1. Адсорбция - процесс прикрепления вирусных частиц к поверхности клетки.
2. Инъекция - проникновение вирусной частицы в клетку и высвобождение вирусной НК из белкового капсида (у бактериофагов - введение в клетку НК).
3. Репликация молекул вирусной НК - происходит за счет нуклеотидов в клетке.
4. Синтез вирусных белков (белков капсида и ферментов) - происходит на рибосомах клетки.
5. Сборка вирусных частиц - осуществляется из синтезированных пораженной клеткой вирусных НК и вирусных белков.
6. Выход вирусных частиц из пораженной клетки. У бактерий часто сопровождается лизисом (разрушением) клетки, у эукариот происходит путем выпячивания оболочки клетки и "выталкивания" вирусных частиц в окружающую среду. В целом есть 3 способа: а)литический (все вирусы выходят во внешнюю среду, клетка погибает), б)персистентный (постепенный выход), в)латентный (в течение некоторого времени клетки не обнаруживают вирус).
1. Общее представление о репродукции вирусов.
2. Типы взаимодействия вирусов с клеткой.
3. Взаимодействие по типу острой инфекции.
4. Цитоцидная инфекция и гибель клетки.
5. Реакция клетки на вирусную инфекцию.
В жизненном цикле вирусов происходит копирование нуклеиновой кислоты с последующим синтезом вирусных белков и самоорганизацией компонентов в зрелую вирусную частицу и выходом из зараженной клетки. Этот процесс называется репродукция.
После проникновения вируса в клетку-хозяина и высвобождения нуклеиновой кислоты от вирионных оболочек (инфицирования клетки) геном вируса реализует свой патогенный потенциал, в результате чего на молекуле вирусной нуклеиновой кислоты синтезируется и-РНК, которая регулирует синтез вирусоспецифического белка. В последующем происходит репликация вирусной нуклеиновой кислоты (синтез большого числа копий нуклеиновой кислоты), которая одевается в капсид из синтезированных ранее вирусоспецифических белков с формированием зрелых вирионов.
Синтез и-РНК (трансляция) и копий нуклеиновой кислоты (репликация) осуществляется с помощью ферментов, так называемых полимераз (репликаз), которые могут быть либо вирусоспецифическим (кодируемыми вирусным геномом и синтезируемыми в процессе репродукции), либо клеточными (входящим в состав клетки и используемыми вирусами для собственной репродукции).
При репродукции вирусов сохраняются следующие закономерности:
1. Источником мономеров для нуклеиновых кислот служат нуклеотиды клеток (дезоксирибонуклеотидфосфаты и рибонуклеотидфосфаты).
2. Источником мономеров для белков служат аминокислоты
3. Синтез белков вирусов происходит на рибосомах клетки-хозяина и не зависит от синтеза нуклеиновой кислоты вируса.
4. Источником энергии для синтеза служат АТФ клетки.
Репродукция вирусов происходит в несколько этапов:
I. События, ведущие к адсорбции, проникновению вируса в клетку, освобождению вирусного генома и модификации его таким образом, что он становиться способным вызывать развитие инфекции. Этот этап называется фазой инфицирования . Он включает в себя:
1. Адсорбция вируса на клетке.
2. Проникновение вирус внутрь клетки.
3. Депротенизация (раздевание вируса).
II. Этап репродукции, в котором происходит экспрессия вирусного генома . Он включает в себя:
1. Транскрипция.
2. Трансляция.
3. Репликация генома.
4. Сборка компонентов вириона.
5. Выход вируса из клетки.
При взаимодействии вируса с клеткой развивается инфекция и формы этого взаимодействия могут быть различными.
Различают две формы взаимодействия вируса с клеткой (в зависимости от длительности пребывания в клетке и стратегии генома):
I. Автономный тип взаимодействия.
При этом вирусный геном функционирует автономно от генома клетки. Вирусы, автономно размножающиеся относят к вирулентным .
На уровне клетки этот тип взаимодействия может протекать в виде:
1. продуктивной инфекции – при этом происходит образование нового поколения вирусов.
2. абортивной инфекции – при этом вирусной генерации не образуются по причине наличия:
Дефектного вируса;
Резистентной клетки;
Вирулентного вируса в низкой дозе.
В зависимости от судьбы зараженной клетки также выделяют также:
3. литическую инфекцию – при этом происходит гибель клетки и образовавшаяся в процессе репродукции генерация вирусов покидает клетку.
4. нелитическую инфекцию. В этом случае гибели клетки не происходит, и образования новой генерации вирусов также не наблюдается (абортивная инфекция) или образуется ограниченное число вирионов, покидающих клетку и не вызывающих ее гибели (ограниченная инфекция).
На уровне организма автономный тип взаимодействия проявляется в форме следующих инфекций:
1. Острая инфекция, характеризующаяся коротким инкубационным периодом, непродолжительным течением, полным развитием клинических признаков и формированием иммунитета. Острая инфекция соответствует автономному продуктивному литическому типу взаимодействия.
