Является его способность к размножению — воспроизведению потомства, сходного с родительской формой. Другим важным свойством является обладание наследственностью. Наследственным материалом служит имеющаяся у вируса нуклеиновая кислота — РНК или ДНК.
| Рис. 21. Семейства вирусов |
Впервые вирусы (вирус мозаики табака) были открыты отечественным учёным-ботаником Дмитрием Иосифовичем Ивановским в 1892 г. С тех пор выявлено более 1 000 различных видов. Виды объединяют в роды и семейства. Все вместе их выде-ляют в особое царство живой природы — Вирусы как неклеточную форму жизни. Более 500 разных видов вирусов могут вызывать разнообразные инфекционные заболевания человека. Семейства этих вирусов показаны на рис. 21.
Таким образом, вирусы являются уникальной формой жизни. С одной стороны, вирусы — дискретные (автономные) генетические структуры, кото-рым присущи основные свойства живых организмов: размножение, изменчи-вость, адаптация и способность к эволюции. С другой стороны, вирусы не име-ют таких важнейших свойств живого организма, как метаболизм (обмен ве-ществ и энергии), и не способны к самостоятельной репродукции своей наслед-ственности вне клетки хозяина. Весь цикл репродукции вирусов и их размно-жение происходят в клетке-хозяине и за счёт её метаболических систем.
1. Чем вирусы отличаются от других живых организмов?
Ответ. Вирус (от лат. virus - яд) - простейшая форма жизни, так как они не имеют клеточного строения. Основные отличия о других живых организмов:
Вне клетки вирусные частицы ведут себя как химические вещества.
В настоящее время известны вирусы, размножающиеся в клетках растений, животных, грибов и бактерий (последних обычно называют бактериофагами) . Обнаружены также вирусы, поражающие другие вирусы (вирусы-сателлиты).
2. Какие болезни могут вызывать вирусы?
Ответ. Главной особенностью вирусов является их своеобразное строение. Они обладают наследственностью, которая обусловлена теми же структурами, что и у других живых организмов - нуклеиновыми кислотами. Большинство вирусных заболеваний составляют острые респираторные вирусные инфекции и катар кишечника.
Существуют вирусы, поражающие и нервную систему, например, вирусы полиомиелита, бешенства, клещевого энцефалита. Некоторые вирусы способствуют развитию кожных заболеваний, например, пузырчатки, образованию бородавок, повреждению внутренних органов, например, печени при вирусном гепатите, стенок кровеносных сосудов. СПИД, бешенство и почти исчезнувшая оспа также относятся к вирусным заболеваниям.
Вопросы после § 20
Ответ. Вирусы можно считать особой формой жизни. Они не могут проявлять признаки жизнедеятельности вне клетки-хозяина. Их строение очень примитивно. Они самые мелкие существа, их нельзя увидеть под световым микроскопом. Они не имеют клеточного строения.
В целом вирусы некорректно называть живыми существами, так как до сих пор ученые не доказали живые они или мертвые. Лучше использовать по отношению к вирусам термин "биологические объекты".
Заслуживает внимания факт описания гигантских вирусов - получившие свое название из-за необычно большого размера их генома, также были включены в исследование из-за их биологической сложности и генома, похожего на геном бактерий. Это дает основания полагать, что и данное направление биологии можно встраивать в общее древо жизни, а также утверждать, что оно имеет не три ответвления, а четыре - гигантские вирусы, бактерии, эукариоты и археи.
2. Какое строение имеют вирусы? В чём их отличие от других живых организмов?
3. Как вирусы размножаются?
Ответ. Обычно вирус связывается с поверхностью клетки-хозяина и проникает внутрь. При этом каждый вирус ищет именно «своего» хозяина, т. е. клетки строго определённого вида. Так, вирус – возбудитель гепатита, называемого иначе желтухой, проникает и размножается только в клетках печени, а вирус эпидемического паротита, в просторечии свинки, – только в клетках околоушных слюнных желёз человека. Проникнув внутрь клетки-хозяина, вирусная ДНК или РНК взаимодействует с хозяйским генетическим аппаратом таким образом, что клетка, сама того не желая, начинает синтезировать специфические белки, закодированные в вирусной нуклеиновой кислоте. Последняя тоже реплицируется, и в цитоплазме клетки начинается сборка новых вирусных частиц. Поражённая вирусами клетка может буквально «лопнуть», и из неё выйдет большое число вирусных частиц, но иногда вирусы выделяются из клетки постепенно, по одному, и заражённая клетка живёт долго.
4. Какие вирусы называют бактериофагами?
Ответ. Особой группой вирусов являются бактериофаги, или просто фаги, которые заражают бактериальные клетки. Фаг укрепляется на поверхности бактерии при помощи специальных «ножек» и вводит в её цитоплазму полый стержень, через который, как через иглу шприца, проталкивает внутрь клетки свою ДНК или РНК. Таким образом, генетический материал фага попадает внутрь бактериальной клетки, а капсид остаётся снаружи. В цитоплазме начинается репликация генетического материала фага, синтез его белков, построение капсида и сборка новых фагов. Уже через 10 мин после заражения в бактерии формируются новые фаги, а через полчаса бактериальная клетка разрушается, и из неё выходят около 200 заново сформированных вирусов – фагов, способных заражать другие бактериальные клетки. Некоторые фаги используются человеком для борьбы с болезнетворными бактериями, например с бактериями, вызывающими холеру, дизентерию, брюшной тиф.
