Особенности метаболизма у прокариот внутриклеточных паразитов

Хламидии – сферические грамотрицательные бактерии, облигатно паразитирующие в клетках теплокровных организмов. Они неспособны самостоятельно синтезировать высокоэнергетические соединения и обеспечивать собственные потребности в энергии. Нормальное развитие хламидий возможно только в условиях внутриклеточного паразитирования. Размножаются бинарным делением.

Риккетсии – мелкие грамотрицательные палочковидные бактерии, облигатно паразитирующие в различных клетках. Не растут на питательных средах, для культивирования используют куриные эмбрионы. Являются гипотрофами ферментозависимыми – питаются за счет клетки-хозяина.

Микоплазмы – мелкие бактерии без истинной клеточной стенки, которую заменяет трехслойная клеточная мембрана, обеспечивающая осмотическую резистентность бактерий. Основной компонент клеточной мембраны – холестерин. Микоплазмы не способны к образованию холестерина и утилизируют его из тканей или питательных сред. Так же как и риккетсии являются гипотрофами, но структурнозависимыми.

2. Перечень и особенности функционирования центральных и периферических органов иммунной системы.

К центральным органам иммунной системы относят: красный костный мозг; тимус (вилочковую железу); лимфоидный аппарат кишечника .

В этих органах происходит первичная дифференцировка иммунокомпетентных клеток — Т- и В-лимфоцитов (лимфопоэз).

Тимус достигает своего максимального развития к 10—12 годам, после 30 лет начинается обратное развитие железы. В красном костном мозге содержатся стволовые клетки, яв­ляющиеся родоначальниками как Т- и В-лимфоцитов, так и макрофагов и других форменных элементов крови.

К периферическим органам иммунной системы относятся:селезенка; лимфатические узлы; лимфатические фолликулы, расположенные под слизистыми оболочками желудочно-кишечного, дыхательного и мочеполо­вого тракта; лимфатические и кровеносные сосуды.

В периферических органах иммунной системы под влиянием антигенов происходят пролиферация и вторичная дифференци­ровка лимфоцитов (иммунопоэз).

1. Диссоциация бактерий. Характеристика s-форм и r-форм, клиническое значение.

Стандартное проявление модификации — разделение однородной популяции на два или несколько типов. Феномен впервые исследовали Вёйль и Феликс (1917). По предложению де Крайфа (1921), он получил название диссоциация микробов. Обычно диссоциации воз­никают в условиях, неблагоприятных для исходной популяции (высокая концентрация ионов, неоптимальная температура, избыточно щелочная среда), при старении культуры (например, при длительном хранении) либо под действием антисыворотки, бактериофагов и сильнодейству­ющих агентов. Простые проявления диссоциаций, доступных для наблюдений, — изменение вида и структуры бактериальных колоний на твёрдых питательных средах и особенности роста в жидких средах.

Для обозначения диссоциирующих колоний Аркрайт (1921) предложил пер­вые буквы английских названий:

S-колонии [от англ. smooth, гладкий],

R-колонии [от англ. rough, шероховатый],

М-колонии [от англ. mucoid, слизистый],

Следует помнить, что диссоциации сопровождаются изменениями биохимических, морфологических, антигенных и патогенных свойств возбудителей.

2. Р-я связывания комплемента(РСК). – это сложная серологическая р-я,в кот. кроме комплекса АГ+АТ участвует еще и гемолитическая система,выявляющая результат р-ии.

Способ постановки: РСК протек в 2 фазы: 1-ая-взаимод-е АГ+АТ с участием комплемента,2-ая выявляет степень связывания комплемента,что достигается гемолитической системы( эритр. барана+ гемолитическая сыв.,содержащая Атк ним) к первой фазе.

Для постановки РСК требуется: А) сыв-ка крови(больного ,диагностическая сыв.,гемолитич. сыв- ка кролика,содержащая АТ к эритр барана); Б) АГ( взвесь бактерий или вирусов,бактериальн. или вирус. диагностикум,3% взвесь эритр. барана); В) изотон.. р-р NaCl; Г) комплемент (смесь сывороток морской свинки,содерж-ая комплемент или сухой комплемент в ампулах). Перед постановкой р-ии каждый компонент р-ии титруют.

ТИТР гемолитической сыворотки- наибольшее разведение сыворотки, которое дает полный гемолиз сенсибилизир. эритр. барана. В р-ии берется в 3 раза больше титра.

Титр комплемента- это наименьш. его кол-во,которое вызвало полный гемолиз 3% взвеси эритроцитов баран. В р-ю комплемент берется в рабочей дозе- это титр комплемента, увеличенный на 20-30%. Сыворотку кр больного перед постановкой прогревают в водяной бане для инактивирования собственного комплемента.

Титр АГ-этонаиб. его кол-во,которое вызывает полный гемолиз сенсибилизир-ых эритроцитов барана. В РСК рабочая доза АГ составляет ½ его титра.

РСК ставят в пробирках в 2 приема:

1)соединяют АТ+АГ+комплемент.30 мин инкубируют в термостате.

Вирусы — группа ультрамикроскопических облигатных внутриклеточных паразитов, способных размножаться только в клетках живых организмов (многоклеточных и одноклеточных). Среди них имеются возбудители заболеваний человека, животных, растений, насекомых, простейших и микроорганизмов.

Вирусы были открыты в 1892 г. Д. И. Ивановским при изучении причин гибели табака от мозаичной болезни, выражающейся в появлении пятен на листьях растений. Ученый обнаружил, что здоровое растение получает возбудителя с соком больного растения даже после пропускания этого сока через бактериологические фильтры. Следовательно, болезнь вызывает организм, который способен проходить через бактериологические фильтры. Эти микроорганизмы назвали фильтрующимися вирусами, а затем просто вирусами.