2. Иннапарантная инфекция (агнл. Inapparent – невидимый), характеризующаяся отсутствием внешних клинических признаков и сопровождающаяся незначительной репродукцией вируса. Иннапарантная инфекция соответствует автономному продуктивному нелитическому типу взаимодействия
II. Интеграционный тип взаимодействия.
При этом типе взаимодействия нуклеиновая кислота вируса встраивается в клеточный геном и она функционирует в составе клеточного генома. Существует несколько механизмов интеграции вирусной нуклеиновой кислоты в клеточный геном. Обязательным условием интеграции геномов является циркуляризация вирусной нуклеиновой кислоты (замыкание молекулы НК в круг). Такое явление становится возможным за счет присутствия комплементарных друг другу участков на обоих концах цепи нуклеиновой кислоты.
Нуклеиновая кислота ДНК-геномных вирусов встраивается непосредственно в молекулярную нуклеиновую кислоту (гепаднавирусы, паповавирусы и др.). Нуклеиновая кислота РНК-геномных вирусов не может встраиваться непосредственно в ДНК клетки из-за различия в их химическом построении. В этой связи РНК-содержащие вирусы (ретровирусы) сначала синтезируют на цепи РНК нить ДНК. Такой обратный синтез нуклеиновых кислот является возможным только благодаря присутствию в составе вирионов ретровирусов специального фермента.
Интегрированная в клеточный геном вирусная нуклеиновая кислота может сохраняться в течение очень длительного времени (до нескольких лет). Такое состояние длительного присутствия вирусного генома в клетке называется персистенцией. В этом случае наследуемые свойства клетки меняются.
Участок комплексной нуклеиновой кислоты, который содержит вирусоспецифическую последовательность нуклеотидов, называется провирусом. При определенных условиях происходит активизация провируса, то есть формируется новое поколение вирионов, которые покидают зараженную клетку.
На уровне клетки интеграционный тип взаимодействия также может протекать в виде:
1. продуктивной инфекции
2. абортивной инфекции
3. литической инфекции
4. нелитической инфекции.
На уровне организма интеграционный тип взаимодействия протекает в форме следующих инфекций:
1. Хроническая инфекция, характеризующаяся длительным течением, развитием клинических признаков незначительной интенсивности, формированием нестерильного иммунитета.
2. Латентная инфекция, характеризующаяся длительным бессимптомным периодом (персистенцией) с периодическим обострением инфекционного процесса под действием факторов различной природы.
3. Медленная инфекция, вызываемая довирусными частицами – прионами и характеризующаяся очень длительным (до нескольких лет) инкубационным периодом с последующим переходом инфекционного процесса в острую фазу, поражением нервной системы невоспалительного характера, неизменной гибелью организма.
Острой инфекцией называют инфекцию, которая характеризуется коротким инкубационным периодом, полным развитием клинических признаков и заканчивающейся выздоровлением или смертью. При острых вирусных инфекциях наблюдают полный цикл репродукции вируса с выходом зрелых вирионов из пораженной клетки и последующей ее гибелью. Острая инфекция соответствует автономному продуктивному литическому взаимодействию вируса с клеткой.
Для возникновения острой инфекции необходим вирулентный вирус и чувствительная клетка. Этапы репродукции вируса при этом виде инфекции включают:
АДСОРБЦИЯ – прикрепление вирусной частицы к клеточной поверхности.
Для адсорбции вирусы используют необходимые для жизнедеятельности клетки рецепторы физиологической регуляции.
Обычно взаимодействие и адсорбция вируса происходит путем случайного контакта вириона с протеином рецепторного участка цитоплазматической мембраны клетки, чаще гликопротеином. Наличие этих рецепторов обусловливает специфичность (тропизм) вируса. Эти протеины чаще являются рецепторами для связывания физиологических гормонов и других биологически активных веществ (например, вирус бешенства прикрепляется к рецепторам нейронов, ответственных за связывание ацетилхолина, вирус оспы – рецепторов эпителиоцитов для связывания фактора роста эпидермальных клеток).
На вирионе также присутствуют специфические белки для облегчения прикрепления. Это могут быть специальные углубления на капсиде (энтеровирусы) или протеиновые выступы по углам икосаэдра (аденовирусы) или шипы на суперкапсиде (вирус гриппа)
Если вирус прикрепляется к несвойственным рецепторам, то инфицирования клетки не происходит.
ПЕНЕТРАЦИЯ И ДЕПРОТЕНИЗАЦИЯ ВИРИОНА – попадание вируса в клеточную цитоплазму.
Пенетрация вируса происходит сразу после адсорбции. Для разных вирусов механизм пенетрации различный. Так, для некоторых вирусов достаточно проникновения одной нуклеиновой кислоты, а для других необходим механизм, обеспечивающий проникновение вместе с нуклеиновой кислотой вирионных ферментов, необходимых для дальнейшей репродукции вирусов (РНК-зависимых ДНК- полимераз). В целом этот процесс может длиться от нескольких минут до нескольких часов.
