспечивает проникновение нуклеокапсида в клетку.

В инфицированной клетке на матрице вирусной РНК с помощью вирусной обратной транскриптазы синтезируется минус-цепь ДНК, а на ней - плюс-цепь ДНК. Вирусная РНК при этом разрушается. Образовавшаяся двухцепочечная ДНК встраивается в определенный участок одной из хромосом клетки хозяина. Интегрированная ДНК-копия вирусного генома представляет собой провирус. В таком состоянии ретровирус может долгое время сосуществовать с инфицированным организмом - вирусоносителем. Однако, получив определенные молекулярные сигналы, с провирусной ДНК инициируется транскрипция вирусной мРНК, а с нее - синтез вирусных белков. Затем происходит самосборка множества вирусных частиц и их выход из клетки. Клетка хозяина (лимфоцит) погибает, а часть ее мембран образует липопротеиновую оболочку вируса. Гибель Т-хелперов и приводит к развитию СПИДа.

Выявление вирусоносителей. Мембраны погибших клеток защищают вирусные частицы от иммунной системы человека, однако антитела к ВИЧ все же вырабатываются. Однако выработка этих антител происходит медленнее, чем репродукция вируса, и они не обеспечивают самоизлечение организма. Обнаруживаются антитела к ВИЧ только через 3...6 месяцев после заражения. По наличию антител удается выявить вирусоносителей. Для этого к образцу крови добавляют вирусный антиген в соединении с ферментом, катализирующим цветную реакцию с антителом. Этот метод называется иммуноферментным анализом (ИФА). Для получения антигенов к антителам используют или наработанный на культуре клеток и очищенный ВИЧ, либо его отдельные белки, синтезированные методами генетической инженерии в клетках бактерий и дрожжей.

Для более раннего обнаружения СПИДа в донорской крови используют метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), позволяющий выявить провирусную ДНК в клетках крови.

Пути передачи ВИЧ. Вне человеческого организма ВИЧ существовать не может. Поэтому источником ВИЧ-инфекции является только человек - больной СПИДом или бессимптомный вирусоноситель. У такого человека ВИЧ обнаруживается в крови, сперме, грудном молоке, секрете шейки матки и других жидкостях. Для заражения другого человека перечисленные жидкости должны попасть во внутреннюю среду организма.

К основным способам заражения относятся: передача через донорскую кровь и при повторном использовании шприцев (вероятность заражения практически 100%), половые контакты (вероятность заражения 10...70%), передача от матери к ребенку до или во время родов (вероятность 25...50%) или при вскармливании зараженным молоком. ВИЧ-инфекция не передается при обычном общении между людьми.

Первоначально основным путем заражения ВИЧ служили половые контакты (особенно гомосексуальные). Однако с середины 1990-ых гг. наибольшую опасность представляет повторное использование шприцев в среде наркоманов.

Основные стадии развития СПИДа. Первая стадия протекает бессимптомно и длится 6...12 месяцев. В это время происходит размножение ВИЧ, которое вскоре затухает. Вторая стадия длится до 3...5 лет. На этой стадии происходит некоторое уменьшение количества Т-лимфоцитов, однако и количество вирусных частиц тоже снижается; самочувствие больного еще хорошее. На третьей, четвертой и пятой стадии количество вирусных частиц возрастает, а количество Т-лимфоцитов уменьшается настолько, что иммунная система не может нормально функционировать, развиваются различные инфекции: хронический герпес, молочница слизистой рта и другие грибковые заболевания. Суммарная продолжительность этих стадий около 3 лет. На шестой стадии количество вирусных частиц достигает максимума, а титр (количество) Т-лимфоцитов становится минимальным - меньше 100 клеток на 1 мл крови. Развиваются хронические инфекции (например, тяжелая пневмония), которые приводят к смерти. Шестая стадия продолжается не более 2 лет и является собственно СПИДом.

СПИД - это неизлечимое заболевание. При отсутствии лечения смерть наступает примерно через 12 лет после заражения. Имеющиеся методы лечения несколько продлевают продолжительность жизни ВИЧ-инфицированных людей. Имеющиеся лекарственные препараты задерживают развитие СПИДа, однако ни одного случая полного излечения неизвестно.

Мировая эпидемия (пандемия) СПИДа

Первые случаи СПИДа были зарегистрированы в 1981 г. у гомосексуалистов в США (нужно учесть, что антитела к ВИЧ были обнаружены в донорской крови 1959 г.). Однако с середины 1990-ых гг. число ВИЧ-инфицированных людей во всем мире стало стремительно возрастать. Эпидемия СПИДа охватила все континенты и переросла в пандемию.

По абсолютному числу ВИЧ-инфицированных людей лидирует Африка, далее следует Южная и Юго-Восточная Азия, далее - Америка (Северная и Южная), затем Европа, Ближний Восток и Австралия. По состоянию на 30 марта 2001 г. от СПИДа умерло 22 млн. человек, а 36 млн. - инфицированы.

В России ВИЧ-инфекция была обнаружена в 1986 г. Массовое распространение вируса началось, как и во всем мире, с 1996 г. в среде наркоманов. К середине 2006 г. в России от ВИЧ-инфекции умерло 12 тысяч человек. На этот момент выявлено 360 тысяч ВИЧ-инфицированных, однако их истинное число значительно больше. Примерно третья часть носителей ВИЧ проживает в Москве и Подмосковье. 80% больных составляют люди в возрасте от 15 до 25 лет.

Причины бурного распространения СПИДа. СПИД отличается от других опасных заболеваний рядом особенностей. Во-первых, ВИЧ поражает иммунную систему, что затрудняет выработку антител к этому вирусу. Во-вторых, ВИЧ обладает высокой изменчивостью (в десятки раз выше, чем изменчивость вируса гриппа), что затрудняет создание сывороток к этому вирусу.

Опасность СПИДа в том, что он длительное время может сохраняться в интегрированном состоянии (латентная инфекция). ВИЧ-инфицированные люди служат резервуаром заболевания.

Профилактика СПИДа. На ранних этапах развития эпидемии СПИДа заражение происходило, в основном, половым путем. Однако риск заражения половым путем можно значительно снизить путем использования презервативов и уменьшения числа сексуальных партнеров. При соблюдении супружеской верности заражение половым путем исключается.

В настоящее время ВИЧ интенсивно распространяется в среде наркоманов, вводящих наркотики внутривенно с повторным использованием шприцев. Стремительное распространение ВИЧ среди наркоманов связано с особенностями психики этих людей: они легкомысленно относятся к опасности заражения ВИЧ, пренебрегают санитарно-гигиеническими нормами при введении наркотиков. Среди этих людей выявить ВИЧ-инфицированных очень трудно. Пропагандистские меры в группах риска оказываются недостаточными. Лучший способ профилактики СПИДа в среде наркоманов - это отказ от употребления наркотиков. Таким образом, СПИД - это не только инфекционное, но и социально обусловленное заболевание.

Сейчас во всем мире идет интенсивный поиск лекарства против СПИДа. Однако полученные препараты способны лишь временно подавить развитие болезни. Возможно, СПИД - "чума ХХ века" - станет одной из острейших проблем начала III тысячелетия.

11. Размножение

1. Биологическая сущность размножения. Основные формы размножения: половое и бесполое.

2. Половое размножение. Гаметогамия; характеристика и образование гамет. Оплодотворение и образование зиготы. Формы гаметогамии. Особенности полового процесса при отсутствии гамет. Представление о партеногенезе, апомиксисе и других аберрантных формах полового процесса. Биологическое значение полового размножения.

3. Бесполое размножение. Формы бесполого размножения у разных групп организмов. Клоны. Споровое размножение. Разнообразие типов спор. Образование спор. Вегетативное размножение у растений. Полиэмбриония у животных. Биологическое значение бесполого размножения.

Размножение - это совокупность биологических процессов, в ходе которых: а) увеличивается число особей, б) происходит смена поколений, в) появляются новые сочетания наследственных задатков. Как правило, размножение сопровождается расселением особей.

Если же реализуется только часть перечисленных процессов, то вместо термина "размножение" часто употребляют другие термины, например, "возобновление", "воспроизведение", "половой процесс".

Все многообразие типов размножения можно разделить на две группы: половое и бесполое. Типичное половое размножение связано со слиянием клеток; при бесполом размножении слияния клеток не происходит.

Половое размножение

Типичное половое размножение происходит путем гаметогамии - слиянии гамет (специализированных половых клеток). Гаметы всегда гаплоидны, то есть несут одинарный набор хромосом. При слиянии гамет образуется новая клетка - зигота. Зигота всегда диплоидна, то есть содержит двойной набор хромосом. Образование зиготы включает два процесса - плазмогамию (оплодотворение, или слияние протопластов) и кариогамию (слияние ядер и объединение хромосомных аппаратов). Существует множество форм полового процесса, которые имеют свои особенности у разных групп организмов.

У прокариот и некоторых низших эукариот половое размножение отсутствует. Однако у прокариот существует односторонний перенос генетического материала с помощью конъюгации, а также обмен генетическим материалом с помощью трансформации и трансдукции. Эти процессы будут рассмотрены подробнее при описании соответствующих групп организмов.

В эволюционном плане гаметогамии предшествует гологамия - слияние неспециализированных клеток. Среди современных организмов гологамия сохранятся лишь у некоторых низших эукариот (например, у слизевиков). В то же время гологамия широко используется в клеточной инженерии для соматической гибридизации.

Среди низших эукариот (одноклеточных животных, водорослей и низших грибов) известно несколько форм гаметогамии, например, изогамия, гетерогамия, оогамия. У низших эукариот часто наблюдается конъюгация без образования гамет. У высших грибов гаметогамия отсутствует, и половой процесс протекает в виде гаметангиогамии и соматогамии без образования гамет. Подробнее перечисленные формы полового процесса будут рассмотрены при описании соответствующих групп организмов.