Вирусы обладают следующими характерными особенностями, отличающими их от других микроорганизмов:

• • не имеют клеточного строения;
• • не способны к росту и бинарному делению;
• • не имеют собственных систем метаболизма;
• • содержат нуклеиновые кислоты только одного типа — ДНК или РНК;
• • используют рибосомы клетки-хозяина для образования собственных белков;
• • не размножаются на искусственных питательных средах и могут существовать только в организме восприимчивого к ним хозяина.

Обычно вирусы существуют в двух формах — внеклеточной в виде так называемого вириона и внутриклеточной, называемой репродуцирующимся, или вегетативным, вирусом. У вириона отсутствует обмен веществ, он не растет и не размножается. Внутриклеточная форма представляет собой активный агент, который, попав в клетку хозяина (растения, животного, микроорганизма), использует ее биосинтетический и энергетический аппарат для репродукции новых вирусов, а впоследствии может вызвать и гибель самой клетки. Следовательно, только в клетке хозяина вирус способен функционировать и репродуцироваться, приобретая свойства живого организма.

Химический состав вирусов довольно прост. Число химических соединений, из которых они состоят, невелико. Вирусы представляют собой нуклеоп роте иды и состоят из нуклеиновой кислоты и нескольких кодируемых ею белков. Нуклеиновые кислоты вирусов отличаются значительным разнообразием, превосходя в этом отношении даже клеточные формы жизни — эукариот и прокариот.

Как известно, в состав клеток входят ДНК и РНК, в то время как вирусы содержат только один тип нуклеиновой кислоты — ДНК или РНК. Поэтому все вирусы подразделяют на две группы — ДНК-геномные и РНК-геномные. Обычно вирусы растений содержат РНК-геномы, вирусы человека и животных как ДНК-, так и РНК-геномы. Почти все бактериофаги ДНК-геномны.

Сложно организованные вирусы (вирусы животных и человека) сложны по химическому составу и содержат дополнительные белковые или липопротеидные оболочки. Кроме нуклеиновой кислоты и белков, они содержат липиды в наружных оболочках и углеводы в составе белков наружных оболочек (гликопротеидов). Некоторое количество липидов есть у бактериофагов и ряда крупных вирусов растений. У некоторых сложных вирусов выявлены ферменты. У бактериофагов также обнаружены ферменты — лизоцим и аденозинтрифосфатаза.

Один из наиболее хорошо изученных фитопатогенных вирусов — вирус табачной мозаики (ВТМ). В 1935 г. У. Стенли выделил и получил этот вирус в кристаллической форме. При введении в рас-

Рис. 28. Электронные микрофотографии вирусов животных, растений и бактерий: слева — коровьей оспы, заболеваний насекомых, бактериофага ТЗ. полиомиелита; справа — гриппа, бактериофага Г2. папилломы кроликов, мозаики табака

тение табака кристаллы вызывали симптомы мозаичной болезни. Получены в кристаллическом виде и многие другие вирусы.

Изучение вирусов под электронным микроскопом показало, что они разнообразны по форме и имеют довольно сложное строение. Различают следующие формы вирусов: палочковидную, при которой вирус имеет вид прямого цилиндра (вирус табачной мозаики); нитевидную, представляющую эластичные изгибающиеся нити (некоторые вирусы растений и бактерий); сферическую, сходную с многогранниками (вирусы животных и человека); кубовидную, по виду напоминающую параллелепипед с закругленными краями (вирусы животных и человека); булавовидную, характеризующуюся наличием головки и отростка (вирусы бактерий и актиномицетов) (рис. 28).

Внеклеточная форма существования вируса, вирион, состоит из нуклеиновой кислоты и белка. Нуклеиновая кислота уложена в виде спирали и окружена белковой оболочкой, называемой капсидом. Последний образован большим числом субъединиц белка — капсамеров, которые, в свою очередь, представлены одной или несколькими молекулами белка. Белковый капсид, объединенный с нуклеиновой кислотой (ДНК или РНК), носит название нуклеокапсида. По способу укладки капсомсров выделяют капсиды, построенные по спиральному и кубическому типам симметрии. В первом случае капсид имеет цилиндрическую форму, во втором — форму многогранника. К вирусам со спиральным типом симметрии относят вирус табачной мозаики.

Рис. 29. Т-бактериофаг. Электронная микрофотография (по: С. Бреннер)

Для многих вирусов бактерий, или фагов, характерен так называемый сложный тип симметрии: головка фага имеет форму многогранника (кубическая симметрия), хвостовой отросток — форму цилиндра (спиральная симметрия) (рис. 29).

Размеры вирусов определяют различными способами: по размеру пор фильтров, пропускающих вирусы, по скорости осаждения вирусов при центрифугировании и при помощи фотографий, полученных в электронном микроскопе. Размеры вирионов вирусов колеблются в довольно широких пределах — от 15 до 400 нм. В обычный световой микроскоп отдельные вирусные частицы не видны, но в пораженных вирусом клетках часто можно различить тельца-включения, представляющие собой, как считают, гигантские колонии вирусов.

Вирусы специфичны, они паразитируют только на определенных хозяевах — растениях, животных или микроорганизмах. Это обусловливает распределение вирусов на группы на основе типа хозяев. В последнее время при классификации вирусов принимают во внимание их строение, чувствительность к внешним факторам и т. д. Выделяют группы вирусов, патогенных для растений, животных и, наконец, для микроорганизмов. Вирусы бактерий и актиномицетов называют соответственно бактериофагами и актииофагами. Известны субмикроскопические агенты — микофаги, поражающие грибы, и цианофаги, паразитирующие на цианобактериях.