На данный момент известно три механизма пенетрации (проникновения внутрь цитоплазмы) вирусов:
1. Механизм проникновения, характерный для мелких простоорганизованных вирусов. При этом после адсорбции капсида на цитоплазматической мембране клетки внутрь ее проникает только вирусная нуклеиновая кислота.
2. Механизм проникновения, характерный для отдельных сложноорганизованных вирусов (парамиксовирусы, ортомиксовирусы). При этом суперкапсид интегрируется с цитоплазматической мембраной клетки из-за их сильного подобия, и внутрь клетки проникает оголенный капсид с РНК вируса и вирусоспецифической полимеразой.
3. Механизм проникновения, характерный для большинства сложноорганизованных вирусов. При этом внутрь клетки путем эндоцитоза проникает полная вирусная частица с последующим образованием везикулы (рецептосомы) . Это явление называют виропексис. В этом случае вирион прикрепляется к специальному поверхностному белку клетки – клатрину. Образовавшиеся везикулы отделяются от цитоплазматической мембраны и входят внутрь цитоплазмы. Затем везикулы сливаются с лизосомами, ферменты которых раздевают вирус; реже суперкапсид интегрируется с мембраной лизосомы с последующим выходом капсида внутрь цитоплазмы клетки.
ТРАНСКРИПЦИЯ, ТРАНСЛЯЦИЯ – переписывание информации с ДНК на РНК, синтез белка на молекуле РНК.
Механизм транскрипции различен у РНК- и ДНК-геномных вирусов.
У ДНК-геномных вирусов сама матричная ДНК формирует и-РНК. Большинство ДНК-содержащих вирусов использует клеточный фермент, и поэтому транскрипция и репликация у таких вирусов происходит внутри ядра клетки. У вирусов семейства Poxviridae транскрипция происходит при участии вирусного фермента (ДНК-зависимой РНК-полимеразы), входящей в состав вириона и проникающего внутрь клетки вместе с вирусной нуклеиновой кислотой. В этом случае вирус не нуждается в наличии клеточных ферментов и размножается в цитоплазме клетки.
Жизненный цикл всех ДНК-геномных вирусов идет по схеме
ДНК ® и-РНК ® белок.
Транскрипция РНК-геномных вирусов может идти по разным механизмам в связи с наличием у отдельных вирусов различного типа РНК (однонитчатая РНК с позитивным геномом, однонитчатая РНК с негативным геномом, двунитчатой РНК).
У отдельных вирусов (пикорнавирусы и др.) сама РНК вируса выполняет функцию и-РНК. Такой тип нуклеиновой кислоты назван позитивным. При этом РНК вируса прикрепляется к рибосомам клетки и начинается процесс трансляции. На рибосомах синтезируется одна гигантская молекула полипептида, которая затем расщепляется на отдельные фрагменты. Эти фрагменты под действием клеточных и вирионных ферментов модифицируются, и такие модифицированные молекулы полипептидов являются целыми вирусными белками. Жизненный цикл таких вирусов идет по схеме РНК ® белок.
РНК-геномные вирусы с негативным геномом (парамиксовирусы) для транскрипции используют РНК-зависимую полимеразу, входящую в состав вириона. Этот фермент на –нити РНК строит комплементарную +нить РНК, которая затем поступает на рибосомы, и начинается процесс трансляции вирусного белка. Жизненный цикл таких вирусов идет по схеме
РНК ® и-РНК ® белок.
У РНК-геномных вирусов с двунитчатой молекулой РНК (реовирусы) вирионная транскриптаза раздваивает молекулу и на минус–нити синтезирует и-РНК. Жизненный цикл таких вирусов также идет по схеме
РНК ® и-РНК ® белок.
К группе РНК-геномных вирусов относят семейство Retroviridae, которое имеет особый жизненный цикл. У таких вирусов процесс транскрипции начинается с синтеза на плюс-нити РНК минус–нити ДНК. Этот процесс происходит при участии фермента РНК-зависимая ДНК-полимераза. Данный синтез осуществляется в две фазы: сначала формируется гибрид РНК-ДНК, затем происходит разрушение РНК-нити гибрида с высвобождением нити ДНК. В последующем на этой нити достраивается вторая нить ДНК (провирусная ДНК), на которой затем синтезируется и-РНК. Жизненный цикл таких вирусов идет по схеме РНК ® ДНК ® и-РНК ® белок
Трансляция – процесс перевода генетической информации в специфическую последовательность аминокислот белка. Он происходит в несколько этапов:
Инициация. Процесс распознавания рибосомой и-РНК и их связывание. Трансляция начинается, когда рибосома связывается с инициаторным кодоном, сюда же прикрепляются инициаторные белки, регулирующие процесс трансляции. Вирус также вводит свои белки-ингибиторы, угнетающие трансляцию клеточной и-РНК;
Элонгация – наращивание полипептидной цепи;
Терминация – прекращение трансляции, когда рибосома достигает терминирующего кодона.
РЕПЛИКАЦИЯ – синтез новых молекул нуклеиновой кислоты вируса.