5. Какие предположения можно сделать о происхождении вирусов?
Ответ. Возникновение вирусов - вопрос, который на протяжении многих лет составлял предмет дискуссий. Было выдвинуто три гипотезы происхождения вирусов:
1. Вирусы - потомки бактерий и других одноклеточных организмов, претерпевших дегенеративную (регрессивную) эволюцию.
3. Вирусы - дериваты (производные) клеточных генетических структур, ставших относительно автономными, но сохранивших зависимость от клеток
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 Рис. 3.2.
Строение
вируса табачной мозаики.
яется
одноцепочечная РНК, плотно уложенная
в желобке спирального капсида. Длявирионов
со спиральным капсидом характерно
высокое содержание белка (90 – 98%) по
отношению к
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
В
Рис. 3.4.
Строение
бактериофага.
Нити отростка
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.
Первооткрывателем вирусов, основоположником вирусологии является русский ученый Дмитрий Иосифович Ивановский, открывший в 1892 году вирус табачной мозаики (ВТМ)
Вирусы настолько отличаются от микроорганизмов, что выделены в особое царство - царство Vira.
Особенности вирусов, отличающие их от всех других живых существ:
1) наличие только одного типа нуклеиновой кислоты - ДНК или РНК, в то время как клетки всех остальных живых существ содержат ДНК и РНК, взаимодействие которых необходимо для биосинтеза белков;
2) отсутствие собственных белоксинтезирующих систем и клеточного строения;
4) убиквитарность (распространенны повсеместно);
5) имеют микроскопические размеры.
Внеклеточная форма вируса - вирион и вирус, находящийся внутри клетки хозяина - это две разные формы вируса.
Вирионы разных вирусов имеют размеры от 15 до 400 нанометров. Нанометр - это 10 -9 метра (рис. 6). Наиболее мелкие вирусы - вирусы полиомиелита - имеют вирион размером 17-25 им, средние - вирус гриппа - 80-120 нм, крупные - вирус оспы - 300-400 им.
В центре вириона располагается его геном. Это нуклеиновая кислота - ДНК или РНК (однонитевая или двунитевая). Плюс-однонитевая РНК несет две функции: наследственную и информационную, например у вируса полиомиелита. Минус-однонитевая РНК, как, например, у вируса гриппа, несет только наследственную функцию, и только в процессе репродукции вируса к ней достраивается плюс-нить иРНК.
Вокруг нуклеиновой кислоты симметрично располагаются белковые молекулы - капсомеры, составляющие капсид (лат. capsa - коробка). Различают спиральный тип симметрии, когда капсомеры уложены по всей длине молекулы нуклеиновой кислоты, и кубический, когда капсомеры располагаются в виде двадцатигранника (икосаэдра).
У вирионов сложноорганизованных вирусов имеется еще поверхностная оболочка - суперкапсид, содержащий, кроме белков, также углеводы, липиды, компоненты клетки хозяина. Строение вириона лежит в основе классификации вирусов. По типу нуклеиновой кислоты их делят на: рибовирусы и дезоксири-бовирусы, далее по структуре вирионов, по месту размножения и по другим признакам проводится деление на семейства и роды.
Вследствие малых размеров вирусы не видны в световом микроскопе. Только наиболее крупный из них - вирус оспы - можно наблюдать в виде мелких точечных образований - элементарных телец Пашена.
Размножаясь в чувствительных клетках организма, вирусы оспы, бешенства, гриппа образуют в них внутриклеточные включения. Их можно обнаружить в световом или в люминесцентном микроскопе. Обнаружение внутриклеточных включений используется для диагностики. Например, включения Бабеша-Негри в нервных клетках обнаруживаются при бешенстве.
Морфологию вирионов изучают в электронном микроскопе. Вирусы имеют разные формы: сферическую, нитевидную, палочковидную.
Методы культивирования вирусов:
1. Заражение животных (в\брюшинно, в\в, в\м, интраназально, заражение в мозг и другие)
2. На куриных эмбрионах после заражения их на хорион – аллантоисную оболочку, в аллантоисную полость, в амниотическую полость, в желточный мешок.
3. На культуре клеток различных тканей.
