Вирусы, строение и свойства. Круговорот азота

    Все вирусные геномы являются гаплоидными, т.е. содержат одну копию каждого  гена. Исключение составляют ретровирусы, которые обладают диплоидным геномом. Геномы ДНК-вирусов позвоночных  представлены одной двуспиральной  молекулой за исключением парво- и цирковирусов.

    Геномы  полиома-, папиллома-, гепадна- и цирковирусов представлены кольцевой ДНК. ДНК  гепаднавирусов частично двуспиральная, частично односпиральная. ДНК вирусов  полиомы и папилломы является суперспиральной. Большинство линейных вирусных ДНК обладает способностью приобрести циркулярную конфигурацию, которая требуется для репликации по вращающемуся кольцевому механизму. Две цепи ДНК вируса оспы ковалентно связаны своими концами и при денатурации образуют большое одноцепочечное кольцо. У некоторых ДНК-вирусов (так же как у РНК-ретровирусов) имеются концевые повторяющиеся последовательности. Инвертированные концевые повторы обнаружены у адено- и парвовирусов. У адено-, гепадна- и парвовирусов, так же как у некоторых РНК-вирусов (пикорна- и калицивирусов), с 5'-концом генома ковалентно связан белок, играющий важную роль в его репликации.

    Все РНК-вирусы позвоночных за исключением  рео- и бирнавирусов имеют одноцепочечные геномы. Геном некоторых РНК-вирусов  состоит из нескольких (2-12) уникальных фрагментов, каждый из которых кодирует, как правило, один белок. РНК-вирусы с односпиральным геномом могут  иметь различную полярность. Если они имеют ту же полярность, что  и мРНК, то они могут прямо индуцировать синтез вирусного белка и считаются  положительно (+) полярными.

    Если  геномная нуклеотидная последовательность комплементарна мРНК, то они считаются  отрицательно (—) полярными. К ним  относятся: парамиксо-, рабдо-, фило-, ортомиксо-, арена- и буньявирусы. Все они  имеют вирионную РНК-зависимую  полимеразу (транскриптазу), которая  в инфицированной клетке транскрибирует положительно-полярную РНК на матрице  геномной вирусной РНК. У аренавирусов, по крайней мере, у одного рода буньявирусов, один из РНК-сегментов является двуполярным. Обычно у (+) полярных РНК-вирусов З'-конец имеет polyA-последовательность, а 5'-конец имеет кэп-структуру.

    Размер  геномов РНК-вирусов (одноцепочечных 1,7—21 т.н.; двуцепочечных — 18—27 т.п.н.) значительно меньше размера генома многих ДНК-вирусов. Поэтому РНК-вирусы, как правило, кодируют меньше белков, чем ДНК-вирусы. Масса генома различных  вирусов находится в пределах от 1 % (орто- и пара-миксовирусы) до 32% (парвовирусы) от массы вириона.

    Различные семейства вирусов позвоночных  значительно различаются по структуре  и функции генома. Основные типы вирусных геномов можно представить  следующим образом:  
1) двуцепочечной линейной молекулой ДНК с открытыми (герпесвирусы, аденовирусы, иридовирусы) или ковалентно связанными концами (вирусы оспы, асфаровирусы);  
2) одноцепочечной линейной молекулой ДНК (парвовирусы);  
3) одноцепочечной кольцевой молекулой ДНК (цирковирусы);  
4) двуцепочечной кольцевой молекулой ДНК (папилломавирусы, полиомавирусы);

5) частично двуцепочечной  кольцевой незамкнутой молекулой  ДНК (гепаднавирусы);  
6) одноцепочечной молекулой РНК, являющейся мРНК (положительно-геномные вирусы: пикорнавирусы, тогавирусы, флавивирусы, астровирусы, калицивирусы, коронавирусы, артеривирусы, нодавирусы);  
7) одноцепочечной единой (рабдовирусы, парамиксовирусы, филовирусы, бор-навирусы) или фрагментированнои (ортомиксовирусы) линейной молекулой РНК, комплементарной мРНК — отрицательно-геномные вирусы;  
8) одноцепочечной фрагментированнои кольцевой ковалентно несвязанной отрицательной или двуполярной РНК (буньявирусы, аренавирусы);  
9) двуцепочечной линейной фрагментированнои молекулой РНК (реовирусы, бирнавирусы);  
10) двумя идентичными линейными молекулами плюс-РНК, являющимися матрицами для синтеза ДНК (ретровирусы).

