Сайт преподавателя биологии и химии Дмитрия Андреевича Соловкова

Тема 3. «Прокариотическая клетка. Вирусы».

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БАКТЕРИЙ

Организмы, которые имеют клеточное строение, делятся на две группы: эукариоты и прокариоты.

Эукариоты (от греч. эу — хорошо и карион — ядро) — организмы, содержащие в клетках четко оформленное ядро. К эукариотам относятся одноклеточные и многоклеточные растения, грибы и животные, то есть все организмы, кроме бактерий. Клетки эукариот раз-ных царств различаются по ряду признаков. Но во многом их строение сходно. Каковы же особенности клеток эукариот?

В клетках животных нет клеточной оболочки, которая есть у растений и грибов, нет пластид, которые есть у растений и некоторых бактерий. Вакуоли в клетках животных очень малы и непостоянны. Центриоли у высших растений не обнаружены.

Клетки прокариот (от лат. про — вместо, впереди и кариот) не имеют оформленного ядра. Ядерное вещество у них расположено в цитоплазме и не отграничено от нее мембраной. Прокариоты — наиболее древние примитивные одноклеточные организмы. К ним относят бактерии и цианобактерии (рис. 1). Размножаются они простым делением. У прокариот в цитоплазме расположена одиночная кольцевая молекула ДНК, которая называется нуклеоидом или бактериальной хромосомой. Непосредственно в цитоплазме располагаются рибосомы. Клетки прокариот гаплоидны. Они не содержат митохондрий, комплекса Гольджи, ЭПС. Синтез АТФ осуществляется в них на плазматической мембране.

Особое место в живой природе занимают вирусы. Они не имеют клеточного строения и состоят из молекулы нуклеиновой кислоты — ДНК или РНК, окруженной молекулами белка как оболочкой.

Долгое время ученые вели спор о вирусах: живые это существа или неживое вещество? Дело в том, что вне клеток живых организмов вирусы не дышат, не питаются, не размножаются, а существуют в форме кристаллов. Но как только вирус проникает в клетку, он становится внутриклеточным паразитом: начинает активно размножаться и поражать другие клетки. Как это происходит? Рассмотрим жизненный цикл бактериофага — вируса, поражающего клетки бактерий. Бактериофаг прикрепляется к оболочке бактерии своими отростками и с помощью ферментов растворяет ее. В клетки бактерии попадает ДНК бактериофага. Белковая оболочка вируса при этом остается снаружи, а его ДНК встраивается в ДНК бактерии. Зараженная бактериальная клетка вместо собственных ДНК и белков начинает синтезировать новые вирусы. В одной клетке, таким образом, появляются десятки и сотни бактериофагов, которые проникают в клетки других бактерий и поражают их.

Вирусы вызывают ряд заболеваний у растений, грибов, животных и человека. Напри-мер, вирус табачной мозаики проникает в клетки листьев табака, разрушает хлорофилл, и лист становится пятнистым. Известны вирусные заболевания человека: оспа, грипп, корь, полиомиелит, бешенство и др.

Рис. 10. Схема строения клеток бактерий (А) и цианобактерий (Б):

1 — клеточная облолочка, 2 — хромосома, 3 — цитоплазма, 4 — плазматическая мембрана, 5 — рибосома, 6 — запасные вещества, 7 — жгутики.

Рис. 11. Вирус тобачной мозаики:

I — лист табака, пораженный болезнью, II — кристалл вируса в клетке, III — схема строения вируса табачной мозаики;

1 — оболочка из белковых молекул, 2 — тяж РНК, свернутый в спираль.

Задачи и тесты по теме «Тема 3. «Прокариотическая клетка. Вирусы».»

Формы жизни. Вирусы. Прокариоты

Формы жизни. Вирусы. Прокариоты

Формы жизни Выделяют две основные формы жизни: клеточные и неклеточные. Подавляющее большинство организмов относится к клеточным формам жизни, к неклеточным — только вирусы. Клеточные формы делятся на прокариот (доядерные) и эукариот (собственно ядерные). Прокариоты не имеют оформленного ядра, у эукариот ядро четко выражено. К прокариотам относятся бактерии и сине-зеленые водоросли, к эукариотам — растения, животные и грибы.

