Вирусы бактерий морфология фазы взаимодействия фага с бактериальной клеткой

Обновлено: 23.04.2024

Бактериофаги — вирусы бактерий, обладающие способностью специфически про­никать в бактериальные клетки, репродуцироваться в них и вы­зывать их растворение (лизис).

Взаимодействие фага с бактериальной клеткой.По механизму взаимодействия различают вирулентные и умеренные фаги.

После биосинтеза фаговых компонентов и их самосборки в бактериальной клетке накапливается до 200 новых фаговых ча­стиц. Под действием фагового лизоцима и внутриклеточного ос­мотического давления происходит разрушение клеточной стен­ки, выход фагового потомства в окружающую среду и лизис бактерии. Один литический цикл (от момента адсорбции фагов до их выхода из клетки) продолжается 30—40 мин. Процесс бактериофагии проходит несколько циклов, пока не будут лизированы все чувствительные к данному фагу бактерии.

Взаимодействие фагов с бактериальной клеткой характеризу­ется определенной степенью специфичности. По специфичнос­ти действия различают поливалентные фаги, способные взаимодействовать с родственными видами бактерий, моновалентные фаги, взаимодействующие с бактериями определенного вида, и типовые фаги, взаимодействующие с отдельными вариантами (типами) данного вида бактерий.

Умеренные фаги лизируют не все клетки в популяции, с частью из них они вступают в симбиоз, в результате чего ДНК фага встраивается в хромосому бактерии. В таком случае гено­мом фага называют профаг. Профаг, ставший частью хромосо­мы клетки, при ее размножении реплицируется синхронно с геном бактерии, не вызывая ее лизиса, и передается по наслед­ству от клетки к клетке неограниченному числу потомков.

Био­логическое явление симбиоза микробной клетки с умеренным фагом (профагом) называется лизогенией, а культура бакте­рий, содержащая профаг, получила название лизогенной. Это название отражает способность профага самопроизвольно или под действи­ем ряда физических и химических факторов исключаться из хро­мосомы клетки и переходить в цитоплазму, т. е. вести себя как вирулентный фаг, лизирующий бактерии.

Лизогенные культуры по своим основным свойствам не от­личаются от исходных, но они невосприимчивы к повторному заражению гомологичным или близкородственным фагом и, кроме того, приобретают дополнительные свойства, которые находятся под контролем генов профага. Изменение свойств мик­роорганизмов под влиянием профага получило название фаго­вой конверсии. Последняя имеет место у многих видов мик­роорганизмов и касается различных их свойств: культуральных, биохимических, токсигенных, антигенных, чувствительности к антибиотикам и др. Кроме того, переходя из интегрированного состояния в вирулентную форму, умеренный фаг может захва­тить часть хромосомы клетки и при лизисе последней перено­сит эту часть хромосомы в другую клетку. Если микробная клет­ка станет лизогенной, она приобретает новые свойства. Таким образом, умеренные фаги являются мощным фак­тором изменчивости микроорганизмов.

Бактериофаги - вирусы бактерий. Бактериофагия - процесс взаимодействия фагов с бактериями, нередко заканчивающийся разрушением, лизисом бактерий.

Бактериофаги были открыты в 1916 г. канадским ученым Ф.Д.Эррелем. Исследователь выделил из испражнений больных дизентерией фильтрующийся агент, способный разрушать, лизировать дизентерийные бактерии. Последую­щие наблюдения показали, что бактериофаги встречаются повсеместно, где есть бактерии: в почве, сточных водах, кишечном тракте человека и животных, гнойном отделяемом и других субстратах.

Структура сложноустроенного бактериофага

- головка, в которой содержится нуклеиновая кислота;

- отросток, представляющий собой полый стержень, сверху покрытый со­кратительным чехлом. На конце отростка находятся 6-ти зубая пластинка для адсорбции фага на бактериальной клетке и нити прикрепления.

Оболочечные структуры фага имеют белковую природу.

У слоожноустроенного бактериофага бинарный (двойной) тип симметрии, т.к. головка имеет кубический тип симметрии, а отросток - спиральный.

Кроме сложноустроенного, существуют и другие морфологические формы бактериофагов, содержащие либо ДНК, либо РНК и объединенные А.С.Тихоненко в 5 основных групп

1. Фаги I типа - нитевидной формы. Имеют спиральный тип симметрии, ДНК-содержащие.