Вирусы нс размножаются в почве, но могут долго сохраняться в ней, если условия исключают их инактивацию. Так сохраняются вирусы мозаичной болезни пшеницы, овса и табака, кольцевой пятнистости картофеля и др. Некоторые вирусы человека и животных, попадая в почву, остаются инфекционными в течение нескольких месяцев.

Фаги — облигатные паразиты микроорганизмов — открыли независимо друг от друга в 1915 г. Ф. Туорт ив 1917 г. Ф. Д. Эррель. Длина головки фага достигает 60—100 нм, отростка — 100—200 нм. Призматическая головка фага покрыта оболочкой из упорядоченно расположенных капсомсров. Внутри головки находится одна или две нити ДНК.

Отросток представляет собой белковый стержень, покрытый сверху чехлом из спирально расположенных капсомеров, способных к сокращению. Обычно отросток оканчивается базальной пластинкой с пятью-шестью выростами. От пластинки отходят тонкие нити — органы адсорбции. Через отросток из головки фага ДНК переходит в клетку микроорганизма.

Механизм проникновения бактериофага в бактерии подробно изучен. Обычно фаг адсорбируется чувствительной к нему клеткой бактерии. Затем содержимое головки (ДНК) переходит в бактерию, а оболочка остается снаружи. После нападения фага бактерия утрачивает способность к делению, перестает двигаться. Метаболизм бактериальной клетки перестраивается под влиянием ДНК фага, и клетка начинает производить продукты не собственного обмена, а бактериофага, и в результате в ней происходит интенсивное образование частиц бактериофага. Затем клеточная стенка бактерии растворяется, и из нес выходят зрелые бактериофаги. Одна клетка бактерии становится источником нескольких сотен и даже тысяч бактериофагов.

При наблюдении колоний бактерий на агаре лизирующее действие бактериофага видно по образованию прозрачных зон вокруг колоний, а на жидкой среде — но уменьшению мутности бактериальной суспензии.

Растворять (лизировать) данный вид бактерий способен только вирулентный к нему фаг. Нередко бактериальная клетка инфицируется фагом, который может в ней существовать, не вызывая лизиса. При размножении бактерии инфекционное начало переходит в дочерние клетки. Бактериофаги такого характера называют умеренными, а бактерий — передатчиков данных фагов — лизогенными. При определенных условиях лизогенные культуры бактерий могут быть лизированы находящимся в них фагом. Каждый фаг способен поражать бактерий одного вида или группы близких видов.

Исследовано большое число фагов, поражающих рахзичных микроорганизмов. Известны фаги, лизирующие бактерии родов Pseudomonas, Bacillus, Rhizobium, Streptococcus, Staphylococcus; актиноми исты рода Streptomyces; микобактерии рода Mycobacterium и др. Фаги встречаются в воде, почве и других природных объектах. Некоторых фагов используют в медицине для профилактики заболеваний.

1. Назовите основные группы водорослей и их свойства. 2. Какие группы простейших широко представлены в почве? 3. Чем отличаются микромицс- ты от миксомицетов? 4. Что представляют собой вирусы и какие организмы они способны заражать?

Внутреннюю организацию клетки животных и растений можно сравнить с коммуной, где все равны и каждый выполняет одну, очень специфическую роль, создавая сбалансированный ансамбль. И вот только одна структура, митохондрия, может похвастаться множественностью внутриклеточных функций, которые определяют ее уникальность и обособленность, граничащие с некоторой самодостаточностью.

До сих пор идут споры, существуют ли эукариотические (имеющие ядра) клетки без митохондрий. Пока четко доказанных подтверждений тому нет, считается, что ядерных клеток без митохондрий не существует

Эту структуру открыли в середине XIX века, и в течение 150 лет почти все считали, что ее единственная функция — быть энергетической машиной клетки. Грубо говоря, организм получает питательные вещества, которые после определенной деградации доходят до митохондрии и дальше происходит окислительная деградация питательных веществ, сопряженная с запасанием энергии в виде богатой энергией фосфорной связи в молекуле АТФ. Организм повсеместно использует энергию АТФ, расходуя ее на проведение нервного сигнала, мышечное сокращение, образование тепла, синтез нужных клеточных компонентов, уничтожение ненужных веществ и пр. В сутки в организме человека генерируется АТФ, весом равная весу самого человека, и в основном это заслуга митохондрий. До сих пор идут споры, существуют ли эукариотические (имеющие ядра) клетки без митохондрий. Пока четко доказанных подтверждений тому нет, считается, что ядерных клеток без митохондрий не существует.

Постулат доминирующей в клетке энергетической функции митохондрии как-то оставлял в тени уже давно высказанную и всеми поддерживаемую теорию бактериального происхождения митохондрий. В простой трактовке она выглядит так: около 600 млн лет назад в клетку т. н. гетеротрофов внедряется бактерия, которая умеет утилизировать кислород. Есть точка зрения, что появление внутри клетки нового типа бактерий было вызвано постоянным увеличением в атмосфере Земли кислорода, начавшим поступать из мирового океана в атмосферу около 2,4 млрд лет назад. Высокая окислительная способность кислорода представляла опасность для внутриклеточных органических и неорганических элементов, и появляются бактерии, уничтожающие кислород в присутствии ионов водорода с образованием воды. Таким образом внутри клетки содержание кислорода уменьшается, а с ним и уменьшается вероятность нежелательного окисления клеточных компонентов, что, наверно, полезно для клетки.

