Неклітинні форми життя – віруси. Прокаріоти
- 27-09-2021, 21:36
- 504
9 Клас , Біологія 9 клас Остапченко, Балан, Поліщук
§ 46. Неклітинні форми життя – віруси. Прокаріоти
Пригадайте характерні ознаки життя? Що таке геном? Які особливості будови клітин прокаріотів? Що таке плазміди? Що таке домен?
Будову і функції вірусів, їхні властивості, шляхи передачі, способи лікування і профілактики вірусних захворювань вивчає наука вірусологія.
Віруси — неклітинні форми життя. Це виключно внутрішньоклітинні паразити різних організмів: людини, тварин, рослин, грибів і бактерій. Для свого розмноження віруси використовують будівельний матеріал та енергію клітини-хазяїна. Наслідком взаємодії між вірусом та клітиною-хазяїном часто стають вірусні захворювання.
На підставі багаторічних досліджень було визначено основні властивості вірусів:
- дуже малі розміри: більшість вірусних частинок - віріонів - можна вивчати лише за допомогою електронного мікроскопа;
- наявність тільки одного типу нуклеїнової кислоти - або ДНК, або РНК; відсутність власних систем, здатних синтезувати білки;
- внутрішньоклітинний паразитизм - здатність розмножуватись лише в клітині-хазяїні;
- відсутність проявів життєдіяльності поза клітиною-хазяїном.
Досі не існує єдиної точки зору на походження вірусів. Останнім часом більшість учених схиляється до гіпотези, за якою віруси виникли у прадавні часи незалежно від клітин, використовуючи їхні можливості для перетворення енергії та синтезу білків.
Усі віруси поділяють на прості й складні (мал. 252). Прості віруси складаються тільки з білка та нуклеїнової кислоти (ДНК або РНК). До складу оболонки складних вірусів входять також ліпіди та вуглеводи.
Мал. 252. 1 - складний вірус грипу; 2 - простий вірус папіломи
Мал. 251. Дмитро Йосипович Івановський (1864-1920) - основоположник науки про віруси
Цікаво знати
Віруси відкрив Д.Й. Івановський (мал. 251), коли вивчав мозаїчну хворобу тютюну. Він довів, що витяжка від уражених рослин, коли її ввести здоровим, спричиняє їхнє захворювання. Це відбувалося навіть після проходження витяжки через керамічні фільтри достатньо малого діаметра, здатні затримувати найдрібніші бактерії. Д.Й. Івановський вважав збудників мозаїчної хвороби тютюну найдрібнішими організмами. Але вони не були здатні рости на будь-якому з поживних середовищ. Цю подію в усьому світі визнано як народження науки вірусології.
Цікаво знати
Дуже довго, аж до кінця XX ст., тривала дискусія на тему чи належать віруси до живої природи. І саме те, що їм властиві спадковість і мінливість, доводить, що віруси безумовно є об’єктами живої природи, хоча й належать до неклітинних форм життя.
Запам’ятаємо: віруси розглядають як окрему групу (царство) органічного світу, але не організмів, а неклітинних форм життя.
Важлива відмінність вірусів від прокаріотів та еукаріотів полягає в їхньому унікальному способі утворювати нові дочірні вірусні частинки. Якщо всі клітинні форми життя використовують різні форми розмноження клітин (пригадайте які), то у вірусів цей процес пов’язаний з утворенням в інфікованій клітині одразу великої кількості (від одиниць до сотень) віріонів під час так званого самозбирання (мал. 253). Цей процес дещо нагадує складання автомобіля на конвеєрі. Вірусні частинки збираються з великої кількості вірусних білків, які синтезувала клітина (структура цих білків кодується генами вірусної нуклеїнової кислоти). Кінцевим етапом такого збирання є включення в оболонку вірусу його нуклеїнової кислоти. Після цього вірус може виходити з клітини, набуваючи здатності інфікувати нові клітини.
Прості віруси виходять з клітини зазвичай унаслідок руйнування клітинної мембрани вірусними ферментами або в результаті загибелі клітини. У складних вірусів віріон захоплює частину клітинної мембрани, яку використовує як власну зовнішню оболонку. Цей процес називають брунькуванням вірусу (мал. 254).
