Объясните в чем особенности проникновения бактериофага в бактериальную клетку
Морфология бактериофагов и особенности их взаимодействия с бактериальной клеткой
Бактериофаги («пожиратели бактерий») – это вирусы бактерий. Размеры такие же, как у вирусов, – 20 – 200 нм. Как и вирусы, бактериофаги проходят через бактериальные фильтры и размножаются только в живых клетках. Бактериофаги в природе находятся там, где бактерии: в воде, почве, молоке, в организме людей и животных.
С помощью электронного микроскопа показано, что большинство бактериофагов имеют форму головастика или сперматозоида. Они состоят из головки и хвостового отростка. Отросток – стержень с чехлом. Стержень заканчивается шестиугольной пластинкой с короткими шипами, от которых отходят фибриллы. Чехол может сокращаться. Внутри головки находится ДНК. ДНК окружена капсидом. В отростке находятся ферменты – лизоцим и АТФаза. Они участвуют в проникновении фага в клетку.
Взаимодействие бактериофага с бактериальной клеткой называется бактериофагией. Стадии взаимодействия фага с клеткой такие же, как и у вирусов: адсорбция, проникновение в клетку, синтез нуклеиновых кислот и белков, морфогенез, выход из клетки. Но имеются особенности. Фаги обладают строгой специфичностью взаимодействия. Определенный фаг взаимодействует с определенным видом или даже подвидом бактерий. По этому название бактериофагов такие же, как видовые или родовые названия тех бактерий, с которыми они взаимодействуют. Например, стафилофаги, дизентерийные фаги и т.д.
Интересен процесс проникновения фагов с хвостовыми отростками в клетку. Эти фаги адсорбируются при помощи фибрилл, сокращается чехол (при помощи АТФазы), и стержень внедряется в клетку (при помощи фермента лизоцима). ДНК проходит через стержень в цитоплазму клетки. Капсид и отросток остаются вне клетки. Через 5 минут начинается синтез нуклеиновых кислот и белков, а через 30-40 минут бактериальная клетка разрушается (лизируется). В окружающую среду выходит около 200 новых фаговых частиц.
Явление бактериофагии можно обнаружить при выращивании бактерий на жидких и плотных питательных средах. На жидких средах при действии фагов наблюдается просветление жидкости с бактериальной культурой. . На твердых средах на фоне сплошного роста бактерий образуются стерильные пятна круглой или неправильной формы. Они образуются на месте разрушения (лизиса) бактерий. Это «негативные колонии» бактериофага.
Различают: а) поливалентные фаги – взаимодействуют с родственными видами бактерий; б) моновалентные – взаимодействуют с одним определенным видом; в) типовые фаги – взаимодействуют с отдельными вариантами (типами) данного вида бактерий.
Фаги делятся на вирулентные и умеренные. Вирулентные фаги проникают в клетку, размножаются в ней и вызывают ее лизис. Умеренные фаги проникают в клетку и встраиваются в хромосому бактерии. Лизис при этом не происходит. Встроенный в хромосому бактерии фаг называется профагом. Бактериальные клетки, содержащие профаг, называются лизогенными, а само явление – лизогения. Лизогенные бактерии имеют дополнительные свойства (образование токсинов и др). Изменение свойств называется фаговой конверсией. Под влиянием УФ лучей и химических веществ профаг может превращаться в вирулентный фаг. Это явление называется индукцией фага.
Умеренные фаги – мощный фактор изменчивости микроорганизмов и могут нанести вред микробиологическому производству
Получение и применение бактериофагов.Для получения препаратов бактериофагов используют проверенные производственные штаммы фагов и соответствующие им типичные культуры бактерий. В бактериальную культуру в жидкой питательной среде вносят маточную взвесь фага. После просветления (лизиса) культуру фильтруют через бактериальные фильтры, и фильтрат вносят в свежую культуру соответствующих бактерий и т.д. После накопления достаточного количества фага лизированную им культуру бактерий вновь фильтруют, и получают препарат фага.
Применение фагов основано на их строгой специфичности. Они используются для:
а) диагностики инфекционных заболеваний (диагностические препараты): с помощью известного фага можно определить вид или подвид бактериальной культуры;
б) лечения и профилактики заболеваний (лечебно-профилактические препараты).
Что такое бактериофаги
Поделиться:
Инфекционные заболевания были бичом человечества до того момента, как начали появляться антибактериальные препараты. Обычно новую эру связывают с именем Флеминга и пенициллином. Однако на десять лет раньше было сделано открытие, которое, возможно, еще пригодится всем нам в будущем.