Однако попадание в ядерную клетку бактерий давало им и ряд преимуществ, в частности, оно дало им эволюционную нишу с ограниченным объемом и окруженную мембраной. Можно было обеспечить больший запас различных веществ, которые можно "складировать" не внутри ограниченного собственного объема, а снаружи, но в пределах своей "собственности", где они не будут разворованы другими организмами. Это соображение подтверждается в условиях, когда клетка вдруг перестает получать кислород и питательные вещества (например, при прекращении кровотока в участок ткани, что происходит при инфарктах и инсультах). Митохондрия в этих условиях уже не может быть энергетической машиной клетки (производить АТФ без кислорода трудно) и превращается в паразита — она начинает поглощать АТФ для того, чтобы обеспечить генерацию разницы мембранных потенциалов на своей мембране и поддержать свои собственные процессы. Для чего это нужно митохондрии — пока не понятно, но полуавтономный статус митохондрии в клетке тут проявляется особенно заметно — подобное поведение в кризисных условиях выглядит довольно эгоистичным. Не для того ли она производит АТФ в количествах, превышающих нужды клетки, чтобы обеспечить себе "подушку безопасности" в условиях кризиса?

Попадание бактерий во внутриклеточную нишу обеспечивало и защиту от внешних врагов (а основные враги для бактерии — вирусы, то есть фаги). При этом было позволено выпускать сигнальные защитные вещества в ограниченный внутриклеточный объем; когда же бактерии существовали в "океане", выпуск таких сигнальных веществ был нерациональным — они немедленного разбавлялись в нем. Жизнь внутриклеточных бактерий в этой нише дала определенные преимущества: бактерии производят энергию и организуют в своей мембране белок, который выбрасывает в цитоплазму клетки синтезированный АТФ, чем клетка и пользуется. В итоге вроде бы наступает баланс: клетка дает митохондрии питательные субстраты, митохондрия дает клетке энергию,— что укрепляет теорию симбиотического взаимоотношения бактерий (они уже становятся митохондриями) с остальными частями клетки. Основными аргументами, подкрепляющими бактериальное происхождение митохондрий, является большое сходство химического состава бактерий и митохондрий и сходство элементов биоэнергетики. Одним из родоначальников эндосимбиотической теории происхождения митохондрий можно считать русского ботаника Константина Мережковского, который в конце XIX — начале ХХ века предположил, что хлоропласты (структуры растительных клеток, отвечающие за фотосинтез) имеют бактериальное происхождение. Позже аналогичное предположение было сделано и для митохондрий.

Из сказанного видно, что понятие симбиоза и некоторого "эгоистического" поведения митохондрий довольно размыто. Да и идеалистическая картина симбиоза была "омрачена" в самом конце ХХ века открытием, что митохондрии, выпуская сигнальные молекулы, отдающие приказ на уничтожение клетки, отвечают за ее гибель. То есть вроде бы все по пословице "сколько волка ни корми. ". Однако надо взглянуть на ситуацию с другой стороны. Нужна ли клеточная смерть организму? Да, но не для всех клеток. Это обязательный процесс для тех клеток, которые постоянно делятся — иначе будет разрастание ткани, которое может быть нежелательным. Принципиально это и для предотвращения и лечения различного опухолеобразования. А вот для тех клеток, которые не очень умеют делиться, например, для нейронов или кардиомиоцитов, смерть не полезна. Если же рассматривать этот вопрос с позиции самих митохондрий, это выглядит как почти неприкрытый шантаж: или ты обеспечиваешь меня всем, что я хочу, или я убью тебя. С позиции же организма, все хорошо, когда митохондрия убивает неправильную клетку, и плохо, если убивает хорошую и нужную.

Основными аргументами, подкрепляющими бактериальное происхождение митохондрий, является большое сходство химического состава бактерий и митохондрий и сходство элементов биоэнергетики

Приведенные выше рассуждения — это явный конфликт эволюционной стратегии и человеческой логики, пытающейся оценить ситуацию с позиции субъекта, внутри которого живут существа, способные из друзей превратиться во врагов. Этот конфликт не мешает исследователям понимать, что митохондрия, хоть она и "помнит", что была бактерией, активно участвует в функционировании клетки; важная роль митохондрий объясняет необходимость предоставления им привилегий. В определенных условиях они превращаются в источник наследуемых или приобретенных заболеваний — в частности, тех, которыми занимается митохондриальная медицина. Таких заболеваний — очень тяжелых и почти не поддающихся лечению — больше сотни. Да и помимо них есть великое множество болезней, предположительно обусловленных неправильным функционированием митохондрий. Существуют теории митохондриального происхождения рака, болезни Паркинсона, Альцгеймера и других — с весьма достойным научным подтверждением.

Сегодня выяснилось, что большинство болезней сопровождается сбоем в работе внутриклеточной машины проверки качества митохондрий, своеобразного ОТК, отбраковывающего плохие митохондрии и отправляющего их на внутриклеточное переваривание (митофагию). Сбой возникает, например, при старении организма, и ОТК пропускает неправильные митохондрии. В результате в клетке начинают сосуществовать хорошие и плохие митохондрии. Когда же доля плохих превышает некоторый порог, наступает т. н. "фенотипическое проявление" болезни, которая до сих пор носила невидимый, латентный характер.

Можно сделать два вывода. Во-первых, без митохондрий ядерные клетки существовать не могут. Во-вторых, чтобы защитить клетку от поражения (чем бы оно ни было вызвано: химией, физикой или просто временем), надо "договориться" с митохондриями, то есть обеспечить им "достойное" существование. Это означает не только постоянную подпитку их активности за счет доставки питательных субстратов и кислорода, но и предоставление им своеобразной медицинской страховки, которая при необходимости обеспечит восстановление их структуры и функций и/или правильную утилизацию поврежденных митохондрий. Отсутствие утилизации поврежденных митохондриальных структур может привести к "заражению" здоровых структур, что непременно повлечет за собой заболевание.