Репликация ДНК-геномных вирусов происходит либо при участии клеточных ферментов, либо собственных вирусоспецифических ферментов. У мелких ДНК-геномных вирусов (парвовирусы) молекула нуклеиновой кислоты содержит ограниченное количество генов (3), кодирующих структурные белки, поэтому для репликации вирусной ДНК используется клеточный фермент. У более крупных вирусов размер нуклеиновой кислоты достаточен для кодирования как структурных, так и функциональных белков. Например, в нуклеиновой кислоте герпес вирусов имеется около 100 генов, часть из которых кодирует ферменты, необходимые для репликации ДНК вируса. Поэтому в процессе транскрипции и трансляции первыми синтезируемыми белками являются вирусоспецифические полимеразы.
Механизм репликации РНК-геномных вирусов различен. У вирусов, содержащих однонитчатую молекулу РНК при участии вирусных ферментов синтезируется временная двунитчатая РНК (репликативная форма): у вирусов с негативным геномом достраивается +нить, у вирусов с позитивным геномом достраивается –нить. Затем происходит разъединение репликативной РНК на две нити, на каждой из которых синтезируются новые двунитчатые репликативные молекулы РНК, и процесс повторяется до образования достаточного числа копий молекул РНК. Данный процесс происходит параллельно с синтезом белков вируса до момента выхода из пораженной клетки новой генерации вирусов.
У РНК-геномных вирусов, содержащих двунитчатую РНК молекула нуклеиновой кислоты представлена отдельными фрагментами, каждый из которых кодирует отдельную молекулу и-РНК. В конце цикла трансляции все молекулы и-РНК временно объединяются и при участии репликазы синтезируется двунитчатая РНК.
СБОРКА ВИРИОНА . Поздние гены всех вирусов кодируют структурные белки капсида. Сначала формируются прокапсиды, то есть незрелые капсиды без нуклеиновой кислоты. Затем внутрь прокапсидов встраивается нуклеиновая кислота вируса, и таким образом формируется зрелый вирион. У мелких РНК- геномных вирусов синтез РНК, белка и их объединение идут одновременно. У поксвирусов процесс сборки вириона более сложный. У них в состав вируса включаются клеточные компоненты – отдельные участки цитоплазматической мембраны.
У вирусов имеется раздельный (дизъюнктивный) синтез белка и нуклеиновой кислоты.
ВЫХОД ВИРУСА ИЗ КЛЕТКИ . Простоорганизованные вирусы выходят из клетки путем простого лизиса клетки-хозяина. У сложноорганизованных вирусов образование суперкапсида происходит в момент выхода из клетки. В этом случае нуклеокапсид встраивается в цитоплазматическую мембрану. Затем путем почкования формируется суперкапсид вируса, который покрывает капсид в момент отрыва от поверхности клетки.
Инфицирование клетки вирусом может привести к развитию патологических изменений клетки. Репродуцируясь в клетке, вирус обусловливают появление ЦПД и ЦПЭ. Это специфическая морфологическая деструкция (ЦПД) или функциональная патология без разрушения (ЦПЭ).
Вирусы, которые вызывают появление ЦПД, называются цитопатическими.
Литическая (цитоцидная) инфекция – это такой тип инфекции, при которой наблюдают морфологические изменения в зараженной клетке с последующей ее деструкцией и гибелью. Для вируса при цитоцидной инфекции характерна высокая продукция.
Известно несколько механизмов повреждения клеток вирусами:
1. Многие вирусы ингибируют синтез клеточных ДНК, РНК и белка. Отдельные цитоцидные вирусы (пикорнавирусы, герпесвирусы, аденовирусы) исключительно активны в этом отношении. Однако. Механизм ингибиции клеточного метаболизма до сих пор не выяснен.
2. В процессе внутриклеточной репродукции может происходить разрушение лизосом на этапе выхода вируса из них в цитоплазму клетки. Это приводит к высвобождению гидролитических ферментов с последующей деструкцией клеток.
3. Инфицирование клетки вирусами может привести к значительному нарушению структуры цитоплазматической мембраны вследствие встраивания в нее вирусоспецифических белков. Это приводит к атаке инфицированной клетки со стороны иммунной системы организма. При многих инфекция, вызванных герпесвирусами происходит слияние 50-100 клеток в одну гигантскую, атакуемую иммунной системой организма.
4. Высокие концентрации вирусных белков, что наблюдается при гриппе и других инфекциях, имеют ярко выраженный токсический эффект на клетку.
5. При многих вирусных инфекциях образуются внутриклеточные включения, что является следствием сосредоточения вирусных частиц или их белков внутри ядра или цитоплазмы. Часто внутриклеточные включения непосредственно вызывают гибель клетки.
6. Герпесвирусы, а также некоторые другие вызывают нарушения в геноме клетки, в результате чего наступает ее гибель.
Чаще всего в механизме развития ЦПД участвуют несколько из вышеперечисленных факторов.
