Вирусы и бактерии. Проблемы СПИДа
СОДЕРЖАНИЕ
1.0. Вирусы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1 Строение и химический состав вирионов . . . . . . . . . . .
3
1.2 Размножение вирусов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Болезнетворные свойства вирусов . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Полезные вирусы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Лечение вирусных инфекций . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.0. Бактерии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1 Строение бактерий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.2 Размножение бактерий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Физиология бактерий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Антибактериальные химиотерапевтические агенты . . . . . . . 11
2.5 Устойчивость бактерий к фактором окружающей среды . . . . . 12
2.6 Болезнетворность бактерий . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.0. Проблемы СПИДа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1 Заражение ВИЧом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2 Клинические симптомы СПИДа . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 Препараты для борьбы против СПИДа . . . . . . . . . . . . . . 16
1. Вирусы.
Вирусы (лат. - яд) - мельчайшие возбудители многочисленных инфекционных
заболеваний человека, животных, растений и бактерий. Являются
внутриклеточными паразитами, не способные к жизнедеятельности живых
клеток. Это неклеточная форма жизни.
Первооткрыватель вирусов Д.И. Ивановский выявил два их основных
свойства - они столь малы, что проходят через фильтры, задерживающие
бактерии, и их невозможно, в отличие от клеток, выращивать на ис
кусственных питательных средах. Лишь с помощью электронного микрос
копа удалось увидеть эти мельчайшие из живых существ и оценить мно
гообразие их форм.
Ни один из известных вирусов не способен к самостоятельному су
ществованию. Вирусы могут существовать в двух формах: внеклеточной и
внутриклеточной. Вне клеток вирионы (вирусные частицы) не обнаружи
вают признаков жизни. Попав в организм, они проникают в чувствитель
ные к ним клетки и переходят из покоящейся формы в размножающуюся.
Начинается сложное и многообразное взаимодействие вирусов и клетки,
заканчивающееся образованием и выходом в окружающую среду дочерних
вирионов.
В зависимости от длительности пребывания вируса в клетке и харак
тера изменения её функционирования различают три типа вирусной ин
фекции.
Если образующиеся вирусы одновременно покидают клетку, то она раз
рывается и гибнет. Вышедшие из неё вирусы поражают новые клетки. Так
развивается литическая
(разрушение, растворение) инфекция.
При вирусной инфекции другого типа, называемойперсистентной
( стойкой ), новые вирусы покидают клетку-хозяина постепенно. Клетка
продолжает жить и делится, производя новые вирусы, хотя её функцио-
нирование может измениться.
Третий тип инфекции называется латентным (скрытым). Генетический
материал вируса встраивается в хромосомы клетки и при её делении
воспроизводится и передаётся дочерними клетками. При определённых
условиях в некоторых из заражённых клеток латентный вирус активиру
ется, размножается, и его потомки покидают клетки. Инфекция развива-
ется по литическому или персистентному типу.
Болезни, которые вызываются вирусами, легко передаются от больных
здоровым и быстро распространяются. Долгое время полагали, что виру
сы вызывают острые массовые заболевания. К настоящему времени накоп
лено много доказательств того, что вирусы являются причиной и раз
личных хронических болезней длящихся годами и даже десятилетиями.
Разработка методов изучения вирусов, открытие вирусов (теперь их
известно около полутора тысяч), определение диапазона их болезнет-
ворных проявлений и попытки борьбы с ними были основным содержанием
вирусологии первый половины нашего столетия. Именно негативные
свойства вирусов, точнее способность вызывать болезни, послужили
вначале главным стимулом к их изучению. Но в процессе этой работы
были обнаружены многие положительные свойства вирусов ,благодаря ко
торым во второй половине 20 в. они стали замечательной моделью для
исследования фундаментальных проблем биологии. С их помощью были
сделаны такие выдающиеся открытия, как расшифровка генетического ко
да и строение генетических нуклеиновых кислот, установлены законо
мерности синтеза белков. Вирусы оказались основным инструментом ге-
нетической инженерии. Теперь мы знаем что по своему строению и
свойствам вирусы занимают промежуточное место между сложнейшими хи
мическими веществами (полимерами, макромолекулами) и простейшими ор
ганизмами (бактериями).
1.1 Строение и химический состав вирионов.
Самые крупные вирусы (вирусы оспы) приближаются по размерам к не
большим размерам бактерий, самые мелкие (возбудители энцефалита, по
лиомиелита, ящура) - к крупным белковым молекулам, направленных к
молекулам гемоглобина крови. Иными словами, среди вирусов есть свои
великаны и карлики. Для измерения вирусов используют условную вели-
чину, называемую нанометром ( нм ). Один нм составляет миллионную долю
миллиметра. Размеры разных вирусов варьируют от 20 до нескольких со
тен нм .
Простые вирусы состоят из белка и нуклеиновый кислоты. Наиболее
важная часть вирусной частицы - нуклеиновая кислота - является носи
телем генетической информации. Если клетки человека, животных, рас
тений и бактерий всегда содержат два типа нуклеиновых кислот дезок-
сирибонуклиновую кислоту - ДНК и рибонуклеиновую - РНК, то у разных
вирусов обнаружен лишь один тип - или ДНК, или РНК, что положено в
основу их классификации. Второй обязательный компонент вириона -
белки отличаются у разных вирусов, что позволяет распознавать их с
помощью иммунологических реакций.
Более сложные по структуре вирусы, кроме белков и нуклеиновых кис
лот, содержат углеводы, липиды. Для каждой группы вирусов характерен
свой набор белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Некоторые
вирусы содержат в своём составе ферменты.