Сейчас трансплантация органов стала вполне рутинной процедурой, хотя все еще сложной и дорогостоящей. Развивается и клеточная терапия, то есть пересадка стволовых клеток. А вот о возможности пересадки здоровых митохондрий говорить только начинают. Проблем много, но ключевая роль митохондрий в жизнедеятельности клетки стоит того, чтобы их решить. Часто достаточно вылечить митохондрии — и вылечится клетка. Недавно для лечения последствий инсульта головного мозга оказалось достаточным обеспечить должное функционирование митохондрий почек. То есть налицо "разговоры" (по-английски это звучит более научно — cross-talk ) между органами, и почка со своими митохондриями помогает восстановлению головного мозга.

На каком языке "общаются" органы, еще предстоит выяснить,— пока предполагают химический язык общения. Хорошая и здоровая почка со своими здоровыми митохондриями вырабатывает и посылает в кровь эритропоэтин (тот самый, приемом которого увлекались спортсмены и который не только стимулирует выработку эритроцитов, но и мобилизует общий метаболизм, что повышает выносливость). Эритропоэтин обладает сильными нейрозащитными свойствами. Стоит повредить почку, скажем, неумеренным приемом антибиотиков (антибиотики убивают и митохондрии, потому что они — бывшие бактерии), и последствия инсульта головного мозга становятся более драматическими. Так на базе фундаментальных открытий начинает просматриваться стратегия лечения болезней.

Есть великое множество болезней, предположительно обусловленных неправильным функционированием митохондрий

Возьмем, к примеру, сепсис — бактериальную инфекцию, одну из ведущих причин человеческой смертности. Сейчас уже можно — правда, пока шепотом — говорить и о "митохондриальном сепсисе", когда в кровь попадают компоненты митохондрий. Это не менее опасно, чем бактериальный сепсис, так как приводит к гиперактивации иммунного ответа (так называемый синдром системного воспаления, SIRS ) и возможной гибели организма.

Как уже было упомянуто, естественными врагами бактерий являются вирусы. Это также верно и для митохондрий. Недавно открытая бактериальная система защиты от вирусов CRISPR ( clustered regularly interspaced short palindromic repeats ), имеющая все признаки элементарно организованной иммунной системы, заставила задуматься: нет ли иммунной системы у митохондрий? У бактерий эта иммунная система устроена следующим образом: в бактериальном геноме (структурно очень похожем на митохондриальный) располагаются своего рода библиотеки, или антивирусные базы данных — куски генов тех вирусов, с которыми эта бактерия когда-либо встречалась. При считывании информации с этих участков синтезируются так называемые малые РНК. Эти РНК связываются с внедрившимися в бактерию вирусными нуклеиновыми кислотами, а затем такой комплекс расщепляется внутрибактериальными ферментами с нейтрализацией вируса. В чистом виде подобных структур в митохондриальном геноме обнаружено не было, кроме одного-единственного случая, описанного еще на заре исследования CRISPR-системы. Однако мы обнаружили отдельные случаи включения вирусных последовательностей в митохондриальный геном (вирусов гепатита B и гриппа), хотя и довольно редкие для того, чтобы говорить о системе. С другой стороны, наибольшее количество различных структур в геноме мы обнаружили в митохондриях растений, чей геном в разы больше митохондриального генома животных. Это особенно любопытно, учитывая, что растения в целом гораздо больше полагаются на противовирусную защиту на основе интерферирующих РНК, чем животные, поскольку не обладают особыми иммунными клетками, свободно перемещающимися по организму в кровотоке. Кроме того, не стоит забывать, что митохондрии делегируют значительную часть функций клетке, включая передачу части своего генетического материала в клеточное ядро, оставляя себе только "контрольный пакет акций", обеспечивающий их контроль над ключевыми функциями. Вполне возможно, что подобные клеточные библиотеки также были переданы в ядро — явление передачи малых РНК из цитоплазмы внутрь митохондрий известно. А значит, среди них могут быть и иммунные РНК. С другой стороны, возможно, что митохондрии полностью передали функции защиты клетке, довольствуясь возможностью убить клетку, которая их плохо защищает.

Приняв тезис "митохондрии помнят, что они были бактериями", мы можем поменять многое в стратегии базового научного мышления и практической медицинской деятельности, так или иначе связанных с митохондриями. А учитывая количество функций, выполняемых митохондриями в клетке, это большая часть всех биомедицинских задач: от рака до нейродегенеративных заболеваний.

Проблем много, но ключевая роль митохондрий в жизнедеятельности клетки стоит того, чтобы их решить. Часто достаточно вылечить митохондрии — и вылечится клетка

ЭНДОЦИТОБИОНТЫ КЛЕТОК ЖИВОТНЫХ (ГРОМОВ Б.В. , 1998), БИОЛОГИЯ

В результате эндоцитобиоза (развития микроорганизмов внутри клеток других организмов) возрастает биоразнообразие, возникают организмы с новыми свойствами, иногда способные существовать в экстремальных условиях. Известны облигатные внутриклеточные паразиты и симбионты инфузорий, насекомых, морских беспозвоночных. Симбиотические бактерии явились родоначальниками хлоропластов и митохондрий эукариотической клетки.

Санкт-Петербургский государственный университет

Под эндоцитобиозом понимают развитие клеток определенных микроорганизмов внутри клеток других организмов. К настоящему времени эндоцитобионты обнаружены только в клетках эукариот, эндоцитобионты прокариот - бактерий и архей [1] - пока неизвестны и, возможно, не существуют. Одноклеточные водоросли являются симбионтами многих простейших, пресноводной гидры, в морской среде населяют клетки многих кораллов, фораменифер. Известны грибы эндоцитобионты. Однако наиболее часто это представители прокариот. Иногда эндоцитобионты приносят хозяину более или менее значительный вред, то есть являются паразитами. В других случаях они полезны хозяину, иногда он без них не может существовать, тогда можно говорить о симбиозе.

