Что представляют собой вирусы. Биология в лицее

Вирусы открыты русским ботаником Д.И. Ивановским (1864 – 1920 гг.) в 1892 году при исследовании мозаичной болезни листьев табака. Термин «вирус» был впервые предложен в 1898 г. голландским ученым М. Бейеринком (1851 – 1931 гг.).

В настоящее время известно около 3000 различных видов вирусов.

Размеры вирусов колеблются от 15 до 350 нм (длина некоторых нитевидных достигает 3 000 нм; 1 нм = 1·10 –9 м), т.е. большинство из них не видны в световой микроскоп (субмикроскопические) и их изучение стало возможным только после изобрете­ния электронного микроскопа.

В отличие от всех остальных организмов вирусы не имеют клеточного строения!

Зрелая вирусная частица (т.е. внеклеточная, покоящаяся – вирион ) устроена очень просто: она состоит из одной или нескольких молекул нуклеиновых кислот, составляющих сердцевину вируса, и белковой оболочки (капсид) – это так называемые простые вирусы .

Сложные вирусы (например, гер­­песа или гриппа ) кроме, белков кап­сида и нуклеиновой кислоты содержат до­полнительную липо­проте­идную мем­бра­ну (оболочку, суперкапсид образуемый из плазматической мембраны клетки хозяина), раз­­­личные углеводы и фер­менты (рис.3.1).

Ферменты способствуют проникно­ве­нию вирусной НК в клетку и выходу обра­зо­вавшихся вирионов в среду (нейраминидаза миксовирусов, АТФ-аза и лизоцим некоторых фагов и др.), а также участвуют в процессах транскрипции и репликации вирусной НК (различные транскриптазы и репликазы ).

Белковая оболочка защищает нуклеиновую кислоту от различных физических и химических воздействий, а также препятствует проникновению к ней клеточных ферментов, предотвращая тем самым ее расщепление (защитная функция). Также, в составе капсида имеется рецептор, комплементарный рецептору заражаемой клетки – вирусы поражают строго определенный круг хозяев (определительная функция).

Вирионы многих вирусов растений и ряда фагов имеют спиральный капсид, в котором белковые субъединицы (капсомеры) уло­жены по спирали вокруг оси. Например, ВТМ (вирус табачной мозаики ) имеет форму палочек диаметром 15 – 17 нм и длиной до 300 нм (рис. 3.2.). Внутри его капсида имеется полый канал диаметром 4 нм. Гене­ти­ческим материалом ВТМ явл

яется одноцепочечная РНК, плотно уло­жен­ная в желобке спирального капсида. Длявирионов со спиральным капси­дом характерно высокое содержание белка (90 – 98%) по отношению к

Рис. 3.2. Строение вируса табачной мозаики.

нуклеиновой кислоте.

Капсиды вирионов многих вирусов (например, аденовирус , вирус герпеса , вирус желтой мозаики турнепса – ВЖМТ) имеют форму симметричного мно­гогранника, чаще всего икосаэдра (многогранник с 12 вершинами, 20 треугольными гранями и 30 ребрами). Такие капсиды называют изометрическими (рис. 3.3.). В таких вирионах содержание белка составляет около 50% по отношению к НК.

В вирусе присутствует всегда один тип нуклеиновой кислоты (либо ДНК, либо РНК), поэтому все вирусы делят на ДНК-содержащие и РНК-содержащие. Молекулы нуклеиновой кислоты в вирионе могут быть линейными (РНК, ДНК) или иметь форму кольца (ДНК). Причем эти нуклеиновые кислоты могут состоять из одной цепочки или из двух. Вирусная НК имеет от 3 до 200 генов.

Нуклеиновая кислота вируса совмещает в себе функции обеих кислот (ДНК и РНК) – это хранение и передача наследственной информации, а также управление синтезом белков.

В отличие от вирусов все клеточные организмы содержат оба типа нуклеиновых кислот.

Более сложное строение име­ют вирусы бактерий – бак­те­рио­фаги (рис. 3.4.). Они со­стоят из головки и хвоста (стер­жня и чех­ла, базальной плас­тинки и нитей отростка). Длин­ная молекула НК (РНК или ДНК) сложена в виде спирали внутри головки бактерио­фага (бел­ковой оболочки).

К вирусам относятся также и вироиды – ин­фек­ционные агенты, представляющие собой низко­мо­ле­ку­лярные (короткие) одноцепо­чечные кольцевые РНК, не ко­дирующие собственные белки (ли­шены кап­сида). Являются возбу­дителями ряда заболеваний.

К

ак уже было сказано выше, вне живой клеткивирусы раз­­мно­жаться не могут. Вирус по­падает в клетку, либо впрыскивая в нее свою нуклеиновую кислоту остав­ляя при этом белковую оболочку снаружи клетки (как это делают бактериофаги ), либо при фагоци­тозе (пиноцитозе) вместе с белковой оболочкой (вирусы жи­­вотных), либо через нарушен­ную клеточную оболочку (вирусы растений).

