Объекты биотехнологий

Главным звеном биотехнологического процесса, определяющим всю его сущность, является биологический объект, способный осуществлять определенную модификацию исходного сырья и образовывать тот или иной необходимый продукт. В качестве таких объектов биотехнологии могут выступать микроорганизмы, животные и растения, грибы (микро- и макромицеты), протозойные организмы, а также клетки и ткани растений и животных, трансгенные животные и растения, протопласты, рекомбинантные ДНК, а также многокомпонентные ферментные системы клеток и отдельные ферменты.

Живых организмов на планете Земля по данным на 2011 г насчитывалось более 1,2 млн. видов. Исследователи данное число не смогут ни опровергнуть, ни гарантированно подтвердить, поскольку число видов живых организмов меняется так быстро, что уследить за его динамикой достаточно тяжело, и причин для этого несколько: первая – число 1,2 млн ограничено нашими знаниями, т. е. это только число описанных человеком, но реально на суше и в воде существует намного больше (по предварительным подсчетам это число колеблется от 3 до 100 млн. видов), вторая – часть видов вымирает, и эту статистику мы можем вести только в пределах уже определенных и изученных видов, не говоря о видах, так и не открытых человечеством. Строго говоря, и структурное наполнение этого числа (1,2 млн видов) весьма субъективно, так как человечество начинало путь изучения живых организмов весьма избирательно, отталкиваясь от своих интересов.

На данном историческом этапе мы многое знаем о животных (не исключая представителей рода Homo), растениях, немного о грибах, чуть-чуть о бактериях, и еще меньше о вирусах. Несмотря на 250 лет таксономической классификации и более 1,2 млн. видов, уже занесенных в каталог центральной базы данных, результаты показывают, что около 86 % существующих видов на Земле и 91 % видов в океане все еще ждут описания.

В задачи биотехнологов входит все-таки не подсчет живых клеточных и неклеточных организмов, а использование уже известных человечеству, и в биотехнологические объекты входит относительно ограниченное число видов. Лишь перспектива обнаружения новых видов и изучение их свойств привносит оптимизм и необъятные возможности для представителей вида Homo sapiens.

Но даже такой небогатый арсенал биологических объектов требует систематического подхода, поскольку биотехнологи используют такие разные по происхождению и устройству живые организмы из имеющегося обширного списка. Классификация живых организмов. Когда речь заходит о биологической систематике, многие представляют ее как каталогизацию организмов по семействам, отрядам и т. п. Систематика (греч. systematicos – упорядоченный) – распределение организмов в соответствии с их происхождением и биологическим сходством.

Систематика живых организмов построена по иерархическому принципу. Различные уровни иерархии (ранги) имеют собственные названия (от высших к низшим). Систематика включает три раздела: классификацию, таксономию иидентификацию организмов (рис. 3). Для биотехнологов интересным представляется упорядочивание более крупных групп, т. е. макросистематика.

По классификации 2015 г Ruggiero (Майкл А. Руджеро) выделяют 2 домена: Прокариоты и Эукариоты. Мы с вами условимся, что домен «Прокариоты» в зависимости от особенностей строения микроорганизмов (а они составляют большую часть домена «Прокариоты») разделены на неклеточные (доклеточные) формы и клеточные формы. Неклеточные формы объединены в отдельное царство – Vira и включают собственно вирусы, вироиды и прионы.

Клеточные формы включают царства (домены) (согласно Карлу Вёзе и систематике 90-х годов): «Bacteria» – прокариоты (истинные бактерии или эубактерии); «Archaea» – предковые прокариоты (старое название архебактерии); «Eukarya» – эукариоты (животные, растения, хромисты, грибы и простейшие) (рис. 4).

Таксономия (от греч. taxis – расположение по порядку и nomos – закон) – принципы распределения классификации организмов в соответствии с их иерархией. В основу таксономии организмов положены их морфологические, физиологические, биохимические и молекулярно-биологические свойства. Таксон – группа организмов, объединенных по определенным свойствам в рамках той или иной таксономической категории.

Для революционных изменений были две причины. Во-первых, появилась возможность изучать достаточно тонкие детали строения клеток. Это изучение показало, что клетки разных живых организмов вовсе не так одинаковы, как казалось раньше. Особенности строения клеток стали рассматриваться как важный признак, характеризующий большие группы живых организмов. Во-вторых, молекулярные биологи научились определять последовательность аминокислот в белках и последовательность нуклеотидов в нуклеиновых кислотах, и это умение стали использовать в систематике. Систематика в настоящее время очень динамичная область науки, изменяющая наши представления о происхождении и родстве живых организмов.

Согласно определению термина «систематика», указывающего на происхождение и биологическое сходство организмов, необходимо отметить, что все организмы, населяющие сегодня Землю, произошли от общего предка (не путать с первым живым организмом на планете Земля) (last universal common ancestor, LUCA), который жил примерно 4 млрд. лет назад. То, что он на самом деле существовал, Чарльз Дарвин предположил еще в 1859 году. Сложно представить, что может быть общего у таких, казалось бы, совершенно разных существ – эу-кариотических (ядерных) и прокариотических (доядерных); сложно организованных, как человек, и простых, как микоплазма.

Группа ученых из Германии, сравнивая между собой бактерий и архей (архебактерии), точнее, последовательности их генов, выяснили, что только 355 генов из проанализированных шести миллионов оказались гомологичными. Гомологичные гены имеют сходную последовательность нуклеотидов, общее происхождение и контролируют один и тот же признак. А раз так, значит, высока вероятность того, что именно они и передались потомкам от их общего предка – LUCA.

Выяснилось, что эти гены (355) отвечают за жизнь в экстремальных условиях. Было показано, что LUCA был анаэробом, термофилом и CO2-фиксирующим водородзависимым автотрофом. Иными словами, ему приходилось выживать в бескислородных условиях при температуре выше 42 С (вернее около 400 С), а энергию для построения тела он черпал из неорганических веществ окружающей среды.

Все ученые мира сходятся во мнении, что одной из главных задач естественных наук является проблема возникновения живой клетки. Именно с этой единицы живого все началось. На сегодняшний день человечество знает о строении и функционировании клетки, способах управления, взаимодействия с другими клетками, и даже теоретически предсказано как клетка могла «собраться», но экспериментально подтвержденных данных пока нет. Хотя мы научились удалять генетический аппарат из клетки и внедрять новый, приближаясь к истокам творения, нам предстоит узнать еще очень и очень много.

Биотехнологические процессы основываются на функционировании клетки и изолированных из них биологических структур, чаще всего ферментов. Именно поэтому необходимо знать общие закономерности жизнедеятельности клетки, чтобы управлять ростом и метаболизмом биологических агентов и получать целевой продукт с максимальным выходом при высокой интенсивности процесса. Таким образом, биотехнология начинается с познания живой клетки и законов управления процессами жизнедеятельности.

На рис. 5 для сравнения приведены размеры биологических объектов, представляющих некоторые виды, а также размеры их клеток, внутриклеточных частиц и молекул, находящихся в клетках. Несмотря на такое разнообразие, клетки во многом схожи между собой по своей структуре и функциям. Поэтому можно рассматривать клетки, выдвигая на передний план черты, общие для всех видов клеток (но, конечно, специфические отличия всегда существуют).