2. Фаги II типа - имеют головку и рудимент отростка. Кубический тип симметрии. Большинство из них - РНК-содержащие.

3. Фаги Ш типа - имеют головку с коротким отростком. Бинарный тип

4. Фаги IV типа - имеют головку и длинный несокращающийся отросток. Бинарный тип симметрии, ДНК-содержащие.

5. Фаги V типа - имеют головку и длинный сокращающийся отросток. Би­нарный тип симметрии. ДНК-содержащие.

Вирулентные и умеренные бактериофаги. Фазы взаимодействия вирулентного бактериофага с клеткой. Практическое применение бактериофагии.

В зависимости от характера взаимодействия с бактериальной клеткой, различают вирулентные и умеренные бактериофаги.

Вирулентные фаги способны вызывать острую продуктивную инфекцию на уровне клетки. Умеренные фаги чаще вызывают ннтегратианую вирусную инфекцию на уровне клетки, реже - продуктивную.

Фазы взаимодействия сложноустроенного вирулентного бактериофага с клеткой:

L Адсорбция (отростковой частью фага) на клеточной стенке бактерий. В эту фазу рецепторы 6-ти зубой пластины и нитей прикрепления специфически взаимодействуют с определенными рецепторами клеточной стенки бактерий. Некоторые фаги в качестве рецепторов используют F-пили. На бактериях, лишенных клеточной стенки (L-формы, мико плазмы), бактериофаги не адсорби­руются.

2. Проникновение нуклеиновой кислоты фага в клетку путем впрыскивания, при этом оболочка фага остается на поверхности бактериальной клетки.

3. Эклипсная фаза. Синтез фаговых частиц, подобно синтезу вирусов в эукариотической клетке. Происходит репликация нуклеиновой кислоты бактериофага с образованием множественных копий, а на рибосомах бактериальной клетки - синтез фаговых белков. В результате образуется вегетативный фаг, т.е.

неоформленный фаговый материал (белковые оболочки и нуклеиновые кисло­ты). 4. Композиция фаговых частиц. Происходит сборка белковых оболочек и нуклеиновых кислот и формируются зрелые бактериофаги.

5. Выход фага из бактериальной клетки путем лизиса клетки изнутри. Он осуществляется за счет свободного лизоцима, выделяемого бактериофагом, что приводит к гибели бактерий.

Таким образом, сложноустроенный бактериофаг отличается от других вирусов по следующим признакам:

а) наличие бинарного типа симметрии;

б) наличие подвижного сократительного чехла на отростке;

в) внедрение нуклеиновой кислоты бактериофага в клетку путем впрыски­вания (инъекцонный механизм).

Репродукция вирулентного фага в популяции бактерий, выращенных на

жидкой питательной среде (МПБ), сопровождается их лизисом и просветлением среды В популяции чувствительных бактерий, выращенных сплошным газоном на плотной питательной среде (МПА), фаги образуют зоны очагового лизиса (рис.5), которые называются негативными колониями или стериль­ными бляшками.

Практическое использование бактериофагов в микробиологии и медицине.Практическое применение бактериофагов.

1. Для диагностики инфекционных заболеваний. Используют метод фаго-тшшрования, когда с помощью известного набора фагов определяют фаговар исследуемых бактерий. Метод основан на специфичности фагов, т.е. способности взаимодействовать только с бактериями, имеющими специфические к фагу рецепторы, и вызывать их лизис. Используется для диагностики брюшного тифа, дизентерии, чумы, холеры, стафилококковых инфекций.

Метод фаготипирования имеет важное эпидемиологическое значение, т.к. позволяет установить связи между источником инфекции и отдельными случаями заболеваний.

а) стафилококковый бактериофаг — при гнойно-воспалительных заболеваниях, вызванных S. aureus;

б) бактериофаг P. aeruginosa - при гнойно-воспалительных заболеваниях, вызванных синегнойной палочкой.

Существуют комбинированные многокомпонентные препараты бактериофагов:

- коли-протейный бактериофаг - при колиинфекциях, вызванных диарее-генными эшерихиями и протейных дисбактериозах;

- пиобактериофаг - для лечения стафилококковой, стрептококковой, клеб-сиеллезной, протейной инфекций, а также заболеваний, вызванных диареегенными эшерихиями и синегнойной палочкой;

- интести-бактериофаг - для лечения бактериальной дизентерии, сальмонелл езов, колиинфекций, а также протейной, стафилококковой, энтерококковой и синегнойной инфекций.

