19

Міністерство освіти і науки України

Чернігівський державний педагогічний університет імені Т.Г. Шевченка

Хіміко-біологічний факультет

Кафедра загальної біології

КУРСОВА РОБОТА

Біологія та екологія бактеріофагів

Виконала:

студент ІV курсу

Назимок Ю.М.

Чернігів - 2007

Зміст

Вступ

Розділ 1. Особливості біології вірусів

1.1 Морфологія вірусів

1.2 Хімічний склад вірусів

1.3 Репродукція вірусів

Розділ 2. Поняття про бактеріофаги, їх особливості

2.1 Морфологія фагів

2.2 Хімічний склад фагів

2.3 Антигенні властивості фагів

2.4 Взаємодія фагів з бактеріями

Розділ 3. Культивування, практичне значення вірусів та бактеріофагів

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Надзвичайно важливим серед досягнень мікробіології останньої чверті XIX ст. є відкриття неклітинних форм життя — вірусів. Тоді багато вчених вважали, що бактерії є найменшими і найпростішими організмами, і що саме вони стоять на межі живої і неживої природи.

Захворювання рослин, тварин і людини, вірусна природа яких у даний час установлена, у протягом багатьох сторіч завдавали шкоди господарству і шкода здоров'ю людини. Хоча багато з цих хвороб були описані, але спроби встановити їхню причину і виявити збудник залишались безуспішними.

У 1915 р. англійський бактеріолог Ф. Туорт, а в 1917 р. канадієць Ф. д'Ерель, незалежно один від одного, відкрили віруси бактерій, названі д'Ерелем бактеріофагами («пожирачі бактерій»). Однак слід зазначити, що ще за 19 років до цього відкриття, в 1898 p., вітчизняний мікробіолог М.Ф.Гамалія описав явище лізису бацил сибірки під впливом невідомого агента, названого вченим бактеріолізином.

Отже, протягом 25 років було відкрито віруси, що уражують усіх представників царства природи: рослини, тварини і мікроорганізми. Проте упродовж багатьох років віруси не привертали до себе особливої уваги.

Мета роботи: проаналізувати біологічні та екологічні особливості бактеріофагів.

Завдання роботи:

1. проаналізувати особливості біологічної організації вірусів;

2. охарактеризувати бактеріофагів;

3. розкрити значення вірусів та бактеріофагів, їх використання в культивуванні.

Розділ 1. Особливості біології вірусів

1.1 Морфологія вірусів

На різних етапах розвитку вірус існує в різних формах, а тому складається враження, що віруси є дуже лабільними. Проте дослідження показують, що кожен вид вірусів має певні, властиві тільки йому, ознаки. Найхарактерніші властивості для кожного виду мають зрілі форми вірусів, які називають віріонами .

Розміри різних вірусів коливаються від 8 до 750 нм (табл. 1).

До групи великих вірусів можна віднести віріони віспи, пситакозу, трахоми, мозаїки цукрових буряків, Х-вірус картоплі та ін. Середні розміри мають віруси грипу, сказу, герпесу тощо. Дуже малі розміри у віріонів енцефаліту, поліомієліту, ящуру та багатьох фітопатогенних вірусів. Цікаво, що найбільші за розмірами віруси наближаються до малих бактерій, наприклад мікоплазм, а найменші — до макромолекул білка.

Результати електронно-мікроскопічних досліджень показали, що за формою віруси поділяються на такі групи.

Таблиця 1 Розміри деяких вірусів (нм)

Вірус	Метод визначення
	Ультрафільтрація	Ультрацентрифугування	Електронна мікроскопія
Тютюнової мозаїки (ВТМ)	15-25	—	15-3000
Мозаїки цукрових буряків, кавунів, Х-вірус картоплі	—	—	730-750
Коров'ячої віспи	125-175	170-180	227-305
Герпесу	100-150	180-220	133-233
Грипу А	80-120	70-116	123±1,18
Поліомієліту	8-12	28	8-27
Ящуру	8-12	17-20	20-32

Паличкоподібні — віруси тютюнової мозаїки (ВТМ), штрихуватої мозаїки ячменю та багато інших (рис. 1).

Рис. 1. Електронна фотографія вірусу тютюнової мозаїки, контрастованого ФВК

Ниткоподібні — віруси жовтяниці цукрових буряків, мозаїки пшениці, квасолі, сої, кавунів, Х-вірус картоплі.

Сферичні — віруси грипу, курячої саркоми, японського енцефаліту, кору, паротиту, арбовіруси, віруси лейкозу курей і мишей.

Кубоідальні — віруси вісповакцини, натуральної віспи, аденовіруси, ентеровіруси, реовіруси, віруси папіломи людини і тварин тощо.