Класифікація вірусів ґрунтується на особливостях будови вірусної частинки та типу нуклеїнової кислоти. Нині вона перебуває на стадії розроблення, однак основний її принцип подібний до принципу класифікації прокаріотів та еукаріотів. Для прикладу наведемо класифікацію пневмовірусу, що спричиняє гостре респіраторне вірусне захворювання (ГРВЗ) (не для запам’ятовування):
Царство Віра
Порядок Мононегавіруси
Родина Параміксовіруси
Підродина Пневмовіруси
Рід Пневмовірус
Віруси рослин. Рослинні клітини, крім плазматичної мембрани, вкриті також міцною целюлозною клітинною оболонкою. Тому вірус може проникнути в цитоплазму тільки після її ушкодження (подряпини листкових пластинок чи кореневих волосків, з допомогою тварин-переносників, які живляться соком рослин).
Під час перебування вірусу в клітині синтезуються вірусні білки. Одні з них використовуються як ферменти, що забезпечують подальше відтворення молекул вірусної РНК, інші - як структурні білки, з яких будуватимуться оболонки нових вірусних частинок. Усі ці процеси забезпечуються органелами клітини з її амінокислот та нуклеотидів за рахунок її енергії. Новоутворені вірусні частинки можуть знову потрапляти до тварин-переносників.
Віруси бактерій, або бактеріофаги. Бактеріальна клітина, як і рослинна, надійно захищена клітинною оболонкою. Тому віруси бактерій - бактеріофаги мають свою «стратегію» проникнення до цитоплазми клітини-хазяїна. Розглянемо цей процес на прикладі бактеріофага Т4 (мал. 255). До кінця його хвостового відростка приєднані довгі білкові нитки, які закінчуються специфічною структурою, що виконує функції рецептора. На поверхні бактеріальної клітини (бактеріофаги Т4 вражають бактерії кишкову паличку) є глікопротеїди (пригадайте: так називають сполуки білків з вуглеводами), з якими і зв’язуються рецептори вірусу. Щойно рецептори зв’язалися з відповідним клітинним білком, бактеріофаг щільно притуляється до клітинної оболонки хвостовим відростком і впорскує свою ДНК у цитоплазму клітини (мал. 255).
Мал. 253. Самозбирання вірусу тютюнової мозаїки.
Завдання. Охарактеризуйте цей процес
Мал. 254. Вихід складного вірусу з клітини
Мал. 255. І. Схематична будова бактеріофага Т4: 1 - геном у вигляді дволанцюгової ДНК, 2 - головка бактеріофага, 3 - хвостовий відросток із чохлом, 4 - ДНК, яку бактеріофаг впорскує в клітину бактерії. II. Фото бактеріофага, зроблене за допомогою сканувального мікроскопа. III. Електронно-мікроскопічне фото впорскування ДНК бактеріофагів Т4 у цитоплазму бактеріальної клітини
Цікаво знати
У клітині рослин у процесі трансляції генетична інформація з молекули ДНК переписується на молекулу мРНК. У вірусів рослин молекула РНК, вивільнившись з оболонки, відразу прямує до рибосом, її генетична інформація реалізується у вигляді утворення нових вірусних білків.
Віруси людини і тварин. Розглянемо особливості розмноження вірусу імунодефіциту людини (ВІЛ). Це складний вірус (мал. 256), його генетичний матеріал - дві молекули РНК, оточені білковою оболонкою. Зовні від неї є ще одна оболонка, яка є ділянкою мембрани клітини, з якої вийшов цей вірус. Вона інкрустована вірусними поверхневими білками. Їх ВІЛ використовує для пошуку і прикріплення до чутливих клітин (зазвичай це Т-лімфоцити). У результаті такої взаємодії поверхнева оболонка вірусу зливається з плазматичною мембраною клітини й РНК вірусу опиняється у цитоплазмі. Там вірусний фермент починає синтезувати на молекулах такої РНК дволанцюгові молекули ДНК.