По современным научным представлениям существование клетки и её функция определяется тем, что она состоит из определённого набора молекул, которые функционируют согласно законам физики и химии. Тем не менее клетку рассматривают как основную биологическую единицу, «единицу жизни», так как только начиная с клеточного уровня проявляются все характерные признаки живого организма.

Классификация клеток и их субклеточные структуры. Существует много разных классификаций живых клеток. Традиционно различают животные, растительные и бактериальные клетки. В многоклеточных организмах клетки различаются по их функциональной специализации. К структурным элементам, общим для животной и растительной клеток, относятся мембраны, ядро, митохондрии, рибосомы, лизосомы, аппарат Гольджи, вакуоли и эндоплазматический ретикулум.

Мембранная система представлена клеточной цитоплазматической мембраной, эндоплазматическим ретикулумом (сетью) и аппаратом Гольджи. Общие принципы структурно-функциональной организации клетки. Компоненты клетки. Каждая клетка состоит из двух основных компонентов – ядра (для эукариот: животных, растений, дрожжей) или нуклеоида (для прокариот: бактерий и архей) и цитоплазмы.

В ядре эукариот находятся хромосомы, содержащие генетическую информацию, которая в результате процесса транскрипции постоянно избирательно считывается и направляется в цито-плазму, где она контролирует ход многообразных процессов жизнедеятельности клетки, в частности, сбалансированные процессы синтеза, анаболизма, и разрушения, катаболизма. У прокариот процессы транскрипции и трансляции не разграничены (из-за отсутствия ядра) территориально, и происходят в цитоплазме. Указанные процессы осуществляются в цитоплазме благодаря взаимодействию ее компонентов.

Компоненты цитоплазмы. Цитоплазма отделена от внешней (для данной клетки) среды внешней клеточной мембраной (цитоплазматической мембраной, плазмолеммой, цитолеммой) и содержит органеллы и включения, погруженные в гиалоплазму (клеточный матрикс) (рис. 6). Органеллы – постоянно присутствующие в цитоплазме структуры, специализированные на выполнении определенных функций в клетке.

К ним относят реснички, жгутики, микро-ворсинки, миофибриллы. Специальные органеллы образуются в ходе развития клетки как производные органелл общего значения.

В состав многих органелл входит цитоплазматическая мембрана, поэтому органеллы подразделяют также на мембранные и немембранные. К мембранным органеллам относятся митохондрии, ЭПС, комплекс Гольджи, лизосомы, пероксисомы, к немембранным – рибосомы, клеточный центр, реснички, микроворсинки, жгутики, компоненты цитоскелета. Включения – временные компоненты цитоплазмы, образованные в результате накопления продуктов метаболизма клеток.

Гиалоплазма (клеточный сок, цитозоль, клеточный матрикс) – внутренняя среда клетки, на которую приходится до 55 % ее общего объема. Она представляет собой сложную прозрачную коллоидную систему, в которой взвешены органеллы и включения, и содержатся различные биополимеры: белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, а также ионы.

Строение и функциональное значение плазмолеммы. Структура плазмолеммы. Мембраны (плазмолеммы) прокариот и эукариот и все внутриклеточные мембраны эукариот принципиально устроены одинаково. Плазмолемма – самая толстая из мембран (7,5-11 нм); под электронным микроскопом она, как и другие клеточные мембраны, имеет вид трехслойной структуры, представленной двумя электронно-плотными слоями, которые разделены светлым слоем. Ее молекулярное строение описывается жидкостно-мозаичной моделью, согласно которой она состоит из липидного (фосфолипидного) бислоя, в который погружены и с кото-рым связаны молекулы белков.

Липидный бислой представлен преимущественно молекулами фосфатидилхолина (лецитина) и фосфатидилэтаноламина (цефалина), состоящими из гидрофильной (полярной) головки и гидрофобного (неполярного) хвоста. В состав большинства мембран эукариотических, а конкретнее животных клеток (в растительных фитостерины) входит также холестерин (холестерол).

В мембране гидрофобные цепи обращены внутрь бислоя, а гидрофильные головки – наружу. У клеток животных снаружи от мембраны отсутствует клеточная стенка (в отличие от растительной, дрожжевой и бактериальной), но присутствует надмембранное формирование гликокаликс, состоящий из олигосахаридов, соединенных с наружным слоем фосфолипидов, либо с белками.

Клеточные стенки растений пронизаны отверстиями порами диаметром до 1 мкм. Через них проходят тяжи плазмодесмы, благодаря которым осуществляются межклеточные контакты. Каждая плазмодесма канал, выстланный плазмолеммой, непрерывно переходящей из клетки в клетку. Центральную часть поры занимает десмотрубка, состоящая из спирально расположен-ных белковых субъединиц. Десмотрубка сообщается с мембранами эндоплазматического ре-икулума (ЭР) соседних клеток. Таким образом, связи между клетками могут осуществляться через цитоплазму, плазмолемму, ЭР и клеточные стенки. Единая система цитоплазмы клеток тканей и органов называется симпластом.

Клеточная стенка дрожжей относительно толстая и жесткая, в ее состав входят полисахариды маннан и глюкан в равном соотношении, кроме полисахаридов в клеточной стенке дрожжей содержаться белки, липиды, фосфаты, глюкозамин и у большей части видов хитин. У некоторых дрожжей маннан отсутствует. Жесткая клеточная стенка бактериальных клеток состоит из полимера пептидогликана (муреина). Пептидогликан состоит из полисахаридных цепей, скрепленных короткими пептидными сшивками.

Наружный и внутренний слои биологических мембран отличаются друг от друга, слои несимметричны. Основные отличия связаны с разнообразием белков; соотношением насыщенных и ненасыщенных жирных кислот в составе молекул фосфолипидов; величине заряда. Мембранные белки составляют более 50 % массы мембраны и удерживаются в липидном бислое за счет гидрофобных взаимодействий с молекулами липидов. Они обеспечивают специфические свойства мембраны (типы белков и их содержание в мембране отражают ее функцию) и играют различную биологическую роль (переносчиков, ферментов, рецепторов и структурных молекул). По своему расположению относительно липидного бислоя мембранные белки разделяются на две основные группы – интегральные и периферические.

Важной функцией плазмолеммы является транспорт веществ и частиц. Мембранный транспорт веществ может включать однонаправленный перенос молекулы какого-то вещества или совместный транспорт двух различных молекул в одном или противоположных направлениях. Перейдем к важным структурам клетки, отвечающие за синтез веществ. Синтетический аппарат клетки включает органеллы, участвующие в синтезе различных веществ, которые могут в дальнейшем использоваться самой клеткой или выделяться ею во внеклеточное пространство. Деятельность синтетического аппарата клетки, располагающегося в ее цито-плазме, контролируется ядром благодаря активности находящихся в нем генов. В синтетический аппарат входят рибосомы, эндоплазматическая сеть (ЭПС) и комплекс Гольджи.

Синтетически активная клетка содержит несколько миллионов рибосом (например, в клетке печени их число составляет 107), на которые приходится около 5 % ее сухой массы. Каждая рибосома состоит из двух асимметричных субъединиц: малой, связывающей РНК, и большой, катализирующей образование пептидных цепей. Эндоплазматическая сеть (ЭПС) – органелла, обеспечивающая синтез углеводов, липидов и белков, а также начальные посттрансляционные изменения последних. Она имеет мембранное строение и состоит из системы уплощенных, удлиненных, трубчатых и везикулярных образований.