Убить убийцу
Говорят, война — это всегда огромный скачок в развитии хирургии. На самом деле не только: военные действия нередко способствовали продвижению онкотерапии и терапии инфекционных болезней.
Читайте также:
Медицина в годы ВОВ
Читайте также: Во время 1-й мировой войны канадский врач Феликс Д’Эррель изучал вспышку дизентерии среди солдат-французов. Это неприятное кишечное заболевание вызывается бактериями рода Shigellа, которых легко можно выделить из стула больных.
Врач заинтересовался случаем одного солдата, который полностью выздоровел, причем раньше, чем появилось улучшение у других, кого начали лечить одновременно с ним. Взяв у него пробы стула, Д’Эррель не обнаружил бактерий — что-то загадочное убило их.
Исследователь отфильтровал свой «материал», пропустив его через фильтр с настолько мелкими порами, что через них не могла бы пройти ни одна бактерия или какие-нибудь частицы испражнений. В полученный раствор врач добавил готовую культуру бактерий, взятых от другого больного, высадил все это в чашку Петри и стал ждать.
Профилактика и лечение острых кишечных инфекций
Через некоторое время начался рост бактериальной культуры, однако колонии были разорванными — словно что-то неведомое разъедало их изнутри. Взяв мазки из «пустых» областей, Д’Эррель добавил их в «хорошие», здоровые колонии шигелл — и в них тоже образовались пустоты.
Практика, обогнавшая теорию
Поскольку к этому моменту наш соотечественник Дмитрий Ивановский уже открыл вирусы, Д’Эррель предположил, что невидимый глазу убийца бактерий относится именно к ним. Понимая важность своего открытия, исследователь дал вирусам, поражающим бактерии, отдельное имя — бактериофаги.
Увидеть фагов удалось только после изобретения электронного микроскопа, а выяснить, чтó именно происходит при их контакте с бактериями, — и того позже. Поэтому в течение многих лет идея Д’Эрреля отвергалась значительной частью ученых, которым было трудно представить себе вирус, поражающий бактерию, но не причиняющий вреда человеку. К тому же опыты канадца удавалось повторить не всем и не всегда.
Однако врач, не дожидаясь никаких теоретических подтверждений своего открытия, перешел к практике. Он не мог, имея в руках лекарство, видеть умирающих людей — и принялся лечить солдат фаговым раствором. Правда, сперва Д’Эррель убедился в его безвредности традиционным для таких энтузиастов способом: сперва пил бактериофаг, затем впрыскивал себе под кожу.
Естественное против искусственного
Выяснив, что для человека бактериофаг совершенно не опасен, Д’Эррель вылечил многих пациентов, что принесло ему известность. Его исследования даже стали основой для художественного романа «Эрроусмит», позднее экранизированного Голливудом. Фаговые лекарства успешно производились и применялись — но уже в 40-х годах энтузиазм начал угасать.
Причиной этого стало открытие Флемингом пенициллина и появление большого числа антибиотиков. Врачи настороженно относились к идее лечения людей с помощью вирусов, а тут у них появилась альтернатива. Антибиотики — химические вещества, полученные искусственно, — не были живыми и казались медикам более надежными. Фармацевтические компании уловили настроения врачебного сообщества и, прекратив выпуск фагов, принялись множить антибиотики.
Бактериофаги сегодня
В наше время, когда антибиотикорезистентность является глобальной и очень опасной проблемой, бактериофаги снова заинтересовали ученых.
У них есть свои недостатки — например, не просто узкий, а суперузкий спектр действия: каждый фаг «умеет» убивать только один штамм бактерий — даже не вид, а штамм. Из-за этого, кстати, и проваливались регулярно попытки повторить эксперименты Д‘Эрреля: дизентерия в двух разных частях армии, идентичная по симптомам и течению, могла быть вызвана разными «вариантами» шигелл.
Однако эту проблему сегодня может решить постепенное распространение такого диагностического метода, как полимеразная цепная реакция (ПЦР), которая точно определит штамм бактерии.
Бактериофаги не могут проникать через стенку клетки, поэтому они пока бессильны против тех возбудителей, которые паразитируют внутриклеточно. «Пока» — потому что активные исследования в этом направлении, возможно, помогут фагам пробираться в самые потаенные места.