Каждый компонент вирионов имеет определённые функции: белковая
оболочка защищает их от неблагоприятных воздействий, нуклеиновая
кислота отвечает за наследственные и инфекционные свойства и играет
ведущую роль в изменчивости вирусов, а ферменты участвуют в их разм
ножении. Обычно нуклеиновая кислота находится в центре вириона и ок
ружена белковой оболочкой (капсидом), как бы одета в неё (рис.1).
Капсид состоит из определённым образом уложенных однотипных белковых
молекул (капсомеров), которые образуют симметричные геометрические
формы в месте с нуклеиновой кислотой вирусы (нуклеокапсид ). В случае
кубической симметрии нуклеокапсида нить нуклеиновой кислоты свёрнута
в клубок, а капсомеры плотно уложены вокруг неё. Так устроены вирусы
полиомиелита, ящура и др.
При спиральной (палочковидной) симметрии нуклеокапсида нить вируса
закручена в виде спирали, каждый её виток покрыт капсомерами, темно
прилегающими друг к другу. Структуру капсомеров и внешний вид вирио
нов можно наблюдать с помощью электронной микроскопии.
Большая часть вирусов, вызывающих инфекции у человека и животных,
имеет кубический тип симметрии. Капсид почти всегда имеет форму ико
саэдра - правильного двадцатигранника с двенадцатью вершинами и с
гранями из равносторонних треугольников.
Многие вирусы помимо белкового капсида имеют внешнюю оболочку.
Кроме вирусных белков и гликопротеинов она содержит ещё и липиды,
позаимствованные у плазматической мембраны клетки-хозяина. Вирус
гриппа - пример спирального вириона в оболочке с кубическим тип
симметрии.
Современная классификация вирусов основана на виде и формы их нук
леиновой кислоты, типе симметрии и наличии или отсутствие внешней
оболочки.
1.2 Размножение вирусов.
Размножение вирусов происходит особым, ни с чем не сравнимым спо
собом. Сначала вирионы проникают внутрь клетки, и освобождаются ви
русные нуклеиновые кислоты. Затем «заготавливаются» детали будущих
вирионов. Размножение заканчивается сборкой новых вирионов и выходом
их окружающую среду.
Рассмотрим простейший способ размножения вирусов (рис. 2). Предс
тавим себе некий обобщённый вариант вирусной частицы, состоящей из
двух основных компонентов - нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК), зак
лючённой в белковой чехол (оболочку). Встреча вирусов с клетками на
чинается с его адсорбций, то есть прикрепления к клеточной стенки,
плазматической мембране клетки. Причём каждый вирион способен прик
репляться лишь к определённым клеткам, имеющие специальные рецепто
ры. На одной клетке могут адсорбироваться десятки и даже сотни вири
онов. Затем начинается внедрение или проникновение вириона в клетку,
которое осуществляет она сама. Этот процесс называется виропексисом.
Клетка как бы «втягивает» прикрепившихся вирионов внутрь.
Более просто устроены бактерии не способны сами захватывать вирионы
из окружающей среды. Этим,по-видимому, и можно объяснить наличие у
поражающих их вирусов сложного и совершенного аппарата, подобно
шприцу, впрыскивающего нуклеиновые кислоты.
В зараженной клетке бактериальные ферменты репликации синтезируют
комплементарную ей цепь, которая служит матрицей для образования фа
говых ДНК. Они соединяются с фаговыми белками, также синтезированные
бактериальными ферментами, и новые фаги покидают клетку-хозяина.
Разнообразие видов и форм вирусов нуклеиновых кислот определяет и
разнообразие способов их репликации. Бактериофаг (вирус, который по
селяется в клетках бактерий) Т4 имеет одну двухцепочечную линейную
молекулу, состоящую из 160 x 10^530 пар нуклеотидов. В ней закодировано
более 150 различных белков, в том числе более 30 белков, участвующих
в репликации фаговой ДНК. Обезьяний вирус SV40 имеет двухцепочечную
кольцевую ДНК. Репликация у вирусов с двухцепочечной ДНК принципи
ально не отличается от репликации бактериальной и или эукариотичес
кой ДНК.
Многие вирусы растений содержат одну линейную молекулу РНК, напри
мер первый из описанных вирус табачной мазаики (ВТМ). Молекула РНК
ВТМ заключена в белковый капсид, состоящий из 2130 идентичных поли
пептидных субъединиц.
Репликация РНК вируса табачной мозаики осуществляется ферментом,
Называемым 1 РНК-зависимой РНК-полимеразой 0, закодированной в геноме
вируса. Сначала этот фермент строит комплементарную РНК, а затем по
ней, как по матрице, синтезирует множество вирусных РНК.
Поразительно, как вирусы, которые в десятки и даже сотни раз мень
ше клеток, умело и уверенно распоряжаются клеточным хозяйством. Для
построения себе подобных они используют клеточные материалы и энер
гию. Размножаясь, они истощают клеточные ресурсы и глубоко, часто
необратимо, нарушают обмен веществ, что в конечном счёте является
причиной гибели клеток.
1.3 Болезнетворные свойства вирусов.
Диапазон патологических процессов, вызываемых вирусами, очень ши
рок (таб.). Здесь и так называемые генерализованные инфекции
(грипп, корь, бешенство, свинка, оспа и др.), и местные поражения
кожи и слизистых оболочек (герпес, бородавки), и болезни отдельных
органов и тканей (миокардиты, гепатиты, лейкозы), и, наконец, злока
чественные образования (рак, саркома у животных). Распространёными
заболеваниями остаются грипп и острые респираторные заболевания,
корь, вирусный гепатит, тропические лихорадки, герпес и другие ви
русные болезни. В природе существует мало чисто человеческих виру
сов; все они близки и аналогичны соответствующим вирусам животным.
