Wirusy, klasyfikacja organizmów, bakterie, archeowce - Biologia na czasie 2 (ZR)

1.Wirusy

Mikroskopijne czynniki zakaźne zbudowane z białka i kwasu nukleinowego. Nie są organizmami: nie mają budowy komórkowej i nie przejawiają samodzielnego metabolizmu (nie oddychają, nie odżywiają się, nie wydalają). Namnażają się wyłącznie wewnątrz komórki gospodarza, dlatego nazywa się je molekularnymi pasożytami.

2.Wirion

Kompletna cząstka wirusa występująca w środowisku pozakomórkowym i zdolna do atakowania komórek. Składa się z materiału genetycznego (genomu: DNA lub RNA, jedno- albo dwuniciowego), białkowego płaszcza - kapsydu - oraz, u części wirusów, lipoproteinowej osłonki zewnętrznej. Niektóre wiriony zawierają też dodatkowe białka lub enzymy wirusowe.

3.Kapsyd i osłonka zewnętrzna wirusa

Kapsyd to białkowy płaszcz z kapsomerów: chroni genom poza komórką i umożliwia rozpoznanie komórek gospodarza. Osłonka lipoproteinowa (tylko u części wirusów) ma część lipidową z fragmentu błony komórkowej gospodarza, co ułatwia wnikanie, oraz glikoproteiny wirusowe, które pełnią funkcję receptorów i łączą kapsyd z osłonką.

4.Formy morfologiczne wirusów

Helikalna (spiralna) - głównie wirusy roślinne, np. wirus mozaiki tytoniu. Bryłowa (zwykle 20-ścienna) - głównie wirusy zwierzęce, np. wirus zapalenia wątroby typu A. Bryłowo-spiralna - bakteriofagi (wielościenna główka i helikalny ogonek z białkowymi włóknami). Kulista - wirusy z osłonką lipoproteinową, np. SARS-CoV-2 (jego kapsyd jest helikalny).

5.Etapy infekcji wirusowej

1. Adsorpcja - przyłączenie wirusa do receptorów błony komórkowej. 2. Wniknięcie wirusa lub samego genomu (bakteriofagi wstrzykują tylko genom). 3. Synteza kopii genomu (u wirusów DNA z udziałem polimerazy DNA gospodarza, u wirusów RNA często enzymów wirusowych). 4. Ekspresja genów wirusa - synteza białek wirusowych. 5. Składanie wirusów potomnych. 6. Uwolnienie przez wypączkowanie lub lizę komórki.

6.Cykl lityczny

Cykl infekcyjny bakteriofagów złośliwych, np. faga T4: fag wstrzykuje DNA do bakterii, geny wirusa przejmują kontrolę nad metabolizmem komórki, powstają genomy i białka kapsydu fagów potomnych, a ich uwolnienie powoduje lizę (rozpad) komórki.

7.Cykl lizogeniczny

Cykl bakteriofagów łagodnych, np. faga λ: genom faga integruje się z genomem bakterii i staje się profagiem, który jest powielany i przekazywany komórkom potomnym bez wyniszczania gospodarza (stan lizogenii). Pod wpływem niekorzystnych czynników profag może ulec indukcji i wejść w cykl lityczny. Wbudowany genom wirusa komórki eukariotycznej to prowirus.

8.Retrowirusy i odwrotna transkrypcja

Retrowirusy to wirusy RNA, których genom koduje odwrotną transkryptazę - enzym katalizujący syntezę DNA na matrycy RNA. Odwrotna transkrypcja, czyli przepisanie informacji genetycznej z RNA na DNA, umożliwia wbudowanie genomu wirusa do DNA gospodarza. Przykład: HIV, który wywołuje AIDS.

9.Cykl infekcyjny wirusa HIV

Glikoproteiny wirusa wiążą receptory komórki odpornościowej, osłonka zlewa się z błoną, a kapsyd wnika do cytoplazmy i się rozpada. Odwrotna transkryptaza tworzy DNA, które w jądrze integruje się z DNA gospodarza (prowirus, stan utajenia). Po indukcji zachodzą transkrypcja i translacja, a wirusy potomne wypączkowują w osłonce z błony gospodarza - komórka nie ulega lizie.

10.Znaczenie wirusów

Negatywne: wywołują choroby ludzi, powodują straty w rolnictwie (choroby roślin uprawnych i zwierząt hodowlanych), mogą wywołać epidemię (masowe zachorowania w określonym czasie i na określonym obszarze) lub pandemię (epidemię o zasięgu światowym, np. COVID-19). Pozytywne: regulują liczebność populacji, służą do produkcji szczepionek i surowic, eksperymentalnie zwalcza się nimi bakterie oporne na antybiotyki.