А вот среди плюсов бактериофагов с ходу можно выделить два: во-первых, они совершенно безвредны для человека, поскольку вообще никак не взаимодействуют с его организмом — только с бактериями.
И, во-вторых, бактерий они убивают не всех, а значит, не имеют традиционного недостатка применения антибиотиков — возникновения дисбиоза. Так что сегодня бактериофаги стали перспективной областью — и в каком-то смысле новой надеждой человечества.
Товар по теме: [product strict=»(бактериофаг»](бактериофаг)
Бактериофаги
БАКТЕРИОФАГИ КАК АЛЬТЕРНАТИВА АНТИБИОТИКАМ В ЛЕЧЕНИИ ИНФЕКЦИЙ
Бактериофаги — вирусы бактерий, естественные микроорганизмы, которые, размножаясь внутри бактериальной клетки, ведут к ее быстрой гибели.
Из истории открытия
В 1896 году английский бактериолог Э. Ханкин, исследуя антибактериальное действие воды индийских рек, пришел к выводу о существовании агента, проходящего через бактериальные фильтры и вызывающего лизис холерных вибрионов. Российский микробиолог Н. Ф. Гамалея в 1897 году наблюдал лизис бацилл сибирской язвы. Однако первой научной публикацией о фагах стала статья английского микробиолога Ф. Туорта, в которой он в 1915 году описал инфекционное поражение стафилококков, значительно изменявшее морфологию колоний. В 1917 году канадский бактериолог Ф. Д’Эрелль независимо от Туорта сообщил об открытии вируса, «пожирающего» бактерии — бактериофага.
Интересный факт: при нанесении бактериофага на влажные слизистые он за 20 минут очищает их от определенного вида бактерий, например от стафилококка. Так быстро не работает ни один антибиотик.
Действие бактериофагов отличается от действия антибиотиков:
В лаборатории KDL предлагается 2 варианта посевов на флору с определением чувствительности выделенной культуры микроорганизма к препаратам бактериофагов и разным наборам антибиотиков в зависимости от ситуации пациента (выбирает врач), например:
Какие инфекции можно лечить бактериофагами:
Возбудителями этих инфекций могут быть такие бактерии, как золотистый стафилококк, синегнойная палочка, патогенные формы кишечной палочки, сальмонеллы, стрептококки.
В Новосибирском научном центре технологии персонализированного лечения бактериофагами в большой коллекции бактериофагов есть уникальные штаммы, способные бороться с недавно появившимися и уже получившими широкое распространение возбудителями больничных инфекций, такими как грамотрицательные бактерии Acinetobacter baumanii, Stenotrophomonas maltophilia и др.
Последние годы ознаменовались широкими исследованиями бактериофагов из-за нарастающей проблемы антибиотикорезистентности микроорганизмов, которые находят всё новые применения не только в терапии и профилактике, но и в биотехнологиях. Их очевидным практическим результатом должно стать возникновение нового мощного направления персонализированной медицины, а также создание целого спектра технологий в пищевой промышленности, ветеринарии, сельском хозяйстве и в производстве современных материалов. Мы ждем, что второе столетие исследований бактериофагов принесет не меньше открытий, чем первое.
Объясните в чем особенности проникновения бактериофага в бактериальную клетку
Подробное решение страница стр.189 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Захаров В.Б., Мамонтов С.Г. Углубленный уровень 2015
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ
Вопрос 1. Как устроены вирусы?
Вирусы — это неклеточная форма жизни. Они имеют очень простое строение. Каждый вирус состоит из нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК) и белка. Нуклеиновая кислота представляет собой генетический материал вируса; она окружена защитной оболочкой — капсидом. Капсид состоит из белковых молекул и обладает высокой степенью симметрии, имея, как правило, спиральную или многогранную форму. Кроме нуклеиновой кислоты внутри капсида могут находиться собственные ферменты вируса. Некоторые вирусы (например, вирус гриппа и ВИЧ) имеют дополнительную оболочку, образованную из клеточной мембраны хозяина.
Вопрос 2. Чем простые вирусы отличаются от сложных?
Простые вирусы представляют собой нуклеопротеиды, т. е. состоят из одной нуклеиновой кислоты ДНК или РНК и нескольких белков, образующих оболочку вокруг нуклеиновой кислоты. Белковая оболочка вируса называется капсидом. Примером такого вируса может служить вирус табачной мозаики. Его капсид содержит один белок с низкой молекулярной массой.
Вопрос 3. Каков принцип взаимодействия вируса и клетки?
