2

Зміст

• Вступ
• Поняття і структура бактерій
• Морфологія бактеріофагів
• Хімічний склад і антигенні властивості бактеріофагів
• Взаємодія бактеріофагів з бактеріями
• Висновок
• Список використаної літератури

Вступ

БАКТЕРІОФАГ (бактерії + греч. phagos що пожирає; : бактерійний вірус, фаг) - вірус, що приголомшує бактерії. Бактеріофаг відкритий на початку 20 ст англійським бактеріологом Туортом (F.W. Twort, 1915) і канадським ученим Д'Ереллем (F.H. d'Herelle, 1917). Бактеріофаги широко поширені в природі. Скрізь, де є бактерії, удається виявити і паразитуючі в них бактеріофаги. Фаги виділені також з грибів і микоплазм. Бактеріофаги застосовують для діагностики, профілактики і лікування нек-рых інфекційних хвороб. Їх використовують також в молекулярній генетиці як зручна експериментальна модель. Система фаг - бактерійна клітка є ідеальним об'єктом для дослідження взаємин вірусу і клітки.

Бактеріофаги розрізняються по хімічній структурі, типові нуклеїнової кислоти, морфології і характеру взаємодії з мікробною кліткою. Бактеріофаги в сотні і тисячі разів менше мікробних кліток. Типова фаговая частка схожа на пуголовка і складається з голівки і хвоста. Довжина хвоста зазвичай в 2-4 рази більше діаметру голівки. У голівці міститься ДНК, оточена білковою оболонкою - капсидом. Хвіст є білковою трубкою - продовженням білкової оболонки голівки. Існують також бактеріофаги з коротким відростком, що не мають відростка і ниткоподібні. У залежності ось типа нуклеїнової кислоти бактеріофаги, як і інші віруси, діляться на тих, що ДНК-містять і РНК-містять.

Поняття і структура бактерій

Зовні цитоплазматичної мембрани бактеріальної клітини розміщуються так звані поверхневі структури: оболонка, капсула, слизовий чохол, джгутики і ворсинки (війки). Цитоплазматичну мембрану разом з цитоплазмою, органелами і включеннями прийнято називати протопластом. Розглянемо спочатку будову, хімічний склад і функції поверхневих структур бактеріальної клітини.

Ззовні бактеріальна клітина оточена щільною оболонкою, яку часто називають клітинною стінкою. Вона є обов'язковим структурним елементом прокаріотної клітини, за винятком мікоплазм і L-форм бактерій. На клітинну оболонку припадає від 5 до 50 % сухої речовини клітини. Оболонка зумовлює відносну сталість форми клітини, є захистом від несприятли-

У складі клітинної оболонки грампозитивних оактерш^киж »п-явлено в невеликих кількостях білки, ліпіди І полю а*а№ З ясова-но то полісахариди і ліпіди можуть ковалентне з єднуватися з мак ромГе^лашГоСонки. Стосовно білків, то припускають, шо вони виконують захисну функцію.

Комбіноване схематичне зображення прокаріотної клітини (за Г. Шлегелем, 1972): / -- поверхневі структури: / -- оболонка клітини; 2 -- капсула; 3 -- слизові виділення; 4 -- слизовий чохол; 5 -- джгутики; 6 -- війки. // -- цитоплазматичні клітинні структури: 7 -- цитоплазматична мембрана; 8 -- нуклеоїд; 9 -- рибосоми; 10 -- цитоплазма; // -- хроматофори; 12 -- хлоросоми; 13 -- пластинчасті тилакоїди; 14 -- фікобілісоми; 15 -- трубчасті тилакоїди; 16 -- мезосома; 17 -- аеросома (газова вакуоля); 18-- ламелярні структури. ///-- запасні речовини: 19-- полісахаридні гранули; 20-- гранули полі-р-оксимасляної кислоти; 21 -- гранули поліфосфату; 22 -- гранули ціанофіцину; 23 -- карбоксисоми; 24 -- включення сірки; 25 -- крапельки жиру; 26 -- гранули вуглеводів

У грамнегативних еубактерій будова клітинної оболонки є^багато складнішою, ніж у грампозитивних (див. табл. 2.У3»»' оболонки цих бактерій міститься пептидошкановии шар.^ювнмад нього розташований ще один шар (зовнішня мембрана) який складається з фосфоліпідів, ліпополісахаридів І білків, а під ним -цитоплазматична (внутрішня) мембрана, до складу якої також входять фосфоліпіди, білки тощо.

