Строение и химический состав вирионов

 

2.Бактерии.

 

Бактерии широко распространённая в природе группа одноклеточных  микроорганизмов с примитивной  формой клеточной организации. Интенсивное  изучение биологических свойств бактерий и их роли в биосфере началось в середине 19 в., когда появились работы французского учёного Л. Пастера, немецкого учёного Р. Коха и английского учёного Д. Листера.

 

Большинство бактерий не имеют хлорофилла, то есть они не используют солнечную энергию в процессе обмена веществ, а получают энергию в результате химических превращений неорганических или органических соединений, имеющихся в среде их обитания. Бактерии широко распространены в природе: их находят в почве, в воде, в растениях, в организме человека и животных. Они могут существовать в самых разных условиях, часто неблагоприятных для жизни других организмов. Бактерии играют огромную роль в формировании биосферы, в поддержании жизни на нашей планеты, участвуя в круговороте энергии и веществ в природе.

 

Среди бактерий имеется относительно небольшое видов, способных вызывать болезни человека, животных и растений. Потенциальная способность бактерий вызывать инфекционные заболевания  называется болезнетворностью, или  патогенностью. Некоторые бактерии являются условно патогенными, так как их болезнетворность зависит от ряда условий, в первую очередь от сопротивляемости организма, в котором эти бактерии находятся.

 

2.1 Строение бактерий.

 

По форме  бактерии делятся на три группы: шаровидные (кокки), палочковидные (бактерии и бациллы) и извитые (вибрионы, спириллы). Размеры палочковидных бактерий могут быть от 1 до 8 микрометров (мкм) в длину и от 0,5 до 2 мкм в ширину; средний диаметр шаровидных 0,5мкм (1 мкм равен тысячной доле миллиметра). Основные структурные элементы бактериальной клетки: оболочка, цитоплазма, нуклеоид (рис. 4). Содержимое её телапротоплазма представляет собой желеобразный, вязкий раствор, в котором растворены различные органические и неорганические соединения и находится множество мелких гранул.

 

Протоплазма, окруженная тонкой эластичной мембраной, образует протопласт. Толщина мембраны 7 0 нанометров (1 нм равен миллионной доли миллиметра). Её основной компонент  сложные вещества, состоящие из белков и жиров. Цитоплазматическая мембрана выполняет функцию молекулярного "сита": пропуская воду и небольшие молекулы некоторых жирорастворимых веществ, она не пропускает другие низкомолекулярные соединения, что поддерживает стабильность химического состава протоплазмы и защищает бактериальную клетку от попадания в неё вредных веществ.

 

Снаружи цитоплазматическая мембрана окружена клеточной стенкой, обеспечивающей постоянство форы бактерии. Эта стенка толще мембраны (10 5 нм) и значительно прочнее её. Она  имеет эластичные поры диаметром 1 нм, через которые свободно протекают относительно крупные молекулы. Целостность клеточной стенки обеспечивает нормальную жизнедеятельность бактерии. Её ослабление или разрушение приводит к проникновению в бактериальную клетку воды из окружающей среды, её набуханию, а затем к разрыву цитоплазматической мембраны и вытеканию содержимого протоплазмы. Этот процесс разрушения бактерии называется лизисом. Основной компонент стенки сложное соединение пептидогликан, молекулы которого связаны друг с другом с помощью белковых мостиков и образуют полимерную структуру.

 

Кроме цитоплазматической мембраны и клеточной стенки, многие бактерии окружены капсулой толщиной 0,2 мкм, представляющей собой относительно плотный, желатинообразный материал, непосредственно  прилегающей к клеточной стенки. Главный химический компонент капсулы полисахарид. Есть основание считать, что капсула защищает клетку от действия антибактериальных агентов, способных повредить её стенку. У некоторых патогенных бактерий (возбудителей сибирской язвы и чумы) капсула содержит вещества, защищающие бактериальную клетку от фагоцитоза. Следовательно, капсулу у некоторых бактерий можно рассматривать как один из факторов, определяющих их болезнетворность. В отличие от клеток высших организмов в бактериальной клетке отсутствует дифференцируемое ядро, отделённое от цитоплазмы ядерной мембраной. Его функции осуществляет находящийся в протоплазме нуклеоид, представляющий собой замкнутую в кольцо двунитчатую спираль молекулу дезоксирибонуклеиновой кислоты ДНК, свёрнутую в виде клубка. Функция молекулы ДНК бактерий аналогична функции хромосомы клеток высших организмов, то есть в ней сосредоточена генетическая информация данной бактерии. Ядерное вещество легко обнаруживается при электронной микроскопии ультратонких срезов бактерий. В цитоплазме бактерии находится до 10 тысяч рибосом, представляющих собой мелкие гранулы диаметром около 20 нм, с помощью которых в бактериальной клетке осуществляется синтез белка. В ней содержатся также различные включения (жиры, крахмал, гликоген, сера)запас питательных веществ, используемых бактерией.