Вирусы Вирусы (от лат. virus — яд) не проявляют признаков жизни вне других организмов и являются внутриклеточными облигатными паразитами. Они поражают любые организмы. Вирусы — это самые мелкие организмы Земли: их молекулы видны только под электронным микроскопом. Вирусы бактерий имеют специальное название: бактериофаги или просто фаги. Изучением вирусов занимается вирусология. Вирусы были открыты в XIX в. Д. И. Ивановским: он обнаружил и описал вирус табачной мозаики. Этот вирус поражает табак, вызывая разрушение хлорофилла, из-за чего некоторые участки органов становятся более светлыми по сравнению со здоровыми. Внешне такой орган (чаще всего лист) действительно напоминает мозаику: темные участки чередуются со светлыми. Вирус — это генетический элемент, покрытый защитной белковой оболочкой. Отдельные вирусные частицы (вирионы) представляют собой симметричные тела, состоящие из повторяющихся элементов . В центре вируса находится генетический материал — ДНК (ДНК-содержащие вирусы) или РНК (РНК-содержащие вирусы). ДНК может быть двухцепочечной или одноцепочечной, кольцевой или линейной; РНК — одно- или двухцепочечной. Генетический материал вируса окружен капсидом — белковой оболочкой, выполняющей защитную функцию. Эта оболочка состоит из многократно повторяющихся полипептидных цепочек одного или нескольких белков. Снаружи от белковой оболочки может образовываться еще одна оболочка — внешняя.

Цикл вирусов. Сначала вирус прикрепляется к клетке хозяина, затем его генетический материал проникает внутрь клетки хозяина. Если вирус содержит ДНК, то она встраивается в ДНК клетки хозяина. Далее происходит образование и-РНК вируса, синтез его белков и образование новых вирусных частиц, т. е. клетка хозяина начинает работать на вирус. РНК-содержащие вирусы ведут себя немного по-другому. Если РНК вируса состоит из двух цепей, то на одной из них синтезируется и-РНК, затем происходит синтез белков вируса и т.д. У ретровирусов, также относящихся к РНК-содержащим (например, вирус иммунодефицита человека — ВИЧ), с помощью фермента обратной транскриптазы на РНК синтезируется сначала одна цепь ДНК, а затем и вторая. После этого ДНК вируса встраивается в ДНК клетки хозяина. Весь цикл может занимать несколько минут.

Вирусы вызывают различные заболевания человека: грипп, СПИД, гепатит, полиомиелит, оспу, корь, бешенство (водобоязнь), герпес, геморрагическую лихорадку.

Прокариоты К прокариотам относятся бактерии и цианобактерии, которые объединяются в царство Дробянки. У них отсутствует оформленное ядро и мембранные органоиды, генетический материал представлен нуклеоидом (молекулой хромосомной ДНК, замкнутой в кольцо) и плазмидами (небольшими внехромосомными ДНК). Характерны мелкие рибосомы (70S), расположенные в цитоплазме, и мезосомы (впячивание мембраны внутрь клетки), выполняющие функции митохондрий.

Таблица «Клетки прокариот и эукариот: сравнительная характеристика»

Признак

Прокариоты

Эукариоты

Клеточная стенка

У бактерий — из муреина, у цианобактерий — из целлюлозы

У животных нет, у грибов из хитина, у растений из целлюлозы

Ядро и генетический материал

Ядра нет; кольцевая ДНК в цитоплазме, хромосом нет. Гистонов нет

Ядро есть; двуцепочечная ДНК находится в ядре, соединена с белками-гистонами и образует хромосомы

