Są to mikrostruktury możliwe do obserwacji wyłącznie w mikroskopie elektronowym, utworzone co najmniej z jednego rodzaju makroczasteczek. Należą do nich:
wirusy (zbudowane z kwasów nukleinowych i białek)
wiroidy (zbudowane wyłącznie z RNA)
priony (złożone z samych białek)
Wirusy
struktury bezkomórkowe pasożytujące wyłącznie wewnątrz żywych komórek, niezdolne do przejawiania aktywności życiowej poza żywymi organizmami
nie posiadają własnego metabolizmu, gdyż nie dysponują własnym układem enzymatycznym zdolnym do syntezy białek i powielania materiału genetycznego
występują w dwóch postaciach funkcjonalnych: pozakomórkowej (spoczynkowej) określanej jako wirion oraz wewnątrzkomórkowej (aktywnej) stanowiącej czynnik zakaźny składający się z materiału genetycznego, pozbawiony osłonki białkowej Słowa wirus używamy zwykle jako ogólnego określenia czynnika zakaźnego, natomiast słowa wirion – na określenie pojedynczej, kompletnej jednostki wirusa.
Wirusy posiadają cechy materii :
• ożywionej
o zbudowane są z kwasów nukleinowych i białek – związków
charakterystycznych dla materii ożywionej,
o do namnażania wykorzystują powszechne w przyrodzie procesy – replikacja, transkrypcja, translacja,
o mutują i ewoluują.
• nieożywionej
o nie posiadają budowy komórkowej,
o nie przeprowadzają samodzielnie procesów metabolicznych,
o mogą występować w postaci kryształów.
Zawierają tylko jeden rodzaj kwasu nukleinowego, stanowiący materiał genetyczny wirusa:
jedno- lub dwuniciowe DNA w formie kolistej lub
liniowej
jedno- lub dwuniciowe RNA.
Wirusy roślinne posiadają zwykle RNA, zwierzęce DNA lub RNA, bakteryjne DNA.
Otoczka białkowa (kapsyd) zbudowana z podjednostek – kapsomerów – stanowi osłonę materiału genetycznego.
Wirusy zwierzęce mogą posiadać dodatkową osłonkę białkowo-lipidową, utworzoną z błony komórkowej gospodarza i glikoprotein wirusa.
Kształty wirusów
• Bryłowe (bez i z osłonką) ,np. HIV
• Pałeczkowe (bez i z osłonką), np. wirus mozaiki tytoniu
• Bakteriofagi, np. baketriofag T4
Klasyfikacja wirusów
W odróżnieniu od klasyfikacji organizmów żywych, klasyfikacja wirusów jest klasyfikacją sztuczną opartą wyłącznie na ich podobieństwie (nie możemy wykazać/wykluczyć ich pokrewieństwa). Najczęściej wykorzystywane kryteria w klasyfikacji wirusów to:
symetria kapsydu (np.bryłowe, helikalne – pałeczkowe),
przynależność systematyczna gospodarza (np. roślinne, zwierzęce, bakteryjne),
struktura i rodzaj kwasu nukleinowego (np. RNA-wirusy),
strategia replikacji (np. retrowirusy).
Etapy infekcji wirusowej
Adorpcja – wirusy przyłączają się do odpowiednich receptorów na powierzchni komórek gospodarza,
Wnikanie – w przypadku bakteriofagów skurcz ogonka powoduje wstrzyknięcie DNA do komórki gospodarza, wirusy zwierzęce wnikają na drodze endocytozy a u osłonkowych dochodzi do fuzji osłonki z błoną komórkową gospodarza. Wirusy roślinne wnikają w
miejscach uszkodzenia tkanek lub w miejscach ukąszeń owadów roślinożernych (jak np.
mszyce),
Replikacja – synteza składników wirusa: replikacja materiału genetycznego (uwaga: odwrotna replikacja i integracja DNA do genomu komórki gospodarza u retrowirusów lub synteza RNA z udziałem specjalnej polimerazy RNA) ,
Składanie – powstają potomne winiony w obrębie komórki gospodarza,
Uwolnienie – komórka gospodarza ulega lizie uwalniając winiony potomne gotowe do infekcji. U niektórych wirusów zwierzęcych winiony odpączkowują tworząc z błony komórkowej osłonkę wokół kapsydu.
