ПОПОВА Н А ВВEДEНИE В БИОЛОГИЮ НОВОСИБИРСК 2002 109 С

<< Пред. стр. 1 (из 6) След. >>

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНСТИТУТ ЦИТОЛОГИИ И ГЕНЕТИКИ СО РАН
Высший коледж информатики НГУ

Н.А.Попова
Введение в биологию
Учебное пособие

Новосибирск 2002

ВВЕДЕНИЕ

Стремительное развитие биологической науки в 20 веке ознаменовано разработкой принципиально новых методов исследования, направленных на изучение геномов. К ним относятся, прежде всего, технология рекомбинантных ДНК, включающая методы рестрикции ДНК на фрагменты, клонирование генов и клонирование кДНК, создание зондов для гибридизации, полимеразную цепную реакцию, секвенирование ДНК. Прогресс связан с автоматизацией многих методов исследования, созданием робототехники, компьютерных программ и соответствующего математического аппарата.
Созданы мощнейшие международные банки данных о последовательности нуклеотидов в ДНК разных организмов и о последовательности аминокислот в белках. Любой специалист может воспользоваться этой информацией. Эти достижения во многом обусловлены выполнением Международной программы "Геном человека".
Прочитана ДНК десятка видов вирусов, бактерий, грибов, а также ряда многоклеточных организмов - арабидопсиса, нематоды, дрозофилы, полным ходом идет секвенирование ДНК риса, кукурузы, пшеницы. В начале 21 века торжественно было возвещено о расшифровке генома человека.
Появление технологии клонирования гена и переноса его в любой другой организм в составе реплицирующегося вектора позволило создавать организмы, которых на Земле не существовало. Эти методы обеспечили возможность манипулировать генами, хромосомами и геномами. На наших глазах современная биология превращается в науку, которая дала начало новым технологиям, преобразующим производство. В результате были созданы трансгенные микроорганизмы, растения и животные. Эти биотехнологические достижения можно сравнить с выходом человека в космос и с высадкой на Луну.
Биотехнология поистине стала производительной силой. Основную долю продуктов, созданных на основе генетической инженерии, составляют биопрепараты, получение которых другими путями затруднено и дорого. Так получены инсулин, интерферон, эритропоэтин, факторы роста и другие, необходимые для лечения людей лекарственные препараты.
Развитие биотехнологии растений привело к конструированию растений с новыми полезными признаками - устойчивые к инсектицидам и гербицидам, растения, производящие белки животного происхождения. В качестве пищевых вакцин используются растения, производящие бактериальные или вирусные антигены.
В связи с развитием методов молекулярной биологии возникли новые направления в области медицины - генная диагностика и генная терапия. Стало возможным с высокой точностью диагностировать наследственные и ненаследственные заболевания, определять звенья развития патологии на уровне генов. Появилось и совершенно новое направление медицины, тесно связанное с молекулярной биологией - генная терапия.
С развитием генных биотехнологий возникают морально-этические аспекты их применения, а также проблема биологической безопасности, которые беспокоят не только ученых, но и всю мировую общественность.

Глава 1. КЛАССИФИКАЦИИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ

Нас окружает огромный мир живых существ - растений, грибов, животных и микроорганизмов. Все они - результат органической эволюции, создавшей удивительное биоразнообразие, включающее тысячи видов, разнообразие внутри каждого вида и разнообразие биоценозов. Таким образом, на любом уровне биологической организации - от генов до биоценозов наблюдается колоссальное биоразнообразие. Биоразнообразие эволюционирует - исчезают какие-то виды, ученые открывают новые. Поэтому построение естественной системы органического мира является непрерывным процессом. Исследования в этой области постоянно углубляются и усложняются.
Классификация современного органического мира представляет собой отдельный раздел биологии, в задачи которого входит упорядоченное иерархическое расположение категорий организмов. Этот раздел биологии называется таксономией (от греческого taxis - закон, строй, расположение). Благодаря классификации, разнообразие мира предстает не как хаотическое нагромождение организмов, а как определенным образом упорядоченная система, изменяющаяся от простого к сложному. Систему органического мира изображают в двух основных вариантах : в виде родословного древа, ветви которого связаны родственными отношениями и соответствуют различным таксонам, или как перечень таксонов в иерархической последовательности. В настоящее время принята следующая классификация организмов по сложности строения (Рис. 1). Существует классификация организмов по тому, что они используют в качестве источника углерода для построения своих структур и откуда берут энергию для всех процессов жизнедеятельности. Организмы, которые используют СО2 как единственный источник углерода, называются автотрофами. Автотрофы - это все зеленые растения, водоросли и ряд бактерий. Они являются первичными продуцентами органического вещества в биосфере и образуют первый трофический уровень в сообществах организмов. От них зависит существование всех других организмов на Земле и протекание биогеохимических циклов в круговороте веществ в природе. В противоположность этим организмам, гетеротрофные организмы используют в качестве источника углерода экзогенные органические вещества, из них же они черпают и энергию. К этой группе организмов относятся животные, грибы, бесхлорофильные наземные растения и водоросли и большинство бактерий. Гетеротрофы разлагают вещества, синтезированные автотрофами, вместе с которыми образуют единую биологическую систему, связанную трофическими отношениями.

Две империи

Доклеточные Клеточные

Два надцарства

Прокариоты Эукариоты

Пять царств

Бактерии Археи Растения Грибы Животные

Рис. 1. Классификация организмов по сложности строения

Главным источником энергии для живущих на Земле является энергия Солнца. Ее используют организмы, способные к фотосинтезу и называемые фототрофными. Фотосинтез - единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению свободной энергии биосферы за счет внешнего источника - Солнца и обеспечивающий существование всех живых существ на Земле. Ежегодно в результате фотосинтеза образуется 150 млрд. тонн органического вещества и выделяется 200 млрд. тонн свободного кислорода. Кругооборот кислорода, углерода, азота и других элементов, вовлекаемых в фотосинтез, создал и поддерживает атмосферу, необходимую для жизни на Земле. К фототрофным организмам относятся все зеленые растения и водоросли, и некоторые бактерии: цианобактерии, зеленые, пурпурные бактерии, галофилы.
К классификации, которая наиболее полно объединяет все организмы, относится также деление их на аэробные и анаэробные. Аэробные организмы осуществляют все метаболические процессы при непременном участии кислорода и не могут существовать без него, для анаэробных - кислород не только не нужен, но, более того, вреден.

Глава 2. ВИРУСЫ - НЕКЛЕТОЧНЫЕ ФОРМЫ ЖИЗНИ

Существует шутливое, но весьма удачное определение вирусов - это плохие новости в упаковке из белка. Формулировка вполне подходящая, так как пораженные вирусом клетки гибнут или развиваются в искаженном режиме. Именно, благодаря патологическим

Рис. 2. Схематическое изображение вирусов.
а- вирус оспы, б - вирус простого герпеса, в - вирус гепатита В, г - аденовирус человека, д - вирус гриппа, е - вирус гепатита А, ж - бактериофаг лямда, з - нитевидный фаг М13, и - фаг MS2

проявлениям их жизнедеятельности и были открыты вирусы. Вирус в переводе с латыни означает яд. Классическое определение вируса - это внеклеточная форма жизни, обладающая собственным геномом и способная к воспроизведению в клетках. Вирусы, поражающие бактерии называются бактериофагами.
Вирусы впервые открыты нашим соотечественником профессором Д. И. Ивановским. Он открыл вирус табачной мозаики. Мир вирусов чрезвычайно разнообразен. Они поражают бактерий, растения и животных. Мы не можем быть уверены, что открыты все вирусы, скорее наоборот. Чаще всего их открывают как возбудителей болезней, а в этом отношении подавляющее большинство организмов не исследовано.
Формы вирусов разнообразны - среди них есть шаровидные, спиралевидные, палочковидные, похожие на сперматозоиды, и другие (рис.2).
Размеры вирусов колеблются от 10 нм до 2 мкм. Морфологические особенности вирусов зависят от структуры клеток, которые они поражают. Так, бактериофаги имеют приспособление для протыкания стенки бактерии, похожее на шприц.
У вирусов разнообразны способы хранения генетической информации и ее реализации. Для этого они используют оба вида нуклеиновых кислот - ДНК и РНК во всех формах - односпиральных, двуспиральных, линейных и кольцевых. По этому признаку вирусы делят на ДНК-содержащие и РНК-содержащие. Наследственное вещество вируса упаковано в белковой оболочке - капсиде. У некоторых вирусов имеется в дополнение к этому еще и липидная мембрана с интегрированными в нее белками.
Особенность генетических процессов и конкретные способы выражения генетической информации вирусов будет описана в главе 5, посвященной основным генетическим процессам вообще. Если Вы заглянете туда - убедитесь, насколько разнообразны механизмы хранения и реализации генетической информации вирусов.

