Сходство и различие продуктов метаболизма микроорганизмов I и IV группы патогенности

2.2 Гинетические процессы  микроорганизмов

Ранее было рассмотрено  строение генетического аппарата бактерий, состоящего из нуклеоида - прототипа  ядра эукариотических клеток - и  внехромосомных факторов наследственности - плазмид.  
Как и все живые организмы на Земле, микробы обладают свойствами изменчивости и наследственности.  
Микроорганизмы чрезвычайно изменчивые. Они способны в течение определенного времени изменять форму клетки, приобретать устойчивость к антибиотикам, менять течение биохимических реакций и др. признаков.  
При изучении явления изменчивости микроорганизмов выдвигалось множество теорий по этому поводу. Одна из них называется полиморфизмом. К. Негели, Х. Блюхер и Гольер в середине XIX в. считали, что существует один или несколько типов микроорганизмов, которые могут обратимо превращаться друг в друга, т. е. шаровидные формы могут при определенных условиях приобретать иную форму или становиться палочками. При этом один и тот же микроб может вызывать скисание молока, гниение органических останков, а также быть причиной тифа, чумы, сибирской язвы и других инфекционных заболеваний.  
В противоположность полиморфистам Ф. Кон и Р. Кох считали, что определенные виды микроорганизмов обладают постоянными морфологическими признаками. Такие предположения основывались на результатах разработанных Р. Кохом микробиологических методов исследования (окраска микробов, выделение чистой культуры бактерий, выращивание на твердых питательных средах). Учение о постоянстве признаков микробов дало толчок к дальнейшему развитию микробиологии.  
Однако мономорфисты полностью отрицали способность микробов изменить свои свойства. А это далеко не так. В настоящее время известно, что изменение признаков может быть фенотипическим (т. е. изменение затрагивает только внешние признаки) и генотипическим (т. е. изменение на уровне ДНК).  
Передача наследственной информации у микроорганизмов может осуществляться тремя способами: трансформацией, трансдукцией и конъюгацией.  
С открытием и изучением явления трансформации связано зарождение таких наук, как молекулярная генетика и генетика микроорганизмов. В 1928 г. английский микробиолог Ф. Гриффитс наблюдал изменение свойств одного штамма пневмококка под воздействием убитых нагреванием клеток другого штамма этой бактерии. Это явление он назвал трансформацией. Позже, в 1944 г., О. Эвера, Мак-Леод, Мак-Карти установили механизм трансформации и показали роль ДНК в этом явлении.  
Трансформация - это многоступенчатый процесс. В его начале происходит адсорбция фрагмента ДНК на бактериальной оболочке. Затем молекулы ДНК проникают внутрь клетки и встраиваются в структуру хромосомы бактерии. Путем трансформации переносится, как правило, один признак. Трансформация может осуществляться между бактериями одного вида, тогда ее называют гомотрасформацией, а также между разными видами (гетеротрансформация).  
В 1952 г. Н. Циндер и Д. Ледерберг при культивировании штамма сальмонелл (S. typhimurium), лишенных способности разлагать мальтозу и арабинозу (простые сахара), добавили к этим микробам разрушенные вирусом (бактериофагоны) бактерии другого штамма этого же вида, обладавшие такими же способностями. В результате этого бактерии S. tuphimurium приобрели способность к расщеплению указанных веществ. Последующие исследования показали, что причиной изменения свойств сальмонелл явился бактериофаг. Он обладает способностью «переносить» определенный участок хромосомы от одной бактерии к другой. Трансдукция осуществляется в несколько этапов: разделение хромосомы бактерии-донора; внедрение определенного участка бактериальной хромосомы в генетический аппарат бактериофага; перенос посредством вируса генетической информации от бактерии-донора к бактерии-реципиенту; включение нового участка ДНК в хромосому бактерии-реципиента.  
В 1946 г. Д. Ледерберг и Э. Тейтем открыли половой процесс у кишечной палочки. Оказывается, определенные бактерии могут выполнять роль мужской особи, а другие - женской. Сам половой процесс у бактерий принято называть конъюгацией, женскую особь обозначают F-, мужскую - F+: буква F - фактор фертильности.  
Процесс конъюгации включает несколько этапов: момент встречи бактерий; образование цитоплазматического мостика между двумя клетками и спаривание и встраивание полученной таким образом определенной части ДНК в генетический аппарат бактерии-реципиента.  
Итак, бактерии обладают способностью изменять свои свойства, а также передавать приобретенные свойства по наследству. Пластичность генетической информации, присущая микроорганизмам, обеспечивает им высокую степень приспособленности к условиям окружающей среды. Это способствовало сохранению бактерий как в процессе эволюционного развития, так и в процессе жизни отдельных клеток.  
Одним из неотъемлемых свойств живой материи является обмен веществ между клеткой и внешней средой. В процессе жизни происходит постоянное поступление различных питательных веществ в организм и выделение других соединений в окружающую среду. Не являются исключением и микроорганизмы.  
У микробов обмен веществ принято называть метаболизмом. Понятие «метаболизм» объединяет все реакции жизнеобеспечения, протекающие в микробной клетке и катализируемые ферментами.  
Условно метаболизм можно разделить на два неразрывно связанных процесса: анаболизм и катаболизм.  
Анаболизм - это конструктивный обмен, т. е. направленный на строительство структурных и функциональных компонентов клетки. Анаболизм протекает с поглощением энергии.  
Катаболизм - это энергетический обмен, направленный на получение энергии, которая затем расходуется на нужды клетки: рост, размножение, образование спор и капсул, движение и т. д.

2.3 Питание микроорганизмов

Питание - одна из важнейших функций бактериальной  клетки, т. к. она определяет поступление  питательных элементов, необходимых  для обновления цитоплазмы, увеличения биомассы отдельных клеток и размножения, а также получения энергии для биохимических превращений.  
Питание микробов отличается от аналогичных процессов у высших организмов. У бактерий отсутствуют органы или специальные структурные образования для принятия «пищи», поэтому поступление питательных веществ осуществляется через всю поверхность микробной клетки. Процессы усвоения питательных элементов осуществляются исключительно быстро. Благодаря наличию большого количества ферментов микробная клетка может использовать для питания самые разнообразные вещества (останки растений и животных, углеводородные соединения, минеральные вещества). Этим объясняется высокая способность микроорганизмов приспосабливаться к постоянно меняющимся условиям окружающей среды. Если точно перевести термин «фермент», то легко можно увидеть его отношение к микробам: от латинского fermenta tum - дрожжи (Стент Г., 1974) или синоним «энзим» от греческого en zyme - в дрожжах (Реннеберг Р., Реннеберг И., 1991).  
По способу питания бактерии делят на автотрофы и гетеротрофы.  
Автотрофные микроорганизмы (греч. autos - сам, trophe - пища) способны ассимилировать двуокись углерода (CO2) из воздуха и превращать ее в сложные органические соединения. Таким образом аутотрофы строят свое «тело» из неорганических соединений. Каскад биохимических реакций, конечным продуктом которых являются белки и др. органические вещества, необходимые для жизнедеятельности бактериальной клетки, требуют значительных затрат энергии. По способу получения энергии автотрофы подразделяются на фотоавтотрофы и хемоавтотрофы.  
Фотоавтотрофные бактерии поглощают энергию солнечных лучей и используют ее при синтезе органических веществ из двуокиси углерода (СО₂). Важным компонентом цитоплазмы таких микробов являются пигменты (красящие вещества): бактериопурпурин, бактериохлорин. Структура пигментов бактерий близка к структуре хлорофилла зеленых растений. Основная функция пигментов - поглощение и аккумуляция энергии солнечного света.  
В группу фотоавтотрофов входят цианобактерии, пурпурные и зеленые серные бактерии.  
Явление хемосинтеза у бактерий открыто в 1888 г. выдающимся русским микробиологом С. Н. Виноградским (1856-1953), показавшим, что в клетках нитрофицирующих бактерий одновременно могут протекать процессы окисления аммиака в азотную кислоту и двуокиси углерода - в различные органические соединения. Такие микроорганизмы стали называть хемоавтотрофами, т. е. получающими энергию только в присутствии неорганических соединений. При этом определенные виды бактерий способны окислять конкретные минеральные вещества. Единственным источником углерода для хемоавтотрофов служит двуокись углерода. К группе хемоаутотрофов относятся бесцветные серные бактерии, нитрифицирующие бактерии, железобактерии и др.  
Все автотрофные микроорганизмы являются свободно живущими формами и не патогенны для животных и человека, т. к. не нуждаются в готовых органических соединениях. Однако среди автотрофов обнаружены микроорганизмы, которые усваивают двуокись углерода из воздуха и из органических соединений. Такие бактерии получили название «миксотрофы» (от лат. mix - смесь, т. е. смешанный тип питания).  
Гетеротрофы - это обширная группа микроорганизмов, источником углерода для которых являются готовые органические соединения.  
Наилучшим источником углерода для гетеротрофных бактерий являются сахара, спирты, карболовые кислоты, молочная, лимонная и уксусная кислоты, а также жиры, воск, клетчатка и крахмал.  
Гетеротрофами являются возбудители брожения (спиртового, противокислого, молочно-кислого и масляно-кислого), гнилостные и болезнетворные микроорганизмы.  
Важное значение в жизнедеятельности микробов играют стимуляторы роста. В 1901 г. обнаружили в дрожжах особое вещество, которое он назвал «биос». Позже было установлено, что биос - это целая группа веществ, схожих по своему строению с витаминами, а иногда и собственно витамины. Основная функция факторов роста заключается в ускорении биохимических реакций, протекающих в клетке. К факторам роста следует отнести биотин, холин, тиамин, никотиновую кислоту, пиридоксин, пантотеновую кислоту и др.  
Поступление питательных веществ в бактериальную клетку осуществляется несколькими способами. Наиболее простой из них - это пассивная диффузия, которая происходит из-за разности концентраций веществ, находящихся в цитоплазме, и веществ, содержащихся в окружающей среде. Затрат энергии на такой способ не требуется. Основное вещество, которое поступает в клетку таким образом, - это вода.  
Следующий способ называется облегченной диффузией. Главную роль в данном процессе играет особый класс ферментов - пермеазы (от англ. permeable - переносчик).  
Пермеаз способен временно образовывать химическую связь с транспортируемыми веществами и «перетаскивать» его с наружной поверхности клетки внутрь. Таким образом переносится огромное количество веществ, на что затрачивается определенная энергия.  
Другой способ транспорта химических соединений в клетку - обменная адсорбция. Механизм обменной диффузии заключается в разности электрического заряда поверхности клеточной стенки и вещества.  
Знание механизмов и основных законов питания бактерий требуется для культивирования необходимых для человека микроорганизмов.  
На заре развития микробиологии микроорганизмы выращивали на естественных питательных средах: на молоке, пивном сусле, сенном отваре, морковном соке, сахарном сиропе и др. В настоящее время широкое применение нашли искусственные питательные среды. Основу большинства из них составляет сложный полисахарид агар-агар, добываемый из морских водорослей. Классификация питательных сред обширна. Наиболее часто определяют агрегатное состояние среды, т. е. жидкая она, полужидкая или твердая, и т. д. Жидкие питательные среды обычно называют бульонами, твердые - агарами, например мясо-пептонный агар.  
Твердые питательные среды в микробиологическую практику ввел Роберт Кох, о котором мы упоминали раньше. На таких средах было легче обнаружить признаки размножения бактерий - образование так называемых колоний, т. е. скоплений микроорганизмов, изучать различные свойства микробов. Ассистент Коха Юлиус Рихард Петри в 1887 г. специально для использования твердых питательных сред сконструировал плоские стеклянные чашки с крышками. Впоследствии они получили название чашки Петри, они применяются микробиологами во всем мире.  
Весь мир знает Роберта Коха как одного из основателей медицинской микробиологии. В числе его заслуг открытие возбудителей туберкулеза в 1882 г. и холеры в 1889 г. Именно в «погоне» за микробом туберкулеза Р. Кох разработал методы окраски бактерий анилиновыми красителями. До этого в микроскоп рассматривали нативные неокрашенные препараты микробов. Р. Кох разработал также методику доказательств того, что причиной инфекционной болезни является тот или иной микроб.  

2.5 Микроорганизмы I и  IV групп патогенности

Все микроорганизмы вызывающие нежилательные эффекты  в зависемости от их патогенности делят та 4 гуппы. В I относят самые патогенные микроорганизмы , обладающие крайне тяжеломи эфеками заболевания, вызывающие частый литальный исход. Такие как Чума, натуральная оспа и т.д..

К 4 группе относят  менее патогенные микроорганизмы, каторые  не вызывают литального исхода.

Патогенность  — полидетерминантная, генотипическая характеристика определенного организма, ответственная за создание специфических  структур(напр. капсула, экзотоксины) или  отвечающая за поведение, нарушающее целостность  тканей организма животных или человека. Патогенность характеризуется специфичностью, то есть способностью вызывать типичные для определенного возбудителя патофизиологические и морфологические изменения в определенных тканях и органах, при условии естественного для него способа заражения.[1] Чаще всего соответствуют определенному типу инфекционного заболевания с соответствующей клиникой и патоморфологией.

 Условно-патогенные организмы — это естественные обитатели различных биотопов организма человека, вызывающие заболевания при резком снижении общего или местного иммунитета.

Вирулентность — количественная мера патогенности, измеряемая чаще всего в специальных  единицах LD50 — минимальная смертельная  доза, равная наименьшему количеству патогена, который при определенном способе заражения вызывает гибель 50 % зараженных животных. Вирулентность также связана с токсигенностью — способностью организма патогена синтезировать токсин, негативно влияющий на функции восприимчивого организма. Различают эндо- и экзотоксины. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 3 Вирусы. Общие понятия  и механизм взаимодействия с клеткой

1. Общие сведенья о вирусах

По внешнему виду вирусы делят на сферические, или  шарообразные, кубические, палочковидные, или нитевидные, и сперматоподобные.  
При некоторых вирусных инфекциях (бешенство, оспа и др.) II цитоплазме или ядре пораженной вирусом клетки образуются Особые, специфические для каждой инфекции внутриклеточные включения, значительно превосходящие по величине вирус и видимые в световой микроскоп. Это колонии вирусов. Обнаружение их в клетке имеет большое значение при диагностике бешенства, оспы и других инфекций. Отдельные виды вирусов, преимущественно вирусы растений, образуют в клетках кристаллические образования (кристаллы Ивановского). Их можно растворить, и из раствора выделяется вирус в аморфном, не кристаллическом состоянии, обладающий инфекционными свойствами. В каждом кристалле содержится до 1 млн. вирионов. Из зоопатогенных вирусов в кристаллическом виде пока получен вирус полиомиелита. Размеры вирусов колеблются в широких пределах. Мельчайшие из них (вирусы полиомиелита, ящура, энцефалитов) имеют в диаметре около 20—30 mix (миллимикрон) и приближаются по величине к белковым молекулам, а крупные вирусы (вирусы оспы, герпеса, плевропневмонии) по размерам близки к мельчайшим бактериям. Размер вирусов определяют ультрафильтрацией, ультрацентрифугированием и электроноскопией.  
Из имеющихся в наличии вирусов 4/5, включенных в 17 семейств (t ДНК-содержащие и 11-РНК-содержащие вирусы) приспособились к паразитированию на позвоночных, три семейства паразиты беспозвоночных, одно семейство представлено вирусами растений. На сегодняшний день вирусы обнаружены у 73 видов грибов и у более 100 видов бактерий. Они являются основными возбудителями инфекционных заболеваний животных.

2. Типы взаимодействия вируса с клеткой

Имеются два  основных типа взаимодействия вируса и клетки. При первом типе вирусный геном функционирует в зараженной клетке более или менее автономно. Репродукция его происходит независимо от репродукции клеточного генома. Вирусы, автономно размножающиеся в клетке, относятся к группе вирулентных. При таком характере взаимодействия вируса и клетки образуется новое поколение вирионов. В этом случае говорят о продуктивном взаимодействии. Когда же цикл репродукции прерывается на какой-либо промежуточной стадии и инфекционного вирусного потомства не образуется, такое взаимодействие вируса и клетки называют абортивным. В тех случаях, когда симбиоз клеточного и вирусного геномов оказывается кратковременным и после образования нового поколения вирусных частиц зараженная клетка (клетка-хозяин) гибнет, такую реакцию на вирусную инфекцию называют литической. Явление, когда клетка, в которой автономно размножается вирус, длительно сохраняет свою жизнеспособность, получило название латенции.