Степень развития ЭПС и особенности ее строения варьируют в различных клетках и зависят от их функции. Выделяют две разновидности ЭПС: гранулярную ЭПС (грЭПС) и гладкую, или агранулярную ЭПС (аЭПС), которые связаны друг с другом в области перехода, называемой переходной (транзиторной) ЭПС. Гранулярная ЭПС обеспечивает биосинтез всех мембранных белков и белков, предназначенных для экспорта из клетки, и начальное гликозилирование и посттрансляционные изменения белковых молекул. Гранулярная ЭПС образована уплощенными мембранными цистернами и трубочками, на наружной поверхности которых располагаются рибосомы и полисомы, придающие мембранам зернистый (гранулярный) вид, что и отражено в названии органеллы.

Мембраны грЭПС содержат особые белки, которые обеспечивают связывание рибосом и уплощение цистерн. Полость грЭПС содержит рыхлый материал умеренной плотности (продукты синтеза) и сообщается с перинуклеарным пространством. Благодаря грЭПС происходит отделение (сегрегация) вновь синтезированных белковых молекул от гиалоплазмы. Агранулярная(гладкая) ЭПС представляет собой трехмерную замкнутую сеть мембранных анастомозирующих трубочек, канальцев, цистерн и пузырьков диаметром 20-100 нм, на поверхности которых рибосомы отсутствуют.

Функции аЭПС включают: синтез липидов, в том числе мембранных (ферменты липидного синтеза располагаются на наружной – обращенной в сторонугиалоплазмы – поверхности мембраны аЭПС), синтез гликогена, синтез холестерина, детоксикацию эндогенных и экзогенных веществ, накопление ионов Са2+. Помимо указанных основных функций, в некоторых типах клеток аЭПС выполняет ряд дополнительных – например, в мегакариоцитах (гигантских клетках костного мозга) ее элементы образуют демаркационные каналы, разделяющие формирующиеся тромбоциты.

Способность аЭПС к накоплению ионов Са2+ обусловлена наличием: кальциевого насоса в ее мембране, который обеспечивает транспорт этих ионов из гиалоплазмы внутрь цистерн аЭПС; кальций связывающих белков (кальсеквестрина в мышечных клетках, кальретикулина – преимущественно в не мышечных и др.), которые в просвете цистерн образуют комплекс с ионами Са2+ и кальциевых каналов в мембране аЭПС, которые осуществляют вы-ведение Са2+ в гиалоплазму. Строение и функциональное значение комплекса Гольджи. Комплекс Гольджи – сложно организованная мембранная органелла, образованная тремя основными элементами – стопкой уплощенных мешочков (цистерн), пузырьками и вакуолями, или секреторными пузырьками.

Комплекс этих элементов называется диктиосомой (от греч. diktyon – сеть); в некоторых клетках имеются множественные диктиосомы (до нескольких сотен). В специализированных секреторных клетках комплекс Гольджи располагается надъядерно под апикальной частью клетки, через которую происходит выделение секрета механизмом экзоцитоза.

Вакуоль большая одномембранная органелла, в центральной части растительной клетки она может занимать более 30 % объёма клетки, а у некоторых типов клеток растений и при определенных условиях 80 %. Большинство растений содержат в вакуолях химические вещества, которые способны реагировать с веществами в цитозоле при разрушении клетки, образуя токсичные или ядовитые вещества. Например, в чесноке аллиин находится в цитоплазме, а фермент аллициназа (находится в цитоплазме). Они обычно отделены друг от друга, и никак не контактируют, но при разрушении вакуоли реагируют и образуют аллицин. Аллицин представляет собой маслянистую слегка желтоватую жидкость, которая придаёт чесноку уникальный запах.

Транспорт веществ в комплексе Гольджи. Белки проникают в стопку цистерн комплекса Гольджи из транспортных пузырьков с цисповерхности, а выходят в вакуолях странсповерхности; каким образом осуществляется их перенос внутри комплекса, в ходе которого происходит их процессинг, остается неизвестным.

Транспорт белков из комплекса Гольджи осуществляется в составе трех важнейших потоков: в гидролизные пузырьки начально в виде окаймленных пузырьков, в плазмолемму (в составе окаймленных пузырьков) и в секреторные гранулы (в виде окаймленных пузырьков, утрачивающих в дальнейшем оболочку). Аппарат внутриклеточного переваривания представлен системой особых органелл мембранных пузырьков с кислым содержимым эндосом (от греч. endo внутри и soma тело) и лизосом (от греч. lysis разрушение и soma тело), которые обеспечивают катаболические процессы в цитоплазме клетки. Функция аппарата внутриклеточного переваривания состоит в регулируемом внутриклеточном расщеплении макромолекул внеклеточного и внутриклеточного происхождения.

Эндосомы мембранные пузырьки с постепенно закисляющимся содержимым, которые обеспечивают перенос макромолекул с поверхности клетки в лизосомы и их частичный или полный гидролиз на стадиях, предшествующих лизосомальному уровню деградации. В связи с указанными свойствами совокупность эндосом в настоящее время считают не просто механизмом транспорта веществ в клетке (как полагали ранее), а частью системы их переваривания («вутриклеточного пищеварительного тракта»), в которую входят также лизосомы.

Процесс переноса веществ системой эндосом (по эндоцитозному пути) может протекать (а) с полным перевариванием макромолекул, (б) с их частичным расщеплением или (в) без изменений по ходу транспорта в лизосому. Способность к перевариванию в эндосомах обеспечивается благодаря тому, что кислые гидролазы вносятся в эндоцитозный путь уже на самых ранних его этапах. Лизосомы органеллы, активно участвующие в завершающих этапах процесса внутри-клеточного переваривания захваченных клеткой макромолекул посредством широкого спектра литических ферментов при низких значениях рН (5,0 и ниже). Диаметр лизосом обычно составляет 0,5-2 мкм, а их форма и структура могут существенно варьировать в зависимости от характера перевариваемого материала.

В клетках животных синтез АТФ осуществляется главным образом специальными органеллами, митохондриями; в растительных клетках кроме митохондрий в энергообеспечении огромную роль играют хлоропласты, представляющие собой один из видов пластид. Возникновение пластид растений связывают с фототрофным типом питания. Оба органоида имеют общий план строения и выполняют сходные функции. Митохондрии и пластиды двухмембранные органоиды эукариотических клеток. Общим в их строении является то, что они отделены от цитоплазмы (гиалоплазмы) двумя мембранами внешней и внутренней. Поэтому умитохондрийи пластид различают две полости (или два пространства): одну между внешней и внутренней мембранами (межмембранные) и вторую, основную (матрикс), ограниченную внутренней мембраной.

Другой же общей чертой является то, что внутренняя мембрана образует складки, мешки, гребни, глубокие впячивания, направленные внутрь матрикса. На таких мембранных гребнях и впячиваниях локализуются активные метаболические центры этих органелл полиферментные комплексы, определяющие выполнение основных физиологических функций (окислительное фосфорилирование для митохондрий, фотофосфорилирование для хлоропластов).