Серед прокаріотів виявлено види бактерій, клітинна оболонка яких за структурою та хімічним складом помітно відрізняється вщ гшмпозитивнш: і грамнегативних типів. Поряд з цим слід зазначити, що за певних умов прокаріоти можуть існувати і без клітинних оболонок. Наприклад, за дії на клітини певними хімічними речовинами можна дістати стурктури, які повністю або частково позбавлені оболонки. Вперше цТструктури було виявлено у разі дії на бактерії ферментом лізоцимом з явного білка. Встановлено, що цей фермент розриває р-1 4-глікозидні зв'язки, які з'єднують залишки N-ацетил-глюкозоаміну і N-ацетилмурамової кислоти в пептидоглікані. Одержані при цьому протопласти або сферопласти набувають сферичної форми і в сприятливих умовах можуть виявляти певну метаболічну активність. Проте здатність до розмноження вони втрачають.

Унікальність структури і хімічного складу оболонки еубактерій та їх відмінність від рослинних і тваринних клітин дає змогу створювати і застосовувати медикаментозні препарати, які специфічно діють тільки на клітинну стінку прокаріотів і не завдають шкоди клітинам інших організмів. Прикладом цього є дія пеніциліну та деяких інших антибіотиків.

Капсули і слизові чохли. У багатьох прокаріотів клітинна оболонка ззовні оточена шаром слизової речовини. Залежно від структурних особливостей (товщина, консистенція) цей утвір дістав назву капсули або слизового чохла. Розрізняють макро- і мікрокапсули. Слизовий шар, який обволікає оболонку клітини, зберігає з нею зв'язок і має аморфну будову, називається капсулою. Якщо товщина такого шару є меншою за 0,2 мкм, то його називають мікро-капсулою, а якщо більшою, то макрокапсулою. У деяких бактерій капсули значно більші за самі клітини.

Якщо слизовий шар, що обволікає бактерію, має тонку структуру, в якій подекуди проглядаються декілька шарів з різною будовою, то його називають слизовим чохлом. Слизова речовина аморфна, легко відокремлюється від оболонки; вона дістала назву слизового шару. Між цими структурами виявлено багато перехідних форм.

До поверхневих структур прокаріотної клітини належать також ворсинки, які ще називають фімбріями або пілі. Вони мають форму порожнистих циліндриків, стінки яких утворені з білка піліну. На одній клітині їх може бути більше тисячі. До руху бактерій вони не мають відношення. Товщина ворсинок сягає 10 нм, а довжина -- 0,2--2 мкм. Найкраще вивчено ворсинки Е. соїі. Нині відомі ворсинки загального типу і статеві (їх називають F-пілями), які беруть участь у кон'югації. Вони властиві чоловічим клітинам бактерій. F-пілі формуються тільки у клітин, які активно ростуть, їх утворення зумовлює статевий чинник.

Морфологія бактеріофагів

Припущення, що бактеріофаги мають корпускулярну природу, було висунуто ще Ф.д'Ерелєм. Однак тільки після винайдення електронного мікроскопа вдалося побачити і вивчити ультраструктуру фагів. Нагадаємо, що довгий час уявлення про морфологію та основні особливості фагів грунтувалися на результатах вивчення фагів Т-групи -- ТІ, Т2,..., ТІ, які розмножуються на Е.соli штаму В. Однак з кожним роком з'являлися нові дані щодо морфології і структури різноманітних фагів, що зумовило необхідність їхньої морфологічної класифікації.

Детальні електронно-мікроскопічні дослідження, в поєднанні з деякими фізико-хімічними методами вивчення фагів Т-групи, показали, що кожен фаг складається з різних морфологічних елементів.