В

Рис. 3.4. Строение бактериофага.

Нити отростка

ирусы растений распространя­ются, как правило, с помощью насекомых и нематод (круглые черви). Сосущие насекомые (например, цикады) переносят вирусы вместе с соком, который они высасывают из клеток флоэмы или эпидермиса. Также вирусы могут передаваться потомству через семена и споры.

Ученые считают, что вирусы возникли около 3 млрд. лет назад из нуклеино­вых кислот организмов (прокариотов) в результате выделения из генома свободных фрагментов, которые приобрели способность синтезировать белковую обо­лочку и делится (удваиваться, реплицироваться) внутри клеток. Высказывается мнение, что новые типы вирусов и сейчас образуются из генома бактерий и эукариот (ядра, пластид, митохондрий).

В природе вирусы имеют большое значение, так как они распространены повсеместно и поражают все группы живых организмов, часто вызывая различные заболе­вания.

Известно более 1000 заболеваний растений , вызванных вирусами (РНК-со­дер­жащие). Наиболее распространены различные некрозы (участки мертвой ткани), мозаики (пятна, крапинки, полосы на органах растений), при которых повреждаются ткани паренхимы, уменьшается количество хлоропластов, разрушается флоэма и т.д.; наблюдается морщинистость или карликовость листьев. Вирусы вызывают задержку роста растений, что приводит к снижению урожаев.

ВЖМТ – вирус желтой мозаики турнепса , ВТМ – вирус табачной мозаики , ВККТ –вирус карликовой кустистости томатов.

Появление полосок на цветках некоторых сортов тюльпанов (пестрые) также обусловлено вирусом, а ведь цветоводы продают эти тюльпаны, выдавая их за особый сорт.

У животных вирусы (ДНК- и РНК-содержащие) вызывают такие заболевания, как: ящур (у крупного рогатого скота), бешенство (у собак, лисиц, волков), миксоматоз (у крыс), саркома, лейкоз и чума (у кур) и т.д. Очень часто за­ражаются этими болезнями и люди (при контактах с зараженными животными).

У человека вирусы вызывают такие заболевания, как: оспа (вирус натуральной оспы), свинка (парамиксовирус), грипп (миксовирус), респираторные заболевания (ОРЗ; риновирусы РНК-), инфекционный гепатит , полиомиелит (детский паралич; пикорнавирус), бешенство , герпес , СПИД (вирус иммунодефицита человека – ВИЧ).

Грипп – единственное инфекционное заболевание, которое проявляется в виде периодических глобальных эпидемий, опасных для жизни человека. Инфекционные свойства вируса гриппа (поражает слизистые оболочки дыхательных путей), как и других вирусов, зависят от специфических белков вирусной оболочки, которые постоянно изменяются в результате рекомбинаций или мутаций. Поэтому новые штаммы вируса гриппа вызывают новые эпидемии, так как у человека не выработался пока к ним иммунитет.

Так, зимой 1968/69 г. в США было зарегистрировано 50 млн. случаев гонконгского гриппа, при этом 70 000 человек погибло. Эпидемия 1918/19 г. охватила весь земной шар, проходила в виде трех волн и унесла 20 млн. человеческих жизней.

Вирусные заболевания с трудом поддаются лечению, поскольку вирусы не чувствительны к антибиотикам. К счастью, во многих случаях иммунная система ограничивает дальнейшее распространение инфекции.

Многочисленные вирусные заболевания человека и животных возможно предупредить путем иммунизации – проведения профилактических прививок, которые позволяют вырабатывать иммунитет против вирусов.

Человеком вирусы широко используются в микробиологических исследова­ниях (биотехнология, генная инженерия). Возможно использование вирусов для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур.

В США с хлопковой совкой эффективно борются с помощью вируса. Данный метод борь­бы практически безвреден – вирус, как правило, видоспецифичен (т.е. поражает только опреде­ленный вид организма).

Также установлено, что, например, вирус некротической мозаики риса подавляет рост ри­са. А вот другие растения, например, джут (источник грубых волокон для мешков и канатов), лучше растут, когда поражены этим вирусом, чем в здоровом состоянии. Этот феномен ученые пока объяснить не могут.

Бактериофаги поражают бактерии (проникают внутрь и активно их разрушают), в том числе и болезнетворные. Поэтому возможно их использование для предупреждения и лечения многих инфекционных заболеваний, для борьбы с болезнетворными бактериями: чумой, брюшным тифом, холе­рой и др.

Наряду с одно- и многоклеточными организмами, в природе существуют и другие формы жизни. Это вирусы, не имеющие клеточного строения. Они представляют собой переходную форму между неживой и живой материей. Размер их от 20 до 300 нм.

Вирусы (от лат «virus» - яд) были открыты в 1892 г. русским ученым Д. И. Ивановским при исследовании мозаичной болезни листьев табака.

Вирусы отличает простота организации. Каждая вирусная частица состоит из РНК или ДНК, заключенной в белковую оболочку, которую называют капсидом .