Реакция вирусов на инфекцию может быть четырех типов:
1. Повреждение клетки и ее гибель (образование ЦПД). Клетки набухают, приобретают неправильную форму, появляется зернистость. Впоследствии, она укрупняется, образуются внутриклеточные включения. Может происходить повреждение оболочки или слияние клеток с образованием симпластов.
2. Синтез белков-интерферонов, препятствующих инфицированию здоровых клеток вирусом.
3. Размножение вируса без видимых патологических изменений в клетке, что наблюдают при латентных инфекциях. Для ее возникновения необходим вирулентный вирус и нечувствительная клетка.
4. При попадании вируса в клетку наблюдается пролиферация клетки. Для ее возникновения необходим онкогенный вирус, при этом геном вируса встраивается (интегрирует) в клеточный геном.
Типы взаимодействия вируса с клеткой. Фазы репродукции вирусов.
Различают три типа взаимодействия вируса с клеткой :
Продуктивный тип - завершается образованием нового поколения вирионов и гибелью (лизисом) зараженных клеток (цитолитическая форма). Некоторые вирусы выходят из клеток, не разрушая их (нецитолитическая форма).
Абортивный тип - не завершается образованием новых вирионов, поскольку инфекционный процесс в клетке прерывается на одном из этапов.
Интегративный тип, или вирогения - характеризуется встраиванием (интеграцией) вирусной ДНК в виде провируса в хромосому клетки и их совместным сосуществованием (совместная репликация).
Репродукция вирусов:
1.адсорбция вируса на клетке- прикрепления вирусов к поверхности клетки. Вирус адсорбируется на определенных участках клеточной мембраны - так называемых рецепторах.;
2. проникновение вируса в клетку -два способа: виропексис и слияние вирусной оболочки с клеточной мембраной. При виропексисе после адсорбции вирусов происходят инвагинация (впячивание) участка клеточной мембраны и образование внутриклеточной вакуоли, которая содержит вирусную частицу. Вакуоль с вирусом может транспортироваться в любом направлении в разные участки цитоплазмы или ядро клетки. Процесс слияния осуществляется одним из поверхностных вирусных белков капсидной или суперкапсидной оболочки;
3.«раздевание» вируса - удалении защитных вирусных оболочек и освобождении внутреннего компонента вируса, способного вызвать инфекционный процесс. Конечными продуктами «раздевания» являются сердцевина, нуклеокапсид или нуклеиновая кислота вируса.;
3.биосинтез вирусных компонентов в клетке - Проникшая в клетку вирусная нуклеиновая кислота несет генетическую информацию, которая успешно конкурирует с генетической информацией клетки. Она дезорганизует работу клеточных систем, подавляет собственный метаболизм клетки и заставляет ее синтезировать новые вирусные белки и нуклеиновые кислоты, идущие на построение вирусного потомства.
Реализация генетической информации вируса осуществляется в соответствии с процессами транскрипции, трансляции и репликации;
4. формирование вирусов - Существуют следующие общие принципы сборки вирусов, имеющих разную структуру:
1. Формирование вирусов является многоступенчатым процессом с образованием промежуточных форм;
2. Сборка просто устроенных вирусов заключается во взаимодействии молекул вирусных нуклеиновых кислот с капсидными белками и образовании нуклеокапсидов (например, вирусы полиомиелита). У сложно устроенных вирусов сначала формируются нуклеокапсиды, с которыми взаимодействуют белки суперкапсидных оболочек (например, вирусы гриппа);
3. Формирование вирусов происходит не во внутриклеточной жидкости, а на ядерных или цитоплазматических мембранах клетки;
4. Сложно организованные вирусы в процессе формирования включают в свой состав компоненты клетки-хозяина (липиды, углеводы);
5. выход вирусов из клетки- Первый тип - взрывной - характеризуется одновременным выходом большого количества вирусов. При этом клетка быстро погибает. Такой способ выхода характерен для вирусов, не имеющих суперкапсидной оболочки. Второй тип - почкование. Он присущ вирусам, имеющим суперкапсидную оболочку. На заключительном этапе сборки нуклеокапсиды сложно устроенных вирусов фиксируются на клеточной плазматической мембране, модифицированной вирусными белками, и постепенно выпячивают ее. В результате выпячивания образуется «почка», содержащая нуклеокапсид. Затем «почка» отделяется от клетки. Таким образом, внешняя оболочка этих вирусов формируется в процессе их выхода из клетки.
Жизнедеятельность бактерий характеризуется ростом - формированием структурно-функциональных компонентов клетки и увеличением самой бактериальной клетки, а также размножением - самовоспроизведением, приводящим к увеличению количества бактериальных клеток в популяции.
Бактерии размножаются путем бинарного деления пополам, реже путем почкования. Актиномицеты, как и грибы, могут размножаться спорами. Актиномицеты, являясь ветвящимися бактериями, размножаются путем фрагментации нитевидных клеток. Грамположительные бактерии делятся путем врастания синтезирующихся перегородок деления внутрь клетки, а грамотрицательные - путем перетяжки, в результате образования гантелевид-ных фигур, из которых образуются две одинаковые клетки.