Митохондрии представляют собой мембранные полуавтономные органеллы, обеспечивающие клетку энергией, получаемой благодаря процессам окисления и запасаемой в виде фосфатных связей АТФ. Митохондрии также участвуют в биосинтезе стероидов, окислении жирных кислот и синтезе нуклеиновых кислот. Митохондрии могут иметь эллиптическую, сферическую, палочковидную, нитевидную и другие формы, которые могут изменяться в течение определенного времени. Их размеры составляют 0,2-2 мкм в ширину и 2-10 мкм в длину, а количество в различных клетках варьирует в широких пределах, достигая в наиболее активных 500-1000.

В клетках печени (гепатоцитах) их число составляет около 800, а занимаемый ими объем равен примерно 20 % объема цитоплазмы. На светооптическом уровне митохондрии выявляются в цитоплазме специальными методами и имеют вид мелких зерен и нитей (что обусловило их название от греч. mitos нить и chondros зерно) (рис. 9). Митохондрии состоят из наружной и внутренней мембран, разделенных межмембранным пространством, и содержат митохондриальный матрикс, в который обращены складки внутренней мембраны – кристы.

На ней находятся рецепторы, распознающие белки, которые переносятся через обе митохондриальные мембраны в особых точках их контакта зонах слипания. Внутренняя митохондриальная мембрана отделена от наружной межмембранным пространством, шириной 10-20 нм, которое содержит небольшое количество ферментов. В ее состав входят белки трех типов: (а) транспортные белки, (б) ферменты дыхательной цепи и сукцинатдегидрогеназаназа (СДГ), (в) комплекс АТФ-синтетазы.

Кристы складки внутренней мембраны толщиной 20 нм; располагаются чаще всего перпендикулярно длиннику митохондрии, но могут лежать и продольно. Их число и площадь пропорциональны активности митохондрии. На кристах происходит сопряжение процессов окисления и фосфорилирования. Форма крист в митохондриях большинства клеток пластинчатая (ламеллярная); в некоторых клетках встречаются кристы в виде трубочек и пузырьков тубулярно-везикулярные кристы. Последний вариант характерен для клеток, синтезирующих стероидные гормоны (клетки коркового вещества надпочечников, фолликулярные клетки и клетки желтого тела яичника, клетки Лейдига яичка).

Митохондриальный матрикс гомогенное мелкозернистое вещество умеренной плотности, заполняющее полость (внутреннюю камеру) митохондрии и содержащее несколько сотен ферментов: растворимые ферменты цикла Кребса (за исключением СДГ), ферменты, участвующие в окислении жирных кислот, ферменты белкового синтеза. В матриксе находятся также митохондриальные рибосомы, митохондриальные гранулы и митохондриальная ДНК (что отличает митохондрии от всех остальных органелл).

Митохондриальная ДНК (мтхДНК)образует собственный геном митохондрий, на который приходится около 1 % общего содержания ДНК в клетке и который включает 37 генов (в ядре клеток человека насчитывают примерно 100 тыс. генов). МтхДНК кольцевой формы двунитчатая молекула ДНК длиной 5,5 мкм и толщиной 2 нм (в каждой митохондрии имеется 2-10 таких молекул). Она сходна с бактериальной ДНК и отличается от ядерной ДНК генетическим кодом, низким содержанием некодирующих последовательностей и отсутствием связи с гистонами.

Генетическая информация мтхДНК обеспечивает синтез лишь 5-6 % митохондриальных белков, в частности, большей части ферментов электронтранспортной системы и некоторых ферментов синтеза АТФ. Наследование мтхДНК у многих видов, включая человека, происходит только от матери (мтхДНК отца исчезает при образовании эмбриона).

Пластиды это мембранные органоиды, встречающиеся у фотосинтезирующих эукариотических организмов (у высших растений, низших водорослей, некоторых одноклеточных организмов). Подобно митохондриям, пластиды окружены двумя мембранами; в их матриксе имеется собственная геномная система; функции пластид связаны с энергообеспечением клетки, идущим на нужды фотосинтеза.

У высших растений найден целый набор различных пластид (хлоропласт, лейкопласт, амилопласт, хромопласт), представляющий собой ряд взаимных превращений одного вида пластиды в другой. Основной структурой, которая осуществляет фотосинтетические процессы, является хлоропласт. Хлоропласт ограничен двумя мембранами внешней и внутренней, которые отделены друг от друга межмембранным пространством около 20-30 нм. Каждая из мембран имеет толщину около 7 нм. Внутренняя мембрана хлоропластов, как и других пластид, образует складчатые впячивания внутрь матрикса, или стромы.

В хлоропластах происходят фотосинтетические процессы, в результате которых связывается углекислота, выделяется кислород и синтезируются сахара. Для хлоропластов характерно наличие пигментов хлорофиллов, которые обусловливают окраску зеленым растениям. При помощи хлорофилла зеленые растения поглощают энергию солнечного света и превращают ее в химическую. При поглощении световых лучей с определенной длиной волны изменяется структура молекулы хлорофилла, при этом она переходит в возбужденное, активированное состояние.

Освобождающаяся энергия активированного хлорофилла через ряд промежуточных этапов передается определенным процессам, приводящим к синтезу АТФ и восстановлению акцептора электронов НАДФ (никотинамидаде-ниндинуклеотид) до НАДФ Н. Оба вещества используются в реакции связывания СО2 и синтезе сахаров. Цитоскелет представляет собой сложную динамичную систему микротрубочек, микрофиламентов, промежуточных филаментов и микротрабекул. Указанные компоненты цитоскелета являются немембранными органеллами; каждый из них образует в клетке трехмерную сеть с характерным распределением, которая взаимодействует с сетями из других компонентов.

Микротрубочки наиболее крупные компоненты цитоскелета. Они представляют собой полые цилиндрические образования, имеющие форму трубочек, длиной до нескольких микрометров (в жгутиках более 50 нм) диаметром около 24-25 нм, с толщиной стенки 5 нм и диаметром просвета 14-15 нм. Стенка микротрубочки состоит из спиралевидно уложенных нитей протофиламен-тов толщиной 5 нм (которым на поперечном разрезе соответствуют 13 субъединиц), образованных димерами из белковых молекул α- и β-тубулина.

Клеточный центр образован двумя полыми цилиндрическими структурами длиной 0,3-0,5 мкм и диаметром 0,15-0,2 мкм центриолями, которые располагаются вблизи друг друга во взаимно перпендикулярных плоскостях. Каждая центриоль состоит из 9 триплетов частично слившихся микротрубочек (А, В и С), связанных поперечными белковыми мостиками («ручками»). Каждый триплет центриоли связан со сферическими тельцами диаметром 75 нм сателлитами; расходящиеся от них микротрубочки образуют центросферу. У делящейся растительной клетки нет центриолей.

Реснички и жгутики органеллы специального значения, участвующие в процессах, движения, представляют собой выросты цитоплазмы, основу которых составляет каркас из микротрубочек, называемый осевой нитью, или аксонемой (от греч. axis ось и nema – нить). Аксонема образована 9 периферическими парами микротрубочек и одной центрально расположенной парой. Центральная пара микротрубочек окружена центральнойоболочкой, от которой к периферическим дублетам расходятся радиальные спицы. Базальное тельце, по своему строению сходное с центриолью, лежит в основании каждой реснички или жгутика. Микрофиламенты тонкие белковые нити диаметром 5-7 нм, лежащие в цитоплазме поодиночке, в виде сетей или пучками.