Булавовидні — віруси бактерій (бактеріофаги).

Форми вібріонів визначаються будовою білкової оболонки, в середині якої міститься нуклеїнова кислота (ДНК або РНК). Оболонку вібріонів називають капсидом, а структуру, яка містить нуклеїнову кислоту і капсид, — нуклеокапсидом.

Капсиди вірусів утворені з білкових субодиниць, що стереотипно повторюються в структурі та хімічній будові віріона. Згідно з кристалографічними закономірностями, майже всі віруси за структурою капсиду (типом симетрії) поділяються на три великі групи: спіральні, поліедричні, що являють собою ікосаедри - правильні багатогранники, і віруси з комбінованим типом симетрії.

Віруси зі спіральною симетрією. Вірус тютюнової мозаїки (ВТМ) є типовим представником таких вірусів. Взагалі ВТМ є унікальним у багатьох відношеннях. Він був першим з відкритих вірусів, першим його виділено в чистому вигляді і викристалізовано, на ньому вперше було відкрито існування субодиниць і показано, що інфекційність вірусу пов'язана тільки з нуклеїновою кислотою. Зрештою саме

ВТМ уперше розділено на білок та інфекційну РНК і знову відтворено вірус із цих компонентів. ВТМ є першим вірусом, в якому розшифровано послідовність амінокислотних залишків у пептидному ланцюгу білкової молекули. За сучасними даними, ВТМ має форму порожнього циліндра діаметром 15 нм і завдовжки 300 нм. Модель і загальний вигляд цього вірусу подано на рис. 2.

Рис. 1 Модель будови вірусу тютюнової мозаїки:

1 — нуклеїнова кислота; 2 — білкові субодиниці капсиду

Вібріон ВТМ містить одноланцюгову РНК, його капсид складається з однакових, розміщених спірально, білкових субодиниць. У кожній спіралі на три витки припадає 29 субодиниць, кожна з яких є білковою молекулою з молекулярною масою 17 530. Загалом віріон містить 2130 (±2 %) ідентичних білкових субодиниць. Спіральний тип симетрії характерний не тільки для фітопатогенних вірусів, його знайдено і у вірусів, що вражають тварин і бактерії.

Віруси з кубічною симетрією (ізометричні віруси). Застосування рентгеноструктурного аналізу у вірусологічних дослідженнях показало, що у багатьох видів вірусів вібріони мають правильний багатогранний капсид (оболонку) у вигляді ікосаедра, всередині якого міститься нуклеїнова кислота. Рентгенограми вібріонів кущистої карликовості томатів, жовтої мозаїки турнепсу, поліомієліту з великою точністю показали, що вони мають кубічну симетрію. Із кристалографії відомо, що існують три типи фігур з кубічною симетрією: тетраедр (осі симетрії 2:3, найменша кількість структурних одиниць 12), октаедр (осі симетрії 4:3:2, число структурних одиниць 24) та ікосаедр, або двадцятигранник (осі симетрії 5:3:2, кількість субодиниць 60).

Електронно-мікроскопічне вивчення будови ікосаедричних вірусів (рис. 3) виявило на їхній поверхні структурні елементи, які є комплексами білкових субодиниць. Ці структурні елементи дістали назву капсомерів, або морфологічних субодиниць. Виявляється, що ікосаедрична форма є «вигідною» природною структурою тому, що при цьому великою мірою заощаджується білковий матеріал для будови капсиду віріона, а також ще й тому, що для утворення ікосаедра потрібна мінімальна кількість енергії.

Рис. 3. Схематичне зображення структури деяких ікосаедричних вірусів із складним капсидом:

А — аденовірус (1 — тонкі вирости на вершинах ікосаедра, 2 — білковий капсид, який складається із структурних одиниць капсомерів, 3 — ДНК); Б — вірус герпесу (4— капсид, 5 —ДНК, б— оболонка з виростами); В — вірус саркоми Рауса (7 — оболонка з виростами, 8 — нуклеокапсид, 9 — другий зовнішній капсид)

Віруси з комбінованим типом симетрії. Представники цієї групи вірусів є складніше організованими. Вони мають нуклеокапсид, який характеризується кубічною симетрією, а розміщений усередині його нуклеопротеїд укладений спірально. Добре вивченим представником складніше побудованих вірусів є вірус мозаїки люцерни (ВМЛ). Морфологічні субодиниці ВМЛ, на відміну від інших вірусів, характерно укладені у вигляді пента- і гексамерів: частково за вимогами гвинтової і частково — кубічної симетрії. Комбінований тип симетрії мають віруси вісповакцини, лейкозів, сарком тощо.