2.1.Типы взаимодействия вируса с клеткой

1. Продуктивный тип (вирусы гриппа, полиомиелита, аденовирусы, вызывающие острые респираторные заболевания и др.). Несмотря на то, что жизнедеятельность вирусов полностью зависит от энергетики, белоксинтезирующего аппарата и других систем клетки, многие вирусы ведут себя довольно самостоятельно. Репликация их генома происходит вне зависимости от репликации ДНК клетки и, хотя они и используют для синтеза своих белков оборудование клетки, но по собственному расписанию. В результате образуется много вирусных частиц, которые разрывают клетку.
2. Латентный тип. Вирусы ведут себя расчетливо, не губя клетку, которая их содержит, а относительно мирно с ней уживаются. В результате развивается хронический воспалительный процесс, при котором "и волки сыты, и овцы целы", правда, не вполне здоровы.
3. Вирогения. Это такой тип взаимодействия вируса с клеткой, при котором геном вируса интегрируется в состав клеточной хромосомы. Вирусные гены как бы превращаются в клеточные. Вирус долго может не проявлять себя - он реплицируется вместе с ДНК клетки, но его гены не транскрибируются. При определенных обстоятельствах его гены начинают экспрессироваться, образуются вирусные частицы. Покидая клетку, они отпочковываются от ее мембраны, не убивая клетку. Однако, свойства клетки могут при этом драматически меняться. Она может превратиться в злокачественную. Именно так ведут себя онкогенные вирусы.

2.2. Почему вирусы вызывают заболевания?

Вирусы вызывают заболевания, но это не является необходимым условием их существования, скорее - это побочный эффект. Сначала вирус прикрепляется к рецептору на поверхности клетки-мишени и внедряется в нее. Наличием или отсутствием таких рецепторов объясняется видовая и тканевая специфичность вирусов. При продуктивном типе взаимодействия клетки гибнут, развивается воспаление. Это характерно для острых вирусных инфекций - клещевой энцефалит, полиомиелит, грипп, корь, оспа, гепатит и др. Однако, вирусу "невыгодно" убивать свою жертву ? удобнее получить возможность размножаться в ней постоянно. И действительно, некоторые вирусы живут в клетке до самой ее смерти, а иногда даже делают ее бессмертной (опухолевой). Такое сосуществование вируса с клеткой может принимать разные формы. Одна из них ? латентное состояние вируса. Геном человека и животных напичкан латентными вирусами, которые могут пробудиться под воздействием факторов окружающей среды. Многие знакомы с таким типом взаимодействия вируса и хозяина на примере вируса герпеса, вызывающего "лихорадку" (так ее называют в быту) на губах. В латентной стадии вирус находится в клетках ганглия тройничного нерва. Его размножение подавлено. Однако различные внешние воздействия - охлаждение, перегревание, стресс приводят к транскрипции вирусной ДНК и образованию новых вирусных частиц. В результате поражаются нервные клетки и слизистая губ, в которую вирус попадает по нервному отростку. Это пример того, что латентная стадия вирусной инфекции очень чувствительна к внешним воздействиям.
Вирус может привести клетку к гибели, сам того не желая. Это за него делает иммунная система, а именно ее особые клетки - Т-киллеры. Они распознают зараженную вирусом клетку и несмотря на то, что вирус не очень опасен, убивают ее. Последнее может оказаться роковым для организма. В таких случаях для лечения заболевания приходится подавлять функцию иммунной системы. Зараженные вирусами клетки могут пожертвовать собой, ради спасения целого организма, включив программу апоптоза - запрограммированной клеточной смерти. Это тоже может отразиться на состоянии здоровья организма. Некоторые вирусы предпринимают активные действия, чтобы оставить в живых клетки, в которых они существуют. Так, онкогенные вирусы вызывают злокачественную трансформацию клеток. Зараженные клетки усиленно пролиферируют и образуют опухоль. При этом вирусы активно подавляют апопотоз клеток.
Вирусы могут нарушать специализированные функции клетки, не нарушая жизненно важных. Так, вирус лимфоцитарного хориоменингита мышей (ЛХМ) поражает клетки передней доли гипофиза. Оказалось, что вирус снижает транскрипцию гена гормона роста, не нарушая транскрипцию других генов. В результате у животных образуется на 50% меньше гормона роста.Вот удивительно! Возможно, что и другие гормональные нарушения являются результатом персистентной вирусной инфекции и такой коварный тип стратегии выживания вируса лежит в основе многих заболеваний.
Для медицинской генетики очень важны аспекты инсерционного мутагенеза, связанные с действием ретровирусов. Они размножаются с помощью обратной транскрипции. Их ДНК-копии встраиваются в различные участки генома, вызывая мутации. При своих перемещениях из клетки в клетку, а также от одного организма в другой они способны включать в свой геном клеточные гены. Так, они могут горизонтальным путем передавать наследственную информацию. Встроенные в геном ретровирусные последовательности находят в геноме всех позвоночных.
Вирусы привлекают внимание исследователей не только как возбудители опасных заболеваний и как мощные мутагенные факторы. Стратегия функционирования вирусов используется генными инженерами для переноса генов в разные организмы - трансгенеза. В этих случаях они являются молекулярными векторами. В этом качестве их используют для получения трансгенных растений, животных, бактерий и для генной терапии наследственных заболеваний человека, а также для получения рекомбинантных вакцин.
Вирусы проявляют поразительную устойчивость к неблагоприятным внешним воздействиям и быстро приспосабливаются к ним. Для этого у них есть разнообразные приспособления. Главное из них то, что репликация вируса не является точной. Наблюдается запрограммированная "невнимательность" при репликации. Одна зараженная клетка продуцирует десятки тысяч вирусных частиц, среди мутантов могут оказаться более приспособленные к изменившимся условиям. Практическую важность имеет приобретаемая способность таким образом менять свою внешность - поверхностные белки, чтобы стать неуязвимыми для иммунной системы. Преуспел в этом вирус иммунодефицита человека. Это обстоятельство затрудняет вакцинацию при СПИДе, а также гриппе. Благодаря высокой мутабильности, вирусы быстро приобретают устойчивость к лекарственным препаратам. Пока лекарство поступит в аптеку, среди вирусов уже размножатся устойчивые к нему формы.