Бактериофаги применяют местно путем аппликации на раневую или ожоговую поверхность, введением в полости (брюшную, плевральную, мочевой пузырь), через рот, а также ректально. Соответственно способу применения препараты бактериофагов выпускают в различных лекарственных формах: жидком виде, таблетках, мазях, свечах, аэрозолях. Перед назначением бакте­риофага необходимо поставить пробу на чувствительность к нему выделенной культуры микроорганизмов.

Для профилактики в очагах инфекции: брюшнотифозный бактериофаг, поливалентный дизентерийный бактериофаг.

Бактериофаги (греч. phagos – пожирающий, лат. bacteriophaga – разрушающий бактерии) – это вирусы бактерий, обладающие способностью специфически и избирательно проникать в бактериальные клетки, репродуцироваться в них и при выходе потомства вызывать в большинстве случаев разрушение (лизис) бактерий.

Вирусы бактерий объединены в класс Bacteriophagae. Согласно Международной классификации и номенклатуре вирусов в зависимости от типа нуклеиновой кислоты бактериофаги подразделяются на ДНК- и РНК-содержащие. Большинство фагов относится к ДНК-содержащим вирусам с нуклеокапсидом, организованным по принципу смешанной симметрии.

Биологические особенности вирусов бактерий (бактериофагов).

простоорганизованные неклеточные существа;

избирательный внутриклеточный паразитизм (внутри БАКТЕРИИ);

не растут на питательных средах;

обладают определённой наследственностью, воспроизводя себе подобных;

геном – дву- или однонитевые ДНК или РНК;

обладают высокой специфичностью в отношении поражаемой клетки;

имеют антигенную обособленность от клетки-хозяина;

обладают выраженными антигенными свойствами.

Взаимодействие фага с бактериальной клеткой. По механизму взаимодействия различают вирулентные и умеренные фаги.

После биосинтеза фаговых компонентов и их самосборки в бактериальной клетке накапливается до 200 новых фаговых частиц. Под действием фагового лизоцима и внутриклеточного осмотического давления происходит разрушение клеточной стенки, выход фагового потомства в окружающую среду и лизис бактерии. Один литический цикл (от момента адсорбции фагов до их выхода из клетки) продолжается 30-40 мин. Процесс бактериофагии проходит несколько циклов, пока не будут лизированы все чувствительные к данному фагу бактерии.

Взаимодействие фагов с бактериальной клеткой характеризуется определенной степенью специфичности. По специфичности действия различают поливалентные фаги, способные взаимодействовать с родственными видами бактерий, моновалентные фаги, взаимодействующие с бактериями определенного вида, и типовые фаги, взаимодействующие с отдельными вариантами (типами) данного вида бактерий.

Умеренные фаги лизируют не все клетки в популяции, с частью из них они вступают в симбиоз, в результате чего ДНК фага встраивается в хромосому бактерии. В таком случае геномом фага называют профаг. Профаг, ставший частью хромосомы клетки, при ее размножении реплицируется синхронно с геном бактерии, не вызывая ее лизиса, и передается по наследству от клетки к клетке неограниченному числу потомков.

Биологическое явление симбиоза микробной клетки с умеренным фагом (профагом) называется лизогенией, а культура бактерий, содержащая профаг, получила название лизогенной. Это название отражает способность профага самопроизвольно или под действием ряда физических и химических факторов исключаться из хромосомы клетки и переходить в цитоплазму, т. е. вести себя как вирулентный фаг, лизирующий бактерии.

Лизогенные культуры по своим основным свойствам не отличаются от исходных, но они невосприимчивы к повторному заражению гомологичным или близкородственным фагом и, кроме того, приобретают дополнительные свойства, которые находятся под контролем генов профага. Изменение свойств микроорганизмов под влиянием профага получило название фаговой конверсии. Последняя имеет место у многих видов микроорганизмов и касается различных их свойств: культуральных, биохимических, токсигенных, антигенных, чувствительности к антибиотикам и др. Кроме того, переходя из интегрированного состояния в вирулентную форму, умеренный фаг может захватить часть хромосомы клетки и при лизисе последней перено­сит эту часть хромосомы в другую клетку. Если микробная клетка станет лизогенной, она приобретает новые свойства. Таким образом, умеренные фаги являются мощным фактором изменчивости микроорганизмов. Например, профаг придает дифтерийной палочке способность продуцировать экзотоксин.