Новосинтезована дволанцюгова ДНК ВІЛ транспортується до ядра, де взаємодіє з однією з хромосом генетичного апарату клітини. Там вона може тривалий час співіснувати з хромосомою, не реалізуючи власну вірусну генетичну інформацію. Інфікованих вірусом імунодефіциту пацієнтів на такому етапі вірусної інфекції називають носіями ВІЛ.
Під дією певних чинників клітинного середовища ДНК вірусу може активізуватися, починається її переписування (транскрипція) і далі - синтез вірусних білків. У результаті цих процесів у цитоплазмі накопичуються структурні білки ВІЛ. Кінцевим етапом розвитку інфекції ВІЛ буде вихід вірусних частинок унаслідок «відбруньковування» від оболонки клітини. Оскільки ВІЛ уражає Т-лімфоцити, їхня загибель призводить до дефіциту імунних клітин в організмі. Звідки й походить його назва - вірус імунодефіциту людини. Нагадаємо, що цей вірус спричиняє смертельно небезпечне захворювання людини - синдром1 набутого імунодефіциту людини (СНІД).
Прокаріоти - доядерні організми, які включають два царства: Археї (колишня назва - Архебактерії) та Бактерії (раніше - Еубактерії, або Справжні бактерії). У свою чергу, до Бактерій належать власне бактерії, ціанобактерії (у ботаніці їх називають синьо-зелені водорості) та деякі інші групи прокаріотів (актиноміцети та мікоплазми). На сьогодні описано близько 3000 видів прокаріотів (з них майже 2000 видів ціанобактерій), але їхня реальна кількість у природі значно більша. Бактерій вивчає наука бактеріологія.
Цікаво знати
Запис генетичної інформації у вигляді РНК сприяє збільшенню кількості самочинних мутацій. Унаслідок цього генетична інформація РНК-умісних вірусів дуже швидко змінюється. Так утворюються генетично неоднорідні популяції вірусів.
Мал. 256. Фото вірусу імунодефіциту людини (ВІЛ)
1 Синдром (від грец. синдроме - той, хто біжить разом) - поєднання ознак (симптомів) певного захворювання.
Мал. 257. Археї: 1 - рід Галобактерія; 2 - рід Сульфолобус; 3 - рід Галоквадратум; 4 - рід Метаносарцина (не для запам’ятовування)
Прокаріоти були першими організмами, які з’явилися на нашій планеті. Пригадайте: прокаріоти не мають типових хромосом, характерних для еукаріотів: їхні молекули ДНК не взаємодіють з ядерними білками. ДНК прокаріотів насамперед зосереджена в ядерній зоні (нуклеоїді), крім того, у цитоплазмі їхніх клітин знаходяться плазміди (позахромосомні фактори спадковості).
Археї відрізняються від бактерій особливостями будови та процесів життєдіяльності. Їхні клітини мають мікроскопічні розміри, в середньому близько 1 мкм (мінімальні розміри - 0,4 мкм), а клітинна оболонка не містить полімерної сполуки - муреїну. Форма клітин різноманітна, існують сферичні, паличкоподібні, спіральні, трикутні й прямокутні види (мал. 257). Багато видів мають джгутики. Спадковий матеріал археїв представлено кільцевою молекулою ДНК.
Археїв часто виявляють в екстремальних умовах, у яких не існують інші живі істоти. Серед них є види, здатні існувати в гарячих джерелах за температури +45°...+113 °С (такі види мають у своєму складі білки, стійкі до дії високих температур). Є також представники, що витримують тиск до 700 атмосфер, тривалі посушливі періоди тощо. Археї трапляються в різних середовищах: ґрунті, болотах, водах океанів, оселяються в інших організмах. Наприклад, певні види мешкають у товстому кишечнику людини і жуйних тварин, допомагаючи здійснювати процеси травлення. Серед археїв майже відсутні паразитичні види, але є види, які можна використовувати для утилізації (розкладання) органічних решток.