2.3 Современное состояние борьбы с вирусными инфекциями

Главным средством борьбы с вирусными заболеваниями во всем мире является метод вакцинации, включающий главные средства защиты человеческого организма - иммунитет и иммунологическую память. До сих пор не до конца выяснены интимные механизмы иммунологической памяти, а между тем их активация применяется для борьбы с инфекционными заболеваниями еще с древних времен (см. учебное пособие Н.А. Поповой "Иммунология", часть 2).
Можно с уверенностью утверждать, что ни одно из достижений биологии и медицины не принесло человечеству столько пользы, сколько принесла вакцинация, избавив его от страшных эпидемий чумы, холеры, оспы и др. инфекционных заболеваний. С вакцинации против оспы началось зарождение иммунологии как науки, и именно в борьбе с этим заболеванием достигнуты наибольшие успехи.
Победа человечества над оспой вселяла надежду, что ни один вирус уже не может угрожать человечеству. На этом благополучном фоне внезапное возникновение СПИДа, а также геморрагических лихорадок, вызываемых вирусами Марбург и Эбола, явилось поучительным уроком и для ученых, и для врачей.
В 1981 г. в Центре по контролю заболеваемости в США появился отчет местных органов здравоохранения, в котором указывалось, что за последние 8 месяцев в районе Лос-Анджелеса было диагностировано 5 случаев заболеваний пневмонией, вызванной простейшими Pneumocystis carinii (пневмоцистная пневмония). Это заболевание относится к числу оппортунистических инфекций, т. е. оно развивается лишь у людей с ослабленной иммунной системой. Но данное сообщение касалось развития заболевания у молодых мужчин, у которых не было видимых причин для недостаточного функционирования иммунной системы. В отчете указывалось, что все заболевшие были гомосексуалистами. Примерно в это же время в Центре появился еще один настораживающий отчет. На этот раз сообщалось об увеличении частоты заболеваемости редким видом злокачественной опухоли - саркомой Капоши. За 30 месяцев наблюдений в Нью-Йорке и Калифорнии было отмечено 20 случаев этого рака у мужчин-гомосексуалистов. У некоторых из них также была пневмоцистная пневмония и другие оппортунистические инфекции. Вскоре после этого врачи стали обращать внимание на необъяснимую хроническую лимфаденопатию, а также случаи лимфомы. Главное, что объединяло все эти заболевания, - это тяжелое поражение иммунной системы. Поэтому новое заболевание стали называть синдромом приобретенного иммунодефицита (СПИД). Вскоре была определена категория людей с повышенным риском заболеть СПИДом. Среди них оказались мужчины-гомосексуалисты, наркоманы, применявшие наркотики в инъекциях, и больные гемофилией. На основании этого было сделано предположение, что СПИД вызывается инфекционным агентом, скорее всего вирусом, который передается через кровь или при половых контактах. В дальнейшем было выяснено, что инфекционный агент может передаваться также от матери к детям в период беременности и кормления грудью, иглами для инъекций со следами крови, и другими инструментами, используемыми в медицине. Таким образом, несмотря на существование группы повышенного риска, нет ни одной группы населения, которая была бы застрахована от опасности заражения СПИДом.
Несмотря на то, что впервые СПИД был описан в 1981 г., заболевание возникло, очевидно, в Центральной Африке в начале 50-х годов ХХ века и затем распространилось в страны Карибского региона, а оттуда в США и Европу. По приблизительным оценкам сегодня в мире 29 млн. человек заражено вирусом иммунодефицита, а 1,5 млн. уже умерло от СПИДа. Самый неблагополучный в этом отношении район - Африка, затем следуют Северная и Южная Америка. В Европе лидируют Испания, Италия, Франция и Германия. В России к 1 декабря 1997 г. официально зарегистрировано около 7000 зараженных ВИЧ.
На фоне мрачной эпидемиологической картины резким контрастом выглядит поразительно быстрое открытие этиологического фактора заболевания (рис. 3) и накопление знаний о его патогенезе. За два года, с 1982 по 1984, была выяснена картина заболевания и выделен ее возбудитель, а также разработан метод диагностики и установлена специфическая мишень вируса в организме человека. Ею оказались клетки иммунной системы - Т-хелперы и макрофаги. Поражение таких, главных в развитии иммунного ответа клеток, вызывает тяжелейший иммунодефицит, на фоне которого проявляются различные инфекционные заболевания.