Основные этапы взаимодействия фагов и бактерий.

1. Адсорбция (взаимодействие специфических рецепторов).

2. Внедрение вирусной ДНК (инъекция фага) осуществляется за счет лизирования веществами типа лизоцима участка клеточной стенки, сокращения чехла, вталкивания стержня хвоста через цитоплазматическую мембрану в клетку, впрыскивание ДНК в цитоплазму.

3. Репродукция фага.

4. Выход дочерних популяций.

Размер – 20-200 нм.

По форме бактериофаги подразделяются на следующие морфологические группы или типы:

- нитевидные фаги; (ЛипотриксИн)

- мелкие фаги без отростка; (ПлазмаКортикоМикрин)

- кубические фаги с аналогом (рудиментом) отростка; (ТектиЦистоЛевин)

- фаги с коротким отростком (хвостом); (ПодоФузеллы)

- фаги с длинным отростком и несокращающимся чехлом; (Сифовиры)

- фаги с длинным отростком и сокращающимся чехлом. (Миовиры)

Бактериофаги разных морфологических типов и семейств значительно отличаются друг от друга по своему строению. Бактериофаги первого морфологического типа представляют собой палочковидные или нитевидные структуры (Lipothrixviridae и Inoviridae).

Бактериофаги второго морфологического типа состоят из одной головки без отростка, относятся к семействам Plasmaviridae, Corticoviridae и Microviridae.

Бактериофаги третьего морфологического типа имеют головку и небольшие выступы или аналоги отростка (Tectiviridae, Cystoviridae и Leviviridae).

Бактериофаги четвертого морфологического типа содержат головку и короткий отросток (Podoviridae и Fuselloviridae).

Бактериофаги пятого морфологического типа состоят из головки и длинного отростка, чехол которого не способен сокращаться (Siphoviridae).

Шестой морфологический тип объединяет бактериофаги, состоящие из головки и отростка, окруженного сокращающимся чехлом (Myoviridae).

Типичная фаговая частица состоит из головки и хвостового отростка.

Длина хвостового отростка обычно в 2-4 раза больше диаметра головки.

Размеры бактериофагов колеблются от 2 до 200 нм. Чем крупнее бактериофаги, тем больше у них генов и сложнее их жизненный цикл.

Большинство бактериофагов напоминают сперматозоиды (головастики, барабанные палочки), то есть относятся к шестому морфологическому типу.

Ультраструктура.

Головка фага имеет округлую или овальную форму диаметром 60-95 нм. Внутри головки содержится геном бактериофага, представленный нуклеиновой кислотой. Нуклеиновые кислоты бактериофагов могут быть однонитевыми, двунитевыми, линейными, кольцевыми. У большинства фагов геном образует спирально упакованная двойная нить ДНК. Нуклеиновая кислота бактериофага окружена белковой оболочкой – капсидом. Капсид состоит из белковых молекул (капсомеров), организованных по принципу кубической симметрии. Нуклеиновая кислота и капсид вместе составляют нуклеокапсид.

Хвостовой отросток бактериофагов организован по принципу спиральной симметрии. Отросток имеет длину до 250 нм и толщину 10-25 нм. Он состоит из полого стержня и сократительного чехла, который присоединяется к воротничку, окружающему стержень около головки. Белковый стержень является продолжением белковой оболочки головки. Стержень заканчивается шестиугольной базальной пластинкой с шестью шипами (зубцами). От каждого зубца отходит по одной нити (фибриллы) длиной 150 нм. У Т-чётных фагов концы фибрилл опущены вниз, а у нечётных фагов концы нитей загнуты вверх. Базальная пластинка и нити обусловливают адсорбцию бактериофага на бактериальной клетке. У некоторых бактериофагов в дистальной части хвостового отростка содержится лизоцим (эндолизин), облегчающий проникновение нуклеиновой кислоты бактериофага в бактериальную клетку.

Фаговая частица содержит 40-50% нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК), 50-60% белка, до 12-17% углеводов, 2% липидов.

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.

Таким образом, препараты фагов получают путем многократного пассирования через чувствительную бактериальную культуру, а сами препараты фагов – фильтраты бульонных культурлизированных ими бактерий. Это прозрачные жидкости светло-желтого цвета, а также на их основе готовят другие лекарственные формы - таблетки с кислотоустойчивым покрытием, мази, аэрозоли, свечи.




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).

Читайте также: