Рост и размножение бактерий
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
бак-
тернями, размножаются путем фрагментации нитевидных клеток. Грамположительные бактерии
делятся путем врастания синтезирующихся перегородок деления внутрь клетки, а
грамотрицатель-ные . путем перетяжки, в результате образования гантелевид-ных фигур, из
которых образуются две одинаковые клетки (рис. 3.1; см. рис. 2.2).
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
хромосомной ДНК осуществляется от начальной точки огі (от англ, origin . начало).
Хромосома бактериальной клетки связана в области огі с цитоплазматической мембраной.
Репликация ДНК катализируется ДНК-полимеразами. Сначала происходит раскручивание
(деспирализация) двойной цепи ДНК, в результате чего образуется репликативная вилка
(разветвленные цепи); одна из цепей, достраиваясь, связывает нуклеоти-ды от 5'- к З'-
концу, другая . достраивается посегментно.
Репликация ДНК происходит в три этапа: инициация, элонгация, или рост цепи, и
терминация. Образовавшиеся в результате репликации две хромосомы расходятся, чему
способствует увеличение размеров растущей клетки: прикрепленные к цитоплазматической
мембране или ее производным (например, ме-зосомам) хромосомы по мере увеличения объема
клетки удаляются друг от друга. Окончательное их обособление завершается образованием
перетяжки или перегородки деления. Клетки с перегородкой деления расходятся в результате
действия аутоли-тических ферментов, разрушающих сердцевину перегородки деления. Аутолиз
при этом может проходить неравномерно: делящиеся клетки в одном участке остаются
связанными частью кле-
точной стенки в области перегородки деления. Такие клетки располагаются под углом друг к
другу, что характерно для дифтерийных коринебактерий.
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:
А лаг-фаза;
. фаза логарифмического роста;
. фаза стационарного роста, или максимальной концентрации
бактерий; А фаза гибели бактерий.
Эти фазы можно изобразить графически в виде отрезков кривой размножения бактерий,
отражающей зависимость логарифма числа живых клеток от времени их культивирования (рис.3.2). Л а г-фаза (от англ, lag . запаздывание) . 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 ра- ' нимы, что
объясняется высокой чувствительностью компонен- I тов 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 І 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; см. главу 5), различной консистенции и цвета, зависящего
от пигмента бактерий.
Пигменты, растворимые в воде, диффундируют в питательную среду и окрашивают ее, например
синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) окрашивает среду в синий цвет. Другая
группа пигментов нерастворима в воде, но растворима в органических растворителях. Так,
колонии ²чудесной палочки⌡ имеют кроваво-красный пигмент, растворимый в спирте. 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 перок-сидазами защищают микроорганизмы от воздействия токсичных перекисных радикалов кислорода. Многие пигменты обладают антимикробным, антибиотикоподобным действием.
Вид, форма, цвет и другие особенности колоний на плотной питательной среде могут
учитываться при идентификации бактерий, а также отборе колоний для получения чистых
культур.
В промышленных условиях при получении биомассы микроор-
ганизмов с целью приготовления антибиотиков, вакцин, диагностических препаратов,
эубиотиков культивирование бактерий и грибов осуществляют в ферментерах при строгом
соблюдении оптимальных параметров для роста и размножения культур (см. главу 6).
3.5. Взаимодействие вируса с клеткой
Известны три типа взаимодействия вируса с клеткой:
. продуктивный тип, завершающийся образованием вирусного потомства;
. абортивный тип, не завершающийся образованием новых вирусных частиц, поскольку
инфекционный процесс прерывается на одном из этапов;
. интефативный тип, или вирогения, характеризующийся встраиванием вирусной ДНК в
хромосому клетки-хозяина.