Рис. 3. Структура вируса иммунодефицита человека

Для СПИДа характерно развитие паразитарных заболеваний: пневмоцистного воспаления легких, токсоплазмоза с поражением мозга и развитием судорог и комы, поражения желудочно-кишечного тракта криптоспоридиями. Из вирусных заболеваний чаще всего встречаются вызываемые цитомегаловирусом пневмония, энцефалит и воспаление желудочно-кишечного тракта, а также инфекции, вызываемые простым герпесом. Для картины СПИДа характерны множественные неврологические нарушения, проявляющиеся в постепенной потере памяти, способности к мышлению и координации движений.
В некоторых случаях от момента заражения СПИДом до гибели больного проходит не более двух лет. Однако, как правило, СПИД прогрессирует медленно. Такое разное течение заболевания может быть обусловлено как различиями в вирулентности вируса, так и в активности иммунных механизмов. Показано, что в ответ на заражение ВИЧ иммунная система реагирует выработкой антител и цитотоксических Т-лимфоцитов. Следовательно, какое-то время размножение вируса сдерживается, пока не наступает критическая стадия, когда иммунная система уже не справляется с ВИЧ. На заключительной стадии заболевания СПИДом по клинико-морфологическим признакам выделяют несколько синдромов: легочный, желудочно-кишечный, неврологический, поражения слизистых и кожи, ретинопатию и др. Поражения легких, часто смертельные, вызываются наиболее часто Pneumocystis carinii и цитомегаловирусом. Реже встречаются пневмонии, вызванные пневмококком, золотистым стафилококком, токсоплазмой, микобактериями туберкулеза. Летальность всех этих пневмоний высокая.
Неврологический синдром наблюдается у 80-90 % инфицированных ВИЧ. При этом, как правило, он обусловлен непосредственным заражением вирусом клеток нервной системы. Энцефалиты сопровождаются очагами демиелинизации. Частым у больных является грибковый криптококковый менингит или менингит, вызванный токсоплазмой и др. микрофлорой. Течение оппортунистических инфекций центральной нервной системы при СПИДе тяжелое, сопровождается слабоумием, припадками и параличами. Приблизительно у 70 % больных СПИДом обнаруживается саркома Капоши, очаги которой могут быть локализованы на коже и во многих внутренних органах. Если ко всему перечисленному добавить гепатиты, поражения почек, тимуса, селезенки, различного генеза лимфомы,? все равно это будет неполный спектр клинических проявлений СПИДа, который постоянно расширяется. Например, отмечены новые виды злокачественных опухолей и поражений нервной системы.
Лечение ВИЧ-инфекции сводится к специфической противовирусной терапии, к борьбе с оппортунистическими и опухолевыми заболеваниями, к иммуномодулирующей и заместительной терапии.
В качестве мишени для воздействия на ВИЧ наибольшее внимание привлекает обратная транскрипция вирусной РНК. На сегодняшний день в распоряжении врачей имеется несколько препаратов, подавляющих обратную транскрипцию и, следовательно, репликацию вируса. К ним относятся азидотимидин, диданозин, зальцитобин.
Основными препятствиями к созданию вакцины против СПИДа являются:
1. Постоянное мутирование и изменение поверхностных гликопротеинов. В отличие от других вирусов, представленных всего несколькими штаммами, ВИЧ существует в огромном числе генетических вариантов, так что фактически образуется непрерывное множество родственных штаммов. У некоторых больных популяция ВИЧ может изменяться в течение 2?4 недель.
2. На стадии интеграции вируса в геном хозяина ни естественные механизмы иммунитета, ни обусловленные вакциной, не работают.
3. ВИЧ атакует клетки, ответственные за создание иммунитета.
4. Отсутствие адекватных моделей СПИДа на животных.
5. Сложности при клинических испытаниях вакцины, связанные с этическими проблемами и нехваткой добровольцев.
На седьмом Международном симпозиуме по СПИДу в Италии в 1991 г. было сообщено, что в стадии испытания находятся 13 вакцин против СПИДа. Среди этих вакцин целый инактивированный вирус, живые рекомбинантные вирусы, рекомбинантная ДНК, синтетические пептиды, антиидиотипические антитела и др. Хотя обнадеживающих результатов в направлении создания эффективной вакцины еще мало, следует отметить, что разработано довольно большое число потенциальных вакцинных препаратов. Дело в том, что успех иммунизации на добровольцах порой очень трудно оценить. Этические нормы требуют, чтобы люди, на которых испытывается экспериментальная вакцина, были предупреждены о необходимости избегать контакта с больными СПИДом, и поэтому низкая заболеваемость среди них может быть обусловлена их разумным поведением или переходом на безопасный секс. Еще труднее оценить эффект вакцины на уже инфицированных людях. Поскольку инфекция развивается длительно, непонятно, сколько времени надо ждать, чтобы оценить, действует вакцина или нет.
Большие трудности возникают и с добровольцами. Во-первых, их мало. Во-вторых, если доброволец заболеет СПИДом, то как различить - связано ли это непосредственно с введением вакцины или она не предохранила его от заражения? Не грозит ли разработчикам вакцин быть втянутыми в бесконечные судебные разбирательства? Тем не менее, создание вакцины - это самая высокая цель в области исследований СПИДа. Она объединяет усилия многих ученых из разных стран. Вряд ли вирус устоит перед такой атакой. (подробнее о СПИДе см.: Н.А. Попова "Иммунология",1999. Часть 2).
Вирусы, вызывающие геморрагические лихорадки Марбурга и Эбола, оказались одними из самых патогенных для человека. Лишь вирус бешенства (кстати, родственник этих вирусов) превосходит их по смертности. Он вызывает 100%- гибель людей при отказе или невозможности ввести антирабическую сыворотку.
Основные вспышки геморрагических лихорадок произошли в Центральной Африке, в районах, которые знамениты и другими уникальными заболеваниями - вирусной лихорадкой Ласса, желтой лихорадкой, лихорадкой долины Рифт и СПИД.
В 1967 г. лихорадкой Марбурга заболели практически одновременно сотрудники фармзаводов в Германии и Югославии, работавшие с почками обезьян, экспортируемых из Уганды. У заболевших был выделен и идентифицирован вирус, который назвали в честь города, в котором он был обнаружен впервые. Следующий случай подобной болезни произошел с путешественниками в Зимбабве, недалеко от места отлова обезьян. Затем были случаи этого заболевания в Кении в 1980 и 1987 гг. со смертельным исходом. Заражение во всех случаях происходило также в месте отлова обезьян, однако тщательное обследование местности и обезьян вируса не выявило.
Лихорадка Эбола появилась впервые в Судане в 1976 г. Сначала были единичные случаи, затем несколько врачей заразились от своих пациентов. Сразу же проявилась высокая смертность, так напугавшая всех, что жители небольшого поселка, где все началось, бежали в джунгли. Вероятно, это и остановило эпидемию. Через несколько месяцев аналогичная вспышка произошла в Заире. Она приняла такие опасные масштабы, что президент Заира попросил помощи ВОЗ. Были предприняты самые жесткие карантинные меры - блокирование очага инфекции войсками. Выяснилось, что причиной заражения явилось употребление в пищу сырого мяса обезьян. Описаны также заражения этой болезнью при странных обстоятельствах. Так, мальчик- датчанин заболел лихорадкой Эбола после того, как побывал в пещере Китум. Позднее заболел и умер французский путешественник, также спускавшийся в эту пещеру. Смертность от этой болезни составляет 80 %. После инкубационного периода, который продолжается 4-10 дней, болезнь начинается внезапно с головных болей, лихорадки и боли в мышцах. В дальнейшем состояние резко ухудшается - возникает тошнота, рвота, понос и множественные кровоизлияния. Кровь течет из мест уколов, появляется на слизистых. Смерть наступает спустя 2 недели от септического шока. Выздоровление (если оно наступает) сопровождается апатией, потерей веса. Обычно больной не помнит своих ощущений в период болезни.
Лучшие вирусологи мира были привлечены к расшифровке этиологического начала этого заболевания. Вскоре вирус был открыт, ему дали название Эбола ? по названию реки, в районе которой заболевание появилось впервые.
Первой жертвой вирусов Эбола и Марбурга является иммунная система. Уменьшается количество лимфоцитов крови, лимфоидные органы выглядят опустошенными, затем присоединяется тромбоцитопения и поражения сосудов. Ни при каком другом вирусном заболевании не развивается иммунодепрессия в такой степени. Несмотря на более чем двадцатилетнее изучение вирусов Марбурга и Эбола, до сих пор не разработано удовлетворительных вакцинных препаратов, не найдено ответов и на многие вопросы относительно патогенеза этих заболеваний, природных хозяев вирусов, причин высокой смертности и т. д. Сочетание довольно странных обстоятельств, сопутствующих началу этих заболеваний, переходящему в эпидемии, придает ореол мистики всему, что связано с этими вирусами. Именно поэтому книга Ричарда Принстона об этих вирусах "Горячая точка" стала в 1994 г. бестселлером, а снятый по ее мотивам фильм "Эпидемия" - самым кассовым.
Другой неразрешимой проблемой для иммунной системы и для здравоохранения всей планеты являются гепатиты. Ежегодно в мире от патологии, связанной с вирусными гепатитами, включая цирроз печени и первичную карциному печени, умирает более 1 млн. чел. Всего в мире 350 млн. чел. являются носителями вируса гепатита В и 150 млн. - вируса гепатита С. Для сравнения, вирусом иммунодефицита человека инфицировано 30 млн. чел. В России половину пациентов инфекционных клиник составляют больные гепатитом.
Вирусные гепатиты можно разделить на 2 большие группы: 1) передающиеся алиментарным путем, т. е. через грязные руки, продукты питания и т. д. Это гепатиты, вызываемые вирусами типа А, Е и F. В группы повышенного риска заболеть этим типом гепатита входят работники сферы обслуживания, ресторанов, столовых и социальные группы с низким уровнем гигиены;
2) передающиеся парентеральным путем, т. е. через инъекции, медицинские инструменты и половым путем. Так передаются гепатиты типа В, С и G. Группы повышенного риска этих гепатитов составляют хирурги, стоматологи, больные гемофилией и лейкозами, а также наркоманы и проститутки.
Наибольшую опасность представляют гепатиты В, С и G. Если заболевание протекает остро, то возможен смертельный исход, так как развивающийся иммунный ответ, а именно цитотоксические Т-лимфоциты (а также натуральные киллеры), вызывают гибель зараженных вирусом гепатоцитов и разрушение печени. Если заболевание приобретает хроническое течение, долгое время после заражения человек может оставаться практически здоровым из-за высоких компенсаторных способностей печени. Тем не менее, при этом развивается хронический гепатит, последствием которого может быть цирроз печени и первичная карцинома печени. В странах, где заболеваемость гепатитом В высока, проводится вакцинация против него. В результате заболеваемость и опасные осложнения снижаются.
Вирусы, в отличие от их хозяев, проявляют поразительную устойчивость к неблагоприятным внешним факторам. Они легко приспосабливаются к неожиданно возникающим обстоятельствам, к токсичным для них химическим соединениям, в том числе лекарствам. За счет мощного капсида они устойчивы к кислому pH желудка, протеолитическим ферментам, детергентам и т. п. Мутагенные вещества также не так страшны им, как их хозяевам. Многие гены у вирусов дублированы, так что мутация может не затронуть хотя бы один белок..
Главная вирусная стратегия выживания - это высокая мутабильность, являющаяся основным препятствием для получения эффективных противовирусных препаратов. Пока новое лекарство поступит в аптеку, среди вирусов уже появятся штаммы, устойчивые к нему. Более того, могут появиться "вирусы-наркоманы", размножение которых зависит от лекарства. Это возможно в случае, когда новая мутация обусловливает синтез белка, нейтрализующего лекарство, но сам синтез белка поддерживается лекарством. Высокая мутабильность позволяет вирусам быстро менять свою антигенную внешность и становиться неузнаваемыми для иммунной системы. В погоне за изменяющимися вирусами иммунная система истощается. Вирусная инфекция, даже не поражающая клетки иммунной системы непосредственно, может вызвать глубокую иммунодепрессию. Показано, что после перенесенной кори иммунодепрессия сохраняется в течение, по крайней мере, 6 месяцев. Для других вирусных инфекций (герпес, гепатиты, геморрагические лихорадки) этот период гораздо длительнее. Таким образом, наблюдается замкнутый круг - угнетение иммунной системы, вызываемое экотоксическими факторами, делает организм более восприимчивым к инфекционным заболеваниям, а последние угнетают функции иммунной системы. Влияя на иммунную систему, вирусы могут быть пусковым механизмом в развитии аллергических и аутоиммунных заболеваний, а также злокачественных новообразований.
Формирование крупных иммунодефицитных популяций человека создает основу для формирования полирезистентных штаммов микроорганизмов. Известно также, что у иммунодефицитных людей после химиотерапии происходит более быстрое повышение вирулентности самих возбудителей болезней. Так, выделенные из очагов кавернозной пневмонии у больных СПИДом бациллы Rodococcus equi, в экспериментах на мышах оказались значительно более патогенны, чем штаммы, полученные от больных с неизмененной иммунной системой. Аналогичная ситуация наблюдается в популяциях микобактерий туберкулеза, герпесвирусов, токсоплазмы, кандидоза и других микроорганизмов, инфицирующих больных СПИДом. Устойчивые штаммы микрооргнанизмов могут распространяться и среди людей, не ифицированных ВИЧ, у которых иммунная система подавлена под влиянием неблагоприятных факторов окружающей среды. Иммунодефицитная популяция открывает ворота высококонтагиозным быстрым инфекциям. Таким образом, в истории инфекционных болезней человека возбудители быстрые инфекции (чума, холера, оспа) сменились медленными (СПИД). Кто знает, возможен ли после этого возврат к эпидемиям быстрых инфекций.