До цієї групи складніше організованих вірусів належать і деякі види фагів, що мають два різних типи симетрії (головка й відросток). У великих, зокрема Т-парних, фагів головка має ікосаедричну форму, а відростки — гвинтову симетрію і є органами прикріплення до клітин бактерій.

1.2 Хімічний склад вірусів

Для успішного вивчення хімічного складу різних вірусів насамперед потрібно мати чисті препарати. Більшість методів очистки вірусів включає ультрацентрифугування, хроматографію тощо. Кінцева мета очистки — одержати препарати, що містять тільки інфекційні вірусні частинки, які можна використати для вивчення як структури, так і хімічного складу вірусів. Очищені препарати багатьох вірусів можуть кристалізуватися.

Д.Й. Івановський першим спостерігав у листках тютюну, ураженого мозаїчною хворобою, включення, які тепер називають кристалами Івановського.

Елементарний склад вірусних частинок такий (%): вуглець — 50; кисень — 20; водень — 7; азот — 16; фосфор — 0,4—0,5; сірка — 0,1-0,2; зольні елементи — 2,5.

Незважаючи на значні відмінності в будові та хімічному складі різних вірусів, усі вони мають два основні компоненти: нуклеїнову кислоту і білковий капсид (оболонку). У деяких вірусів нуклеокапсид може бути оточеним другою зовнішньою оболонкою, яка має ліпідну, ліпопротеїдну або гліколіпопротеїдну природу. Таку оболонку прийнято позначати терміном «суперкапсид». У складніше організованих вірусів окрім суперкапсида є ще одна проміжна оболонка — білкова мембрана, що оточує розміщений в центрі нуклеокапсид, який утворює структуру так званого нуклеоїда. Крім названих компонентів, до складу всіх вірусів входять катіони металів.

У найпростіших вірусів, наприклад у ВТМ, капсид складається з ідентичних субодиниць білка, які містять 158 амінокислот ВТМ. 21301100 пептидних ланцюжків субодиниць капсиду укладені по спіралі так, що виникає порожній циліндр завдовжки 300 нм і діаметром 15 нм.

У складніше організованих вірусів білкова оболонка складається з кількох білків, наприклад в аденовірусів виявлено близько 10 різних структурних білків, які беруть участь у формуванні капсида і серцевини вібріону. Крім структурних білків, у складі вірусних частинок виявлено також ферментні білки. Це, зокрема, РНК-залежна РНК полімераза (транскриптаза), РНК-залежна ДНК полімераза (ревертаза), АТФ-аза бактеріофагів зі скоротливими чохлами відростків та багато інших. Є дані, що ці ферменти кодуються вірусним геномом.

Цікаво, що вірусний білок, зокрема багатьох паличкоподібних вірусів, має здатність до самозбирання (упорядкованої агрегації), тобто, зруйнований до субодиниць за певних умов, він може знову відновлюватися до вихідного стану. Пояснити це можна тим, що впорядкований агрегат білка (капсид) має найменшу вільну енергію порівняно з мономерними пептидними ланцюгами. Тому самозбирання капсидів, як і будь-який процес, що веде до зменшення вільної енергії системи, може відбуватися спонтанно.

Якщо не брати до уваги індивідуальні функції, властиві тим чи іншим білкам у конкретних видів вірусів, то взагалі вірусні білки як компонент вібріону виконують захисну, адресну і регуляторну функції. С. Лурія і Дж. Дарнелл (1970) розрізняють серед білків, що утворюються під час вірусної інфекції, три групи: 1) білки, які можуть каталізувати реплікацію нуклеїнової кислоти вірусу; 2) білки структурні, що входять до складу нових вібріонів; 3) білки, які можуть змінювати деякі функції або структури клітин хазяїна.

Основним компонентом вірусів є також нуклеїнові кислоти (РНК або ДНК). Раніше вважали, що віруси рослин містять РНК. Однак у 1968 р. було виявлено, що вірус мозаїки цвітної капусти містить дволанцюгову молекулу ДНК. Більшість вірусів рослин містять одноланцюгову лінійну РНК. В одних видів тваринних вірусів знайдено ДНК, в інших — РНК. Бактеріофаги містять ДНК.

На відміну від клітинних організмів, у вірусів, на додаток до двох основних типів нуклеїнових кислот, є також одноланцюгові ДНК і дволанцюгові РНК.

Одноланцюгова ДНК фагів має кільцеву форму, а вірусів, які уражають еукаріотні клітини, — лінійну. Вторинна структура одно-ланцюгової ДНК вірусного походження нічим не відрізняється від макромолекулярної організації одноланцюгових РНК.