Микроворсинки пальцевидные выросты цитоплазмы клетки диметром 0,1 мкм и длиной 1 мкм, основу которых образуют актиновые микрофиламенты. Микроворсинки обеспечивают многократное увеличение площади поверхности клетки, на которой происходит расщепление и всасывание веществ. На апикальной поверхности некоторых клеток, активно участвующих в указанных процессах (в эпителии тонкой кишки и почечных канальцев) имеется до нескольких тысяч микроворсинок, образующих в совокупности щеточную каемку.

Каркас каждой микроворсинки образован пучком, содержащим около 40 микрофиламентов, лежащих вдоль ее длинной оси. Включения цитоплазмы временные ее компоненты, обусловленные накоплением продуктов метаболизма клеток. Традиционно подразделяются на трофические, секреторные, экскреторные и пигментные. Трофические включения разделяют в зависимости от природы накапливаемого вещества. Липидные включения встречаются в виде липидных капель (особенно крупных в жировых клетках), которые располагаются в цитоплазме по отдельности или сливаются друг с другом. Их вид на электронно-микроскопических фотографиях варьирует в зависимости от способа фиксации.

На гистологических препаратах они обычно имеют вид светлых («пустых») вакуолей, так как при стандартных методах обработки ткани липиды растворяются. Липидные капли служат источником веществ, используемых в качестве энергетических субстратов; в некоторых клетках (например, продуцирующих стероидные гормоны) они могут содержать субстраты, необходимые для последующего синтеза. Из углеводных трофических включений наиболее распространены гранулы гликогена, представляющего собой полимер глюкозы. Они встречаются в виде плотных гранул диаметром 20-30 нм (β-частиц), которые часто образуют скопления (розетки), называемые α-частицами. Гранулы гликогена часто расположены вблизи аЭПС и используются в качестве источника энергии.

Секреторные включения обычно имеют вид мембранных пузырьков, содержащих секретируемый клеткой продукт; в мембране могут находиться ферменты, осуществляющие конечный процессинг продукта по мере перемещения пузырька к плазмолемме. Избыток невостребованного секреторного продукта поглощается и разрушается в цитоплазме клетки механизмом кринофагии. Экскреторные включения по своему строению сходны секреторными, однако они содержат вредные продукты метаболизма, подлежащие удалению из клетки. Пигментные включения представляют собой скопления эндогенных или экзогенных пигментов, которые могут окружаться мембраной.

К наиболее распространенным эндогенным пигментам относятся гемоглобин (растворен в цитоплазме эритроцитов, переносит кислород), гемосидерин (продукт обмена гемоглобина, накапливается в макрофагах в виде мелких плотных частиц ферритина), меланин (синтезируется в пигментных клетках меланоцитах, в которых он накапливается и химически дозревает в окруженных мембраной гранулах меланосомах); липофусцин (пигмент старения, накапливается в виде мембранных гранул с плотным содержимым, в котором определяются липидные капли). Ядро является важнейшим компонентом клетки, содержащим ее генетический аппарат.

Наружная мембрана составляет единое целое с мембранами грЭПС на ее поверхности имеются рибосомы, а перинуклеарное пространство соответствует полости цистерн грЭПС и может содержать синтезированный материал. Со стороны цитоплазмы наружная мембрана окружена рыхлой сетью промежуточных (виментиновых) филаментов. Внутренняя мембрана гладкая, ее интегральные белки связаны с ядерной пластинкой ламиной слоем толщиной 80-300 нм, состоящим из переплетенных промежуточных филаментов (ламинов), образующих кариоскелет.

Ядерные поры занимают 3-35 % поверхности ядерной оболочки. Они более многочисленны в ядрах интенсивно функционирующих клеток и отсутствуют в ядрах спермиев. Поры содержат два параллельных кольца (по одному с каждой поверхности кариолеммы) диаметром 80 нм, которые образованы 8 белковыми гранулами. От этих гранул к центру сходятся фибриллы, формирующие перегородку (диафрагму) толщиной около 5 нм, в середине которой лежит центральная гранула (по некоторым представлениям, это транспортируемая через пору субъединица рибосомы). Совокупность структур, связанных с ядерной порой, называется комплексом ядерной поры. Последний образует водный канал диаметром 9 нм, по которому движутся мелкие водорастворимые молекулы и ионы.

Хроматин (от греч. chroma краска) мелкие зернышки и глыбки материала, который обнаруживается в ядре клеток и окрашивается основными красителями. Хроматин состоит из комплекса ДНК и белка и соответствует хромосомам, которые в интерфазном ядре представ-лены длинными, тонкими перекрученными нитями и неразличимы как индивидуальные структуры. Выраженность спирализации каждой из хромосом неодинакова по их длине. Различают два вида хроматина эухроматин и гетерохроматин. Эухроматин соответствует сегментам хромосом, которые деспирализованы и открыты для транскрипции. Эти сегменты не окрашиваются и не видны в световой микроскоп.

Гетерохроматин соответствует конденсированным, плотно скрученным сегментам хромосом (что делает их недоступными для транскрипции). Он интенсивно окрашивается основными красителями, и в световом микроскопе имеет вид гранул. Тельце Барра скопление гетерохроматина, соответствующее одной Х- хромосоме у особей женского пола, которая в интерфазе плотно скручена и неактивна. В большинстве клеток оно лежит укариолеммы, а в гранулоцитах крови имеет вид маленькой добавочной дольки ядра («барабанной палочки»). Выявление тельца Барра (обычно в эпителиальных клетках слизистой оболочки полости рта) используется как диагностический тест для определения генетического пола (обязателен, в частности, для женщин, участвующих в Олимпийских Играх).

Уровни упаковки хроматина. Начальный уровень упаковки хроматина, обеспечивающий образование нуклеосомной нити диаметром 11 нм, обусловлен намоткой двойной нити ДНК (диаметром 2 нм) на блоки дисковидной формы из 8 гистоновых молекул (нуклеосомы). Нуклеосомы разделены короткими участками свободной ДНК. Второй уровень упаковки также обусловлен гистонами и приводит к скручиванию нуклеосомной нити с формированием хроматиновой фибриллы диаметром 30 нм.

В интерфазе хромосомы образованы хроматиновыми фибриллами, причем каждая хроматида состоит из одной фибриллы. При дальнейшей упаковке хроматиновые фибриллы образуют петли (петельные домены) диаметром 300 нм, каждый из которых соответствует одному или нескольким генам, а те, в свою очередь, в результате еще более компактной укладки, формируют участки конденсированных хромосом, которые выявляются лишь при делении клеток.

Ядрышко образовано специализированными участками (петлями) хромосом, которые называются ядрышковыми организаторами. У человека такие участки имеются в пяти хромо-сомах 13-й, 14-й, 15-й, 21-й и 22-й, где располагаются многочисленные копии генов, кодирующих рибосомальные РНК (рРНК). Ядрышко исчезает в профаземитоза, когда ядрышковые организаторы «растаскиваются» в ходе конденсации соответствующих хромосом, вновь формируясь в телофазе. Функции ядрышка заключаются в синтезе рРНК и ее сборке в предшественники рибосомальных субъединиц.

Ядрышко выявляется в интерфазном ядре на светооптическом уровне как мелкая плотная гранула диаметром 1-3 мкм, интенсивно окрашивающаяся основными красителями. Оно располагается в центре ядра или эксцентрично, содержит высокие концентрации РНП. Размеры и число ядрышек увеличиваются при повышении функциональной активности клетки. Особенно крупные ядрышки характерны для эмбриональных и активно синтезирующих белки клеток, а также клеток быстрорастущих злокачественных опухолей. Под электронным микроскопом в ядрышке обнаруживают три компонента фибриллярный, гранулярный и аморфный.