Глава 3. ЦАРСТВО PROCARIOTA

Критерием деления организмов на два надцарства служит присутствие или отсутствие клеточного ядра. Прокариоты не содержат ядер, эукариоты имеют ядра. Между ними есть и другие различия, но это - главное.
Прокариоты существуют на Земле уже 4 млрд. лет. Им принадлежит исключительное значение для жизни на Земле; фактически, они составляют ее фундамент. Прокариоты выполняют основополагающую функцию в циклических превращениях основных химических элементов, необходимых для жизни - углерода, кислорода, азота, серы, фосфора, что собственно и представляет круговорот веществ. Определенные этапы этого процесса осуществляют исключительно прокариоты. Без прокариот ни почва, ни атмосфера, ни вода не были бы пригодными для жизни в той форме, в которой она существует на Земле.
Прокариоты представляют собой микроскопические организмы размерами в среднем 1-5 мкм. Они могут быть ауто- и гетеротрофами. По процессу обмена они делятся на хемо- и фототрофов. Типы обмена бактерий очень разнообразны. Среди них есть серообразующие, железисто-марганцевые, азотные, ацетатные и др. бактерии.
Прокариоты вездесущи. Они обитают в широких пределах, легко приспосабливаются к изменяющимся условиям среды и процветают там, где никто жить не может.
Метаболические реакции, которые используют прокариоты, чрезвычайно разнообразны. По этому свойству они превосходят все другие живые организмы. Только прокариоты способны усваивать азот воздуха, окислять серу, водород и др. химические элементы, образовывать метан и т.п. Для получения энергии прокариоты используют солнечные лучи (фототрофы) и разложение органических и неорганических соединений (хемотрофы). По свойственному им типу питания прокариоты делятся на аутотрофы и гетеротрофы. Практически все природные, а также многие искусственные соединения разлагаются прокариотами. Поэтому велика их роль в деструкции веществ.
Прокариоты обладают рядом морфологических и физиологических особенностей, отличающих их от эукариот.

3.1. Основные различия между прокариотами и эукариотами

Прокариоты и эукариоты различаются по многим параметрам, главным из них является отсутствие у первых ядра. Это обстоятельство во многом обеспечивает и различия по другим признакам. Основные из них сведены в таблицу.
Кроме цитоплазматической мембраны, большинство прокариот имеют стенку, придающую им форму и прочность. Она представляет собой плотную оболочку, выполняющую функцию наружного скелета. Основной компонент оболочки - муреин, полисахарид, содержащий также и аминокислоты. По отношению к окраске по Граму ( красителем генциан-виолет) все прокариоты делятся на грамположительные и грамотрицательные. Окрашиваются этим красителем все, но после обработки этанолом грамположительные остаются окрашенными, а грамотрицательные теряют окраску. Это связано с принципиально разным строением стенки. У грам-положительных она представлена муреином в сочетании с тейхоевыми кислотами. У грам-отрицательных есть еще одна дополнительная внешняя мембрана.
Многие прокариоты образуют споры. Спорообразующими являются бациллы столбняка, чумы, ботулинуса и др. прокариоты. Споры также как и капсулы, предназначены для сохранения прокариот в неблагоприятных условиях. Они имеют утолщенную оболочку. Споры не размножаются, - это покоящиеся клетки. При возвращении благоприятных условий они вновь начинают размножаться.
Размножаются прокариоты бесполым способом, путем бинарного деления, которому предшествует репликация ДНК. Однако и при таком способе размножения бактерии могут обмениваться генетической информацией. Известно несколько механизмов этого процесса - конъюгация, трансформация и трансдукция. Все они обеспечивают горизонтальный перенос генов между бактериями, вызывая возникновение новых патогенных штаммов, вспышки эпидемий, быстрое появление и распространение устойчивости к лекарственным препаратам. Горизонтальный перенос генов является одним из главных механизмов эволюции микроорганизмов. Это непременно надо иметь в виду при оценке экологического риска интродукции генно-инженерных штаммов микроорганизмов в природу.
Кроме большой кольцевой ДНК, прокариоты содержат в разном числе копий кольцевые плазмидные ДНК, несущие несколько генов, ответственных за устойчивость к антибиотикам и за синтез антибиотиков. Плазмиды широко используются в биоинженерии как векторы для переноса генов (см. главу 12). Главными переносчиками генов между прокариотами являются бактериофаги. Именно бактериофаги переносят из бактерии в бактерию гены токсинов бактерий. При интеграции фага в геном бактерий последние приобретают способность вырабатывать токсин. Так, Corynebacterium diphteriae приобретает токсичные для человека свойства, благодаря инфицированию лизогенным фагом, и только такие штаммы вызывают заболевание человека дифтерией. Аналогичная ситуация для токсина стрептококка, стафилококка и др. бактерий. При конъюгации прокариот происходит обмен плазмидами, именно этим путем бактерии быстро приобретают устойчивость к антибиотикам при лечении бактериальной инфекции. Всеобщая доступность антибиотиков привела к возникновению устойчивых бактериальных штаммов. Некоторые бактерии могут внедрять свои плазмиды в растительные клетки. Таким свойством обладают Agrobacterium tumifaciens, образующие на корнях растений, так называемые, корончатые галлы, опухолевые образования.
В клетки растений, с которыми они находятся в состоянии симбиоза, они вносят Thi-плазмиду. Генные инженеры, занимающиеся биотехнологией растений, используют эти плазмиды для переноса в геном растений генов других растений и животных. Для этого из плазмидной ДНК вырезается часть, ответственная за образование опухолей и включается новая генная конструкция.
Приблизительно 80% прокариот способны к передвижению. Это свойство позволяет им выбирать оптимальные условия для существования. Для передвижения прокариоты используют самый экстравагантный способ - вращение жгутиков, подключенных к протонному мотору. По существу - это электродвигатель субмикронного размера, собранный из нескольких молекул белка.

Табл. 1 Основные различия между про- и эукариотами

Параметры
Свойства Прокариоты Эукариоты Организмы Бактерии и археи Протисты, грибы, растения, животные Ядра Нет Есть Размеры
клеток 1?10 мкм До 100 мкм* Метаболизм Анаэробный и аэробный В основном аэробный** Органеллы Рибосомы, жгутики, реснички Митохондрии, хлопропласты, пероксисомы, Рибосомы, ЭПР, лизосомы, цитоскелет, аппарат Гольджи ДНК Кольцевая в цитоплазме Линейная с большим количеством некодирующих участков Трансляция и транскрипция В цитоплазме Транскрипция в ядре, трансляция в цитоплазме Фиксация азота Есть Нет Деление клеток Бинарное Митоз или мейоз Клеточная стенка Есть у большинства Есть у растений Фагоцитоз и пиноцитоз Нет Есть
*Яйцеклетки страуса достигают 15 см, нервные клетки с их отростками нескольких - метров.
**Амебы, черви и др. эукариоты - анаэробы.