Вирусы являются внутриклеточными паразитами. Проникновение вирусов в клетку основано на рецепторных механизмах взаимодействия.
Участок поверхности клеточной мембраны, к которому прикрепляется вирус, погружается а цитоплазму и превращается в вакуоль, которая может сливаться с ядерной мембраной.
Выход вирусных частиц в окружающую среду может сопровождаться разрушением клетки.
Вопрос 4. Как вирус проникает в клетку?
Вирус связывается с поверхностью клетки-хозяина, а затем проникает внутрь целиком (эндоцитоз) или вводит в клетку свою нуклеиновую кислоту с помощью специальных механизмов. Например, бактериофаги «садятся» на клеточную мембрану бактерии-хозяина, а затем «выворачиваются наизнанку», высвобождая нуклеиновую кислоту внутрь бактерии. Некоторые вирусы содержат внутри капсида ферменты, растворяющие защитные оболочки клетки-хозяина.
Вопрос 5. Укажите особенности взаимодействия бактериофага с бактериальной клеткой.
Проникновение бактериофагов в бактериальную клетку имеет некоторые особенности, так как бактериальные клетки имеют толстую клеточную стенку, вирус не может проникнуть в цитоплазму путем впячивания мембраны. Поэтому бактериофаг вводит полый стержень в клетку и через него выталкивает нуклеиновую кислоту в цитоплазму. Геном бактериофага попадает в клетку.
Вопрос 6. В чём проявляется действие вирусов на клетку?
Генетический материал вируса взаимодействует с ДНК хозяина таким образом, что клетка сама начинает синтезировать необходимые вирусу белки. Одновременно происходит копирование нуклеиновых кислот паразита. Через некоторое время в цитоплазме хозяина начинается самосборка новых вирусных частиц. Эти частицы покидают клетку постепенно, не вызывая ее гибели, но изменяя работоспособность, либо выходят одновременно в большом количестве, что приводит к разрушению клетки.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ
Вопрос 1. Чем горизонтальный путь передачи вирусной инфекции отличается от вертикального? Приведите примеры.
Различают механизм передачи возбудителя инфекции горизонтальный и вертикальный. Горизонтальный– это механизм передачи, связанный с выходом возбудителя во внешнюю среду. Он свойственен большинству инфекционных болезней. Горизонтальный путь передачи инфекций может быть осуществлен во время хирургической операции, проведении противоэпизоотических мероприятий через инструменты и предметы, контаминированные микробами (так называемые ятрогенные инфекции).
Вертикальный – это механизм передачи возбудителя от родителей потомству через плаценту, с молоком, через яйцеклетку. Этот механизм свойственен чаще вирусным инфекциям, например, лейкоз, инфекционный ринит свиней, встречается и при бактериозах – сальмонеллезе, пуллорозе, колибактериозе, микоплазмозе.
Вопрос 2. Как происходит синтез вирусных белков и упаковка новых вирусных частиц?
Процессы синтеза компонентов РНК-вирусов происходят после проникновения нуклеопротеидов (вирионов) в клетку, где образуются вирусные полисомы путем комплексирования вирусной РНК с рибосомами. Затем синтезируются ранние белки: репрессоры клеточного метаболизма и РНК-полимеразы, транслируемые с родительской молекулой вирусной РНК. В цитоплазме мелких вирусов или в ядре (вирусы гриппа) образуется двунитчатая вирусная РНК путем комплексирования родительской «плюс»-цепочки с вновь синтезированной и комплементарной ей «минус»-цепочкой. Соединение этих нитей нуклеиновой кислоты обусловливает образование однонитчатой структуры РНК, называемой репликативной формой (РФ), которая устойчива к РНК-азе и необходима для репродукции всех РНК-вирусов. Синтез вирусной РНК осуществляется реплекативным комплексом, в котором участвуют фермент РНК-полимеразы, полисомы, репликативная форма РНК. Существуют два типа РНК-полимераз: РНК-полимераза I катализирует образование репликативной формы на матрице «плюс»-цепочки; РНК-полимераза II участвует в синтезе вирусной однонитчатой РНК на матрице репликативной формы. Синтез нуклеиновой кислоты у мелких вирусов осуществляется в цитоплазме. У вируса гриппа в ядре синтезируются РНК и внутренний белок. РНК выходит из ядра и поступает в цитоплазму, где с рибосомами синтезирует вирусный белок, и образующийся рибонуклеопротеид входит в химический состав вириона.