Кариоплазма (ядерный сок) жидкий компонент ядра, в котором располагаются хроматин и ядрышко. Содержит воду и ряд растворенных и взвешенных в ней веществ: РНК, гликопротеинов, ионов, ферментов, метаболитов. Мы рассмотрели основные структурные элементы эукариотических клеток, но нельзя не отметить и особенности строения прокариотических организмов бактерий, а также архей, но сначала приведем основные отличия прокариотов от эукариотов.

Они представляют собой пассивно вращающиеся полые белковые нити. Жгутики эукариотов имеют достаточно сложное строение. Имеют толщину до 100 мкм и способны изгибаться по всей длине.

Клеточные структуры присутствуют в клетках растений, животных, грибов, бактерий, хотя есть и особенные структуры, характерные только для определенного живого организма, например, пластиды у растений. Предковые прокариоты (архебактерии). Хотя представители архей и не входят в пул биотехнологических микроорганизмов, используемых человеком, они являются весьма перспективными благодаря своим свойствам. Изучение этих микроорганизмов дает массу идей, заимствований, и инструментов для биотехнологов.

Одна из гипотез предполагает, что разделение бактерий и архей в эволюции произошло в результате индивидуализации мембран, которые были «разнородными» у последнего универсального общего предка (LUCA) и стали более специализированными в двух современных областях микроорганизмов из-за так называемого древнего события «липидного разделения».

У бактерий и эукариот прямые (линейные) ацильные цепи жирных кислот связаны сложноэфирными связями с позициями sn-1 и sn-2 глицерина, в то время как у архей разветвленные изопреноидные углеводородные цепи связаны эфирными связями с позициями глицерина sn – 2 и sn-3. Разветвленные изопреноидные цепи у архей определяют очень плотную упаковку, высокую вязкость мембран и долговечность, и низкую проницаемость для воды и ионов, которые являются основными характеристиками мембран архей по сравнению с бактериальными или эукариотическими.

Дополнительной модификацией, которая увеличивает плотность упаковки и уменьшает проницаемость мембраны, являются циклопентановые кольца в гидрофобных хвостах, которые чаще встречаются у ацидофильных микроорганизмов. Более того, археи способны адаптировать свои мембраны, чтобы они лучше соответствовали условиям их роста, используя несколько типов изменений структуры липидов. Наконец, большинство гипертермофилов содержат болалипиды и представляют собой липиды, связанные «хвост к хвосту», или археолы. Эта модификация обеспечивает дополнительную прочность мембран, в отличие от двухслойной мембраны археолы образуют жесткую монослойную структуру.

Несмотря на эти необычные механические свойства, напоминающие гелеобразное состояние, мембраны архей считают жидкокристаллическими в очень широком диапазоне температур (0-100 + °C), что, как полагают, жизненно важно для каждой живой клетки. В то же время очень высокая прочность и в то же время «маневренность» являются наиболее фундаментальными физическими свойствами мембран архей.

Наиболее распространенными представителями архебактерий являются анаэробные бактерии, образующие метан путём восстановления диоксида углерода. Эти бактерии называются метаногенами. Другие группы – это галофилы и термоацидофилы. Галофилы – бактерии, для жизнедеятельности которых необходимы высокие концентрации солей. Термоацидофилы – бактерии, для роста которых необходима высокая температура +80 ÷ +90 ºС и очень кислая среда (рН=2).

Архебактерии обладают кольцевой ДНК. Главное отличие архебактерий от истинных бактерий заключается в наличии прерывистых генов19, что в свою очередь, объединяет их с эукариотами. Плазматические мембраны архей оказались чрезвычайно прочными и почти непроницаемыми для воды и ионов, в отличие от мембран бактерий и эукариот. Кроме того, они остаются жидкими в диапазоне температур 0-100°C. Именно эти свойства, скорее всего, определили эволюционную судьбу архей, и бионанотехнологи могут перенять их у природы.

Разветвленная структура определяет плотную упаковку и низкую водопроницаемость мембран, подобных археям, и в то же время обеспечивает жидкокристаллическое состояние, которое жизненно важно для живых клеток. Прокариотические истинные бактерии. Структурную организацию прокариотических клеток обычно рассматривают на примере кишечной палочки (Escherichia coli), модельного микроорганизма и микробиологов, и биохимиков, и биотехнологов. Клетки кишечной палочки имеют вытянутую форму, длина их составляет 1-2 мкм, диаметр 0,5-1 мкм.

Клетки кишечной палочки имеют сложную жёсткую оболочку, состоящую из полисахаридов, белков и липидов. Полисахариды и белки, соединённые ковалентными связями, образуют сетчатый мешок, который и обеспечивает прочность клеточной оболочки. Внутренняя часть оболочки состоит из специфической плёнки – цитоплазматической мембраны, толщина которой около 8 нм.

Часто мембраны образуют складчатые участки, имеющиев разрезевид слоёного пирога. Эти структуры называются мезосомы. Предполагается, что в мезосомах протекают специфические биохимические реакции. С мембранами связано большое количество ферментов, прежде всего ферменты, катализирующие процессы окисления. Первичная функция клеточной оболочки состоит в обеспечении физической защиты клетки; кроме того, оболочка обеспечивает обмен веществами между внеклеточным и внутриклеточным пространством.

Во внутриклеточном пространстве, цитоплазме, отсутствуют какие-либо отсеки, ограниченные мембранами. В цитоплазме можно обнаружить сгустки из слаборазличимых переплетающихся нитей. В зависимости от условий роста клетка кишечной палочки может содержать более одной молекулы ДНК. Место, в котором сосредоточены молекулы ДНК, называют ядерным районом (такой термин используется из-за отсутствия мембраны, которая бы отделяла этот район от остальной части цитоплазмы). Истинные бактерии имеют кольцевую ДНК, длина которой практически полностью занята генами и служебными фрагментами. Прерывистые гены отсутствуют.

В цитоплазме обнаруживаются специальные частицы, на которых происходит синтез белка, – рибосомы. Активно метаболизирующая клетка кишечной палочки содержит 10 000 – 15 000 рибосом, распределённых по цитоплазме. Помимо растворённой кольцевой ДНК и рибосом цитоплазма содержит тысячи других растворённых веществ, в том числе белков, кото-рые невидимы под электронным микроскопом. Часто в клетках находятся довольно крупные включения, в которых запасаются питательные вещества.

Среди учёных идут споры, какое минимальное количество ДНК, белков и других макромолекулярных структур достаточно для обеспечения жизнедеятельности клетки. Это до сих пор неизвестно, но, видимо, в клетке микоплазмы их достаточно. Микробиологи понимают, что лишь робко зачерпывают ложкой из глубокого моря микробного разнообразия, которое существует в природе. Царство Vira объединяет неклеточные формы и включает вирусы (в том числе и фаги), вироиды и прионы.