11.Profilaktyka i leczenie chorób wirusowych

Profilaktyka: wczesne rozpoznanie choroby i unieszkodliwienie źródła zakażenia, ochrona osób zdrowych mających kontakt z chorymi, szczepienia ochronne (organizm sam wytwarza przeciwciała i nabywa odporność) oraz surowice odpornościowe z gotowymi przeciwciałami (np. przy podejrzeniu zakażenia wścieklizną). Leczenie większości chorób polega na łagodzeniu objawów; w niektórych, np. AIDS, stosuje się leki przeciwwirusowe skierowane przeciw enzymom wirusa.

12.Drogi zakażenia wybranymi wirusami

Droga kropelkowa: grypa, odra, różyczka. Droga płciowa i kontakt z krwią: AIDS (HIV), wirusowe zapalenie wątroby typu B i C; HPV także przez kontakt ze skórą. Droga pokarmowa: WZW typu A. Pogryzienie przez zakażone zwierzę: wścieklizna. HIV i wirus różyczki mogą zakazić dziecko w czasie ciąży, HIV także podczas porodu.

13.Systematyka i system taksonomiczny

Systematyka to dział biologii zajmujący się klasyfikacją organizmów, czyli łączeniem ich w taksony (jednostki taksonomiczne). Efektem jest system taksonomiczny: sztuczny - oparty na podobieństwie budowy (np. system Linneusza z XVIII w.) - albo naturalny (filogenetyczny), oparty na pokrewieństwie, który odzwierciedla przebieg ewolucji i pozwala odtworzyć filogenezę, czyli ewolucyjną historię grupy.

14.Gatunek

Podstawowa jednostka klasyfikacji organizmów: grupa podobnych do siebie organizmów zdolnych do krzyżowania się i wydawania płodnego potomstwa.

15.Rangi taksonomiczne

U zwierząt od najwyższej: domena, królestwo, typ, gromada, rząd, rodzina, rodzaj, gatunek. U roślin po królestwie są gromada i klasa (zamiast typu i gromady). Klasyfikacja jest hierarchiczna: każdy takson jest zbiorem taksonów niższej rangi, np. rząd - zbiorem rodzin, a rodzina - zbiorem rodzajów.

16.Nazewnictwo binominalne

Dwuimienne nazewnictwo łacińskich nazw gatunków: nazwa składa się z nazwy rodzajowej (przynależność do rodzaju) i epitetu gatunkowego (odróżnia gatunki tego samego rodzaju), np. Bellis perennis. O przynależności dwóch gatunków do jednego rodzaju świadczy ta sama łacińska nazwa rodzajowa, a nie podobna nazwa polska.

17.Homologia i analogia

Homologia - podobieństwo budowy wynikające ze wspólnego pochodzenia; narządy homologiczne mają ten sam plan budowy, umiejscowienie i przebieg rozwoju, choć mogą różnie wyglądać (np. kończyny przednie foki i nietoperza). Analogia - podobieństwo niewynikające z pokrewieństwa, lecz z podobnej funkcji lub środowiska (np. skrzydła owadów i ptaków). O pokrewieństwie świadczą narządy homologiczne.

18.Drzewo rodowe i kladogram

Drzewo rodowe (filogenetyczne) przedstawia pokrewieństwo ewolucyjne: gałęzie to linie rozwojowe (filetyczne), a miejsca rozgałęzień - wspólni przodkowie; ma formę ukośną lub prostokątną. Kladogram pokazuje pokrewieństwo bez uwzględnienia czasu ewolucji. Organizmy są tym bliżej spokrewnione, im później rozdzieliły się ich linie rozwojowe.

19.Takson monofiletyczny, parafiletyczny i polifiletyczny

Monofiletyczny (klad) - grupa naturalna: wspólny przodek i wszyscy jego potomkowie, np. ssaki. Parafiletyczny - grupa sztuczna od jednego przodka, ale bez wszystkich jego potomków, np. gady (bez ptaków). Polifiletyczny - grupa sztuczna z organizmów pochodzących od różnych przodków, bardzo daleko spokrewnionych, np. zwierzęta stałocieplne (ptaki i ssaki).

20.Współczesny system klasyfikacji - domeny

System zaproponowany w 1990 r. Najwyższą kategorią jest domena: bakterie, archeowce i eukarionty (organizmy jądrowe). Domena eukariontów obejmuje cztery królestwa: protisty, rośliny, grzyby i zwierzęta. Systemy taksonomiczne zmieniają się wraz z rozwojem nauki i technik klasyfikacji oraz odkrywaniem nowych gatunków.

21.Organizmy prokariotyczne

Jednokomórkowe mikroorganizmy bez jądra komórkowego, których materiał genetyczny leży bezpośrednio w cytozolu; należą do dwóch domen: bakterii i archeowców. Są organizmami kosmopolitycznymi - występują na całej Ziemi, głównie w glebie i wodach, a także na powierzchni i wewnątrz ciała innych organizmów jako symbionty lub pasożyty.