Делению клеток предшествует репликация бактериальной хромосомы по полуконсервативному типу (двуспиральная цепь ДНК раскрывается и каждая нить достраивается комплементарной нитью), приводящая к удвоению молекул ДНК бактериального ядра - нуклеоида.
Репликация ДНК происходит в три этапа: инициация, элонгация, или рост цепи, и терминация.
Размножение бактерий в жидкой питательной среде. Бактерии, засеянные в определенный, не изменяющийся объем питательной среды, размножаясь, потребляют питательные элементы, что приводит в дальнейшем к истощению питательной среды и прекращению роста бактерий. Культивирование бактерий в такой системе называют периодическим культивированием, а культуру - периодической. Если же условия культивирования поддерживаются путем непрерывной подачи свежей питательной среды и оттока такого же объема культуральной жидкости, то такое культивирование называется непрерывным, а культура - непрерывной.
При выращивании бактерий на жидкой питательной среде наблюдается придонный, диффузный или поверхностный (в виде пленки) рост культуры. Рост периодической культуры бактерий, выращиваемых на жидкой питательной среде, подразделяют на несколько фаз, или периодов :
1. лаг-фаза;
2. фаза логарифмического роста;
3. фаза стационарного роста, или максимальной концентрации
бактерий;
4. фаза гибели бактерий.
Лаг-фаза - период между посевом бактерий и началом размножения. Продолжительность лаг-фазы в среднем 4-5 ч. Бактерии при этом увеличиваются в размерах и готовятся к делению; нарастает количество нуклеиновых кислот, белка и других компонентов.
Фаза логарифмического (экспоненциального) роста является периодом интенсивного деления бактерий. Продолжительность ее около 5- 6 ч. При оптимальных условиях роста бактерии могут делиться каждые 20-40 мин. Во время этой фазы бактерии наиболее ранимы, что объясняется высокой чувствительностью компонентов метаболизма интенсивно растущей клетки к ингибиторам синтеза белка, нуклеиновых кислот и др.
Затем наступает фаза стационарного роста , при которой количество жизнеспособных клеток остается без изменений, составляя максимальный уровень (М-концентрация). Ее продолжительность выражается в часах и колеблется в зависимости от вида бактерий, их особенностей и культивирования.
Завершает процесс роста бактерий фаза гибели , характеризующаяся отмиранием бактерий в условиях истощения источников питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма бактерий. Продолжительность ее колеблется от 10 ч до нескольких недель. Интенсивность роста и размножения бактерий зависит от многих факторов, в том числе оптимального состава питательной среды, окислительно-восстановительного потенциала, рН, температуры и др.
Размножение бактерий на плотной питательной среде. Бактерии, растущие на плотных питательных средах, образуют изолированные колонии округлой формы с ровными или неровными краями (S- и R-формы), различной консистенции и цвета, зависящего от пигмента бактерий.
Пигменты, растворимые в воде, диффундируют в питательную среду и окрашивают её. Другая группа пигментов нерастворима в воде, но растворима в органических растворителях. И, наконец, существуют пигменты, не растворимые ни в воде, ни в органических соединениях.
Наиболее распространены среди микроорганизмов такие пигменты, как каротины, ксантофиллы и меланины. Меланины являются нерастворимыми пигментами черного, коричневого или красного цвета, синтезирующимися из фенольных соединений. Меланины наряду с каталазой, супероксидцисмутазой и пероксидазами защищают микроорганизмы от воздействия токсичных перекисных радикалов кислорода. Многие пигменты обладают антимикробным, антибиотикоподобным действием.
Таксономия, классификация
ПАРАМИКСОВИРУСЫ
Парамиксовирусы (семейство Paramyxoviridae от лат. para - около, myxa - слизь ) - семейство РНК-содержащих вирусов. Семейство содержит респираторно-синтициальный вирус, вирусы кори, паротита, парагриппа, передающиеся респираторным механизмом. В семейство Paramyxoviridae в соответствии с общепринятой классификацией вирусов до последнего времени входили три рода: Paramyxovirus, Morbillivirus, Pneumovirus. Но недавно в классификацию внесены изменения.
Семейство Paramyxoviridae разделено на два подсемейства, увеличено количество родов:
1. Подсемейство Paramyxovirinae включает роды Respirovirus (прежнее название - Paramyxovirus), Morbillivirus и Rubulavirus (новый род);
2. Подсемейство Pneumovirinae содержит роды Pneumovirus и Metapneumovirus.
2. Морфология, размеры, особенности генома
Строение вириона. Все представители семейства Paramyxoviridae имеют сходное строение. Это сложный РНК-геномный вирус крупных размеров. Типовым представителем является вирус Сендай (он патогенен для мышей), и ультраструктура парамиксовирусов рассматривается на этом примере (рис.5). Вирион имеет округлую форму, его диаметр 150-300 нм. Снаружи находится липопротеиновый суперкапсид с множеством шипиков двух типов на поверхности (рис.4). Изнутри к суперкапсиду прилегает слой матриксного М-белка. В центральной части вириона находится тяж нуклеокапсида (РНП) со спиральным типом симметрии, свернутый в рыхлый клубок.