3.2. Археи как особый домен прокариот

В течение длительного времени считали термины прокариоты и бактерии синонимами. Однако постепенно накапливались данные о таких существенных различиях между некоторыми бактериями, что это явилось основанием для гипотезы об отсутствии между ними близкого эволюционного родства.
Особенно большое значение придается структуре рибосомной РНК. На основе сравнения последовательностей рРНК судят о родстве организмов. Такие данные, плюс другие особенности организации, позволили разделить прокариот на два самостоятельных домена, имеющих различное эволюционное происхождение, - бактерии и археи.
На основании сходства генетического кода, структуры ДНК, РНК, белков и аппарата синтеза белка ученые выдвинули гипотезу об единстве происхождения всех живых организмов. Согласно этой гипотезе, существовал некий общий предок - прогенот (Рис. 4). Он мог дать начало трем самостоятельным ветвям - доменам - бактериям, археям и эукариотам. Многие исследователи возводят эти домены в ранг выше традиционных царств.

Эукариоты
Бактерии Археи

Прогенот

Рис. 4. Гипотетическая схема эволюции организмов на Земле

Следующие особенности архей определяют отнесение их к особому домену прокариот:
1. В состав липидов мембран входят не жирные кислоты, а многоатомные спирты (изопреноидный спирт и др.)
2. В клеточной стенке вместо муреина - кислые полисахариды и белки. Белки оболочки архей уложены регулярно, так что образуют правильные и часто причудливые формы (например, в виде цветочков)
3. Мозаичное строение генов (наличие интронов). Наличие повторяющихся последовательностей в ДНК
4. Рибосомы и рибосомные РНК отличаются от бактериальных. Есть отличия и в белковом синтезе
5. Археям свойственны биохимические процессы, не встречающиеся у бактерий - образование метана, серной кислоты и т.д.
6. По образу жизни многие из архей экстремофилы (термофилы, психрофилы, алкалофилы, ацидофилы, галофилы).
7. Обладают ферментами, работающими в экстремальных условиях повышенной или пониженной температуры, кислотности, щелочности и концентрации солей
8. Археи неспособны к паразитизму, среди них много симбионтов.
9. Многие из архей автотрофы (фото- и хемоавтотрофы).
Археи оправдывают свое название (от греч. arche - древний). Благодаря особенностям метаболизма, они по-видимому играли ведущую роль в начальный период эволюции жизни на Земле, когда особое значение имели процессы получения энергии за счет окисления молекул водорода и использования в окислительно-восстановительных реакциях соединений серы. Другими словами, на дне океана вблизи вулканических источников могла развиваться жизнь, не зависимая от энергии солнца. Археи делятся на две группы - кренархеоты и эвриархеоты.
Кренархеоты (от греч. Kren- ключ, источник, и arche - древний) обитают исключительно в горячих источниках на поверхности Земли и на дне океанов в зонах вулканической активности. В частности, местом их обитания являются расположенные на глубине тысяч метров, так называемые, "черные курильщики". Так их называют потому, что выделяющиеся из рифтовых зон сульфиды образуют в морской воде темные струи. Создается впечатление, что кто-то курит. Исследование гидротермальных источников стали возможными после создания подводных минилодок и отбора проб из этих мест. Казалось, что они должны быть долинами смерти среди и так не слишком богатых жизнью морских глубин. Каково же было удивление ученых, обнаруживших в "черных курильщиках" обилие живых существ. Их поэтически стали называть райскими и розовыми садами. Благодаря высокому давлению, температура в "черных курильщиках" достигает 200-300 градусов по Цельсию, но не кипит. Около таких источников живут экстремально термофильные археи. Они используют энергию, образующуюся в результате окисления водорода серой с образованием сероводорода или окисления элементарной серы кислородом. При этом среда их обитания является высококислотной (pH=1-6). Археи находятся здесь в симбиозе с моллюсками и недавно открытым новым типом животных - вестиментиферами. Последние интересны тем, что являются, если можно так сказать, аутотрофными животными. Они поглощают из среды кислород и сероводород, которыми снабжают своих симбионтов - архей. Археи используют указанные вещества для синтеза органических соединений и размножения. Вестиментиферы питаются археями, а часть их предусмотрительно оставляют для размножения.
Эвриархеоты (от греч. Evry - повсюду) распространены на Земле повсюду, в том числе их находят и в "черных курильщиках". К эвриархеотам относится большая группа метанообразующих архей. Только они способны к биологическому образованию метана! Его они образуют окислением водорода углекислотой в реакции 4Н2 + СО2 = СН4 + Н2О. В некоторых случаях в качестве окислителя они могут использовать муравьиную или уксусную кислоту. Метанообразующие археи находятся в осадках морей и пресных водоемов, болотах, почвах тундры и рисовых полей. Их находят также в составе кишечной флоры рубца жвачных. В небольшом количестве они обитают и в кишечнике человека. Они интенсивно синтезируют витамин В12 и снабжают им своих хозяев. Свойство этих архей образовывать метан используют в народном хозяйстве для утилизации отходов в, так называемых, метантенках. В них при высокой температуре без доступа кислорода идут процессы брожения с образованием водорода и углекислоты, которые используются археями для производства метана. Такие аппараты могут обеспечить газом небольшой поселок.
Другая интересная группа архей - это галофилы, способные к росту и размножению в насыщенных растворах соли (до 300 г/л). Некоторые из них при этом предпочитают также щелочную среду с высоким значением рН. Галофилы - гетеротрофы, могущие расти как в аэробных, так и анаэробных условиях. Для них характерно наличие родопсина, красного пигмента, аналогичного пигменту сетчатки человеческого глаза. О нем говорят - это белок, любящий соль и видящий солнце. Исследования этого пигмента показали, что у хлорофилла нет монополии на фотосинтез. При недостатке кислорода бактериородопсин улавливает солнечные лучи и снабжает галофилы энергией. Как светочувствительный материал бактериородопсин может конкурировать с традиционными небиологическими материалами. На основе родопсиновых пленок сконструированы оптические системы памяти в устройствах для обработки информации, например, для компьютеров. Возможно в будущем его научатся использовать для изготовления живых протезов рецепторов глаза. При массовом размножении галофилы, благодаря родопсину, обусловливают красный цвет Мертвого моря. Галофилы живут в водоемах для выпаривания соли. Раньше красную соль, найденную в соляных озерах на юге России, как диковинку отправляли в Москву в Кремль.
Ацидофилы - это археи, обитающие в условиях повышенной кислотности, т.е. в таких растворах кислоты, которая, попав на кожу, образует ожоги, а на платье - дырки. К ацидофилам относятся живущие в кислом содержимом желудка человека Helicobacter pilori. Как недавно выяснилось, они играют этиологическую роль в развитии гастрита, язвенной болезни и рака желудка.
Экстремофильные археи представляют интерес с точки зрения использования их ферментов, работающих в экстремальных условиях. Галофильные археи Thermus aquaticus обладают ферментом Thaq-полимеразой, которая используется в полимеразной цепной реакции на том ее этапе, который требует нагревания ДНК до 700 С. Еще большее нагревание (до 100 0 С) выдерживает ДНК-полимераза Pyrococcus furiosus, называемая Pfu-полимеразой. Ферменты экстремофилов используются также при производстве духов, окраске джинсовой ткани, производстве моющих средств и в других производственных процессах.