 

Многие  бактерии способны активно двигаться  с помощью жгутиков, своеобразных органов движения. Число жгутиков на поверхности клетки колеблется от 1 до нескольких десятков. Способность  бактерий к активному движению, вероятно, помогает им быстрее поглощать вещества в жидкой среде обитания. Есть доказательства, что многие бактерии двигаются в сторону тех участков среды, где имеются наиболее благоприятные условия для их существования, и удаляются от участков, в которых находятся вещества, вредно действующие на них. Подвижные бактерии нуждаются в кислороде , двигаются к поверхности среды месту наивысшей концентрации растворимого кислорода. Можно предположить, что активное движение помогает патогенным бактериям проникать через вязкие, слизистые секреты, эпителиальные барьеры и распространяться в жидкостях и тканях организма.

 

2.2Размножение  бактерий.

 

Большинство бактерий размножаются путём деления, которому предшествует рост бактерии, то есть увеличение массы её клетки. Обычно палочковидные бактерии в длину увеличиваются в двое, и после достижения ими определённого размера посередине клетки возникает поперечная перегородка, состоящая из цитоплазматической мембраны и клеточной стенки. Такой способ деления называется поперечным. Образовавшиеся дочерние клетки по своим свойствам полностью подобны материнской клетке, из которой они возникли.

 

Для того чтобы бактерии могли расти  и размножатся, среда их обитания должна содержать необходимые источники  углерода, азота, энергии, определённой солевой набор, иметь оптимальную температуру. Для большинства патогенных бактерий она равна 37я5о . В лабораторных условиях для выращивания бактерий используют искусственные субстраты, так называемые питательные среды. Скорость размножения бактерий в этих средах очень велика. Примерно каждые 20 минут бактерия делится, давая две дочерние клетки. Следовательно, из одной клетки, культивируемой в хорошей питательной среде, через 10 часов образуется 1 млд. потомков. Если бы процесс размножения в питательной среде не был ограничен, то через 24 часа число потомков одной бактерии равнялось 10я521клеток, а их масса составила бы примерно 4000 тонн. В действительности же в питательной среде высокая скорость деления клеток наблюдается лишь небольшой период времени с момента внесения в неё бактерии. Это происходит потому, что очень быстро истощаются питательные вещества среды и в ней накапливаются продукты обмена, неблагоприятно действующие на бактерии. Скорость размножения патогенных бактерий в организме значительно меньше, чем в искусственной питательной среде.

 

2.3 Физиология бактерий.

 

По химическому составу бактерии не отличаются от клеток других организмов. Бактериальная клетка содержит 70 5% воды. Около 90% сухого остатка составляют высокомолекулярные соединения: нуклеиновые кислоты (10%), белки (40%), полисахариды (15%), пептидогликан (10%) и липиды (15%); остальные 10% приходятся на моносахара, аминокислоты, азотистые основания, неорганические соли и другие низкомолекулярные соединения. Во всех процессах жизнедеятельность бактерий, как и других организмов, участвуют многочисленные ферменты. Одни из них (эндоферменты) функционируют только внутри клетки, обеспечивая процессы синтеза, дыхания и тому подобное. Другие (экзоферменты) выделяются бактериями в окружающую среду. Необходимые бактериям высокомолекулярные соединения синтезируются из небольших молекул, проникающих в клетку через цитоплазматическую. мембрану Белки, полисахариды, липиды могут быть использованы бактерией как источник питания лишь после их расщепления экзоферментамидо аминокислот, моносахаров и др.