Рис. 4 Схема парамиксовируса Рис. 5 Электоронограмма вируса Сендай
Геном представлен крупной молекулой линейной однонитчатой минус-РНК, кодирующей 7 белков. Среди них основной капсидный белок NP, белки полимеразного комплекса L и Р, неструктурный С белок (все они входят в состав нуклеокапсида), а также М-белок и поверхностные гликопротеины. Это прикрепительные белки и белок слияния (F-белок). Прикрепительные белки образуют шипики одного типа, а F-белок - шипики другого типа. У разных парамиксовирусов прикрепительные белки представлены: HN (гемагглютинин-нейраминидаза), Н (гемагглютинин) или G-белком.
Парагрипп. По антигенам вирусных белков HN, NP, F различают 4 основных серотипа вирусов парагриппа. Типы 1, 2, 3 перекрестно реагируют с антителами к вирусу паротита. Вирус 4 типа отличается и имеет 2 подтипа (таким образом, предпологается наличие 5 типов вирусов парагриппа). Все вирусы парагриппа имеют HN - белок и поэтому проявляют гемагглютинирующую и нейраминидазную активность. Вирус парагриппа 1, 2 типа агглютинирует эритроциты кур, вирус парагриппа 3 агглютинирует только эритроциты морских свинок.
Парамиксовирус (рис. 5) связывается гликопротеинами (HN, H, или G) оболочки с поверхностью клетки (1). F-белок обеспечивает слияние оболочки вируса с плазматической мембраной клетки, без образования эндосом. Репликация генома сходна с репликацией минус РНК-геномных вирусов: РНК-полимераза вносится в клетку с нуклеокапсидом вируса. Геном транскрибируется в отдельные иРНК (2) для каждого белка и полноценную плюс-матрицу (3) для геномной РНК. Новые геномы взаимодействуют с L-, P- и NP-белками, образуя нуклеокапсиды. Синтезированный матриксный белок перемещается к внутреннему слою мембраны клетки. Предшественники гликопротеиновых шипов оболочки синтезируются на рибосомах, связанных с мембранами эндоплазматического ретикулума (ЭР). Они гликозилируются, перемещаясь через ЭР и аппарат Гольджи (АГ), встраиваясь в мембрану клетки. Нуклеокапсид связывается с матриксным белком и гликопротеинмодифицированной мембраной (суперкапсидом). Вирионы выходят из клетки (4)почкованием.
Рис. 5 Репродукция парамиксовирусов
Парамиксовирусы обладают способностью с помощью F-белка переходить в соседние клетки, вызывая их слияние. При этом образуются многоядерные гигантские клетки - синцитии (симпласты). Такой механизм позволяет вирусам распространяться непосредственно из клетки в клетку, избегая действия вируснейтрализующих антител. Способность к симпластооброзаванию - характерный признак парамиксовирусов.
Для вирусов характерен дизъюнктивный (от disjuncus - разобщенный) способ репродукции-размножения. Потомство вируса возникает в результате сборки нуклеиновых кислот и белковых субъединиц, которые синтезируются раздельно клеткой хозяина.
Проникновение вируса в клетку и воспроизведение себе подобных проходит в несколько фаз:
1.проникновение в клетку хозяина,
2.синтез ферментов, необходимых для репликации вирусных нуклеиновых кислот,
3.синтез вирусных частей,
4.сборка и композиция зрелых вирионов,
5.выход зрелых вирионов из клетки.
Стадии репродукции вирусов.
1 - адсорбция вириона на клетке; 2 - проникновение вириона в клетку путем виропексиса;
3 - вирус внутри вакуоли клетки; 4 - `раздевание вириона вируса; 5 - репликация вирусной нуклеиновой кислоты; 6 - синтез вирусных белков на рибосомах клетки; 7 - формирование вириона; 8 - выход вириона из клетки путем почкования.
Фаза I - адсорбция вириона на поверхности клетки .
Протекает в две стадии: первая - неспецифическая , когда вирус удерживается на поверхности клетки при помощи электростатических сил, т. е. благодаря возникновению противоположных зарядов между отдельными участками мембраны клеток и вируса. Эта фаза взаимодействия вируса с клеткой обратима, на нее оказывают влияние такие факторы, как рН и солевой состав среды.
Вторая стадия - специфическая , когда взаимодействуют специфические рецепторы вируса и рецепторы клетки, комплементарные друг другу. По химической природе рецепторы клетки могут быть мукопротеидами (или мукополисахаридами) и липопротеидами. Разные вирусы фиксируются на разных рецепторах: вирусы гриппа, парагриппа, аденовирусы - на мукопротеидах, а вирусы клещевого энцефалита, полиомиелита - на липопротеидах.