Какова вероятность встречи с вирусами? С возбудителями гриппа, ко
ри, свинки, герпеса, цитомегалии, гастроэнтерита и различных ОРЗ
контакты практически неизбежны (90-100%); с вирусами вызывающими ге
патит, краснуху, бешенство, везикулярный стоматит, полиомиелит, мио
кардиты, встреч можно избежать. Так или иначе, но человек на протя
жении всей жизни подвергается опасности заразиться и заболеть ка
кой-либо вирусной инфекцией, хотя существует определённая возрастная
чувствительность к вирусам.
Ещё не родившемуся плоду человека грозят два вируса - краснухи и
цитомегалии, которые передаются внутриутробно и очень опасны. Ново
рождённые и грудные младенцы ещё более уязвимы: им угрожают вирусы
герпеса 1-го и 2-го типа и вирус гепатита. Также подстерегают их но
вые опасности - грипп, различные ОРЗ, полиомиелит, острые гастроэн
териты.
Итак, вирусы являются постоянными спутниками человека от рождения
вплоть до глубокой старости. Считается, что при средней продолжи
тельности жизни 70 лет около 7 лет человек болеет вирусными заболе
ваниями. Подсчитано, что в среднем человек ежегодно сталкивается с 2
и более вирусными инфекциями, а всего за жизнь вирусы до 200 раз
проникают в его
организм. К счастью, далеко не все встречи заканчи
ваются болезнями, так как в процессе эволюции человеческий организм
научился успешно справляться со многими вирусами.
1.4 Полезные вирусы.
Существуют и полезные вирусы. Сначала были выделены и испытаны ви
русы - пожиратели бактерий (бактериофаги). Однако последовали неуда
чи. Это было связано с тем, что в организме человека бактериофаги
действовали на бактерии не так активно, как в пробирке. Кроме того,
бактерии очень быстро приспосабливались к бактериофагам и станови-
лись не чувствительными к их действию. После открытия антибиотиков
бактериофаги как лекарство отступили на задний план.
Полезными оказались вирусы поражающие позвоночных животных и насе
комых. В 50-х годах 20 века в Австралии остро встала проблема с ди
кими кроликами, которые быстрей саранчи уничтожали посевы сельскохо
зяйственных культур и приносили огромный экономический ущерб. Для
борьбы с ними использовали вирус миксоматоза. Вирус полиэдроза и
гранулеза уничтожает гусениц и жуков, которые поедают полезные
листья.
1.5 Лечение вирусных инфекций.
Существуют три основных способа борьбы с вирусными заболеваниями -
вакцинация, применение интерферона и химиотерапия. Каждый из них
действует по-своему: вакцины включают систему иммунитета, интерферон
подавляет размножение вирусов, проникших внутрь клеток, а химиопре
параты вступают с вирусами в единоборство и приостанавливают начав
шееся заболевание.
Первый способ - вакцинация. Суть его сводится к простой формуле
«Бей врага его же оружием». Вирус здесь вступает против вируса.
В 1796 году английский врач Э. Дженнер попробовал привить оспу ко
ров (вакцину) здоровым людям, после этой процедуры они не заболевали
оспой. Тогда от оспы ежегодно умирали миллионы людей, и открытие
Дженнера было чрезвычайно важным.
В 1885 году французский учёный Л. Пастер изобрёл вакцину против
бешенства. После открытия вирусов вакцины из убитых или ослабленных
вирусов стали в промышленном масштабе. При введении в организм такие
вирусы не вызывают заболевания, но создают активный иммунитет к дан
ному вирусу.
Второй способ -химиотерапия. В отличие от вакцинации, её конечной
целью является не предупреждение, а лечение. Основная трудность, с
которой сталкиваются при разработке химиотерапии вирусных инфекций,
заключается в том, что вирусы размножаются внутри клеток, используя
их системы, в силу чего любое воздействие на синтез вирусов приводит
к нарушению обмена веществ клеток. В связи с этим большинство препа
ратов, подавляющих размножение вирусов, параллельно угнетают жизне
деятельность клетки-хозяина. Поэтому широко известные антибиотики и
антиметаболиты, обладающие выраженной способностью подавлять разви
тие вирусов в пробирке, малоэффективны в условиях организма.
Третий способ - интерферон. В отличие от вакцинации и от химиопре
паратов, интерферон обладает универсально широким спектром действия
и активен практически против всех вирусов, он действует по принципу
стоп-сигнала и подавляет размножение вирусов, уже проникших внутрь
клеток. Ряд факторов показывает, что, если интерферон вырабатывается
организмом плохо, вирусные заболевания протекают тяжелее. Клиничес
кие испытания интерферона показали, что он активен при острых респи
раторных заболеваниях, особенно вызываемых риновирусами, то есть как
раз в тех случаях, когда вакцинация мало перспективна. Применение
интерферона оказалось эффективным и при герпетических поражениях ко-
жи, глаз и слизистых оболочек.
2. Бактерии.
Бактерии - широко распространённая в природе группа одноклеточных
микроорганизмов с примитивной формой клеточной организации.
Интенсивное изучение биологических свойств бактерий и их рали в
биосфере началось в середине 19 в., когда появились работы французс-
кого учёного Л. Пастера, немецкого учёного Р. Коха и английского
учёного Д. Листера.