Основні частини найкраще вивчених булавоподібних фагів становлять головка з білковою оболонкою -- капсидом і відросток. Субоди-ниці капсйду називають капсомерами. Структурні елементи склаД| них відростків дістали назву зовнішнього чохла, внутрішнього стрижі ня і базальної пластинки, відростка з зубцями і нитками (рис. 1).

Рис. 1. Структура бактеріофага Т2:

А -- електронна фотографія фага Т2; Б -- схема структури: / -- білкові субодиниці капсйду; 2 -- головка фага; 3 -- ДНК; 4 -- відросток; 5 -- футляр; 6 -- стрижень; 7 -- пластинка з шістьма зубцями; 8 -- нитки відростка

А.С. Тихоненко (1972) поділяє фаги з огляду на ускладнення їхньої структури (що з еволюційної точки зору є найбільш доцільним) на п'ять основних груп (рис. 2). До першої групи слід віднести ниткоподібні фаги fd, fl, M13 та ін. За формою вони нагадують віріони ВТМ. Це довгі гнучкі палички (700--850 нм), які складаються з трубкоподібного капсйду зі спіральним типом симетрії і містять одноланцюгову ДНК.

Другу групу складають дрібні сферичні фаги ікосаедричної форми без диференційованого відростка. Серед них розрізняють дві підгрупи. Фаги першої підгрупи (S13, ф х 174 та ін.) мають одноланцю-гову ДНК, а фаги другої підгрупи -- Я, fr, MS2, R17, М12 -- РНК.

До третьої групи відносять фагів з чітко вираженим хвостовим відростком невеличкого розміру. Вони інфікують бактерії, актиноміцети, хлорелу та інші організми. За будовою їхнього відростка виділяють дві групи. Представники першої групи (фаги ТЗ і Т7) мають короткий конусоподібний відросток без базальної пластинки, а представники другої (наприклад, фаг Р22 Salm, typhimurium) -- короткий відросток з базальною пластинкою.

До четвертої групи належать булавоподібні фаги з довгим відростком, що не скорочується і нагадує гофровану трубку (фаги ТІ, Т5, X та інші). Вони містять дволанцюгову ДНК.

Рис. 2. Схематичне зображення представників різних груп фагів

П'яту групу становлять булавовидні ДНК-вмісні фаги з добре розвинутим складним відростком. При скороченні зовнішнього чохла відростка оголюється дистальний кінець внутрішнього стрижня, який може проникати через клітинну стінку бактерій. Представники цієї групи найкраще вивчені.

Хімічний склад і антигенні властивості бактеріофагів

Вивчення хімічного складу фагів показало, що він досить простий; по суті фаги є нуклеопротещами, тобто складаються в основному з білка і нуклеїнової кислоти. Фагові частинки мають кілька різних білків, насамперед структурних, які становлять капсид головки і елементи відростка (чохол, стрижень, базальну пластинку і нитки). У головці булавоподібних фагів є також внутрішній білок (3-7 % загального вмісту білка). У фагів виявлено ферменти лізоцим, фосфатазу та деякі інші. Білки виконують різні функції: захищають нуклеїнову кислоту від пошкоджень і дії ферментів нук-леаз, беруть участь у тісному контакті фага з бактеріальною клітиною, забезпечують через ферментативну дію процес зараження тощо.

Другою важливою складовою частиною фагів є нуклеїнові кислоти. У фагів, як і в інших вірусів, є тільки один тип нуклеїнової кислоти -- ДНК або РНК. Цією властивістю віруси відрізняються від інших мікроорганізмів, в клітинах яких є обидва типи нуклеїнових кислот. У фагів виявлено дволанцюгову ДНК (найчастіше) і одно-ланцюгові ДНК та РНК. Залежно від типу своєї нуклеїнової кислоти фаги поділяють на ДНК-вмісні і РНК-вмісні. Нуклеїнова кислота щільно упакована у головці фага. У деяких фагів знайдено невеличку кількість ліпідів (2,5-10,5 %), переважно жирних кислот і фосфоліпідів, а також сліди вуглеводів. Значення цих компонентів поки що недостатньо вивчено. Вважають, що ліпіди та інші компоненти (подібно до інших вірусів) мають клітинне походження і фаговий геном не кодує їхнього синтезу. Бактеріофаги володіють антигенними властивостями. При багаторазовому парентеральному введенні фагів кролям або іншим тваринам можна одержати сироватки, які містять сферичні антитіла до відповідних фагів. Такі сироватки називають антифаговими. Антитіла таких сироваток здатні давати з відповідними фагами звичайні серологічні реакції -- аглютинації, преципітації, зв'язування комплемента, а також спричинюють нейтралізацію літичної активності фагів. Антифагові сироватки строго специфічні. Цю властивість часто використовують при серологічній класифікації фагів.