Второй тип  взаимодействия вируса и клетки свойствен  опухолевым вирусам, нуклеиновая кислота  которых способна встраиваться (интегрироваться) тем или иным образом в клеточную  хромосому в форме провируса, вызывая трансформацию клеток. Границы  между вирусами с автономной репликацией геномов и интеграционными вирусами весьма условны, и один и тот же вирус в зависимости от вида клеток может вести себя либо как инфекционный, либо как интеграционный геном. Результатом такого взаимодействия вируса и клетки является изменение наследственных свойств клетки. Этот тип взаимодействия вируса и клетки называют вирогенией, подобно лизогении при взаимодействии фагов с бактериями. Вирусы, способные вызывать вирогению, относят к группе умеренных.

3. Адсорбция вируса

Заражение клетки начинается с адсорбции вируса на клеточной мембране, происходящей благодаря взаимодействию поверхностных белков вируса с мембранными рецепторами. Например, капсидные белки вируса полиомиелита связываются с особым рецептором (CD155); капсидные белки риновирусов - с молекулами адгезии ICAM-1 (CD155 и ICAM-1 принадлежат к суперсемейству иммуноглобулинов); капсидные белки ЕСНО-вирусов - с альфаVбета3-интегрином; гемагглютинины внешней оболочки вируса гриппа - с остатками сиаловой кислоты; гликопротеиды внешней оболочки ВИЧ - с молекулой CD4 и рецепторами хемокинов; гликопротеиды внешней оболочки вируса простого герпеса - с гепарансульфатом и рецептором ФНО ; гликопротеиды вируса Эпштейна-Барр - с рецептором фрагмента компонента комплемента C3d (CD21) на поверхности В-лимфоцитов.  
Температура, как правило, мало влияет на адсорбцию (при 4єС и при 37єС скорость этого процесса практически одинакова).  
Связывание с мембранными рецепторами не защищает вирусы от нейтрализации антителами.

 
3.4  Проникновение вируса в клетку

 
Адсорбированные вирусы проникают  в клетку с помощью эндоцитоза или путем слияния с клеточной  мембраной. Оказавшись в цитоплазме, вирусы освобождаются от большинства  белков (раздевание) и начинают реплицироваться. Проникновение в клетку, раздевание и репродукция вирусов зависят от интенсивности энергетического метаболизма клетки и биохимических изменений, происходящих в клеточной мембране и цитоскелете. Так, при температуре ниже 37*С проникновение вирусов в клетку замедляется. Пусковым фактором проникновения обычно служит связывание некоторых поверхностных белков вируса с мембранными рецепторами клетки. Эти белки представлены на поверхности вирусов по крайней мере несколькими молекулами, а количество мембранных рецепторов обычно достигает нескольких сотен. В месте контакта вируса с клеточной мембраной происходит агрегация рецепторов, которая запускает механизм внутриклеточной передачи сигнала и стимулирует изменения в клеточной мембране. Адсорбция вируса обычно воспринимается клеткой как присоединение "нормального" лиганда к соответствующему рецептору.  
Адсорбция многих вирусов запускает эндоцитоз, начинающийся с образования на мембране окаймленных ямок, покрытых клатрином. Затем формируются эндосомы, в составе которых вирусы поступают в цитоплазму. Данный способ проникновения в клетку характерен для пикорнавирусов, вирусов гриппа и аденовирусов. Последующее слияние вирусов с мембраной эндосом стимулируется понижением рН в эндосоме.  
Влияние рН на процесс проникновения хорошо изучено у вируса гриппа. В адсорбции этих вирусов, агрегации рецепторов и эндоцитозе важную роль играют гемагглютинины внешней оболочки. Конформационные изменения гемагглютинина, возникающие при низком рН в эндосоме, приводят к выходу на поверхность молекулы амфифильных доменов, что приводит к слиянию внешней оболочки вируса и эндосомальной мембраны.  
На молекулярном уровне процессы слияния с мембраной и раздевания большинства вирусов изучены плохо. В результате слияния липиды и белки внешней оболочки вируса смешиваются с липидами и белками клеточной мембраны, а нуклеокапсид оказывается в цитоплазме. У сложных вирусов в адсорбции и слиянии с клеточной мембраной могут последовательно участвовать разные белки внешней оболочки.  
Есть данные, что в разных тканях или на разных поверхностях эпителиальных клеток механизмы адсорбции вирусов и их проникновения в клетку неодинаковы.