 

Для нормальной жизнедеятельности  бактерия должна быть обеспечена источниками  углерода и азота. Одни виды бактерий (афтотрофы) используют неорганический углерод, другие (гетеротрофы), в число  которых входят и патогенные бактерии, используют органические соединения. Гетеротрофные бактерии в свою очередь разделяются на сапрофитов, питающихся органическими соединениями внешней среды, и паразитов, живущих за счёт другого организма. Различные бактерии неодинаково относятся к наличию или отсутствию свободного кислорода. По этому признаку они делятся на три группы: аэробы, анаэробы и факультативные анаэробы. Строгие аэробы, например синегнойная палочка, могут развиваться лишь при наличии свободного кислорода. Анаэробы, например возбудители газовой гангрены, столбняка, развиваются без доступа свободного кислорода, присутствие которого угнетает их жизнедеятельность. Наконец, факультативные анаэробы, например возбудители кишечных инфекций, развиваются как в кислородной, так и в бескислородной среде. Аэробность или анаэробность бактерий обусловливается способом получения ими энергии, необходимой для обеспечения процессов жизнедеятельности. Некоторые бактерии (фотосинтезирующие) способны, подобно растениям, использовать непосредственно энергию солнечного света. остальные (хемосинтезирующие) получают энергию в ходе различных химических реакций. Существуют бактерии (хемоафтотрофы), окисляющие неорганические вещества (аммиак, соединения серы и железа и др.). Но для большинства бактерий источником энергии служат превращения органических соединений: углеводов, белков, жиров и др. Аэробы используют реакции биологического окисления с участием свободного кислорода (дыхание), в результате которых органические соединения окисляются до углекислого газа и воды. Анаэробные получают энергию при расщеплении органических соединений без участия свободного кислорода. Такой процесс называется брожением. При брожении, кроме углекислого газа, образуются различные соединения, например спирты, ацетон и др. В процессе жизнедеятельности бактерии образуют биологически активные вещества ферменты, антибиотики, пигменты, летучие ароматические соединения, токсины и др.

 

2.4 Антибактериальные химиотерапевтические  агенты.

 

Химические соединения, используемые для дезинфекции, хотя и обладают высокой антибактериальной активностью, не могут из а их токсичности применяться в лечебных целях. Для этого пригодны антибактериальные химиотерапевтические средства. Они способны убивать бактерий или угнетать их жизнедеятельность, не оказывая при определённых дозах токсического влияния на ткани или организм в целом, то есть действие их должно быть изобретательным, направленным против бактерии или другого микроорганизма.

 

Кроме химических соединений, мощными  антибактериальными средствами являютсяя1 антибиотики химиотерапевтические препараты естественного происхождения, синтезируемые микроорганизмами. Теоретические основы химиотерапии и вопросы её практического использования при лечении инфекционных заболеваний были разработаны в начале века немецким учёным П. Эрлихом, который открыл органические соединения мышьяка, активные при лечении сифилиса. Однако долгие годы не удавалось найти химиотерапевтические средства для лечения для лечения бактериальных инфекций. Дальнейшее развитие химиотерапии связано с открытием сульфаниламидов. Применение сульфаниламидов не только обогатило медицину новыми по тому времени химиотерапевтическими средствами, но и вызвало к жизни новое направление поиска антибактериальных химиотерапевтических средств. Это направление возникло в результате изучения механизма действия сульфаниламидов на бактериальную клетку. Было установлено, что по химической структуре сульфаниламид подобен парааминобензойной кислоте одному из важных промежуточных продуктов (метаболитов), участвующих в синтезе нуклеиновых кислот. Из а химического подобия сульфаниламид действует как антиметаболит парааминобензойной кислоты: включаясь вместо неё в биохимические процессы, но не заменяя её, сульфаниламид нарушает синтез нуклеиновых кислот в бактериальной клетке. Исходя из этих данных, было сформулировано положение, что среди антиметаболитов других биохимических процессов окажутся лечащие антибактериальные средства.

 

Однако проблема получения новых  лекарственных средств против бактериальных инфекций, принцип действия которых основан на конкуренции метаболита с важным для клетки метаболитом, оказалось значительно сложней, чем предполагалось. Это связано с тем, что синтезированные антиметаболиты подавали обмен веществ не только у бактерий, но и в тканях организма. Таким образом, проблема свелась к поиску реакций обмена веществ, специфичных для бактерий и отсутствующих в клетках организма человека или животного.