Фаза II - проникновение вируса в клетку. Электроноскопические наблюдения за процессом проникновения вирусов в чувствительные к ним клетки показали, что оно осуществляется посредством механизма, напоминающего пиноцитоз, или, как чаще называют, виропексис. В месте адсорбции вируса клеточная стенка втягивается внутрь клетки, образуется вакуоль, в которой оказывается вирион. Параллельно клеточные ферменты (липазы и протеазы) вызывают депротеинизацию вириона - растворение белковой оболочки и освобождение нуклеиновой кислоты.
Фаза III - скрытый период (период эклипса - исчезновения). В этот период в клетке невозможно определить наличие инфекционного вируса ни химическими, ни электронно-микроскопическими, ни серологическими методами. О сущности этого явления и его механизмов пока известно мало. Предполагается, что в скрытой фазе нуклеиновая кислота вируса проникает в хромосомы клетки и вступает с ними в сложные генетические взаимоотношения.
Фаза IV - синтез компонентов вириона . В этой фазе вирус и клетка представляют единое целое, вирусная нуклеиновая кислота выполняет генетическую функцию, индуцирует образование ранних белков и изменяет функцию рибосом. Ранние белки подразделяются на:
а) белки-ингибиторы (репрессоры), подавляющие метаболизм клеток
б) белки-ферменты (полимеразы), обеспечивающие синтез вирусных нуклеиновых кислот.
Синтез нуклеиновых кислот и белков протекает неодновременно и в разных структурных частях клетки. У вирусов, содержащих ДНК или РНК, эти процессы имеют некоторые различия и особенности.
Фаза V - формирование зрелых вирионов . Процесс «сборки» вируса осуществляется в результате соединения компонентов вирусной частицы. У сложных вирусов в этом процессе принимают участие клеточные структуры и происходит включение в вирусную частицу липидпых, углеводных, белковых компонентов клетки хозяина.
Процесс формирования вирионов начинается спустя определенное время после того, как начал осуществляться синтез составляющих их компонентов. Продолжительность этого периода довольно вариабельна и предопределяется природой вируса - для РНК-содержащих обычно короче, чем для ДНК-вирусов. Например, продукция полных вирусных частиц осповакцины начинается приблизительно спустя 5-6 ч после инфицирования клеток и продолжается в течение последующих 7-8 ч, т. е. после того как синтез вирусной ДНК уже завершен.
Между нуклеиновой кислотой и соответствующим белковыми субъединицами образуются очень прочные связи, о чем свидетельствуют трудности отделения белка от вирусной нуклеиновой кислоты. Большую прочность вирусной частице придают входящие в ее состав углеводы и особенно липиды.
Формирование вирионов, так же как и синтез компонентов вируса, происходит в разных местах клетки, при участии различных клеточных структур. После завершения процесса формирования образуется зрелая дочерняя вирусная частица, обладающая всеми свойствами родительского вириона. Но иногда наблюдается образование так называемых неполных вирусов , которые состоят или только из нуклеиновой кислоты, или из белка, или из вирусных частиц, формирование которых остановилось в какой-то промежуточной стадии.
Фаза VI - выход зрелых вирионов из клетки . Существуют два основных механизма выхода зрелых вирионов из клетки:
1) выход вириона с помощью почкования. В этом случае наружная оболочка вириона происходит из клеточной мембраны, она содержит как материал клетки хозяина, так и вирусный материал;
2) выход зрелых вирионов из клетки через бреши в мембране. Эти вирусы не имеют наружной оболочки. При таком механизме выхода вирусов клетка, как правило, погибает и в среде появляется большое количество вирусных частиц.
Причиной гибели зараженной клетки могут быть три механизма:
1.работа вируса, «истощающая» клетку;
2.защитная реакция клетки, запускающая генетическую программу ее гибели (апоптоз);
3. иммунная система организма, уничтожающая зараженную клетку.
Кроме продуктивного типа взаимодействия вируса и клетки возможно интегративное сосуществование или вирогения. Вирогения характеризуется интеграцией (встраиванием) нуклеиновой кислоты вируса в геном клетки, а также репликацией и функционированием вирусного генома как составной части генома клетки. Для интеграции с клеточным геномом необходимо возникновение кольцевой формы двунитевой ДНК вируса. Встроенная в состав хромосомы клетки вирусная ДНК называется провирусом. Провирус реплицируется в составе хромосомы и переходит в геном дочерних клеток, т.е. состояние вирогении наследуется. Под влиянием некоторых физических или химических факторов провирус может переходить в автономное состояние с развитием продуктивного типа взаимодействия с клеткой. Дополнительная генетическая информация провируса при вирогении сообщает клетке новые свойства, что может быть причиной развития опухолей, аутоиммунных и хронических заболеваний. На способности вирусов к интеграции с геномом клетки основаны персистенция (от лат. persisto - постоянно пребывать, оставаться) вирусов в организме и развитие персистентных вирусных инфекций. Например, вирус гепатита В способен вызывать персистирующие поражения с развитием хронического гепатита и часто опухолей печени.