Pochodzenie wirusów
Na temat pochodzenia wirusów istnieją obecnie dwie hipotezy:
I.
Wirusy wywodzą się od prostych form komórkowych, które w związku z adaptacją do pasożytniczego trybu życia uległy silnemu uwstecznieniu, tracąc budowę komórkową i zdolność do samodzielnego metabolizmu;
II.
Wirusy to cząstki nukleoproteinowe, które powstały wskutek usamodzielnienia fragmentu materiału genetycznego organizmu (analogie wirusów do ruchomych odcinków DNA – transpozonów).
Natomiast nieprawdą jest twierdzenie jakoby wirusy reprezentowały formy przejściowe między strukturami nieożywionymi a komórkami (nie znamy wirusów, które potrafiły by namnażać się niezależnie od żywych komórek).
Znaczenie wirusów
Negatywne:
wywołują groźne choroby ludzi, zwierząt i roślin,
infekcje fagowe bakterii przynoszą szkody w gospodarce człowieka wykorzystującej bakterie do celów technologicznych
Pozytywne:
zwalczają bakterie chorobotwórcze,
stosowane są w inżynierii genetycznej jako wektory (nośniki) przenoszące obce DNA między komórkami
Choroby wirusowe człowieka
Wirusy RNA
Polio
Świnki
Różyczki
HIV
Wirusy DNA
Ospy prawdziwej
Ospy wietrznej
Półpaśca
Opryszczki
Wiroidy
Zakaźne cząstki składające się wyłącznie z kolistego, jednoniciowego mRNA. Nie posiadają kapsydu, jak wirusy, nie są związane z żadnymi białkami.
Wszystkie rozpoznane dotąd wiroidy są związane z chorobami roślin wyższych.
Przenoszone są w uszkodzone wcześniej miejsca, z innej, zainfekowanej rośliny.
Podobnie jak wirusy, wiroidy ulegają replikacji dzięki enzymom gospodarza.
Priony
infekcyjne cząsteczki białka kodowane przez geny występujące w prawidłowym materiale genetycznym wielu organizmów (wykryto je u wszystkich ssaków, ptaków a także w komórkach drożdży)
funkcje biologiczne normalnie wykształconych białek prionowych do końca nie są znane
pod wpływem nieznanych czynników białka prionowe mogą zmieniać swoją strukturę przestrzenną z globularnej (alfa-helisy) na podobną do pofałdowanej kartki (struktury beta)
zmienione białka prionowe są odporne na działanie enzymów i kumulując się w komórkach, wymuszają zmianę normalnych białek prionowych w cząsteczki
szkodliwe
wywołują choroby układu nerwowego ludzi, tzw. encefalopatie (choroba Creutzfeldt’a i Jakoba, Kuru czy też tzw. śmiertelna rodzinna bezsenność) i zwierząt (scrapie, choroba szalonych krów).
Prokarionty – komórkowe, bezjądrowe formy życia
Cechą organizmów należących do prokariontów jest brak jądra komórkowego oraz uproszczona budowa komórki. Organizmami prokariotycznymi są bakterie, w obrębie których wyróżnia się archebakterie i eubakterie, obejmujące bakterie właściwe i sinice (cyjanobakterie).
Komórka bakteryjna pozbawiona jest organelli, zawiera mureinową ścianę komórkową (ze względu na różnice w budowie ściany komórkowej i obecność błony zewnętrznej wyróżniamy bakterie Gram-dodanie i Gram-ujemne), rzęski bakteryjne zbudowane są odmiennie od eukariotycznych (buduje je białko flagelina), fimbrie umożliwiają adhezję do podłoża, a plazmidy to małe koliste cząsteczki DNA niosące dodatkowe geny determinujące cechy ważne do przetrwania w specyficznych warunkach (nadają np. oporność na antybiotyki).
Czynności życiowe bakterii
Odżywianie:
Bakterie heterotroficzne pobierają pokarm całą powierzchnią ciała (wcześniej enzymy wydzielane przez komórkę na zewnątrz hydrolizują substancje
złożone na związki drobnocząsteczkowe).