22.Materiał genetyczny i rybosomy bakterii

Chromosom bakteryjny to koliście zamknięta cząsteczka DNA z genami niezbędnymi do funkcjonowania komórki; obszar cytozolu, w którym się znajduje, to nukleoid. Plazmidy to małe koliste cząsteczki DNA z genami przydatnymi, ale niekoniecznymi do przeżycia. Rybosomy bakterii mają współczynnik sedymentacji 70 S i uczestniczą w syntezie białek.

23.Osłony i wypustki komórki bakterii

Błona komórkowa - transport substancji; w jej wpukleniach zachodzi oddychanie tlenowe. Ściana komórkowa - nadaje kształt i chroni przed pęknięciem w środowisku hipotonicznym. Otoczka śluzowa - ochrona i przyczepianie się do podłoża. Rzęski - ruch. Fimbrie - krótkie białkowe włókna do przyczepiania się; pilusy - dłuższe, uczestniczą w koniugacji. Tylakoidy (chromatofory) - fotosynteza, tylko u bakterii fotosyntetyzujących.

24.Bakterie Gram-dodatnie i Gram-ujemne

Ściana komórkowa bakterii jest zbudowana m.in. z peptydoglikanu - mureiny. Gram-dodatnie: gruba ściana z kilku warstw mureiny oraz kwasów tejchojowych, bez błony zewnętrznej. Gram-ujemne: cienka ściana z jednej warstwy mureiny, bez kwasów tejchojowych, okryta dodatkową błoną zewnętrzną.

25.Barwienie Grama

Metoda odróżniania bakterii Gram-dodatnich od Gram-ujemnych. Wysuszony i utrwalony nad płomieniem preparat barwi się fioletem krystalicznym, zalewa płynem Lugola, odbarwia alkoholem lub acetonem i barwi safraniną. Gram-dodatnie (gruba mureina trwale wiąże fiolet) pozostają fioletowe, a Gram-ujemne barwią się na czerwono (różowo).

26.Formy morfologiczne bakterii

Kuliste (ziarniaki) tworzą skupienia: dwoinki (pary), paciorkowce (łańcuszki), gronkowce (grona). Cylindryczne, występujące pojedynczo lub w prostych niciach: pałeczki i laseczki. Spiralne: przecinkowce i krętki. Nieregularne: promieniowce i maczugowce.

27.Sposoby odżywiania się bakterii

Autotrofy wytwarzają związki organiczne z prostych związków nieorganicznych - przez fotosyntezę (fotoautotrofy) lub chemosyntezę (chemoautotrofy). Heterotrofy wydzielają do środowiska enzymy hydrolityczne i wchłaniają produkty trawienia; są wśród nich pasożyty (kosztem żywiciela), symbionty (przynoszą korzyść gospodarzowi) i saprobionty (żywią się martwą materią organiczną).

28.Fotoautotrofy i chemoautotrofy

Fotoautotrofy korzystają z energii świetlnej: sinice prowadzą fotosyntezę oksygeniczną (wydziela się tlen; barwniki m.in. chlorofil a, fikocyjanina, fikoerytryna), a bakterie zielone - anoksygeniczną (źródłem elektronów jest $\ce{H2S}$, powstaje siarka, bez tlenu). Chemoautotrofy czerpią energię z utleniania związków nieorganicznych: bakterie siarkowe utleniają $\ce{H2S}$, a nitryfikacyjne - amoniak do azotanu(III) i azotan(III) do azotanu(V), np. Nitrobacter: $\ce{2HNO2 + O2 -> 2HNO3}$.

29.Asymilacja azotu cząsteczkowego

Przekształcanie azotu cząsteczkowego z powietrza ($\ce{N2}$) w amoniak ($\ce{NH3}$). Potrafią to tylko prokarionty, m.in. wolno żyjące sinice (np. Nostoc), bakterie glebowe (Azotobacter, Clostridium) i symbiotyczne Rhizobium. Reakcję katalizuje nitrogenaza, działająca tylko w warunkach beztlenowych, dlatego sinice wiążą azot w heterocytach, a w brodawkach korzeniowych tlen wiąże leghemoglobina.

30.Przemiany azotu z udziałem bakterii

Bakterie asymilujące azot przekształcają $\ce{N2}$ w amoniak, a bakterie nitryfikacyjne utleniają go w chemosyntezie do azotanów(V) ($\ce{NO3-}$). Rośliny pobierają z gleby jony amonowe ($\ce{NH4+}$) i azotany(V) - główne dla nich źródło azotu - i wbudowują je w związki organiczne, z których korzystają heterotrofy.