Серед археїв є аероби та анаероби, автотрофні (хемотрофи та фототрофи, фотосинтезуючим пігментом є бактеріородопсин) та гетеротрофні види. Деякі з археїв здатні фіксувати атмосферний азот. Розмножуються археї поділом навпіл, брунькуванням і фрагментацією. На відміну від бактерій, археї спор не утворюють.
Цікаво знати
У ґрунті, що прилип до коренів засушених рослин з одного гербарію у Великій Британії, було виявлено життєздатні спори, вік яких перевищував 300 років. Учені припускають, що в деяких випадках спори бактерій здатні зберігати життєздатність і до 1000 років. Бактерії з роду Анаеробактер здатні утворювати до 7 ендоспор, що можна розглядати як особливий спосіб нестатевого розмноження.
До Бактерій належать різноманітні за особливостями будови клітин і процесів життєдіяльності види. Форма клітин бактерій різноманітна (мал. 258): куляста (коки), паличкоподібна (бацили), комоподібна (вібріони), у вигляді спірально закрученої палички (спірили), довгої та тонкої спірально закрученої клітини (спірохети) тощо.
Мал. 258. Форма клітин бактерій: 1 - коки; 2 - бацили; 3 - вібріони; 4 - спірили; 5 - спірохети; 6 - диплококи; 7 - тетракоки; 8 - стафілококи
Бродіння - анаеробний (безкисневий) процес розщеплення молекул органічних сполук за участі певних ферментів, спряжений із синтезом молекул АТФ.
Мал. 259. Форми розмноження та статевого процесу в бактерій: І - розмноження поділом клітини навпіл; II - схема процесу брунькування; III - послідовність процесу обміну спадковою інформацією за допомогою кон’югації
Коки, що зібрані попарно називають диплококами, по чотири - тетракоками, у вигляді грон - стафілококами, ниток - стрептококами тощо. Є й багатоклітинні види (серед ціанобактерій та актиноміцетів). Одні з бактерій нерухомі, інші здатні пересуватись за допомогою джгутиків чи виділяючи слиз.
У деяких прокаріотів (зелені сірчані та пурпурні бактерії, ціанобактерії) є свій особливий фотосинтетичний апарат. Так, у ціанобактерій завдяки вгинанням плазматичної мембрани виникають пласкі мішечки, які містять хлорофіл (див. мал. 84).
Особливості процесів життєдіяльності бактерій. Серед прокаріотів є як автотрофи, так і гетеротрофи (сапротрофи, паразити тощо). Серед автотрофів є як фототрофи (зелені, пурпурні бактерії, ціанобактерії), так і хемотрофи (нітріфікуючі, залізо- та сіркобактерії).
У бактерій відомо три основні способи отримання енергії: бродіння, аеробне дихання, хемо- та фотосинтез. Під час усіх цих процесів синтезуються молекули АТФ.
Завдання: з допомогою учителя охарактеризуйте види бродіння (спиртове, молочнокисле, оцтовокисле, маслянокисле). Зробіть доповідь на тему, як людина використовує ці процеси в своєму господарстві.
Пригадайте: фотосинтез у бактерій може відбуватись як без виділення кисню, так і з виділенням. Перший варіант фотосинтезу притаманний бактеріям, у яких замість хлорофілу у клітині присутній інший фотосинтезуючий пігмент - бактеріохлорофіл (зелені та пурпурні бактерії). У них у процесі фотосинтезу задіяно лише одну фотосистему, а донорами електронів є H2S, S2 (пурпурні бактерії), Н2 та інші сполуки. Другий варіант фотосинтезу здійснюють ціанобактерії з використанням хлорофілу, у яких у процесі фотосинтезу задіяно дві фотосистеми.
Клітини прокаріотів розмножуються зазвичай нестатевим шляхом: поділом навпіл (мал. 259. І), рідше - брунькуванням (при цьому материнська клітина відбруньковує від себе дрібніші дочірні) (мал. 259. II). Перед поділом клітина збільшується в розмірах, її спадковий матеріал (молекула ДНК) подвоюється. Кожна з дочірніх клітин, які утворилися внаслідок поділу материнської, отримує свою частину спадкової інформації.