Интересно, что внутриклеточные паразиты обитают в клетках самых разнообразных животных, в том числе и человека, тогда как внутриклеточные симбионты встречаются у многих беспозвоночных, но у позвоночных пока не обнаружены [2]. В большинстве случаев эндоцитобионты в результате их адаптации к существованию в чужой клетке уже неспособны существовать вне ее, то есть являются облигатными (обязательными) паразитами или симбионтами.

Известны бактерии, паразитирующие в амебах, многие заболевания членистоногих связаны с развитием в их клетках бактерий. Заражение клеток пауков определенными бактериями приводит к их заболеванию и гибели. Рикеттсии и хламидии - возбудители опасных болезней млекопитающих, в том числе человека. Рикеттсии циркулируют в природе, развиваясь в организме членистоногих (клещи, вши) и млекопитающих. Членистоногие получают рикеттсий при питании на зараженных млекопитающих, а потом передают их другим незараженным особям. У млекопитающих рикеттсии вызывают заболевания, так называемые рикеттсиозы, к которым относится такая опасная болезнь, как сыпной тиф. Хламидии - возбудители венерических болезней и трахомы (болезнь глаз, приводящая к слепоте) у человека. Пситтакоз - хламидийная болезнь птиц. При вдыхании человеком воздуха, содержащего частички птичьего помета, попавшие в организм хламидии вызывают воспаление дыхательных путей. Хламидийная инфекция у сумчатых медведей коала приводит к бесплодию, а следовательно, и к вымиранию. Недавно установлено, что хламидии могут развиваться в клетках амеб, что, естественно, способствует широкому распространению хламидий в природе.

Хламидии потеряли способность к синтезу многих необходимых им соединений, которые они забирают у хозяина. В частности, они неспособны образовывать универсальный клеточный энергоноситель АТФ (аденозинтрифосфат), но в их мембране функционирует эффективная транспортная система, накачивающая АТФ из клетки хозяина в бактерию. У хламидий наблюдается смена стадий жизненного цикла: сравнительно крупные вегетативные клетки, как обычно, растут и делятся, находясь в вакуолях в клетке хозяина, но затем они превращаются в очень мелкие и плотные "элементарные тельца" (рис. 1). В вегетативной стадии бактерии неустойчивы к воздействию внешней среды и вне клетки хозяина сразу погибают, они не могут способствовать заражению новых клеток. "Элементарные тельца" неспособны к делению, но являются инфекционными. После гибели и разрушения зараженной клетки они сохраняются во внешней среде и обеспечивают заражение новых клеток и новых хозяев. В отличие от рикеттсий хламидии не нуждаются в членистоногих переносчиках.

Бактерий обнаруживали в клетках разнообразных простейших, однако наиболее изучены бактерии - симбионты инфузорий. Эти бактерии традиционно называют симбионтами, хотя говорить здесь о симбиозе можно только условно, поскольку польза для животного неочевидна, а иногда бактерии наносят хозяину несомненный вред. Бактерии, заселяющие ядра инфузории туфельки, изучены и описаны еще в 1890 году учеником И.И. Мечникова - доктором В.В. Хавкиным. Они были названы Хавкиным голоспорами (Holospora). Голоспоры в ядрах проходят цикл развития, включающий вегетативные клетки. Это обычные бактерии, размножающиеся бинарным делением, и длинные плотные клетки, неспособные к делению, но выходящие в среду и заражающие инфузорий, еще не имеющих симбионтов (рис. 2). Подобный цикл развития ни у каких других бактерий не обнаружен.

Существуют различные бактерии, способные развиваться в цитоплазме инфузории туфельки. Бактерии рода Caedobacter, что в переводе означает бактерия-убийца, придают инфузории-хозяину свойства киллера. Если встретятся инфузория с такими симбионтами и инфузория, их лишенная, то последняя этими симбионтами либо будет заражена, либо убита. Это зависит от состояния клеток бактерий, вышедших в среду и заглоченных незараженной инфузорией. Если это обычные вегетативные клетки бактерии, инфузория будет заражена, но она погибнет, если в этих бактериях активировались гены находящегося в них вирусного генома. Тогда бактерии перестают делиться, в них обнаруживаются вирусные частицы и крупные, преломляющие свет R-тела (рис. 3). Эти R-тела образованы скрученной белковой лентой, которая в вакуолях инфузории, заглотившей бактерий, может раскручиваться, разрушая окружающую вакуоль мембрану. Видимо, R-тело - одно из возможных орудий убийства лишенных симбионта туфелек. Животные, содержащие симбионтов, к R-телам нечувствительны. Очевидно, в популяции инфузорий в результате описанного эффекта должно возрастать число туфелек, содержащих симбионтов. Это скорее способствует процветанию бактерий, но едва ли полезно для инфузорий. Этот пример свидетельствует о том, что эндоцитобиоз может влиять на характер взаимоотношений между организмами.

Эндоцитобионтами инфузорий могут быть метанобразующие археи [1]. Подобный симбиоз наблюдается у инфузорий, обитающих при отсутствии молекулярного кислорода, в кишечнике животных, илах и т.п. В таких условиях кислородное дыхание невозможно и энергетический обмен приводит к освобождению молекулярного водорода. У этих животных отсутствуют митохондрии, но в клетках имеются специальные органеллы - гидрогеносомы, которые и ответственны за образование водорода. Археи, которые могут присутствовать в клетках таких инфузорий в качестве симбионтов, окисляют водород углекислотой, накапливающейся в процессе жизнедеятельности инфузории, при этом образуется метан. Археи в результате такого сожительства получают очевидную выгоду. Для инфузории тоже полезно удаление конечного продукта энергетического метаболизма.