Большинство бактерий не имеют хлорофилла, то есть они не использу
ют солнечную энергию в процессе обмена веществ, а получают энергию в
результате химических превращений неорганических или органических
соединений, имеющихся в среде их обитания. Бактерии широко распрост
ранены в природе: их находят в почве, в воде, в растениях, в орга-
низме человека и животных. Они могут существовать в самых разных ус
ловиях, 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 вы
зывать болезни человека, животных и растений. Потенциальная способ
ность бактерий вызывать инфекционные заболевания называется болез
нетворностью, 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
Строение типичной бактериальной клетки показано на рисунке 1. На рисунке 2
представлена электронная микрофотография среза палочковидной бактерии.
Можно видеть, насколько просто устроена бактериальная клетка, особенно если
сравнить ее с клетками эукариот.
Капсулы и слизистые слои
Капсулы и слизистые слои – это слизистые или клейкие выделения некоторых
бактерий; такие выделения хорошо видны после негативного контрастирования
(когда окрашивают не препарат, а фон). Капсула представляет собой
относительно толстое и компактное образование, а слизистый слой намного
рыхлее. В некоторых случаях слизь служит для формирования колоний из
отдельных клеток. И капсула, и слизистые слои служат дополнительной защитой
для клеток. Так, например, инкапсулированные штаммы пневмококков свободно
размножаются в организме человека и вызывают воспаление легких,а
некапсулированные штаммы легко атакуются и уничтожаются фагоцитами и
поэтому совершенно безвредны.
Клеточная стенка
Клеточная стенка придает клетке определенную форму и жесткость. Ее хорошо
видно на срезе ( рис. 2 ). Как и у растений, клеточная стенка бактерий
препятствует осмотическому набуханию и зазрыву клеток, когда они, как это
часто случается, попадают в гипотоническую. Вода, другие малые молекулы и
разные ионы легко проникают через крошечные поры в клеточной стенке, но
через них не проходят крупные молекулы белков и нуклеиновых кислот. Кроме
того, клеточная стенка обладает антигенными свойствами, которые ей придают
содержащиеся в ней белки и полисахариды.
По строению клеточной стенки бактерии можно разделить на две группы. Одни
окрашиваются по Граму, поэтому их называют грамположительными, а другие
обесцвечиваются при отмывке красителя, и поэтому их называют
грамотрицательными. В клеточной стенке и тех и других есть особая жесткая
решетка, состоящая из муреина. Молекула муреина представляет собой
правмльную сеть из параллельно расположенных пролисахаридных цепей, сшитых
друг с другом короткими цепями пептидов. Таким образом, каждая клетка
окружена сетевидным мешком, составленным из одной молукулы.
У грамположительных бактерий, например у Lactobacillus , в муреиновую сетку
встроены другие веществ, главным образом полисахариды и белки. Так вокруг
клетки создается сравнительно толстая и жесткая упаковка. У
грамотрицательных бактерий, скажем у Escherichia coli или у Azotobacter,
клеточная стенка гораздо тоньше, но устроена она сложнее. Муреиновый слой у
этих бактериий снаружи покрыт мягким и гладким слоем липидов. Это защищает
их от лизоцима. Лизоцим обнаружен в слюне, слезах и других биологических
жидкостях, а также в белке куриного яйца. Он катализирует гидролиз
определенных связей между остатками углеводов и таким образом расщепляет
полисахаридную основу муреина. Клеточная стенка разрывается, и, если клетка
находится в гипотоническом растворе, происходит ее лизис (клетка
осмотически набухает и лопается). Липидный слой придает клетке устойчивость
и к пенициллину. Этот антибиотек препятствует образованию сшивок в
клеточной стенке грамположительных бактерий, что делает растущие клетки
более чувствительными к осмотическому шоку.
Жгутики
Многие бактерии подвижны, и эта подвижность обусловлена наличием у них
одного или нескольких жгутиков. Жгутики у бактерий устроены гораздо проще,
чем у эукариотов, и по своей структуре напоминают одну из микротрубочек
эукариотического жгутика. Жгутики состоят из одинаковых сферических
субъединиц белка флагеллина (похожего на мышечный актин), которые
расположены по спирали и образуют полный цилиндр диаметром около 10-20 нм.
Несмотря на волнистую форму жгутиков, они довольно жестки. Жгутики
приводятся в движение посредством уникального механизма. Основание жгутика,
по-видимому, вращается так, что жгутик как бы ввинчивается в среду, не
совершая беспорядочных биений, и таким образом продвигает клетку вперед.
Это, очевидно, единственная известная в природе структура, где используется
принцип колес. Другая интересная особенность жгутиков – это способность
отдельных субъединиц флагеллина спонтанно собираться в растворе в
спиральные нити. Спонтанная самосборка - очень важное свойство многих
сложных биологических структур. В данном случае самосборка целиком
обусловлена аминокислотной последовательностью (первичной структурой)
флагеллина.
Подвижный бактерии могут передвигаться в ответ на определенные
раздражители, т.е. они способны к таксису. Так, например, аэробные бактерии
обладают положительным аэротаксисом (т.е. плывут туда, где среда богаче
кислородом), а подвижные фотосинтезирующие бактерии - положительным
фототаксисом (т.е. плывут к свету).
Жгутики легче всего рассмотреть в электронном микроскопе (рис. 3), применив
технику напыления металлом.
Пили, или фимбрии
На клеточной стенке некоторых грамотрицательных бактерий видны тонкие
выросты (палочковидные белковые выступы), которые называются пили или
фимбрии (рис 3). Они короче и тоньше жгутиков и служат для прикрепления
клеток друг к другу или к какой-нибудь поверхности, придавая специфическую
«липкость» тем штаммам, которые ими обладают. Пили бывают разного
типа.Наиболее интересны так называемые F-пили, которые кодируются
специальной плазмидой и связаны с половым размножением бактерий.