3.5.1. Продуктивный тип взаимодействия (репродукция вирусов)
Репродукция вирусов (от англ, reproduce . воспроизводить) осуществляется в несколько
стадий, последовательно сменяющих друг друга:
А адсорбция вируса на клетке;
А проникновение вируса в клетку;
А ²раздевание⌡ вируса;
А биосинтез вирусных компонентов в клетке;
А формирование вирусов;
А выход вирусов из клетки (рис. 3.3).
Адсорбция. Взаимодействие вируса с клеткой начинается с процесса адсорбции, т. е.
прикрепления вирусов к поверхности клетки. Это высокоспецифический процесс. Вирус
адсорбируется на определенных участках клеточной мембраны . так называемых рецепторах.
Клеточные рецепторы могут иметь разную химическую природу, представляя собой белки,
углеводные компоненты белков и липидов, липиды. Число специфических рецепторов на
поверхности одной клетки колеблется от 104 до 105. Следовательно, на клетке могут
адсорбироваться десятки и даже сотни вирусных частиц.
Поверхностные структуры вируса, ²узнающие⌡ специфические клеточные рецепторы и
взаимодействующие с ними, называются прикрепительными белками. Обычно эту функцию
выполняет один из поверхностных белков капсида или суперкапсида. Со-nTDaT/vraup /VOMIT
пементаоность) клеточных рецепторов вирусным
прикрепительным белкам имеет значение для возникновения инфекционного процесса в клетке.
Способность вирусов избирательно поражать определенные клетки органов и тканей организма
называют тропизмом вирусов (от греч. tropos . направление).
Проникновение в клетку. Существует два способа проникновения вирусов животных в клетку:
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. По-видимому, оба механизма проникновения вируса в
клетку не исключают, а дополняют друг друга.
²Раздевание⌡. Процесс ²раздевания⌡ заключается в удалении защитных вирусных оболочек и
освобождении внутреннего компонента вируса, способного вызвать инфекционный
процесс. ²Раздевание⌡ вирусов происходит постепенно, в несколько эта-
тл
пов, в определенных участках цитоплазмы или ядра клетки, для чего клетка использует
набор специальных ферментов. В случае проникновения вируса путем слияния вирусной
оболочки с клеточной мембраной процесс проникновения вируса в клетку сочетается с первым
этапом его ²раздевания⌡. Конечными продуктами ²раздевания⌡ являются сердцевина,
нуклеокапсид или нуклеиновая кислота вируса.
Биосинтез компонентов вируса. 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 хорошо
известными из биологии процессами транскрипции (от лат.transcriptio . переписывание,
т.е. синтез информационных РНК . иРНК, комплементарных матричным ДНК или РНК),
трансляции (от лат. translatio . передача, т. е. синтез белков на рибосомах клетки с
участием иРНК) и репликации (от лат. replicatio . повторение, т. е. синтез молекул
нуклеиновой кислоты, гомологичных геному). Поскольку генетический аппарат вирусов
достаточно разнообразен, то передача наследственной информации в отношении синтеза иРНК
различна. Основные схемы реализации вирусной генетической информации могут быть
представлены следующим образом:
. для ДНК-содержащих вирусов: ДНК вируса -> иРНК -> белок вируса;
. для РНК-содержащих минус-нитевых вирусов: РНК вируса ->
иРНК -⌡ белок вируса;
. для РНК-содержащих плюс-нитевых вирусов: РНК вируса ->
белок вируса;
. для РНК-содержащих ретровирусов: РНК вируса -⌡ комплементарная ДНК -> иРНК -> белок
вируса.
Для синтеза иРНК одни вирусы используют клеточные ферменты, другие . собственный набор ферментов (полимераз).
Вирусная нуклеиновая кислота кодирует синтез двух классов белков: неструктурных белков-
ферментов, которые обслуживают процесс репродукции вирусов на разных его этапах, и
структурных белков, которые войдут в состав вирусных частиц потомства.