3.3. Цианобактерии

Цианобактерии - это большая группа прокариот, включающая более 2000 видов. Им принадлежит особая роль в эволюции и существовании биосферы. Цианобактерии появились в биосфере на заре развития жизни на Земле. Осуществляя оксигенный синтез, цианобактерии создали атмосферу, содержащую кислород, что определило в дальнейшем существование растений и животных.
Ботаники называют цианобактерии синезелеными водорослями и рассматривают их как таксон в системе низших растений. Это обусловлено наличием в их составе хлорофилла a, как у растений, и обитанием, в основном, в водной среде.
Цианобактерии существуют более 4 млрд. лет. Они существовали в архее и большей части протерозоя. Об этом судят по палеонтологическим находкам продуктов жизнедеятельности цианобактерии - строматолитам. Строматолиты - это слоистые известняки, образовавшиеся в результате извлечения бактериями кальция из воды и откладывания кальцита в их слизистых капсулах. Нижние слои бактерий отмирали, образовывались новые и так до 200 м в высоту и многие километры в длину. Строматолиты находят в Австралии, на Урале, в Сибири. В настоящее время строматолиты образуют сообщества нитчатых цианобатерий, развивающихся в толстых пленках в условиях солоноводных мелководий, например, на побережье Австралии.
Фототрофный тип питания является для цианобактерий основным, но не единственным. Они могут усваивать и имеющиеся в среде готовые органические вещества, т. е. становиться гетеротрофами. Среди цианобактерий много форм, способных к азотфиксации. Основным резервуаром азота для всех живых организмов является атмосфера. Однако ни растения, ни животные не могут усваивать азот воздуха. Такой способностью обладают только бактерии, некоторые водоросли и низшие грибы. Азотфиксация, т. е. превращение атомарного азота в NH3 - аммиак, может происходить небиологическим и биологическим путем. Небиологический путь - это образование аммиака во время грозы, при разрядах молнии. Подобный химический метод используется в производстве аммиака, который получают из азота и водорода под давлением с участием катализатора. За это изобретение, позволившее сделать переворот в мировой азотной промышленности, Ф. Габеру и К.Бошу присуждена Нобелевская премия. Эта технология и по сей день используется для получения минеральных азотных удобрений.
Биологический способ фиксации азота связан с активностью фермента нитрогеназы. Это сугубо восстановительный процесс; в присутствии молекулярного кислорода нитрогеназа инактивируется. Но цианобактерии не только живут в присутствии кислорода, более того, они его образуют. Из этого следует, что в одной и той же клетке не могут идти и фотосинтез, и фиксация азота. Азотфиксация происходит в особых клетках, называемых гетероцистами. Они обладают дополнительными слоями оболочки, защищающей их от действия кислорода. В них экспрессируется ген нитрогеназы. Интересно, что его экспрессия определяется такими же перестройками в геноме, как в генах иммуноглобулинов человека. Фотосинтезирующие и азотфиксирующие клетки могут находиться в одном сообществе цианобактерий, при этом образующиеся в результате метаболизма вещества идут по специальным каналам. Вообще, надо заметить, что прокариоты - существа одноклеточные. Однако и в природных, и в лабораторных условиях они образуют сообщества, которые являются пробразами многоклеточных организмов. Среди отдельных представителей этих сообществ, как мы видим на примере цианобактерий, существует дифференциация функций. Колонии роевых бактерий состоят из двух типов клеток - длинных роящихся со жгутиками и коротких нероящихся без жгутиков. С помошью жгутиков они двигаются как единый организм. Наблюдая это явление, Флеминг, открывший пенициллин, даже высказывался о существовании у них некоего прообраза нервной системы, по которой сигналы передаются всем членам сообщества. Поистине социальными существами являются также миксобактерии. Морфологически их сообщество напоминает цветущее дерево.
К сожалению, довольно многочисленные цианобактерии образуют токсины, губительные для человека и животных. Токсины - нейротоксины и гепатотоксины - образуются в основном планктонными формами цианобактерий. Известны случаи гибели людей, потреблявших воду во время "цветения" водоема, которое и представляет собой результат массового размножения цианобактерий.
Ризобактерии - это большая группа бактерий, способствующих улучшению роста и развития растений. К ним относятся почвенные бактерии псевдомонады (Pseudomonas). Их положительное влияние на растения связано с непосредственной стимуляцией роста растений за счет выработки индолил-3-уксусной кислоты - стимулятора роста корневой системы, улучшением фосфорного питания растений за счет гидролиза органических фосфатов бактериальными фосфатазами. Некоторые штаммы псевдомонад, обладая азотфиксирующей способностью, улучшают и питание растений азотом. Псевдомонады оказывают положительно опосредованной влияние на растения путем вытеснения и подавления развития почвенных фитопатогенов и организмов, угнетающих рост растений.
В общем, неоценимый вклад прокариот в эволюцию жизни на Земле и их участие в нашей повседневной жизни можно суммировать следующим образом:
1. Роль в геологических процессах - образование полезных ископаемых - железных руд, пирита, серы, графитов, карбонатов, нефти, газа и др.
2. Обеспечение плодородия почвы, образование гумуса
3.Очистка сточных вод за счет разложения органических веществ
4. Симбиоз с растениями, животными и грибами
5. Участие в промышленных процессах брожения - производство сыра, силоса, сбраживание сливок при изготовлении сливочного масла
6. Производство антибиотиков
7.Бактерии как продуценты ферментов, гормонов и др. веществ в генной инженерии
8. Биологический контроль размножения насекомых (например, B. Thuringiensis)
9. Стимуляция роста растений за счет усиления поступления в растения фосфора, фиксации азота, индукции устойчивости к заболеваниям за счет синтеза антибиотиков и цианистого водорода, антагонизма с почвенными патогенными бактериями и т.д.
10. Биодеградация вредных ксенобиотиков - полихлорбифенолов, бензантрацена
11. В биотехнологии растений - трансгенез с помощью агробактерий