Плазматическая мембрана, мезосомы и фотосинтетические мембраны
Как у всех клеток, протоплазма бактерий окружена полупроницаемой мембраной.
По структуре и функциям плазматические мембраны бактерий не отличаются от
мембран эукариотических клеток. У некотрых бактерий плазматическая мембрана
впячиваеися внутрь клетки и образует мезосомы и(или) фотосинтетические
мембраны. Мезосомы – складчатые мембранные структуры (рис. 1 и 2), на
поверхности которых находятся ферменты, участвующие в процессе дыхания.
Следовательно, мезосомы можно назвать примитивными органеллами. Во время
клеточного деления мезосомы связываются с ДНК, что, по-видимому, облегчает
разделение двух дочерних молекул ДНК после репликации и способствует
образованию перегородки между дочерними клетками. У фотосинтезирующих
бактерий и мешковидных, трубчатых или пластинчатых впячиваниях
плазматической мембраны находятся фотосинтетические пигменты (в том числе
бактериохлорофилл). Сходные мембранные образования участвуют в фиксации
азота.
Генетический материал
ДНК бактерий представлена одиночными кольцевыми молекулами длиной около 1
мм. Каждая такая молекула состоит примерно из 5(10^6 пар нуклеотидов.
Суммарное содержание ДНК (геном) в бактериальной клетке намного меньше ,
чем эукариотической, а следовательно, меньше и объем закодированной в ней
информации. В среднем такая ДНК содержит несколько тысяч генов, что
примерно в 500 раз меньше, чем в клетке человека. (рис. 1 )
Споры
Некоторые бактерии (в основном принадлежащие к роду Clostridium или
Bacillius) образуют эндоспоры, т.е. споры, находящиеся внутри клетки.
Эндоспоры – толстостенные долгоживущие образования, крайне устойчивые к
нагреванию и коротковолновому излучению. Они по-разному располагаются
внутри клетки, что служит очень важным признаком для идентификации и
систематики таких бактерий (рис. 4). Если покоящаяся, устойчивая структура
образуется из целой клетки, то она называется цистой. Цисты образуют
некоторые виды Azotobacter.
Форма клетки
Форма бактериальной клетки является одним из важнейших систематических
признаков. Четыре основных типа клеток изображены на рисунке 4. На этом же
рисунке указаны некоторые полезные и болезнетворные бактерии.
2.2 Размножение бактерий.
Большинство бактерий размножаются путём деления, которому пред
шествует рост бактерии, то есть увеличение массы её клетки. Обычно
палочковидные бактерии в длину увеличиваются в двое, и после дости
жения ими определённого размера посередине клетки возникает попереч-
ная перегородка, состоящая из цитоплазматической мембраны и клеточ
ной стенки. Такой способ деления называется поперечным. Образовавши
еся дочерние клетки по своим свойствам полностью подобны материнской
клетке, из которой они возникли.
Для того чтобы бактерии могли расти и размножатся, среда их обита
ния должна содержать необходимые источники углерода, азота, энергии,
определённой солевой набор, иметь оптимальную температуру. Для боль
шинства патогенных бактерий она равна 37.5.
В лабораторных условиях для выращивания бактерий используют ис
кусственные 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 пи
тательной среде не был ограничен, то через 24 часа число потомков
одной бактерии равнялось 105210 клеток, а их масса составила бы при
мерно 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 ор
ганизмов. Бактериальная клетка содержит 70-85% воды. Около 90% сухо
го остатка составляют высокомолекулярные соединения: нуклеиновые
кислоты (10%),белки (40%), полисахариды (15%), пептидогликан (10%)
и липиды (15%); остальные 10% приходятся на моносахара, аминокисло
ты, азотистые основания, неорганические соли и другие низкомолеку
лярные соединения. Во всех процессах жизнедеятельность бактерий, как
и других организмов, участвуют многочисленные ферменты. Одни из них
(эндоферменты) функционируют только внутри клетки, обеспечивая про-
цессы синтеза, дыхания и тому подобное. Другие (экзоферменты) выде
ляются бактериями в окружающую среду. Необходимые бактериям высоко
молекулярные соединения синтезируются из небольших молекул, проника
ющих в клетку через цитоплазматическую. мембрану Белки, полисахари
ды, липиды могут быть использованы бактерией как источник питания
лишь после их расщепления экзоферментами - до аминокислот, моносаха
ров и др.
Для нормальной жизнедеятельности бактерия должна быть обеспечена
источниками углерода и азота. Одни виды бактерий (афтотрофы) исполь
зуют неорганический углерод, другие (гетеротрофы), в число которых
входят и патогенные бактерии, используют органические соединения.
Гетеротрофные бактерии в свою очередь разделяются на сапрофитов, пи-
тающихся органическими соединениями внешней среды, и паразитов, жи
вущих 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, столбня
ка, развиваются без доступа свободного кислорода, присутствие кото
рого угнетает их жизнедеятельность. Наконец, факультативные анаэро
бы, например возбудители кишечных инфекций, развиваются как в кисло
родной, так и в бескислородной среде.
Аэробность или анаэробность бактерий обусловливается способом по
лучения ими энергии, необходимой для обеспечения процессов жизнедея
тельности. Некоторые бактерии (фотосинтезирующие) способны, подобно
растениям, использовать непосредственно энергию солнечного света.