Синтез компонентов вируса (белков и нуклеиновых кислот) разобщен во времени и
пространстве, т. е. протекает в разных структурах ядра и цитоплазмы клетки. Вот почему
этот уникальный способ размножения вирусов называется дисыонктивным (от лат. disjunctus . разобщенный).
Формирование (сборка) вирусов. Синтезированные вирусные нуклеиновые кислоты и белки
обладают способностью специфи- I чески ²узнавать⌡ друг друга и при достаточной их
концентра- I ции самопроизвольно соединяются в результате гидрофобных, со- 1 левых и
водородных связей.
Существуют следующие общие принципы сборки вирусов, I имеющих разную структуру:
. формирование вирусов является многоступенчатым процессом і с образованием
промежуточных форм;
. сборка просто устроенных вирусов заключается во взаимодействии молекул вирусных
нуклеиновых кислот с капсидными I белками и образовании нуклеокапсидов (например, вирусы
I полиомиелита). У сложно устроенных вирусов сначала формируются нуклеокапсиды, с
которыми взаимодействуют белки | суперкапсидных оболочек (например, вирусы гриппа);
. формирование вирусов происходит не во внутриклеточной жидкости, а на ядерных или
цитоплазматических мембранах клетки;
. сложно организованные вирусы в процессе формирования включают в свой состав
компоненты клетки-хозяина (липи- < ды, углеводы).
Выход вирусов из клетки. Различают два основных типа выхода вирусного потомства 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. I Второй тип . почкование. Он присущ
вирусам, имеющим суперкапсиднуїе 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 ²почка⌡, содержащая нуклеокапсид. Затем ²почка⌡ отделяется от клетки. Таким
образом, внешняя оболочка этих вирусов формируется в процессе их выхода из клетки. При
таком механизме клетка может продолжительное время продуцировать вирус, сохраняя в той или иной мере свои основные функции.
Время, необходимое для осуществления полного цикла репродукции вирусов, варьирует от 5.6 ч (вирусы гриппа, натуральной оспы и др.) до нескольких суток (вирусы кори, аденовирусы и др.). Образовавшиеся вирусы способны инфицировать новые клетки и проходить в них указанный выше цикл репродукции.
3.5.2. Интвгративный тип взаимодействия (вирогения)
Интегративный тип взаимодействия (вирогения) характеризуется встраиванием (интеграцией) нуклеиновой кислоты вируса в хромосому клетки. При этом вирусный геном реплицируется и функционирует как составная часть клеточного генома.
Интеграция вирусного генетического материала с ДНК клетки характерна для определенных
групп вирусов: бактериофагов, опухолеродных (онкогенных) вирусов, некоторых инфекционныхвирусов (вирус гепатита В, аденовирус, ВИЧ). Для интеграции с хромосомой клетки необходима кольцевая форма двунитчатой вирусной ДНК. У ДНК-содержащих вирусов (вирус гепатита В) их ДНК обладает свойством встраиваться в геном клетки при участии ряда ферментов. У некоторых РНК-содержащих вирусов (ВИЧ, онкогенные вирусы) процесс интеграции более сложный и является обязательным в цикле их репродукции. У этих вирусов сначала на матрице РНК с помощью вирусспецифического фермента обратной транскриптазы (ревертазы) синтезируется ДНК-копия (кДНК), которая затем встраивается в ДНК клетки. ДНК вируса, находящаяся в составе хромосомы клетки, называется ДНК-провирусом. При делении клетки, сохраняющей свои нормальные функции, ДНК-провирус переходит в геном дочерних клеток, т.е. состояние вирогении наследуется.
ДНК-провирус несет дополнительную генетическую информацию, в результате чего клетки
приобретают ряд новых свойств. Так, интеграция может явиться причиной возникновения ряда аутоиммунных и хронических заболеваний, разнообразных опухолей. Под воздействием ряда физических и химических факторов ДНК-провирус может исключаться из клеточной хромосомы и переходить в автономное состояние, что ведет к репродукции вируса.