    Молекулярная  масса ДНК различных вирусов  позвоночных варьирует в широких  пределах: от 0,7—1,5 МД у цирковирусов и парвовирусов, до 150—200 МД у вирусов  оспы. Молекулярная масса генома у  РНК вирусов колеблется менее  значительно - от 2,0 до 20,0 МД. 

    Круговорот  азота. 

    Азот — одно из самых распространенных веществ в биосфере, узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Почти 80% воздуха состоит из этого элемента. Основная часть атмосферного азота находится в свободной форме, при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота — N₂. Из-за того, что связи между двумя атомами очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот — его сначала необходимо перевести в «связанное» состояние. В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, и таким образом мешая им вновь объединиться в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать атомы азота. Поэтому связывание азота — чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете.

    Круговорот  азота представляет собой ряд  замкнутых взаимосвязанных путей, по которым азот циркулирует в  земной биосфере. Рассмотрим сначала  процесс разложения органических веществ  в почве. Различные микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся  материалов и переводят его в  молекулы, необходимые им для обмена веществ. При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (NH₃) или ионов аммония (NH₄⁺). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (NO₃^–). Поступая в растения, а затем попадая в организмы живых существ, этот азот участвует в образовании биологических молекул. После гибели организма азот возвращается в почву, и цикл начинается снова. Во время этого цикла возможны как потери азота — когда он включается в состав отложений или высвобождается в процессе жизнедеятельности некоторых бактерий (так называемых денитрифицирующих бактерий), — так и компенсация этих потерь за счет извержения вулканов и других видов геологической активности.

    Можно представить, что биосфера состоит из двух сообщающихся резервуаров с азотом — огромного (в нем находится азот, содержащийся в атмосфере и океанах) и совсем маленького (в нем находится азот, содержащийся в живых существах). Между этими резервуарами есть узкий проход, в котором азот тем или иным способом связывается. В нормальных условиях азот из окружающей среды попадает через этот проход в биологические системы и возвращается в окружающую среду после гибели биологических систем.

    В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4·10¹⁵) тонн, а в океанах — около 20 триллионов (20·10¹²) тонн. Незначительная часть этого количества — около 100 миллионов тонн — ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллионов тонн связанного азота только 4 миллиона тонн содержится в тканях растений и животных — все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу.

    Главный поставщик связанного азота в  природе — бактерии: благодаря им связывается приблизительно от 90 до 140 миллионов тонн азота. Самые известные бактерии, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. На их использовании основан традиционный метод повышения плодородия почвы: на поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые этот азот уже могут использовать для своего роста.

    Некоторое количество азота переводится в  связанное состояние во время  грозы. В среднем вспышки молний происходят гораздо чаще, чем мы думаем, — порядка ста молний каждую секунду. Электрический разряд нагревает атмосферу вокруг себя, азот соединяется с кислородом (происходит реакция горения) с образованием различных оксидов азота. И хотя это довольно зрелищная форма связывания, она охватывает только 10 миллионов тонн азота в год.

    Таким образом, в результате естественных природных процессов связывается  от 100 до 150 миллионов тонн азота год. В ходе человеческой деятельности тоже происходит связывание азота и перенос его в биосферу (например, все то же засевание полей бобовыми культурами приводит ежегодно к образованию 40 миллионов тонн связанного азота). Более того, при сгорании ископаемого топлива в электрогенераторах и в двигателях внутреннего сгорания происходит разогрев воздуха, как и в случае с разрядом молнии. Всякий раз, когда совершается поездка на автомобиле, в биосферу поступает дополнительное количество связанного азота. Примерно 20 миллионов тонн азота в год связывается при сжигании природного топлива.

    Но  больше всего связанного азота человек  производит в виде минеральных удобрений. Как это часто бывает с достижениями технического прогресса, технологией  связывания азота в промышленных масштабах мы обязаны военным. В  Германии перед Первой мировой войной был разработан способ получения  аммиака (одна из форм связанного азота) для нужд военной промышленности. Недостаток азота часто сдерживает рост растений, и фермеры для повышения  урожайности покупают искусственно связанный азот в виде минеральных  удобрений. Сейчас для сельского  хозяйства каждый год производится чуть больше 80 миллионов тонн связанного азота (заметим, что он употребляется не только для выращивания пищевых культур — пригородные лужайки и сады удобряют им же).