Мембранные органоиды

Нет

Есть

Рибосомы

Мелкие, находятся в цитоплазме, 70S

Крупные, большинство располо-жено на эндоплазматической сети, 80S

Деление клеток

Деление пополам. Митоз не характерен

Митоз и мейоз

Диссимиляция

Анаэробная и аэробная

Преобладает аэробная

Фотосинтез

У некоторых бактерий и цианобактерий

Только у растений

Хемосинтез

Некоторые бактерии

Не возможен

Азотфиксация

Некоторые бактерии

Не возможна

БактерииБактерии — микроскопические одноклеточные организмы. Они широко распространены в природе и занимают все среды жизни (почвенную, наземно-воздушную, водную; также обитают внутри живых организмов). Снаружи клетка бактерий покрыта клеточной стенкой, в состав которой входит муреин. Многие бактерии способны формировать дополнительную внешнюю капсулу, защищающую их внутри организма хозяина от его иммунной системы. Под оболочкой находится плазматическая мембрана, а внутри клетки — цитоплазма с включениями, рибосомами и генетическим материалом (кольцевая ДНК). Многие бактерии имеют жгутики, обеспечивающие их подвижность. Размножение бактерий происходит делением на две клетки: сначала делится нуклеоид, затем — цитоплазма. При благоприятных условиях одно деление происходит каждые 15-20 мин. При возникновении неблагоприятных условий бактерии способны образовывать споры. У спор очень плотная внешняя оболочка, способная переносить различные внешние воздействия и сохранять жизнеспособность в течение десятков и сотен лет. При наступлении благоприятных условий спора прорастает и образует бактериальную клетку.

Сине-зеленые водоросли (цианобактерии) Обитают в водной среде и на почве. Различают одноклеточные и колониальные формы. Многие из них в цитоплазме содержат вакуоли, которые поддерживают плавучесть клетки. Цианобактерии являются автотрофами и содержат хлорофилл. При фотосинтезе выделяют кислород в атмосферу. Размножение осуществляется делением. Способны образовывать споры для пережидания неблагоприятных условий.

Как археи «толстеют» из-за вирусов

Вирусы архей — пожалуй, самые загадочные и малоизученные вирусы, не имеющие эволюционного родства ни с вирусами бактерий, ни с вирусами эукариот. Почти в каждой посвященной им работе обнаруживаются их уникальные свойства, не описанные ни у каких других вирусов. В недавней статье, опубликованной в PNAS, сообщается, что вирус STSV2, поражающий архей рода Sulfolobus, до неузнаваемости изменяет морфологию инфицированных клеток: они увеличиваются в размере почти в 20 раз и от бинарного деления переходят к почкованию, похожему на почкование дрожжей. Почему так происходит? Давайте разбираться.

Многие вирусы научились перестраивать под себя нормальный клеточный цикл клетки-хозяина. Например, некоторые вирусы эукариот стимулируют переход клеток из фазы G1 клеточного цикла в S-фазу, чтобы удваивать свои геномы вместе с геномом клетки-хозяина. Клеточный цикл архей чем-то напоминает таковой у эукариот, хоть и с некоторыми отличиями. Лучше всего он изучен у архей рода Sulfolobus — экстремофилов, обитающих при температуре около 80 °C и pH 3. В экспоненциально растущих клетках Sulfolobus выделяют пререпликативный период (G1-фаза), стадию репликации хромосомы (S-фаза), второй период клеточного роста (G2-фаза), быструю сегрегацию геномов и собственно разделение дочерних клеток, обозначаемые как M- и D-фазы соответственно. Ключевой фактор деления бактериальных клеток близок к эукариотическому комплексу ESCRT (от англ. endosomal sorting complex required for transport), который играет важную роль в перестройках мембран во время формирования везикул [1].

Именно у гипертермофильных архей описано множество разнообразных вирусов .

В отличие от бактериофагов, которые зачастую быстро убивают клетку, вирусы архей, как и вирусы эукариот, чаще превращают инфицированную клетку в настоящую фабрику по производству вирусных частиц. Иногда такие клетки называют вироклетками. Чтобы сделать из клетки комбинат по производству вирусных частиц, вирусы хитрым образом перестраивают клеточный цикл и другие аспекты функционирования клетки под себя, изменяя ее до неузнаваемости [1].