остальные (хемосинтезирующие) получают энергию в ходе различных хи-
мических реакций. Существуют бактерии (хемоафтотрофы), окисляющие
неорганические вещества (аммиак, соединения серы и железа и др.). Но
для большинства бактерий источником энергии служат превращения орга
нических соединений: углеводов, белков, жиров и др. Аэробы использу
ют реакции биологического окисления с участием свободного кислорода
(дыхание), в результате которых органические соединения окисляются
до углекислого газа и воды. Анаэробные получают энергию при расщеп
лении органических соединений без участия свободного кислорода. Та
кой процесс называется брожением. При брожении, кроме углекислого
газа, образуются различные соединения, например спирты, ацетон и др.
В процессе жизнедеятельности бактерии образуют биологически актив
ные вещества - ферменты, антибиотики, пигменты, летучие ароматичес
кие соединения, токсины и др.
2.4 Антибактериальные химиотерапевтические агенты.
Химические соединения, используемые для дезинфекции, хотя и обла
дают высокой антибактериальной активностью, не могут из-за их ток
сичности применяться в лечебных целях. Для этого пригодны антибакте
риальные химиотерапевтические средства. Они способны убивать бакте
рий 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 бакте
рии или другого микроорганизма.
Кроме химических соединений, мощными антибактериальными средствами
Являются антибиотики - химиотерапевтические препараты естественного
происхождения, синтезируемые микроорганизмами.
Теоретические основы химиотерапии и вопросы её практического ис
пользования при лечении инфекционных заболеваний были разработаны в
начале века немецким учёным П. Эрлихом, который открыл органические
соединения мышьяка, активные при лечении сифилиса. Однако долгие го
ды 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 химиотерапевтичес
кими средствами, но и вызвало к жизни новое направление поиска анти
бактериальных химиотерапевтических средств. Это направление возникло
в результате изучения механизма действия сульфаниламидов на бактери
альную клетку. Было установлено, что по химической структуре сульфа
ниламид подобен парааминобензойной кислоте - одному из важных проме
жуточных продуктов (метаболитов), участвующих в синтезе нуклеиновых
кислот. Из-за химического подобия сульфаниламид действует как анти
метаболит парааминобензойной кислоты: включаясь вместо неё в биохи
мические процессы, но не заменяя её, сульфаниламид нарушает синтез
нуклеиновых кислот в бактериальной клетке. Исходя из этих данных,
было сформулировано положение, что среди антиметаболитов других био
химических процессов окажутся лечащие антибактериальные средства.
Однако проблема получения новых лекарственных средств против бакте
риальных 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 пеп
тидогликана. Некоторые антибиотики (пенициллин, циклосерин) эффек
тивные как антибактериальные средства, воздействуют на процесс фор
мирования клеточной стенки, нарушая синтез пептидогликана, входящего
в его состав, что приводит к лизису бактерий. Другие бактерии - тет
рациклин, левомицетин, стрептомицин и другие - способны нарушать
синтез белков в бактериальных клетках. Первым препаратом этой груп
пы, нашедшим применение в клинике, был стрептомицин. Оказалось, что
он способен изобретательно объединяться с рибосомами клеток организ-
махозяина. В результате «точность» рибосом бактерии в процессе син-
теза белка нарушается, что приводит к «порче» синтезируемых белков и
гибели бактерии. Неомицин, канамицин, левомицетин и эритромицин так
же взаимодействуют с рибосомами бактериальной клетки. Тетрациклин
нарушает присоединение информационной РНК к рибосомам. Лечащее дейс
твие 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, уль
трафиолетовое излучение. К низким температурам бактерии устойчивы,
некоторые выживают даже при –190.5, а споры при –253.5. К высоким тем
пературам бактерии высокочувствительные. Не спорообразующие бактерии
погибают при температуре 60-70.5, спорообразующие - при прогреве выше
100.5. Разные виды бактерий по-разному переносят высушивание: одни
(например гонококки) очень быстро погибают, другие в этих же услови
ях выживают. Так, палочка дизентерии при высушивании остаётся жиз
неспособной 7 суток, дифтерии - 30 суток, брюшного тифа - 70 суток,
туберкулёза - 90 суток, споры бацилл сибирской язвы - до 10 лет.
Бактерии чувствительны к ультрафиолетовому излучению и прямому сол
нечному свету.
2.6 Болезнетворность бактерий.
Из огромного количества бактерий, обнаруженных в природе, лишь не
большое число видов являются патогенными. Болезнетворность бактерий
определяется их способностью преодолевать защитные барьеры организ
ма, внедрятся в его ткани и выделять токсические вещества.
При ряде заболеваний (дифтерия, столбняк и др.) общее тяжёлое по
ражение организма не сопровождается распространением бактерийвозбу
дителей из места их первичного внедрения. Например, при дифтерии
возбудитель обнаруживается в носоглотке и трахее, а поражёнными ока
зываются сердечная мышца, нервы, надпочечники. Изучение причины это
го явления привело к заключению, что токсин, вырабатываемый возбуди-
телем болезни, всасывается в кровь и транспортируется в разные орга
ны и ткани. В питательной среде или в организме бактерия в период её
активного роста выделяется в среду обитания токсин - экзотоксин.
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 бо
лее 5 миллионов литров воды.
Действие токсинов как биологически активных веществ подобно дейс
твию ферментов, и некоторые экзотоксины в самом деле являются бакте
риальными ферментами, а другие могут взаимодействовать с ферментами
клеток. Нейротоксин, синтезируемый дизентерийный бактерией, первично
поражает мелкие сосуды головного и спинного мозга, что ведёт к нару-
шению функций центральной нервной системы. Холерный экзотоксин вызы
вает 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 невоспри
имчивости к данному токсину.