    Суммировав  весь вклад человека в круговорот азота, получаем цифру порядка 140 миллионов тонн в год. Примерно столько же азота связывается в природе естественным образом. Таким образом, за сравнительно короткий период времени человек стал оказывать существенное влияние на круговорот азота в природе. Каковы будут последствия? Каждая экосистема способна усвоить определенное количество азота, и в последствия этого в целом благоприятны — растения станут расти быстрее. Однако при насыщении экосистемы азот начнет вымываться в реки. Антропогенная эвтрофикация рек, озер — одна из экологических проблем, связанная с азотом. Она может приводить к бурному развитию водорослей («цветению» вод), дефициту кислорода, замору рыб и животных. Этот процесс можно объяснить малым проникновением солнечных лучей вглубь водоёма (за счёт фитопланктона на поверхности водоёма) и, как следствие, отсутствием фотосинтеза у надонных растений, а значит и кислорода.

    В круговороте азота можно выделить следующие основные биохимические  процессы: 1) гниение, или аммонификация; 2) нитрификация; 3) денитрификация и 4) фиксация атмосферного азота.

    1. Аммонификация

    1.1. Гниение, или аммонификация, - это превращение органического азота в минеральный азот, разложение сложного белка до аммиака. Поэтому этот процесс и называется аммонификацией. Он проходит в несколько этапов в результате жизнедеятельности различных групп микроорганизмов, главным образом бактерий, а также актиномицетов и плесневых грибов.

    Белок и другие азотистые органические вещества всегда содержатся в больших  количествах в остатках растений, животных и микробов. Микробы производят гидролитическое расщепление этих веществ при помощи ферментов  протеаз. Гидролиз белка может идти с образованием растворимых продуктов  по схеме: белок → пептон → полипептиды  → аминокислоты. Образовавшиеся аминокислоты способны проникать внутрь микробной  клетки, где они подвергаются дальнейшим превращениям - дезаминированию, при  котором образуются аммиак, различные  органические кислоты и другие более  простые продукты.

    Если  процесс идет в аэробных условиях, то разложение идет до конечных продуктов, причем используется весь запас энергии  белка. В анаэробных условиях расщепление  белков идет менее глубоко. Если в  составе белков имеется сера, то она освобождается в виде сероводорода или меркаптанов, имеющих неприятный запах. Из аминокислот ароматического ряда образуются фенол и дурно  пахнущие индол и скатол.

    Образовавшийся  таким образом аммиак, во-первых, частично идет на синтез азотистых  веществ тела самих микробов. Во-вторых, большая часть накапливается  в почве, причем интенсивность накопления его в почве зависит от определенного  более узкого соотношения углерода и азота (меньше чем 25:1), так как  азот идет только на синтез белка, а  углерод, кроме синтеза, еще расходуется  в процессе дыхания.

    Микроорганизмы, участвующие в разложении белка, широко распространены в природе, во всех почвах и водоемах. Обычно здесь  наблюдается определенная последовательность разложения белка. Сначала аммонификаторы разлагают белок с образованием аммиака, а затем нитрификаторы  окисляют аммиак до азотной кислоты.

    Из  аэробных бактерий сюда относятся: спороносные - Вас. mycoides, Вас. mesentericus (картофельная палочка), Вас. subtilis (сенная палочка) и др.; неспороносные - Bact. prodigiosum (чудесная палочка), имеющая красный пигмент, Bact. fluorescens, выделяющая зеленоватый пигмент, и др. Из факультативных анаэробных - протейная палочка, одна из вызывающих наиболее глубокий распад белков (NH₃, СН₄, СО₂, Н₂О и др.), кишечная палочка, в обилии живущая в кишечнике и фекалиях человека и животных. К анаэробным бактериям относятся Вас. sporogenes, Вас. putrificus, также часто встречающиеся в кишечнике и фекалиях. Проникая после смерти человека и животных через стенку кишечника в полости тела, они вызывают быстрое зловонное разложение трупов.