Термин «вирус» (от лат. virus яд) был введен в 1899 г. М. Бейеринком. Открыты вирусы русским ученым Д. И. Ивановским в 1892 г. при исследовании мозаичной болезни листьев табака (вирус табачной мозаики). В настоящее время вирусы определяют как особый тип биологических систем мельчайшие самопродуцирующиеся неклеточные структуры, которые способны функционировать в восприимчивых к ним клетках (животных, человека, растений, бактерий).

Средой обитания вирусов являются только живые клетки: клетки человека, животных, растений или клетки бактерий (для бактериофагов). Все вирусы существуют в двух качественно разных формах: внеклеточной и внутри-клеточной. Вирион внеклеточная (покоящаяся) форма вируса. Включает в себя все составные элементы (нуклеиновую кислоту, капсид, суперкапсид, структурные белки и, у некоторых вирусов, функциональные белки (ферменты). Это наиболее изученная форма вируса.

Вирус внутриклеточная (репродуцирующаяся) форма вируса. Классификация и таксономия вирусов. В соответствии с классической классификацией вирусов ICTV20, основанной на их филогенетическом родстве, вирусы объединены в царство Vira, которое подразделено по типу нуклеиновой кислоты, образующей геном, на два подцарства Рибовирусы (РНК-вирусы) и Дезоксирибовирусы (ДНК-вирусы). Но существуют и другая классификация классификация вирусов Балтимора.

В 2021 году наука, изучающая вирусы, отметила необычный юбилей, ровно 51 год назад американский ученый Дэвид Балтимор предложил классификацию вирусов, основанную на молекулярном составе их геномов и этапах экспрессии генов. В данной классификации главную роль играет не сама форма нуклеиновой кислоты, которой представлен вирусный геном в вирионе, а этапы пути от генетического материала вириона к белку, и в отличие от классификации ICTV классификация вирусов по Балтимору не указывает на родственность вирусов.

Эта система оказалась так проста и изящна, что несмотря на стремительное развитие вирусологии на рубеже веков и в новом тысячелетии, благодаря усовершенствованию методов секвенирования, по-прежнему активно используется учеными. Вид вируса бинарного названия, как у бактерий, не получил. Однако на практике чаще всего вирусы подразделяют в соответствии с типом хозяина, поскольку вирусы поражают позвоночных и беспозвоночных животных, растения и бактерии.

Например, Microhyla letovirus 1 вид вирусов из семейства коронавирус, его хозяином является лягушка Microhyla fissipes. Актуальность вирусов обусловлена тем, что большая часть из них вызывает инфекционные заболевания человека, а некоторые (папилломавирусы, некоторые герпесвирусы) проявляют онкогенное действие, вызывая развитие злокачественных опухолей и лейкозов.

Размеры вирионов измеряют в нанометрах (1 нм равен 0,001 мкм). Кроме электронного микроскопа, размеры вирусов определяют также методом ультрафильтрации через фильтры с известным диаметром пор (свечи Шамберлана, коллоидные мембраны) и методом ультрацентрифугирования (седиментация в ультрацентрифуге). Размеры вирионов различных вирусов варьируют в широких пределах: от 15-18 до 300-400 нм.

Самые мелкие парвовирусы и вирусы полиомиелита (17-25 нм), самые крупные вирусы натуральной оспы (250-300 нм), средние вирус гриппа и др. (120-200 нм). Различают простые и сложные вирусы. К простым относятся вирусы полиомиелита, гепатита А и др., к сложным вирусы кори, гриппа, герпеса, коронавирусы, ВИЧ и др. Простые вирусы состоят из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки капсида (от лат. capsa футляр). Капсид состоит из повторяющихся морфологических субъединиц капсомеров. Нуклеиновая кислота и капсид взаимодействуют друг с другом и вместе называются нуклеокапсидом (сердцевина вириона).

Сложные вирусы помимо нуклеиновой кислоты и белков капсида содержат суперкапсид (липопротеидную мембрану). На оболочке вируса могут быть расположены гликопротеиновые «шипы» суперкапсидные белки. Под оболочкой некоторых вирусов находится мат-ричный белок (М-белок). Основные функции капсида и суперкапсида защита вирусного генома от внешних воздействий, обеспечение адсорбции вириона к клетке, проникновение его в клеткупутем взаимодействия с клеточными рецепторами. С ними связаны антигенные и иммуногенные свойства вируса.

Форма вирионов может быть различной: палочковидной (вирус табачной мозаики), пулевидной (вирус бешенства), сферической (вирусы полиомиелита, ВИЧ), нитевидной (филовирусы), в виде сперматозоида (многие бактериофаги). Типы симметрии. Вирионы имеют спиральный, икосаэдрический (кубический) или смешанный (сложный) тип симметрии капсида (нуклеокапсида).

Спиральный тип симметрии обусловлен винтообразной структурой нуклеокапсида (у вирусов гриппа, вируса бешенства, вируса табачной мозаики и др.). При этом капсиды вирионов состоят из структурных субъединиц, уложенных в виде спирали вокруг оси. При таком расположении субъединиц образуется полый канал, внутри которого компактно уложена молекула вирусной нуклеиновой кислоты. Ее длина может во много раз превышать длинупалочковидного вириона. Например, длина вируса табачной мозаики (ВТМ) 300 нм, а его РНК достигает величины 4000 нм, или 4 мкм. При этом РНК настолько связана с капсидом, что ее нельзя освободить, не повредив последний.

Организация по принципу спиральной симметрии придает вирусам палочковидную форму. Икосаэдрический (кубический) тип симметрии обусловлен образованием изометрически полого тела из капсида, содержащего вирусную нуклеиновую кислоту (вирусы гепатита А, герпеса, полиомиелита, аденовирусы). При этом нуклеиновая кислота окружена капсомерами, образующими фигуру икосаэдра многогранника. Организация по принципу кубической симметрии придает вирусам сферическую форму.

Смешанный (сложный) тип симметрии включает оба типа симметрии. Например, у некоторых бактериофагов головка организована по принципу кубической симметрии, отросток по принципу спиральной симметрии. Химический состав вирусов. Основными компонентами вирусов являются нуклеиновые кислоты и белки. У сложных вирусов дополнительно присутствуют липиды и углеводы.

Нуклеиновые кислоты. Вирусы имеют уникальный геном. В составе вирусов только один тип нуклеиновой кислоты либо ДНК, либо РНК. Поэтому вирусы классифицируют на ДНК-содержащие и РНК-содержащие. Обе нуклеиновые кислоты являются носителями генетической информации и инфекционности. Последнее свойство усиливается, если вирусная нуклеиновая кислота соединяется с белком. Нуклеиновые кислоты могут быть однонитевыми и двунитевыми.

Вирусная ДНК. По своей структуре вирусные ДНК могут быть двунитевые и однонитевые, могут иметь линейную или кольцевую форму. В геномах, представленных двунитевыми ДНК, информация закодирована на обеих нитях ДНК, что свидетельствует о максимальной экономии генетического материала у вирусов как генетических паразитов. Вирусная РНК. У РНК-содержащих вирусов генетическая информация закодирована в РНК таким же кодом, как в ДНК всех других вирусов и клеточных организмов.

Типичной для РНК-содержащих вирусов является однонитевая РНК. При этом она может быть линейной и кольцевой. Однако у ряда вирусов имеется двунитевая РНК. Вирусы с однонитевой РНК из-за различия в функциях генома подразделяют на две группы: с «плюс»-нитевым (позитивным) геномом и «минус»-нитевым (негативным) геномом. У вирусов с позитивным РНК геномом РНК обладает способностью транслировать закодированную в ней информацию на рибосомы клетки хозяина и таким образом выполнять не только наследственную функцию, но и функцию информационной РНК.