ЭНДОЦИТОБИОЗ В ГЛУБИНАХ ОКЕАНА

Бактерии обладают огромными биосинтетическими возможностями, в том числе способностью к использованию необычных субстратов, способностью к синтезу разнообразных компонентов клетки за счет простых соединений. При этом они могут использовать разнообразные источники энергии. Таких возможностей часто лишены эукариоты, поэтому взаимодействие с определенными прокариотами в симбиотических системах может оказаться для них крайне полезным. Иногда симбиотические ассоциации бывают приурочены к определенным экологическим условиям. Так, в морской среде широко распространен симбиоз различных беспозвоночных с бактериями, способными к синтезу органических веществ за счет энергии окисления молекулярным кислородом соединений серы, прежде всего сероводорода. Соединения восстановленной серы содержатся в воде глубоководных холодных или горячих источников, они также образуются в результате деятельности микроорганизмов при отсутствии молекулярного кислорода. В среде, содержащей кислород, происходит микробиологическое окисление этих соединений. Окисляющие серу бактерии могут населять клетки моллюсков, губок, нематод, погонофор и других беспозвоночных, они снабжают хозяина органическими веществами, что-то получая взамен, и находят в его клетках место для жизни и защиту от неблагоприятных влияний окружающей среды.

Иногда, например у погонофор, синтезированные бактериями вещества составляют единственный источник пищи животного. Так, в различных районах Мирового океана на глубинах 1500-6000 м вблизи выходов горячих вод обитают своеобразные бескишечные беспозвоночные - вестиментиферы (их относят к типу погонофор). Самые крупные вестиментиферы из рода Riftia достигают длины 1,5 м при диаметре около 4 см. Питание животного обеспечивается процессами, проходящими в трофосоме - особом органе, включающем клетки - бактериоциты, содержащие плотно упакованные клетки бактерий, концентрация которых достигает 3,7 " 109 на 1 г ткани. В воде источника содержится сероводород, который и окисляют находящиеся в бактериоцитах бактерии. Трофосома имеет развитую систему сосудов. Через кровь осуществляется снабжение бактерий сероводородом, кислородом, необходимым для окисления сероводорода, и углекислотой, из углерода которой бактерии синтезируют органическое вещество, служащее единственным источником питания как бактерий, так и животного. В местах выхода метана обитают представители другой группы погонофор, в трофосоме которых поселяются метанокисляющие бактерии (рис. 4).

У 10-20% насекомых, относящихся к различным группам, в клетках можно обнаружить палочковидные бактерии из рода вольбахия (Wolbachia). У представителей одного вида вольбахии могут быть или отсутствовать, и они, видимо, могут передаваться от одного насекомого другому. Иногда вольбахии не оказывают на насекомое заметного влияния, но в некоторых случаях заражение приводит к определенным последствиям. Особенно часто вольбахии с выгодой для себя вмешиваются в процессы размножения насекомых, например: долгоносиков, божьих коровок, паразитических перепончатокрылых. Потомству вольбахии передаются с яйцами, то есть по материнской линии. Потомство зараженных самок содержит вольбахий и жизнеспособно независимо от того, был ли заражен самец. Потомство незараженных самок и зараженных самцов вольбахий не содержит, но нежизнеспособно. Не содержащее вольбахий потомство появляется только тогда, если оба родителя их не содержат. В результате в популяции увеличивается содержание зараженных особей, что выгодно для бактерий. Кроме того, зараженные вольбахиями насекомые способны к партеногенезу, при котором самки без оплодотворения рождают самок, содержащих вольбахий. Это тоже приводит к накоплению в популяции зараженных насекомых. Выгода для бактерий здесь очевидна, а у насекомых так или иначе происходит нарушение нормальных процессов размножения, что едва ли может способствовать их процветанию. В научной литературе также содержатся сообщения о вызванных вольбахиями заболеваниях насекомых и других членистоногих.

Во многих случаях эндоцитобионты полезны или даже совершенно необходимы насекомому. Тогда можно говорить об истинном симбиозе. В некоторых группах насекомых симбионты обычны у форм, питающихся древесиной, соком растений или кровью. Это многие представители равнокрылых (тли, цикады, белокрылки, червецы, листоблошки), некоторые жуки, клопы. У таракановых симбионты присутствуют всегда и у всех видов независимо от характера питания. Видимо, эти насекомые с пищей не получают некоторых необходимых им соединений и эндобионты снабжают их этими соединениями.

У тараканов бактерии, относимые к роду Blattabacterium, населяют клетки-бактериоциты, расположенные в жировом теле на брюшке животного (рис. 5). Они проникают в яйца в процессе их формирования и таким образом передаются потомству. Если таракана лишить симбионтов, обработав его антибиотиками, он становится малоактивным и в конце концов дегенерирует.

Описано более 50 различных симбионтов цикад. У цикад бактерии населяют клетки-бактериоциты, находящиеся в довольно сложно устроенных органах - бактериомах. Интенсивность размножения бактерий контролируется гормонами хозяина. Специальные мигрирующие клетки насекомого обеспечивают перенос бактерий в формирующееся яйцо, где они образуют характерные округлые скопления. Без симбионтов насекомые не могут нормально развиваться.