31.Oddychanie bakterii

U bakterii tlenowych glikoliza, reakcja pomostowa i cykl Krebsa zachodzą w cytozolu, a łańcuch oddechowy - w błonie komórkowej. Bakterie beztlenowe prowadzą oddychanie beztlenowe (akceptorem elektronów jest związek inny niż tlen, np. azotany(V) redukowane do $\ce{N2}$ przez bakterie denitryfikacyjne) albo fermentację w cytozolu: alkoholową (Sarcina) lub mleczanową (Lactobacillus).

32.Rozmnażanie się bakterii

Zachodzi wyłącznie bezpłciowo: przez podział komórki, pączkowanie lub fragmentację nitek kolonii. Przed podziałem następuje replikacja chromosomu, więc każda komórka potomna dostaje pełną informację genetyczną. W optymalnych warunkach podział zachodzi co 20-30 minut; spowalniają go toksyczne produkty przemiany materii i wyczerpanie pokarmu.

33.Formy przetrwalnikowe bakterii

Powstają w niesprzyjających warunkach, gdy bakteria spowalnia metabolizm i przechodzi w stan anabiozy (życia utajonego). Cysta - cała komórka odwadnia się i otacza grubą ścianą. Endospora - komórka dzieli się na dwie nierówne części: mniejsza otacza się grubą ścianą, a pozostała degeneruje. Przetrwalniki pozwalają przeżyć wiele lat w skrajnych warunkach.

34.Procesy płciowe (paraseksualne) bakterii

Rekombinacja materiału genetycznego bez zwiększenia liczby komórek - nie służą rozmnażaniu, ale zwiększają różnorodność genetyczną. Koniugacja - przekazanie DNA (zwykle plazmidu) między komórkami połączonymi pilusem. Transformacja - pobranie wolnego DNA z podłoża (tylko nieliczne bakterie, np. Streptococcus, Bacillus). Transdukcja - przeniesienie fragmentów DNA za pośrednictwem bakteriofagów.

35.Przebieg koniugacji

Komórka dawcy łączy się z komórką biorcy za pomocą pilusa, podwójna helisa DNA plazmidu się rozplata i jedna nić przechodzi do biorcy. W obu komórkach zachodzi synteza brakującej nici, po czym komórki się rozłączają. Każda ma plazmid: dawca nie traci swoich właściwości, a biorca zyskuje nowe.

36.Archeowce

Jednokomórkowe prokarionty klasyfikowane w randze domeny; nie mają jądra komórkowego ani organelli otoczonych błonami. Wiele z nich to ekstremofile żyjące w gorących źródłach (np. Sulfolobus, ponad 80°C), morzach antarktycznych i środowiskach silnie zasolonych, gdzie uczestniczą w obiegu pierwiastków. Metanogeny jako jedyne znane organizmy uzyskują energię z utleniania wodoru za pomocą $\ce{CO2}$, uwalniając metan.

37.Bakterie a archeowce - różnice

Geny: u bakterii bez odcinków niekodujących, u archeowców często z odcinkami niekodującymi. Lipidy błonowe: u bakterii kwasy tłuszczowe proste, u archeowców rozgałęzione. Ściana komórkowa: u bakterii głównie z mureiny (u Gram-ujemnych z błoną zewnętrzną), u archeowców z polimerów, m.in. pseudomureiny, zwykle okryta warstwą białek.

38.Znaczenie prokariontów

W przyrodzie: jako destruenty rozkładają martwą materię (obieg pierwiastków, procesy glebotwórcze), wiążą azot atmosferyczny, są pokarmem innych organizmów, rozkładają celulozę u przeżuwaczy, wytwarzają witaminy (K i z grupy B) w jelicie człowieka. Dla człowieka: kompost, osad czynny w oczyszczalniach, jogurty, kefiry i sery, antybiotyki, szczepionki, białka ludzkie (np. insulina), enzymy do inżynierii genetycznej. Pasożyty wywołują choroby.

39.Wybrane choroby bakteryjne człowieka

Gruźlica - prątek gruźlicy, droga kropelkowa i pyłowa. Tężec - laseczka tężca, rany zabrudzone ziemią. Borelioza - Borrelia burgdorferi, ugryzienie przez zakażonego kleszcza. Salmonelloza - pałeczki Salmonella, droga pokarmowa. Kiła (krętek blady) i rzeżączka (dwoinka rzeżączki) - droga płciowa. Przed gruźlicą i tężcem chronią szczepienia ochronne.

40.Antybiotyki

Związki chemiczne stosowane w leczeniu chorób bakteryjnych. Działają bakteriobójczo (powodują śmierć bakterii) lub bakteriostatycznie (hamują ich wzrost i rozmnażanie), np. hamując syntezę białek bakteryjnych, replikację DNA czy wytwarzanie mureiny. Antybiogram pozwala ustalić, na które antybiotyki bakteria jest wrażliwa, a na które oporna. Kurację prowadzi się w dawkach i porach zaleconych przez lekarza, do końca.