Авторы недавнего исследования, опубликованного в PNAS, изучали взаимодействие клеток архей и вирусов на примере нелитического, то есть не вызывающего быструю гибель клетки, вируса STSV2 семейства Bicaudaviridae и его хозяина — гипертермофильной археи Sulfolobus islandicus REY15A. Ученые наблюдали за динамикой зараженной и незараженной клеточных популяций в течение 10 дней, измеряя оптическую плотность культуры. Поначалу плотность зараженной культуры, как и следовало ожидать, снижалась вследствие замедления роста и гибели клеток, а титр вирусных частиц в ней возрастал. Однако к 7 дню после заражения ситуация начала меняться: плотность инфицированной популяции начала быстро расти, а титр вирусных частиц, наоборот, стал снижаться, что свидетельствует о появлении в ней клеток, устойчивых к вирусу [1].

Чтобы детально изучить особенности клеток на разных стадиях инфекции, авторы брали образцы зараженной культуры спустя разное время после инфицирования и визуализировали клетки с помощью световой микроскопии (подробнее о методах микроскопии читайте в статье «12 методов в картинках: микроскопия» [3]). Они обнаружили удивительный факт: клетки, инфицированные STSV2, значительно увеличивались в размерах. Если на первые сутки после инфицирования они превосходили здоровые клетки по размеру в два раза, то постепенно эта разница увеличивалась аж до 20 раз к шестому дню после инфицирования! Изучение зараженных клеток с помощью сканирующей электронной микроскопии позволило установить, что их поверхность густо усеяна вирионами STSV2. Интересно, что, начиная с седьмого дня после инфицирования, доля клеток нормального размера постепенно начинала возрастать, и после восьмого дня инфекции уже 96% клеток имели нормальные размеры (рис. 1) [1].

Рисунок 1. Динамика изменений размеров клеток в инфицированной и неинфицированной популяциях (dpi — день после заражения). а — Световая микроскопия. б — Сканирующая электронная микроскопия. На рисунке а масштабная линейка 2 мкм, на рисунке б — 1 мкм.

Ученые также исследовали, как меняется количество ДНК в популяции зараженных клеток архей. В обычной популяции Sulfolobus islandicus большинство клеток находятся в фазе G2 и содержат две копии хромосомы, а меньшая доля клеток, находящаяся в фазе S, имеет одну хромосому. По мере приближения к стационарной фазе роста в популяции начинают преобладать клетки в G1-фазе с одной хромосомой. Авторы работы исследовали количество ДНК в клетках с помощью проточной цитофлуориметрии и выяснили, что спустя сутки после заражения около 80% клеток содержали более четырех копий хромосом. По мере развития инфекции количество ДНК в клетках увеличивалось, и в некоторых зараженных клетках достигало целых 300 копий хромосомы. В то же время, начиная с шестых суток после заражения, в популяции стали выявляться клетки, содержащие одну или две копии хромосомы, что согласуется с наблюдениями, полученными с помощью микроскопии: в какой-то момент на лидирующее положение в популяции вместо клеток-гигантов начинали выходить клетки нормального размера [1].

А что же происходит в ходе инфекции с количеством вирусной ДНК? Для ответа на этот вопрос ученые брали пробы инфицированных клеток на разных стадиях инфекции, выделяли из них ДНК и с помощью ПЦР в реальном времени определяли принадлежность ДНК — является ли она вирусной или клеточной (подробнее про ПЦР читайте в статье «12 методов в картинках: полимеразная цепная реакция» [5]). Здесь исследователей снова ждал сюрприз. В ходе инфекции количество вирусных геномов в зараженных клетках стремительно росло и к шестому дню достигало более двух тысяч копий на одну гигантскую клетку, однако после этого число вирусных геномов резко шло на спад, что также согласуется с гипотезой о том, что после шестого дня инфекции в популяции начинают доминировать резистентные клетки нормального размера. Стоит отметить, что вирусные геномы в инфицированных клетках равномерно распространены по цитоплазме и не образуют выраженных скоплений [1].