Симбионты насекомых, как правило, неспособны существовать вне клеток хозяина, поэтому до недавнего времени не было возможности исследовать особенности их физиологии и механизмы взаимодействия с организмом хозяина. Успехи, достигнутые в разработке методов молекулярной биологии в течение последних лет, позволяют получать и исследовать не только клетки симбионтов, но и их нуклеиновые кислоты, отдельные гены и группы генов, включенные и сохраняемые в геноме кишечной палочки. Таким образом, можно выяснить последовательность оснований в ДНК этих генов и их возможную функциональную роль. К настоящему времени молекулярно-генетическими методами исследованы симбионты тлей [3]. Тли питаются соком растений, который сосут при помощи трубочки-стилета, внедряемого в ткани флоемы растения. Кроме вреда, наносимого непосредственно растению насекомым, тли являются переносчиками многочисленных вирусов растений. Тли проходят сложный жизненный цикл, в котором сменяются периоды полового и бесполого размножения. Одна самка за месяц может дать 50-60 потомков. Внутри тела большинства видов тлей имеется специальный двулопастной орган - бактериом, состоящий из 60-90 полиплоидных клеток, называемых бактериоцитами. В вакуолях этих клеток находятся округлые или овальные бактерии, относимые к роду бухнера (Buchnera). Размножение бактерий находится под контролем со стороны хозяина, и их число в бактериоме определяется его размерами. Бактерий насекомое получает от матери, вне организма хозяина они не могут существовать, так же как не могут быть переданы от одного насекомого другому. Если бактерии убить, обработав насекомое антибиотиками, оно перестает размножаться, так как бактерии снабжают насекомое незаменимыми аминокислотами. Результаты сравнительного исследования последовательностей оснований в рибосомальных генах симбионтов свидетельствуют о том, что эволюция этих бактерий шла быстрыми темпами. Симбиоз бактерий и тлей начал формироваться 200-250 млн лет тому назад. Несколько неожиданной оказалась очевидная родственная связь симбионтов с кишечной палочкой, обитающей в кишечнике человека и животных. Предполагают, что предками эндобионтов были бактерии, близкие к кишечной палочке и развивавшиеся в кишечнике древних тлей.

В растительном соке, которым питаются тли, содержится много углеводов, но мало аминокислот. Между тем тли должны получать с пищей около 10 различных аминокислот, которые они сами синтезировать не могут. Бактерии-симбионты способны синтезировать все аминокислоты, и они снабжают этими аминокислотами хозяина. Установлено, что в число этих аминокислот входят триптофан, метионин, лейцин, изолейцин, валин и фенилаланин. Активность генов бактерии, определяющих синтез этих аминокислот, регулируется таким образом, что бактерия синтезирует их гораздо больше, чем это ей необходимо, и их избыток достается насекомому.

ЭНДОЦИТОБИОЗ И ЭВОЛЮЦИЯ КЛЕТКИ

В конце прошлого - начале нашего столетия русские биологи Ф.С. Фаминцин, К.С. Мережковский, Б.М. Козо-Полянский выдвинули гипотезу о симбиотическом происхождении сложной эукариотической клетки. В соответствии с этой гипотезой клеточные органеллы в действительности являются более или менее измененными самостоятельными организмами. Эти идеи не получили признания, были осмеяны и почти забыты. В 60-е годы нашего столетия американская исследовательница Линн Маргелис [4] имела смелость возродить и развить идею симбиотического происхождения эукариотической клетки исходя уже из данных, полученных современными молекулярно-генетическими и цитологическими методами. К настоящему времени в подобных представлениях остается еще много неясного и спорного, однако то, что митохондрии и хлоропласты произошли от прокариот-симбионтов, сомнений, кажется, уже не вызывает, то есть идея симбиогенеза себя полностью оправдала.

Эндоцитобиоз способствует увеличению биоразнообразия, так как в результате тесного взаимодействия двух организмов образуется по существу новый организм с новыми свойствами. В то же время внутриклеточные симбионты или паразиты нередко приобретают свойства, для свободноживущих форм нехарактерные. Иногда в результате симбиоза жизнь животного становится возможной в условиях, непригодных для его самостоятельного существования (например, погонофоры). В большинстве случаев эндоцитобионты уже не могут существовать самостоятельно, в этом отношении они напоминают клеточные органеллы. Некоторые ученые считают, что их и следует рассматривать в качестве клеточных органелл, тем более что, как было сказано, митохондрии и хлоропласты, скорее всего, действительно возникли в результате эндоцитобиоза. Однако между органеллами и эндобионтами, по всей видимости, есть одна весьма существенная разница. Развитие и функционирование клеточных органелл контролируются в том числе и генами, находящимися в ядерных хромосомах (возможно, в процессе эволюции происходил переход некоторых генов из генома симбионта в геном хозяина), тогда как для эндобионтов такого явления пока не было отмечено.

1. Громов Б.В. Удивительный мир архей // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. ╧ 4. С. 23-26.

2. Громов Б.В. Бактерии - внутриклеточные симбионты животных // Успехи микробиологии. 1978. Т. 13. С. 50-71.

3. Baumann P., Baumann L., Lai C.-Y. et al. Genetics, Physiology, and Evolutionary Relationships of the Genus Buchnera: Intracellular Symbionts of Aphids // Annu. Rev. Microbiol. 1995. Vol. 49. P. 55-94.

4. Маргелис Л. Роль симбиоза в эволюции клетки. М.: Мир, 1983. 352 с.

Борис Васильевич Громов, доктор биологических наук, профессор, член-корреспондент РАН, зав. кафедрой микробиологии Санкт-Петербургского государственного университета. Область научных интересов - общая и экологическая микробиология. Опубликовал 220 печатных работ в отечественных и международных изданиях, в том числе две монографии и учебные руководства "Строение бактерий" и "Экология бактерий".