В составе вирусов присутствует всегда один тип нуклеиновой кислоты - ДНК или РНК, поэтому их делят на ДНК-содержащие и РНК-содержащие. При этом наряду с двухцепочными ДНК и одноцепочными РНК встречаются одноцепочные ДНК и двухцепочные РНК. ДНК может иметь линейную и кольцевую структуру, а РНК, как правило, линейную. Подавляющее большинство вирусов относится к РНК-типу.

Вирусы способны жить и размножаться только в клетках других организмов. Вне клеток организмов они не проявляют никаких признаков жизни. В связи с этим вирусы представляют собой либо внеклеточную покоящуюся форму (вирион), либо внутриклеточную реплицирующуюся. В пораженной клетке по программе нуклеиновой кислоты вируса на рибосомах хозяина синтезируются специфические вирусные белки, и осуществляется процесс самосборки этих белков с нуклеиновой кислотой в новые вирусные частицы. Клетка при этом истощается и погибает. При поражении некоторыми вирусами клетки не разрушаются, а начинают усиленно делиться, часто образуя у животных, в том числе и у человека, злокачественные опухоли.

Хорошо изучен вирус табачной мозаики, имеющий палочковидную форму и представляющий собой полый цилиндр. Стенка цилиндра образована молекулами белка, а в полости расположена спираль РНК. Белковая оболочка защищает нуклеиновую кислоту от неблагоприятных условий внешней среды, а также препятствует проникновению ферментов клеток к РНК и ее расщеплению.

Особую группу представляют вирусы бактерий - бактериофаги , или фаги , которые способны проникать в бактериальную клетку и разрушать ее.

Тело фага кишечной палочки состоит из головки, от которой отходит полый стержень, окруженный чехлом из сократительного белка. Стержень заканчивается базальной пластинкой, на которой закреплены 6 нитей. Внутри головки находится ДНК. Бактериофаг при помощи отростков прикрепляется к поверхности кишечной палочки и в месте соприкосновения с ней растворяет с помощью фермента клеточную стенку. После этого за счет сокращения головки молекула ДНК фага впрыскивается через канал стержня в клетку. Примерно через 10-15 мин. под действием этой ДНК перестраивается весь метаболизм бактериальной клетки, и она начинает синтезировать ДНК бактериофага, а не собственную ДНК. При этом синтезируется и фаговый белок. Завершается этот процесс появлением 200-1000 новых фаговых частиц, в результате чего клетка бактерии погибает.

Бактериофаги, образующие в зараженных клетках новое поколение фаговых частиц, что приводит к лизису (разрушению) бактериальной клетки, называются вирулентными фагами .

Некоторые бактериофаги внутри клетки хозяина не реплицируются, Вместо этого их нуклеиновая кислота включается в ДНК хозяина, образуя с ней единую молекулу, способную к репликации. Такие фаги получили название умеренных фагов , или профагов . Поселяясь в клетках живых организмов, вирусы вызывают многие опасные заболевания сельскохозяйственных растений (мозаичная болезнь табака, томатов, огурцов; скручивание листьев, карликовость, желтуха и др.) и домашних животных (ящур, чума свиней и птиц, инфекционная анемия лошадей, рак и др.). Указанные вирусные болезни резко снижают урожайность культур и приводят к массовой гибели животных.

Вирусы вызывают также многие опасные заболевания человека: грипп, корь, оспу, полиомиелит, свинку, бешенство, желтую лихорадку и др. В последние годы к ним прибавилось еще одно страшное заболевание - СПИД.

Простейшие вирусы представляют собой нуклеопротеид, который состоит из нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК ) и капсида - белковой оболочки. Более сложные вирусы имеют дополнительную липидную оболочку. Существует тип вирусов - бактериофаги , которые имеют специальное строение, позволяющее им внедрять свой геном в клетки бактерий. Бактериофаги имеют тело, состоящее из головки с геномом, хвостик (трубка, которая транспортирует геном в клетку) и отростки.

Вирусы могут попадать в клетку путем растворения оболочки клетки или с помощью погружения фрагментов оболочки вместе с вирусом в цитоплазму или вместе с пиноцитозными пузырьками.

Попадая в клетку, вирус начинает размножаться с помощью клетки, которая синтезирует ДНК или РНК вируса. Клетка повреждается, а после гибнет, а вирусы получают возможность поразить другие клетки. Таким образом, вирус может существовать и размножаться практически бесконечно. Существует огромное количество различных вирусов, которые вызывают опасные болезни: грипп, гепатит, СПИД и другие.

Самым опасным и неизученным до конца является вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) , который вызывает синдром приобретенного иммунодефицита человека (СПИД ), который попадает в организм при половом контакте или через кровь. Этот вирус поражает клетки иммунитета человека, делая его уязвимым перед любой болезнью, из-за чего человек может умереть даже от насморка.

Вирусы, поражающие организм человека и животных, имеют способность мутировать очень быстро размножаться. Этот факт делает вирусные болезни предельно устойчивыми для лечения.