Взаємодія бактеріофагів з бактеріями

Застосування електронної мікроскопії, методу мічених атомів та інших методів дало змогу докладно вивчити взаємодію фагів з бактеріальними клітинами. В цьому процесі розрізняють два типи взаємодії -- літичний і лізогенний. Перший закінчується лізисом (руйнуванням) ураженої клітини і призводить до виходу дозрілих фагових частинок з клітини, а другий не руйнує уражену клітину, а робить її своєрідним носієм фага.

Літичний тип взаємодії фагів з бактеріями часто ще називають (як і для інших вірусів) продуктивною інфекцією. При такому типі взаємодії фага з клітиною хазяїна розрізняють чотири стадії або етапи: 1) адсорбцію фагів на поверхні бактеріальних клітин; 2) проникнення активного вмісту (нуклеїнової кислоти) в бактеріальну клітину; 3) латентний період (екліпс) внутрішньоклітинного розвитку фага; 4) руйнування (лізис) клітини і вихід з неї новоутворених фагів.

Найкраще вивчено першу стадію розмноження фагів -- адсорбцію. Фаги, які мають відростки, адсорбуються на поверхні фагочутливих бактерій дистальним кінцем цих відростків, а базальна пластинка з шипами і нитками забезпечує тісний контакт. Фаги можуть прикріплятися до різних ділянок клітини, джгутиків, ворсинок чи інших виростів. Адсорбція фагів на клітинах -- специфічна реакція. Вона зумовлюється утворенням тісного зв'язку між спеціальним рецепторним апаратом фага і специфічними рецепторами клітини. Фагорецептори бактеріальної клітини є складними антигенними комплексами або структурами, які розташовані в різних ділянках і шарах клітинної стінки.

Адсорбцію фагів на сприйнятливих до них бактеріях можна спостерігати в електронний мікроскоп. Вона залежить від фізичних і хімічних властивостей середовища, температури, природи фага, фізіологічного стану бактерій, а також від їхніх антигенних структур.

Після адсорбції фага на поверхні бактерій за допомогою фермента типу лізоцима, який міститься в нижній частині відростка, відбувається розчинення клітинної стінки, і в цей невеличкий отвір кінець відростка, стискуючись (завдяки енергії АТФ), як шприц, впорскує нуклеїнову кислоту головки фага в бактеріальну клітину. Білкова оболонка фага залишається на поверхні бактерії і подальшої участі в розмноженні фага не бере. Слід зазначити, що ще досі детально не з'ясовано механізм уведення нуклеїнової кислоти у фаго-чутливу клітину фагами, які не мають відростків, а також тими фага-ми, в яких відростки не скорочуються.

З моменту проникнення генома фага в бактерію починається третя стадія його взаємодії з клітиною -- латентний (прихований) період внутрішньоклітинного розмноження фага. Тривалість цього періоду в різних фагів триває від 15--40 хв до 5 год. і більше. У цій стадії нуклеїнова кислота фага, завдяки закодованій у ній інформації, спричинює швидку перебудову внутрішніх процесів у бактеріальній клітині, повністю спрямовуючи їх на утворення нових частинок фага.

На початку третьої стадії розмноження, у екліпс-фазі, виявити в зараженій клітині вегетативний фаг не вдається. Проте саме в цей час під його впливом відбувається пригнічення функції синтезу низки клітинних ферментів і водночас індукується утворення фагових ферментів або так званих «ранніх» білків, які каталізують процеси реплікації фагової ДНК з використанням нуклеїнових кислот самої бактеріальної клітини.