Но почему же зараженные клетки превращаются в гигантских полиплоидных монстров? Самая очевидная гипотеза — вирус каким-то образом препятствует финальной стадии деления, то есть разделению дочерних клеток. И действительно, анализ экспрессии генов компонентов ESCRT-подобного комплекса показал, что в инфицированных клетках уровень его синтеза сильно снижен по сравнению с нормальными и достигает самых низких значений на второй день инфекции. В период с 3 по 6 день инфекции уровень экспрессии генов ESCRT в зараженных клетках остается постоянным, а после шестого дня инфекции, когда в популяции начинают доминировать нормальные клетки, он поднимается до значений, характерных для неинфицированных клеток. Одновременно с повышением уровня производства комплекса ESCRT растет и оптическая плотность культуры, что указывает на интенсивное деление клеток [1].

На протяжении всего эксперимента, помимо гигантских клеток, примерно 20% популяции составляли клетки нормального размера. Откуда они берутся? Детальное исследование гигантских клеток показало наличие на их поверхности бугорков, которые по размерам соответствовали нормальным клеткам архей. Авторы работы предположили, что нормальные клетки отпочковываются от гигантских в ходе процесса, похожего на почкование дрожжей. Действительно, иммунофлуоресцентный анализ показал, что в местах отхождения бугорков от клеточной поверхности образуется кольцо или, точнее, спиральная сеть из комплекса ESCRT, который в нормальных клетках локализуется в их центре и обеспечивает равное бинарное деление (рис. 2) [1].

Рисунок 2. «Почкование» инфицированных архей. Зеленым цветом окрашены мембраны; синим — ДНК; красным — компонент ESCRT. Изображения в двух правых колонках получены наложением изображений, снятых в разных каналах. Видно, что ESCRT словно обвивает спиралью зарождающуюся почку.

Как мы отмечали ранее, в какой-то момент гигантские клетки почти полностью исчезают из популяции, и большинство вновь начинают составлять клетки нормального размера. Ученые показали, что эти клетки обладают устойчивостью к STSV2 благодаря системе CRISPR. Этап адаптации, то есть вставка спейсеров, соответствующих STSV2, начинается примерно на седьмой день после заражения, причем адаптация происходит не только в клетках нормального размера, но и в гигантских клетках [1].

STSV2 — не единственный вирус архей, который вызывает резкое увеличение зараженных клеток в размерах. Авторы показали, что схожие изменения вызывает вирус SMV1, который, как и STSV2, относится к семейству Bicaudaviridae, при этом вирус SSV2, принадлежащий к другому семейству, на размер инфицированных клеток не влияет. Авторы отмечают, что индукция гигантизма инфицированных архей может являться консервативной стратегией вирусов семейства Bicaudaviridae.

Примечательно также, что резкое увеличение размеров клеток архей возможно и по иным причинам. Например, архея Staphylothermus marinus, родственная Sulfolobus, при выращивании на среде, содержащей большое количество дрожжевого экстракта, может дорастать до диаметра 15 мкм при нормальном диаметре 0,5-1 мкм. Авторы исследования предполагают, что пластичность клеток архей в отношении размеров может быть обусловлена тем, что они, в отличие от большинства бактерий, не имеют жесткой пептидогликановой клеточной стенки [1].

1. Junfeng Liu, Virginija Cvirkaite-Krupovic, Diana P. Baquero, Yunfeng Yang, Qi Zhang, et. al.. (2021). Virus-induced cell gigantism and asymmetric cell division in archaea. Proc Natl Acad Sci USA. 118, e2022578118;
2. Загадочные вирусы архей;
3. 12 методов в картинках: микроскопия;
4. 12 методов в картинках: проточная цитофлуориметрия;
5. 12 методов в картинках: полимеразная цепная реакция.