3.5 Синтез вирусных  белков

 
В основе этого синтеза лежит  тот же механизм, что и при синтезе  белка в нормальных клетках. У  РНК-содержащих пикорнавирусов функцию иРНК выполняют плюс-нити. У них односпиральная вирионная РНК транслируется с образованием одного гигантского полипептида, который затем расщепляется на отдельные функциональные белки. В синтезе полновирусного белка выражена постоянная во времени трансляция всех генов вирусной РНК. У орто-, рабдо- и парамиксовнрусов вирионная односпиральная РНК не транслируется, а транслируется комплементарная ей плюс-нить, поэтому синтез вирусных специфических белков начинается после образования вирусной иРНК (плюс-нити), которая комплементарна вирионной РНК-Минус-нити синтезируются на плюс-нити вирионной РНК-зависимой полимеразой (РНК-транскриптазой), находящейся в составе вириона в качестве структурного компонента. Синтезирующиеся вирионной полимеразой иРНК являются моноцистронными и значительно короче вирионной РНК. В процессе вирусной инфекции происходят распад клеточных полисом и образование вирусспецифических полисом.  
Синтез вирусспецифического белка зависит от синтеза вирусной иРНК, но и влияет на него: если синтез белка нарушен, происходит затоваривание вновь образующейся иРНК в местах ее синтеза и тормозится дальнейший ее синтез.  
Вирусные белки в процессе инфекции синтезируются в избыточном количестве, чем требуется для образования инфекционного вируса. Например, в клетках, инфицированных вирусами герпеса, в вирусное потомство включается только около 35% от общей массы вирусспецифических белков, синтезированных в клетках.  
У большинства вирусов синтез белков осуществляется в цитоплазме; относительно ядерной локализации синтеза белков некоторых вирусов существует сомнение. Известно, что вирусные белки могут синтезироваться в одних структурах, а накапливаться— в других. Механизмы, ответственные за миграцию вирусных белков в ядро, не выяснены. Известно лишь, что отсутствие аргинина в среде приводит к подавлению миграции структурных белков вируса герпеса от места их синтеза (цитоплазмы) к месту сборки вирионов (ядру), хотя синтез ДНК и белка вируса не нарушен.  
На разных стадиях инфекционного цикла могут преимущественно образовываться то одни, то другие группы вирусспецифических белков. Скорость их регулируется либо на уровне транскрипции (с образованием иРНК), либо на уровне трансляции (считывание иРНК на рибосомах).  
В зараженной клетке непропорционально накапливаются иРНК с разных вирусных генов. Механизм этой непропорциональности заложен в самой вирусной частице. Этот же механизм определяет разную эффективность образования различ- ых белков. Стандартная вирусная частица содержит одну молекулу РНК и до 10 тыс. молекул белков. Помимо структур-ных белков, в зараженной клетке могут синтезироваться и не-структурные (но кодируемые вирусной РНК) белки. Наряду с синтезом белков в клетке при репродукции вируса гриппа происходит синтез и углеводных цепей, входящих в состав гликопротеидов. Присоединение углеводов осуществляется с помощью трансфераз, которые являются клеточными ферментами. Синтез липидов также осуществляется клеткой. Вирусная оболочка формируется при включении липидов из плазматической мембраны клетки-хозяина. Синтез вирусных нуклеиновых кислот и вирусспецифических белков происходит почти одновременно и не менее чем на 1 ч опережает созревание вирусных частиц.