Дещо пізніше в клітині починається синтез «пізніх» білків, які являють собою структурні білки фагів. У результаті агрегації таких білків відбувається побудова окремих елементів нових фагів: головок, відростків, базальних пластинок тощо. Після утворення всіх компонентів фага здійснюється складання дозрілих віріонів фага відповідної форми. Залежно від виду фага, стану бактеріальної клітини та інших чинників у одній клітині може утворитися від кількох десятків до кількох сотень фагових частинок.

Отже, в результаті дії вегетативного фага у зараженій бактерії з'являється значна кількість нових корпускул фагів і ми говоримо про репродукцію фагів бактеріальною клітиною на основі генетичної інформації, заданої нуклеїновою кислотою батьківського фага. Саме в цьому й виявляється своєрідна форма паразитизму фагів на субклітинному молекулярному рівні.

Внутрішньоклітинний розвиток у фагів, які містять різні типи нуклеїнової кислоти, дещо відрізняється за характером її реплікації, зокрема, одноланцюгова ДНК і РНК фага спочатку повинні набути дволанцюгової реплікативної форми, а вже після цього в клітині нагромаджуються нові молекули відповідної фагової нуклеїнової кислоти.

Водночас із формуванням дозрілих віріонів у бактеріальній клітині утворюються літичні ферменти, детерміновані нуклеїновою кислотою фага. Ці ферменти можуть розкладати цупкий пептидо-глікановий шар клітинної стінки; з їхньою допомогою здійснюється четверта стадія взаємодії фага з бактеріальною клітиною -- лізис клітинної стінки і вихід нового потомства бактеріофагів назовні.

Літичний, або продуктивний, цикл розвитку характерний для вірулентних фагів, які є справжніми паразитами бактерій. Однак у природі поширеними є й так звані помірні фаги. При зараженні ними бактерій гине тільки невелика частина клітин, а решта нормально розмножується і стає носіями відповідних помірних або симбіотичних фагів.

Явище фагоносіння бактеріями дістало назву лізогенії.

Докладне вивчення показало, що існують псевдолізогенні та справжньолізогенні бактеріальні культури. Переважна більшість клітин першого типу є стійкою до цього фага і тільки невеличка кількість їх може заражатися фагом і давати його репродукцію. Справжньолізогенні -- це культури, в яких кожна бактерія несе в собі фаг у певній прихованій формі і може за відповідних умов репродукувати його.

Встановлено, що особлива форма фага, яка перебуває у справжньо-лізогенних бактеріях (профаг) є нуклеїновою кислотою (геном фага), яка тісно інтегрована з генетичним матеріалом бактеріальної клітини, і в разі поділу бактерії передається її потомству. Отже, в лізогенній клітині профаг поводить себе як нормальний її компонент.

Важливою властивістю лізогенної культури є її стійкість до фагів, які містяться в ній. У зв'язку з цим вивчення помірних фагів лізогенної культури можливе тільки тоді, коли є інша культура цього виду, чутлива до помірного фага даної лізогенної культури. Такі культури дістали назву індикаторних.

Лізогенія дуже поширена серед усіх систематичних груп мікробів. Вона спостерігається у збудників черевного тифу і паратифу, дифтерійної палички, спороносних і бульбочкових бактерій, дріжджів, пе-ніцилу тощо.

Профаг лізогенної культури може спонтанно або в разі індукції перетворитися на дозрілий бактеріофаг. Натомість у деяких випадках під впливом різних чинників у профага виникають мутації, в результаті яких при індукції він не здатний перетворюватися на повноцінну фагову частинку. Внаслідок цього в середовище можуть виділятися дефектні фаги, що складаються тільки з однієї головки або відростка. Такі фаги можуть адсорбуватися на бактеріях, але не можуть розмножуватися у них. Дефектні фаги привернули до себе увагу вчених, оскільки, як виявилось, багато описаних бактеріоцинів є дефектними фагами. Дефектна лізогенія дуже поширена в природі.