Ряд бактерий (кишечные палочки, большинство возбудителей дизенте
рии, гонококки и др.) не синтезируют экзотоксины, и отравляющее
действие этих бактерий на организм связано с эндотоксинами - сложны
ми соединениями, в молекулу которых входят фосфолипид, полисахарид и
белок.
Фактором болезнетворности некоторых бактерий (палочек сибирской
язвы, чумы, коклюша и др.) оказалась капсула. Разрушение её путём
обработками ферментов или другими соединениями, а также в результате
соответствующих мутаций, приводящих к нарушению синтеза капсулы,
резко снижает болезнь. Это выражается в том, что для развития смер-
тельного заболевания у подопытного животного ему необходимо ввести
во много тысяч раз больше бескапсульных бактерий, чем бактерий, име
ющих капсулу. Капсула защищает бактерию от фагоцитоза, но механизм
её защитного действия не совсем ясен. Предполагают, что электричес
кий заряд поверхности капсулы препятствует возникновению физического
контакта фагоцита с бактерией.
Кроме токсинов и капсулы, у некоторых бактерий обнаружены и другие
факторы, определяющие их болезнетворность. К их числу относится фер
мент гиалуронидаза, продуцируемый гноеродным стрептококком и раство
ряющий основное вещество соединительной ткани - гиалуроновую кисло
ту, что облегчает распространения бактерий в тканях. Патогенные ста
филококки синтезируют другой фермент - коагулазу, который, вероятно,
является одним из факторов болезнетворности этих бактерий. Коагулаза
действует подобно тромбину вызывая образование сетки фибрина вокруг
стафилококка препятствует таким образом фагоцитозу.
3. Проблемы СПИДа.
СПИД - синдром приобретенного иммунодефицита. Существуют несколь
ко вирусов иммунодефицита человека: ВИЧ-1, обнаруженный у людей в
большинстве стран мира, и ВИЧ-2, обнаруженный в Западной Африке.
СПИД вызывает вирус, идентифицированный как ВИЧ - вирус иммунодефи
цита чело века.
История возникновения СПИДа говорит о том, что сегодняшняя эпиде
мия новая. Возможно и раньше встречались отдельные случаи СПИДа. В
начале 80-х врачи в США, Европе и Африке стали замечать особую ком
бинацию симптомов и течение болезней, ранее не встречавшихся. Это
их удивляло, потому что: - серьезные заболевания, от которых люди
умирали, возникали раньше только у тех, у которых была ослаблена
иммунная система, например у больных раком или страдающих хроничес
ким недоеданием; - симптомы обычно легко протекающих заболеваний,
таких как герпес или обычные стоматиты и молочницы, приобретали
очень серьезный характер, поражали все тело и часто встречались в
необычных комбинациях; - заболевание поражало ранее здоровых, силь
ных и молодых людей.
Специалисты заметили, что на Западе такие проявления зоболеваний
встречались преимущественно у гомосексуалистов, в Африке - и у муж
чин и у женщин. Затем болезнь проявлялась у тех, кому делали пере
ливание крови и внутривенные вливания, а также у младенцев, родив
шихся у матерей, заболевших СПИДом. Это навело на мысль, что забо-
левание вызвано каким-то вирусом, циркулирующим в крови, а также
передающимся половым путем.
Начались поиски этого вируса и был обнаружен ВИЧ. ВИЧ был найден
у зараженных людей в крови, сперме, выделениях из влагалища. Это
белые кровяные тельца - лимфоциты и макрофаги.
Лимфоциты ВИЧ-1 разрушает, а заражённые макрофаги не погибают,
но становятся резервуарами инфекции. Она начинается, кода вирус
прилипает к белку-рецептору, расположенному на поверхности клеток-
мишеней.
Особенности ретровирусов (к этому классу относится ВИЧ) заключа
ется в том, что их гены закодированы в РНК, а не в ДНК, как обычно.
Вирусная РНК, попадая в клетку-жертву, с помощью особого фермента
трансформируется в ДНК (провирус). Вирусная генетическая информация
в форме двух цепочек ДНК, то есть в той же, в какой хранят клетки-
мишени свои гены, включается в их ДНК. Теперь каждый раз, когда
клетка будет делится, вирусная ДНК будет дублироваться. Так инфек
ция становится постоянной. Но даже если клетка не производит вирус
ных частиц, она всегда остаётся банком «спящих» генов ретровирусов.
Число заболевших СПИДом стало увеличиваться с 1980 года каждые 8
месяцев в два раза в тех странах, где был впервые обнаружен этот
вирус. Болезнь распространилась практически во все страны мира.
Ранние исследования говорят о том, что вирус возник в Центральной
Африке, затем перебрался на Гаити, и через гомосексуалистов был
привезен в США. Эта версия была зафиксирована в официальных доку
ментах, хотя позже было установлено, что это необоснованно. Число
людей, впервые заболевших СПИДом в Африке, вначале было преувеличе
но, так как тесты на наличие вируса часто давали ложные результаты.
Не установлено, откуда пришел ВИЧ. Предполагают, что самый ранний
случай появления ВИЧ был зарегистрирован в 1969 году в США у маль
чика, умершего от иммунодефицита. Исследования его законсервирован
ной рови и тканей показало наличие антител к ВИЧ.
3.1 Заражение ВИЧом.
Не так-то просто заразиться ВИЧ. ВИЧ не разносится по воздуху и
не может проникнуть в наш организм капельным путем, как в кровь.