Статевий процес прокаріотів може відбуватися у формі кон’югації (мал. 259. III). Між двома сусідніми клітинами утворюється тимчасовий зв’язок, завдяки якому відбувається обмін молекулами ДНК.
За настання несприятливих умов у деяких прокаріотів відбувається споро- або цистоутворення (мал. 260, 1). При спороутворенні найчастіше частина цитоплазми материнської клітини вкривається багатошаровою оболонкою, утворюючи спору. Такі спори завдяки низькому вмісту води дуже стійкі до дії високих температур, витримують значні дози іонізуючого опромінення, впливи різних хімічних сполук тощо.
Під час цистоутворення (мал. 260, 2) щільною оболонкою вкривається вся клітина. Цисти прокаріотів стійкі до дії радіації, висушування, але, на відміну від спор, не здатні витримувати дію високих температур.
Мал. 260. Схема утворення спори всередині клітини (1) та цисти (2) (додаткова оболонка оточує клітину ззовні): а - оболонка клітини; б - цитоплазма
Ціанобактерії, подібно до азотфіксуючих бактерій, здатні фіксувати атмосферний азот. Оскільки молекулярний кисень робить неактивними ферменти, що забезпечують процеси фіксації атмосферного азоту, у нитчастих ціанобактерій формуються особливі клітини - гетероцисти. Внутрішній вміст гетероцист захищений від надходження кисню ззовні двома додатковими товстими оболонками. Вони зв’язані із сусідніми клітинами мікроскопічними канальцями.
Коротко про головне
Віруси - неклітинні форми життя. Це виключно внутрішньоклітинні паразити бактерій, грибів, рослин, тварин і людини. За межами клітин організму хазяїна вірусні частинки не виявляють жодних ознак живого. Їхнє розмноження можливе лише всередині клітини, у якій вони паразитують.
Залежно від особливостей хімічного складу оболонки вірусних частинок віруси поділяють на прості та складні. У простих вірусів оболонка складається лише з білків, у складних - до її складу входять також ліпіди та вуглеводи.
Оскільки віруси не мають клітинної будови, їх відносять до неклітинних форм життя. Класифікація вірусів ґрунтується на особливості будови вірусної частинки. Усі віруси відносять до групи (царства) Віра.
Прокаріоти - доядерні організми, які включають два царства: Археї та Бактерії.
Археї відрізняються від бактерій особливостями будови та процесів життєдіяльності. Їхня клітинна оболонка не містить муреїну, характерного для бактерій. Багато видів мають джгутики. Спадковий матеріал археїв - кільцева молекула ДНК. Археї не здатні синтезувати ферменти, які забезпечують розщеплення складних органічних сполук, тому можуть засвоювати лише прості.
До бактерій належать різноманітні за особливостями будови клітин та процесів життєдіяльності види.
Ключові терміни та поняття: віруси прості та складні, вірус імунодефіциту людини (ВІЛ), синдром набутого імунодефіциту людини (СНІД), прокаріоти, археї.
Перевірте здобуті знання
1. Яка наука вивчає віруси? 2. Як було відкрито віруси? 3. Які віруси називають простими та складними? 4. Чим характеризуються віруси бактерій - бактеріофаги? 5. Охарактеризуйте особливості будови та життєвий цикл вірусу імунодефіциту людини. 6. Чим клітини прокаріотів за будовою відрізняються від клітин еукаріотів? 7. Як розмножуються прокаріоти? 8. Яке біологічне значення процесів спороутворення та інцистування у прокаріотів? 9. Чим клітини археїв відрізняються від клітин бактерій?
Поміркуйте
1. Будова вірусних частинок значно простіша, ніж клітин еукаріотів і прокаріотів. Чи могли віруси виникнути раніше, ніж організми, які мають клітинну будову? 2. Учені вважають, що спірохетоподібні бактерії могли слугувати «предками» певних органел клітин еукаріотів (подібно до того, як деяких аеробних бактерій вважають предками мітохондрій, а ціанобактерій - хлоропластів). На вашу думку, що це за органели?
Коментарі (0)