 

Биохимические реакции, присущи лишь бактериям, были обнаружены в процессе синтеза клеточной стенки, в частности при образовании пептидогликана. Некоторые антибиотики (пенициллин, циклосерин) эффективные как антибактериальные средства, воздействуют на процесс формирования клеточной стенки, нарушая синтез пептидогликана, входящего в его состав, что приводит к лизису бактерий. Другие бактерии тетрациклин, левомицетин, стрептомицин и другие способны нарушать синтез белков в бактериальных клетках. Первым препаратом этой группы, нашедшим применение в клинике, был стрептомицин. Оказалось, что он способен изобретательно объединяться с рибосомами клеток организма хозяина. В результате "точность" рибосом бактерии в процессе синтеза белка нарушается, что приводит к "порче" синтезируемых белков и гибели бактерии. Неомицин, канамицин, левомицетин и эритромицин также взаимодействуют с рибосомами бактериальной клетки. Тетрациклин нарушает присоединение информационной РНК к рибосомам. Лечащее действие упомянутых антибиотиков определяется их специфичностью, то есть относительно низкой способностью влиять на эти же процессы в клетках высших организмов.

 

2.5 Устойчивость бактерий к факторам  окружающей среды.

 

На жизнедеятельность бактерий влияют температура, влажность, ультрафиолетовое излучение. К низким температурам бактерии устойчивы, некоторые выживают даже при 90 , а споры при 53 . К высоким температурам бактерии высокочувствительные. Не спорообразующие бактерии погибают при температуре 60, спорообразующие при прогреве выше 100. Разные виды бактерий по разному переносят высушивание: одни (например гонококки) очень быстро погибают, другие в этих же условиях выживают. Так, палочка дизентерии при высушивании остаётся жизнеспособной 7 суток, дифтерии30 суток, брюшного тифа70 суток, туберкулёза90 суток, споры бацилл сибирской язвы до 10 лет.

 

Бактерии чувствительны к ультрафиолетовому излучению и прямому солнечному свету.

 

2.6 Болезнетворность бактерий.

 

Из огромного количества бактерий, обнаруженных в природе, лишь небольшое  число видов являются патогенными. Болезнетворность бактерий определяется их способностью преодолевать защитные барьеры организма, внедрятся в его ткани и выделять токсические вещества. При ряде заболеваний (дифтерия, столбняк и др.) общее тяжёлое поражение организма не сопровождается распространением бактерий возбудителей из места их первичного внедрения. Например, при дифтерии возбудитель обнаруживается в носоглотке и трахее, а поражёнными оказываются сердечная мышца, нервы, надпочечники. Изучение причины этого явления привело к заключению, что токсин, вырабатываемый возбудителем болезни, всасывается в кровь и транспортируется в разные органы и ткани. В питательной среде или в организме бактерия в период её активного роста выделяется в среду обитания токсинэкзотоксин. Кроме дифтерийной палочки, экзотоксины образуются возбудителями столбняка, газовой гангрены, одним из возбудителей дизентерии и др. Экзотоксины представляют собой чувствительные к нагреванию белки с высоким молекулярным весом. Они очень ядовиты, способны отравить более 5 миллионов литров воды.

 

Действие токсинов как биологически активных веществ подобно действию ферментов, и некоторые экзотоксины в самом деле являются бактериальными ферментами, а другие могут взаимодействовать с ферментами клеток. Нейротоксин, синтезируемый дизентерийный бактерией, первично поражает мелкие сосуды головного и спинного мозга, что ведёт к нарушению функций центральной нервной системы. Холерный экзотоксин вызывает повышенную секрецию жидкости в тонкой кишке. Важное практическое значение имеет установление факта, что под действием формальдегида, не влияющего на антигенность, экзотоксины теряют ядовитость. В результате токсин превращается токсоид, который применяют для иммунизации организма с целью создания в нём невосприимчивости к данному токсину. Ряд бактерий (кишечные палочки, большинство возбудителей дизентерии, гонококки и др.) не синтезируют экзотоксины, и отравляющее действие этих бактерий на организм связано с эндотоксинами сложными соединениями, в молекулу которых входят фосфолипид, полисахарид и белок.