Существует четыре основных пути передачи ВИЧ:
. при половом акте с человеком, зараженным ВИЧ;
. при переливании крови, зараженной ВИЧ;
. внутриутробно от зараженной матери к ребёнку;
при наличии зараженной крови на медицинских инструментах, в шпри
. цах и т.д.
Наибольшее количество ВИЧ находится в крови, сперме и влагалищном
секрете. От зараженного человека ВИЧ проникает в лейкоциты пока еще
здорового человека. Человек может заразится ВИЧ только в том слу
чае, если инфицированная кровь, сперма и влагалищный секрет попада
ют непосредственно в кровь или на слизистые оболочки здорового че
ловека. Причем заражение вирусом, попавшем на кожу и слизистые,
произойдет только в том случае, если на них есть повреждения (цара
пины, порезы, потёртости).
3.2 Клинические симптомы СПИДа.
Заражение здорового человека ВИЧ не всегда проявляется клиничес
кими симптомами и, как правило, человек долго чувствует себя прак
тически здоровым, оставаясь вирусоносителем.
Примерно через три месяца у людей, зараженных ВИЧ, уже можно ла
бораторно определить антитела к вирусу.
Клинические проявления СПИДа появляются после заражения через 6
месяцев или даже несколько лет. Однако эти симптомы характерны не
только для СПИДа, а присущи многим заболеваниям: рак, пневмония,
диарея и т.д.
После исключения этих заболеваний врач может поставить диагноз
СПИДа, если у пациента проявляется два и более основных симптомов и
как минимум один второстепенный.
Основные клинические симптомы СПИДа:
потеря веса более, чем на 10% от прежнего веса;
. лихорадка, длящаяся более месяца;
. понос, длящийся более месяца (с перерывами или постоянно);
. сильная утомляемость и слабость.
Второстепенные клинические симптомы:
. кашель, продолжающийся более одного месяца;
. стоматит;
. язвенные поражения кожи;
. опоясывающий лишай;
увеличение лимфоузлов одной или нескольких групп (исключая пахо
. вые) в течение трех месяцев.
В конечной стадии болезни иммунная система человека окончательно
разрушается. Организм становится восприимчивым к различным заболе
ваниям, которые, как правило, имеют летальный исход. К ним относятся
следующие заболевания:
. легочные заболевания;
инфекционные заболевания головного мозга, сопровождающиеся нару
. шениями интеллекта и сильными головными болями;
. кишечные инфекции, которые сопровождаются длительной диареей;
. рак, особенно рак кожи, который называется саркомой Капоши.
Около половины людей, у которых диагностирован СПИД, умирает че
рез два года после постановки клинического диагноза. По данным США,
15% больных прожили только до 5 лет.
Через какое время человек, зараженный ВИЧ, может заболеть СПИДом?
Некоторые люди, зараженные ВИЧ, могут вообще никогда не заболеть
СПИДом. С 1980 года, когда был обнаружен СПИД, еще не установлен
процент людей, у которых развилась болезнь за 10 или 20 лет. Можно
отметить, что каждый год у 12% людей, зараженных ВИЧ, проявляются
лишь симптомы заражения, а у 2-9% развивается СПИД. Люди, заражен
ные ВИЧ, заболевают СПИДом в среднем через 8 лет.
3.3 Препараты для борьбы против СПИДа.
Американские исследователи обнаружили, что ВИЧ-1 может активизи
роваться, если повреждается его ДНК, включённая в геноме клеткими
шени. Повреждающими агентами были ультрафиолет, некоторые препараты
- то есть они могут разбудить дремлющую в организме инфекцию.
По мнению учёных, именно способность генома ВИЧ проникать в хро-
мосомы клетки-хозяина делает невозможным создание вакцины с исполь
зованием полного вируса. Скорее всего в такой вакцине должны быть
части вируса в определённой комбинации, но опыта создания подобных
препаратов в мире практически нет.
Несмотря на регулярно появляющиеся сообщения, что лекарство от
СПИДа найдено, они, как правило, оказываются мыльными пузырями.
Единственное действующее средство, позволяющее поддерживать боль
ных, продлевать им жизнь, это АЗТ (азидотимидин, препарат, создан
ный как антираковый). Потом японские учёные обнаружили, что в соче
тании с декстран-сульфатом действие АЗТ усиливается.
Новые препараты для борьбы против СПИДа разработала южнокорейская
компания «Сонген индастриз».
На создание препаратов - химических компонентов, получивших кодо
вые наименования Эс-Кей-Ай 1694, 1695, 1703, 1723, ушло около 1,3
млн долларов и два года исследований фармацевтической группы во
главе с доктором Ким Дэ Ги. Лабораторные испытания показали способ
ность препаратов замедлять развитие не излечимого пока заболевания
в организме человека в большей степени, чем при применении азидоти
мидина - наиболее широко используемого средства против СПИДа. «Сон-
ген индастриз» уже запатентовала полученные ею химикаты, которые
могут быть использованы в производстве лекарств в 20 странах мира,
включая США и Японию, надеясь выбросить их на международный рынок к
1998 году. По словам представителей компании, до того, как будет
налажен массовый выпуск медикаментов, на их испытаниях на инфициро
ванных пациентах уйдёт три года.
В Южной Корее это уже не первая попытка найти панацею от «чумы XX
века». В прошлом году здешние специалисты предложили использовать
для лечения больных СПИДом порошок из красного женьшеня - разновид
ности «корня жизни», произрастающего в диком виде в Центральных ра
йонах Корейского полуострова. Ученые Государственного института
здравоохранения Республики Корея установили возможность замедления
развития синдрома иммунодефицита с помощью комбинированного исполь
зования этого средства азидотимидином. |