Останніми роками одержано цікаві дані не тільки з вивчення суті лізогенїї, а й щодо з'ясування ролі профагів як додаткових генетичних факторів. Зміни, які зумовлюються помірними фагами в лізогенній клітині, дістали назву лізогенних конверсій. Слід зазначити, що немало досягнень сучасної генетики і молекулярної біології ґрунтується на вивченні явищ спадковості і мінливості у фагів, оскільки помірним фагам властиве явище трансдукції.

Висновок

Бактеріофаги подібно до інших вірусів є абсолютними внутріклітинними паразитами, їх розмноження відбувається в живій клітині. По характеру взаємодії бактеріофага з бактерійною кліткою розрізняють вірулентні і помірні фаги. Процес взаємодії вірулентного бактеріофага з кліткою складається з декількох стадій: адсорбції бактеріофага на клітці, проникнення в клітку, біосинтезу компонентів фага і їх збірки, виходу бактеріофагів з клітки. Спочатку бактеріофаги прикріпляються до фагоспецифическим рецепторів на поверхні бактерійної клітки. Хвіст фага за допомогою ферментів, що знаходяться на його кінці, просвердлює оболонку клітки, скорочується і ДНК, що міститься в голівці, ін'єктується в клітку, при цьому білкова оболонка бактеріофага залишається зовні. Ін'єктована ДНК пригнічує клітинно-направлені синтезуючі механізми клітки, заставляючи їх синтезувати ДНК і білки фага. З тих, що утворилися в різних частинах клітки в різний час фаговой нуклеїновою до-ти і білка формуються нові фаговые частки. Потім відбувається лізис клітки і звільняються зрілі бактеріофаги.

Помірні бактеріофаги інфікують клітку, але не викликають її лізису. При цьому ДНК бактеріофага, що попала в клітку, вбудовується в генетичний апарат клітки і передається по спадку від клітки до клітки. Подібний стан фага називається профагом. Під дією різних чинників, а інколи спонтанно може відбуватися перетворення профагу на вегетативну форму, що супроводиться розмноженням бактеріофага, лізисом клітки і виходом бактеріофагів з клітки.

Дуже важливою властивістю бактеріофагів є їх специфічність: бактеріофаги лизируют культури певного вигляду, більш того, існують так наз. типові бактеріофаги, варіанти, що лізирують, усередині вигляду.

Виявити бактеріофаги можна шляхом нанесення матеріалу, що містить бактеріофаг, на щільні живильні середовища, засіяні газоном чутливої бактерійної культури. У тому місці газону, куди попав бактеріофаг, утворюється стерильна пляма або бляшка - зона лізису бактерій газону унаслідок розмноження бактеріофага. Кількість негативних колоній бактеріофага, що утворилися, відповідає кількості бактеріофагів в матеріалі.

Бактеріофаги знаходять широке практичне вживання. Одним з методів внутрівидової ідентифікації бактерій, що мають значення для виявлення епідемічного ланцюжка захворювання, є фаготипування. Бактеріофаги застосовують також для профілактики (фагопрофилактики) і лікування деяких бактерійних інфекцій. Останнім часом інтерес до них зріс у зв'язку з широким поширенням лікарсько-стійких форм патогенних і умовно-патогенних бактерій. Препарати бактеріофагів випускають у вигляді пігулок, мазей, аерозолів, свічок, в рідкому вигляді. Вживають їх для зрошування, змазування раневих поверхонь, вводять перорально, внутрішньовенно і так далі Існують наступні лікувально-профілактичні фаги: стафілококовий, стрептококовий, дизентерійний, черевнотифозний, сальмонеллезный, коліфаг; протейный синегнойный; є також комбіновані препарати. Застосовують фаги при кишкових інфекціях, стрептококовій ангіні, стафілококовій інфекції, опіках, травмах, ускладнених гнійним запаленням. Ефективним є лікування фагами у поєднанні з антибіотиками.

Список використаної літератури

1. Векірчик К.М. Мікробіологія з основами вірусології: Підручник. - К.: Либідь, 2001. - 312 с.

2. Ґудзь С.П. та ін. Основи мікробіології. - К., 1991.

3. Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология. - М., 1987.