3.4. Эндосимбиотическая теория происхождения эукариот

Если бы не возникли эукариоты, прокариоты, благодаря их великолепной способности к эволюции и адаптации, одни представляли бы жизнь на Земле. Однако в настоящее время она в основном представлена сложными многоклеточными организмами, состоящими из эукариотических клеток. Естественным является вопрос, как возникли эукариоты?
Наиболее популярной и достаточно обоснованной гипотезой на этот счет является эндосимбиотическая гипотеза, основанная на идее многократного эндосимбиоза прокариот, приведшего к возникновению эукариот.
Предполагают, что первичные клетки были анаэробными гетеротрофными прокариотами. Питались они абиогенно синтезированными органическими веществами. Поэтому они должны были довольно быстро обеднить среду обитания необходимой им пищей. Выход из этого положения мог быть достигнут двумя путями: 1) возникновения питания за счет неорганических веществ - углерода (СО2) и азота (N2), имевшихся в атмосфере; и 2) за счет поедания себе подобных.
Чтобы осуществить первый путь развития, прокариоты должны были приобрести способность улавливать химическую и солнечную энергию. Сейчас эти процессы получили наибольшее развитие в виде хемосинтеза и фотосинтеза. Большинство ученых предполагает, что первыми хемосинтезирующими прокариотами были предки современных хемосинтезирующих прокариот, а фотосинтезирующими - предки современных цианобактерий. Возможно, что эти механизмы мало изменились с тех пор и в настоящее время эти прокариоты являются поставщиками органических соединений, которые они синтезируют из СО2 и N2.
Считается, что примитивные фотосинтезирующие анаэробные прокариоты кардинально изменили состав земной атмосферы - из лишенной кислорода смеси газов она превратилась в атмосферу, содержащую 21% кислорода. Появление в атмосфере кислорода имело решающее значение для дальнейшего развития жизни на Земле. Однако анаэробные прокариоты вынуждены были найти для своего выживания бескислородные ниши или адаптироваться к кислороду за счет утилизации его для более эффективного окисления пищевых веществ. Так могли возникнуть аэробные организмы. Их преимущество состояло в том, что они могли более полно окислять органические соединения, прежде всего углеводы до Н2О и СО2. При этом получалось и аккумулировалось в виде фосфатных соединений много энергии. Мы и сейчас наблюдаем, что анаэробы при окислении 1 молекулы глюкозы до молочной кислоты ( процесс гликолиза) образуют 2 молекулы АТФ, а аэробы окисляют глюкозу до образования Н2О и СО2 и 38 молекул АТФ.
Как уже говорилось, был возможен и второй путь развития, когда прокариоты могли выжить, поедая друг друга. При этом анаэробные прокариоты могли не утилизировать часть аэробных в качестве пищи, а вступать с ними в симбиоз. В борьбе за выживание это, очевидно, должно было быть замечательным приобретением.
Впервые идея о роли симбиоза в эволюции жизни была высказана русскими учеными. В 1867 году А.С. Фаминцин утверждал в своих публикациях, что лишайники - это взаимовыгодная ассоциация грибов и водорослей и что хлоропласты - это одноклеточные водоросли и симбионты растений. Идея была поддержана К. С. Мережковским и Б. М. Козо-Полянским в 20 годах. Однако мировой научной общественностью эта гипотеза расценивалась не более, чем экстравагантная. Вспомнили о ней в 60-х годах, когда ученые показали, что ДНК митохондрий и хлоропластов отличается от эукариотической ДНК и очень сходна с бактериальной. Далее Лин Маргелис выявила большую структурную близость жгутиков и некоторых элементов цитоскелета эукариотических клеток с бактериями спирохетами. В последующем были получены и другие доказательства эндосимбиотического происхождения эукариот, главные из них связаны с тем, что митохондрии и хлоропласты по многим биологическим признакам близки к прокариотам :
кольцевая ДНК в митохондриях и хлоропластах, как в прокариотах;
ни митохондрии, ни хлоропласты не синтезируются в клетках эукариот, т.е. не образуются de novo, а размножаются бинарным делением, как прокариоты;
наличие в митохондриях собственного белоксинтезирующего аппарата;
рибосомная РНК и рибосомы из митохондрий и хлоропластов совершенно не похожи на эукариотические, но почти идентичны таковым из некоторых цианобактерий;
АТФ-аза - один из универсально распространенных во всех живых организмах АТФ-расщепляющий фермент - из органелл эукариотических организмов (дрожжей) практически идентичен АТФ-азе некоторых архей;
во внутренней мембране митохондрий находится специфический фосфолипид - кардиолипин, характерный только для мембран бактерий и полностью отсутствующий в мембранах эукариот.
Среди ныне живущих эукариотических организмов есть такие, которые используют прокариот-симбионтов для своей жизнедеятельности (инфузории с симбионтами - метанообразующими археями, вестиментиферы, своего рода аутотрофные организмы, питающиеся за счет симбиоза с археями, некоторые растения содержат в клетках цианеллы, сходные с цианобактериями и выполняющие функции хлоропластов и др.)
Несмотря на то, что эндосимбиотическая теория поддерживается большинством ученых, у нее есть и противники, которые считают, что эта теория объясняет происхождение митохондрий и хлоропластов, а не эукариот. Действительно, эндосимбиотическая теория не заполняет разрыва между про- и эукариотами, наоборот, он становится более явным. Эукариоты характеризуются более сложным морфологическим строением, в основном и обеспечивая биоразнообразие на Земле, а биохимически они, если исключить митохондрии и хлоропласты, гораздо более просты, чем прокариоты. Получается, что сложнейшие механизмы клеточного дыхания, фотосинтеза, фиксации углекислоты и азота сложились у прокариот, в то время как эукариоты остались на уровне анаэробных сбраживателей. Туманным до сих пор остается вопрос о природе непосредственных предшественников эукариот. Все-таки прокариоты - это очень маленькие клетки, эукариоты в тысячу раз больше. Эту трудность сторонники эндосимбиотической теории обходят предположением о многократности симбиоза разных прокариот, или предположения о слиянии проэукариота, клетки способной к фагоцитозу, с прокариотами. Наличие способности к фагоцитозу у проэукариотической клетки обусловило отсутствие клеточной стенки, но появление необходимого для этого процесса цитоскелета и подвижной цитоплазмы. Вслед за этим возникла необходимость изолировать ДНК от подвижной цитоплазмы, так, предполагают, появилось клеточное ядро.

Глава 4. МАТЕРИАЛЬНЫЕ НОСИТЕЛИ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ

Несмотря на то, что нуклеиновые кислоты были открыты более ста лет назад, их фундаментальная роль как носителей наследственной информации была выяснена лишь в середине ХХ века. Этому предшествовали важнейшие открытия молекулярной биологии. Авторы многих из них награждены Нобелевской премией:
1957. А. Тодд - за исследование нуклеотидов и нуклеозидов в составе ДНК и РНК
1958. Дж. Ледерберг - за структуру генетического материала бактерий и рекомбинацию у них
1959. А. Корнберг - за открытие механизмов биосинтеза ДНК
1959. С. Очоа - за открытие механизма синтеза РНК
1962. Ф. Крик, Дж. Уотсон, М. Уилкинс - за открытие структуры ДНК
1968. Р. Холли, Х. Корана, М. Ниренберг - за расшифровку генетического кода
1969. А. Д. Херши - за открытие генетической структуры вирусов
1969. Дж.Галл, М. Пардью - за разработку метода гибридизации ДНК in situ
1978. В. Арбер, Д. Натанс, Х. Смит - за открытие ферментов рестрикции
1980. П.Берг, У. Гилберт, Ф. Сэнгер - за разработку технологии рекомбинантных ДНК
1983. Б. Мак-Клинток - за открытие мобильных элементов
1993. К. Б. Мюллис - за разработку полимеразной цепной реакции
1993. Ф. Шарп, П. Робертс - за открытие мозаичной структуры генов эукариот
К настоящему времени достигнуты колоссальные успехи в расшифровке молекулярно-генетических процессов и накоплена масса экспериментальных данных. Описание сложнейшей функции генов и геномов, генных сетей, путей передачи сигнала в клетке, основных молекулярно-генетических процессов - репликации, транскрипции, трансляции, регуляции экспрессии генов стало возможным благодаря разработке компьютерных технологий автоматической обработки данных. Этим занимается наука биоинформатика, которая создает базы и банки данных для общего пользования, разрабатывает новые математические методы и алгоритмы для анализа информации, на основе которых становится возможным моделирование молекулярно-генетических процессов.

4.1. Структура нуклеиновых кислот

4.1.1. Структура ДНК

Дезоксирибонулеиновая кислота впервые была выделена из ядер клеток. Поэтому она и названа нуклеиновой (от греч. Nucleus- ядро). ДНК представляет собой полинуклеотид, состоящий из нуклеотидов. Нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, сахара и азотистого основания (рис.5 и 6). Фосфорная кислота придает ДНК кислотные свойства. Сахар представлен 2-дезокси-D-рибозой, образуя пятичленный цикл. В составе ДНК встречаются 4 азотистых основания - пуриновые - аденин и гуанин, и пиримидиновые - тимин и цитозин. В сокращенном виде они называются A, G, T, C соответственно. Нумерация атомов в основаниях записывается внутри цикла. В отличие от этого нумерация атомов сахара записывается вне цикла и со значком "штрих".
В цепи ДНК первый атом углерода дезоксирибозы связывается гликозидной связью с атомом азота в положении 1 пиримидинового или 9 - пуринового основания. Эта связь называется ?-гликозидной.
Соединение, состоящее из основания и углевода, называется нуклеозидом (в ДНК - дезоксинуклеозидом), например, дезоксигуанозин, дезоксиаденозин и т. д.

Рис.5. Комплементарные взаимодействия нуклеотидов (уотсон-криковские пары).

Рис.6. Структура нуклеотидов ДНК.

В полинуклеотидной цепи нуклеотиды соединены фосфодиэфирной связью, образованной остатком фосфорной кислоты между 3'ОН- группой одного нуклеотида и 5'ОН- группой - другого (рис.5 и 6).
Структуру цепи ДНК можно изобразить следующим образом (рис.7).

Рис.7. Схема нити

<< Пред. стр. 1 (из 6) След. >>

Список литературы по разделу