Поэтому такие вирусы являются инфекционными, могут заражать другие клетки. К этой группе вирусов относятся пикорнавирусы, тогавирусы, ретровирусы, коронавирусы и др. У вирусов с негативным РНК геномом РНК не обладает функцией и РНК, а выполняет только наследственную функцию. РНК таких вирусов не вызывает инфекционного процесса, так как они не могут непосредственно связываться с рибосомами.

В инфицированной клетке в этом случае осуществляется синтез комплементарной копии на матрице РНК, которая и обеспечивает трансляцию. Это происходит только в присутствии вирусного белка фермента транскриптазы, который обязательно находится в структуре «минус» – нитевых вирусов (в клетках ее аналога нет). К этой группе вирусов относятся ортомиксовирусы, рабдовирусы и др.

Вирусные белки подразделяют на структурные и функциональные. Первые входят в состав вириона (капсида) и поэтому придают вирусу определенную форму, вторые не входят в состав вириона, а появляются только в инфицированной клетке и представляют собой ферменты, участвующие в процессе репродукции вирусов. У простых вирусов структурные белки представлены капсидными белками, которые выполняют функции: защитную (образуют футляр, защищая геномвируса), «адресную» (обеспечивают адсорбцию вируса на чувствительных к ним клетках), антигенную (на них развивается иммунный ответ с образованием антител, которые способны нейтрализовать вирус).

У сложных вирусов, имеющих внешнюю оболочку (суперкапсид), капсидные белки также выполняют защитную функцию. Однако они не принимают прямого участия в адсорбции вируса и проникновении в клетку хозяина. Существенной особенностью капсидных белков является строго упорядоченная структура, обеспечивающая построение капсида из субъединиц капсомеров, состоящих из идентичных полипептидных цепей, способных к самосборке. Таким образом достигается экономия генетического материала вируса. В противном случае для синтеза разных капсидных белков потребовалась бы информация, закодированная в гораздо большем количестве генов.

Внешняя оболочка сложных вирионов состоит из белков, которые входят в состав гликопротеидов и гликолипидов. У многих вирионов они располагаются в виде шиповидных отростков на поверхности суперкапсида. Гликопротеидные шипы обладают антигенными свойствами. Многие из них ответственны за адсорбцию на специфических рецепторах клетки и принимают участие в слиянии с клеточной мембраной, обеспечивая тем самым проникновение вириона в клетку хозяина. Также в составе суперкапсида имеются гликолипиды. Липидный и углеводный состав вириона определяется клеткой хозяина, но модифицируется супер-капсидными белками. Липиды стабилизируют структуру сложных вирионов.

Ферменты вирусов. В отличие от прокариотов и клеток всех других организмов, вирусы лишены ферментов, участвующих в многочисленных метаболических реакциях. Однако многие вирусы содержат в составе капсидов одну или две группы ферментов, которые участвуют в процессах репликации и транскрипции или в проникновении вирусной нуклеиновой кислоты в клетку хозяина и выходе образовавшихся вирионов (нейраминидаза, АТФ-аза и др.). Ферменты вирусов подразделяют на вирионные и вирус – индуцированные. Вирионные ферменты транскрипции и репликации (ДНК- и РНК-полимеразы), обнаруженные у многих вирусов (обратная транскриптаза ретровирусов), а также эндо- и экзонуклеазы, АТФ-аза, ней-раминидаза отдельных вирусов.

Вирусиндуцированные ферменты, структура которых закодирована в вирусном геноме. К ним относятся РНК-полимераза пикорна-, тога-, орто- и парамиксовирусов, а также ДНК-полимераза покс- и герпесвирусов. Наряду с собственными ферментами вирусы используют и клеточные, которые не являются вирус специфическими. Однако их активность может модифицироваться в процессе репродукции вируса. Типы взаимодействия вируса с клеткой. Вирусы облигатные внутриклеточные паразиты, способные только к внутриклеточному размножению.

В вирусинфицированной клетке возможно пребывание вирусов в различных состояниях: воспроизводство многочисленных новых вирионов; пребывание нуклеиновой кислоты вируса в интегрированном состоянии с хромосомой клетки (провирус); существование в цитоплазме клетки в виде кольцевых нуклеиновых кислот, напоминающих плазмиды бактерий. Поэтому диапазон нарушений, вызываемых вирусом, весьма широк: от выраженной продуктивной инфекции, завершающейся гибелью клетки, до продолжительного взаимодействия вируса с клеткой в виде латентной инфекции или злокачественной трансформации клетки.

При этом нуклеиновая кислота вируса не способна к автономной репродукции. Частным случаем вирогении является лизогения. Бактериофаги бактериальные вирусы, вызывающие разрушение (лизис) бактерий и других микроорганизмов. Бактериофаги размножаются в клетках, лизируют их и переходят в другие клетки.

Впервые явление бактериофагии наблюдал в 1917 г. французский микробиолог Ф. Д’ Эрелль. Изучая возбудителя дизентерии, он наблюдал лизис бактериальной культуры при внесении в нее фильтрата испражнений больных людей. Лизирующее начало сохранялось при многократном пассировании культуры дизентерийных бактерий и даже становилось более активным.

Агент, растворяющий бактерии, ученый называл бактериофагом («пожиратель» бактерий от лат. phagos пожирающий), а действие бактериофага, заканчивающееся лизисом бактерий, феноменом бактериофагии. Вместе с тем Д’Эрелль правильно оценил биологический смысл открытого им феномена. Он высказал предположение, что бактериофаг является инфекционным агентом, лизирующим бактерии, вследствие чего в окружающую среду поступают дочерние фаговые частицы.

Номенклатура бактериофагов основана на видовом наименовании хозяина. Например, фаги, лизирующие дизентерийные бактерии, получили название дизентерийных бактериофагов, сальмонеллы сальмонеллезных бактериофагов, дифтерийные бактерии дифтерийных бактериофагов и т. д. В истории микробиологии изучение феномена бактериофагии занимает особое место.

Простота культивирования, короткий период генерации, высокий выход фагового потомства и возможность точного его количественного учета способствовали успешному изучению многих проблем молекулярной генетики и общей вирусологии. В частности, в системе «фаг бактериальная клетка» впервые было открыто явление лизогении, получившее позднее название интегративной инфекции. Структура. Фаги состоят из головки и хвоста (отростка), по форме напоминают сперматозоид. У некоторых фагов отросток очень короткий или совсем отсутствует. Размеры фагов варьируют от 20 до 200 нм: диаметр головки достигает обычно 60-95 нм, длина отростка 250 нм, ширина 10-25 нм.

В головке фага находится нуклеиновая кислота, окруженная белковой оболочкой (капсидом). Размеры молекулы ДНК во много раз превышают величину самого фага. Наиболее изучены фаги кишечной палочки, имеющие сложное строение (рис. 8). Они состоят из головки, хвоста (отростка) и базальной пластинки с отходящими от нее нитями. Головка имеет вид многогранника (кубический тип симметрии), отросток представляет собой полую жесткую трубку, окруженную чехлом с капсомерами спирального типа укладки. Базальная пластинка и нити осуществляют процесс адсорбции фага на бактериальной клетке.