Bakterie autotroficzne posiadają zdolność wywarzania związków organicznych z nieorganicznych przy udziale:
energii świetlnej w procesie fotosyntezy,
Proces fotosyntezy polega na redukcji CO2 przy udziale wodoru. Donorem wodoru mogą być: u bakterii – zredukowane związki siarki,
CO2 +2H2S CH2O + H2O + 2S (fotosynteza anoksygeniczna) u sinic – woda: energia świetlna
CO2 + 2H2O CH2O + H2O + O2 (fotosynteza oksygeniczna)
energii chemicznej pochodzącej z utleniania związków
nieorganicznych w procesie chemosyntezy.
Wśród bakterii chemosyntetyzujących, w zależności od rodzaju utlenianego związku nieorganicznego wyróżnia się m.in.:
- bakterie nitryfikacyjne: Nitrosomonas – utleniające amoniak (NH3) do azotanów (III), które z kolei Nitrobacter utlenia do azotanów (V),
- bakterie siarkowe – utleniają H
2-
2S do siarczanów (SO4 ), a nawet do wolnej siarki (S).
Sposoby oddychania bakterii:
(Proces oddychania polega na uwalnianiu energii z rozkładu związków organicznych)
• tlenowo (aeroby) . Podczas oddychania tlenowego związek organiczny zostaje utleniony do CO2 i H2O, a uwolniona energia jest gromadzona w ATP,
beztlenowo (anaeroby). Oddychanie beztlenowe może być dwojakiego rozmiaru: 1. Fermentacja, podczas której związek organiczny jest tylko częściowo rozłożony i powstają związki prostsze oraz niewielkie ilości energii.
Wyróżniamy fermentacje: alkoholową, mleczanową, masłową, octową.
2. Denitryfikacja – swoisty wyłącznie dla bakterii sposób oddychania
beztlenowego, w którym bakterie redukują azotany (V) do azotanów (III), a następnie do wolnego azotu (N2).
Bakterie oddychające beztlenowo mogą być:
◦ beztlenowcami bezwzględnymi (obligatoryjnymi), dla których tlen jest toksyczny,
◦ beztlenowcami względnymi (fakultatywnymi), które mogą przestawiać swój metabolizm z tlenowego na beztlenowy i odwrotnie.
Wiązanie azotu atmosferycznego
Azot jest pierwiastkiem niezbędnym dla wszystkich organizmów m.in. do budowy białek.
Największe zasoby azotu znajdują się w powietrzu (około 78%), jednak jest on niedostępny dla roślin i zwierząt.
Nieliczne gatunki bakterii i sinic posiadają unikatową zdolność wiązania azotu atmosferycznego (dzięki czemu uniezależniły się od obecności azotu w podłożu!!!)
Do bakterii wiążących wolny azot należy:
Azotobacter - tlenowy saprofit
Clostridium – beztlenowy saprofit
Rhizobium – bakterie z tego rodzaju żyją w symbiozie z korzeniami roślin motylkowych (tzw. bakterie brodawkowe)
U sinic asymilacja azotu atmosferycznego odbywa się w wyspecjalizowanych komórkach
zwanych heterocystami
Rozmnażanie i procesy płciowe
Bakterie są organizmami haploidalnymi, które rozmnażają się przez:
podział
pączkowanie
fragmentację
Bakterie nie rozmnażają się płciowo, a wymiana materiału genetycznego zachodzi podczas procesów płciowych:
transformacji
koniugacji
transdukcji
Archebakterie – osobny konar drzewa życia
Archebakterie to grupa prokariontów wyodrębniona na podstawie cech różniących je od bakterii. Cechami tymi są:
brak mureiny w ścianie komórkowej
odmienny skład błony komórkowej
geny zawierają introny – wstawki niekodujące – podobne jak u eukariontów. Geny innych bakterii mają zapis ciągły.
• destruenci
• krążenie pierwiastków, np. azotu (bakterie brodawkowe, nitryfikacyjne i denitryfikacyjne)
• biologiczne oczyszczanie ścieków
• modyfikacja środowiska, np. zmiana kwasowości
• bakterie chorobotwórcze
• bakterie zasiedlające układy pokarmowe zwierząt – trawienie i produkcja witamin Rola bakterii w życiu człowieka
• choroby bakteryjne (np. angina, szkarlatyna, cholera, czerwonka, dur brzuszny, gruźlica, kiła)
• produkcja artykułów spożywczych – produkty mleczne, kiszonki
• produkcja biogazu (metanu)
• bakterie, zwykle zmodyfikowane genetycznie – produkcja leków (np. antybiotyków, witamin)