Культура ткани – это клетки ткани, выращенные вне организма на специальной питательной среде. Клетки ткани в искусственных условиях сохраняют присущий им обмен веществ и восприимчивость к определенным вирусам. Наиболее пригодными для культивирования вирусов являются клетки с быстрым росток и высоким обменом веществ. По этой причине широко применяют эмбриональные ткани (фибробласты куриных эмбрионов, клетки амниона человека и др.), а также культуры тканей опухолей. Выращивание клеток культур тканей производят в специальных флаконах (колбы – матрицы, флаконы Карреля и др.) и в пробирках. Культура клеток для роста должна иметь какую – либо опору, например, пластинки стекла, стенку пробирки. В выросшую культуру ткани, которая покрывает стенку сосуда или пластинку стекла в виде однослойного клеточного пласта, засевают материал, содержащий вирус. Работу производят в стерильных условиях. Для подавления роста другой микрофлоры (кроме вирусов) вируссодержащий материал предварительно обрабатывают антибиотиками, чаще пенициллином и стрептомицином. Размножение вируса в клетках определяют по цитопатическому действию (ЦПД): в результате размножения вируса в клетках при микроскопии обнаруживаются включения, дегенеративные изменения и в конечном итоге клетки гибнут. Так как рост клеток прекращается, ph среды мало изменяется по сравнению с контролем (клетки без вируса). В связи с этим не изменяется и цвет среды. Питательной средой для культуры тканей могут быть различные растворы, состав которых приближается к составу жидкостей организма (синтетическая среда 199, солевой раствор Хенкса с сывороткой, гидролизат лактальбумина с сывороткой и другие). В настоящее время в вирусологической практике чаще всего применят свежие культуры клеток (первичные или первично – трипсинизированные) и перевиваемые культуры (линии) клеток.
Первично – трипсинизированные культуры клеток готовят из органов взрослых животных (чаще из почек обезьян и других животных) и эмбрионов человека, куриных фиброфластов путем трипсинизации кусочков тканей с последующим культивированием в питательной среде. С этой целью кусочки тканей измельчают ножницами (или другим способом), а затем промывают буферным раствором Хенкса для удаления крови и обрабатывают 0,25 – 0,3 % раствором трипсина. Трипсин разрушает межклеточные мостики и освобождает клетки. С помощью камеры Горяева подсчитывают количество клеток, разводят до концентрации 400 тыс. клеток в 1 мл. Полученную взвесь клеток разливают в пробирки, плотно закрывают стерильными резиновыми пробками и помещают в термостат при 37°С в почти горизонтальном положении (под углом 50°) в специальных штативах. Через 3-4 дня на стенке пробирки образуется сплошной слой размножившихся клеток. Пробирки с хорошим ростом ткани отбирают для заражения вирусом.
Перевиваемые культуры клеток (растущие) - это стабильные линии клеток, пассируемые вне организма в течение многих лет. Их получают из злокачественных опухолей и из нормальных (эмбриональных) тканей человека и животных. К ним относятся: 1) линия Hela – клетки карциномы шейки матки человека; 2)линия Hep – 2 – клетки злокачественной опухоли гортани человека; 3) линия Детройт – 6 – клетки, выделенные из костного мозга человека, больного раком легких; 4) линии А – 0 и А – 1 – клетки амниона человека; 5) линия СОЦ – клетки сердца обезьяны циномольгус и другие.
Полуперевиваемые или диплоидные культуры клеток – это клетки тканей человека, сохраняющие в процессе пассажей – диплоидный набор хромосом. Диплоидные клетки человека не подвергаются злокачественному перерождению и этим выгодно отличаются от опухолевых.
1. Какими свойствами обладают живые организмы?
1. Живые организмы имеют сходный химический состав и единый принцип строения.
2. Все живые организмы представляют собой открытые биологические системы, т. е. системы, устойчивые лишь при условии непрерывного поступления в них энергии и вещества из окружающей среды.
3. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой: из неё они получают вещества, необходимые для жизни, а в неё выделяют продукты жизнедеятельности.
4. Живые организмы реагируют на изменение факторов окружающей их среды.
5. Живые организмы развиваются.
6. Всё живое размножается.
7. Все живые организмы обладают наследственностью и изменчивостью.
8. Живые организмы приспособлены к определённой среде обитания.
2. Какие нуклеиновые кислоты вы знаете?
Различают два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновые (сокращённо ДНК) и рибонуклеиновые (сокращённо РНК).
3. Какие функции выполняют нуклеиновые кислоты?
Нуклеиновые кислоты являются хранителями наследственной информации, переносят наследственную информацию из ядра к рибосоме, служат матрицей для сборки полипептидной цепи.
Вопросы
1. Какое строение имеют вирусы?
Устроены вирусы очень просто. Каждая вирусная частица состоит из РНК или ДНК, заключённой в белковую оболочку, которую называют капсидом.
2. На основании чего вирусы относят к живым организмам?
От неживой материи вирусы отличаются двумя свойствами: способностью воспроизводить себе подобные формы (размножаться) и обладанием наследственностью и изменчивостью.
3. Какие особенности отличают вирусы от других живых организмов?
Вирусы вне клетки не проявляют никаких свойств живого. Они не потребляют пищи и не вырабатывают энергии, не растут, у них нет обмена веществ.
Задания
На обобщающем уровне обсудите значение молекулярной биологии в современном мире.
К сфере молекулярной биологии относится исследование всех связанных с жизнью процессов, таких, как питание и выделение, дыхание, секреция, рост, репродукция, старение и смерть. Важнейшее достижение молекулярной биологии – расшифровка генетического кода и выяснение механизма использования клеткой информации, необходимой, например, для синтеза ферментов. Молекулярнобиологические исследования способствуют и более полному пониманию других процессов жизнедеятельности – фотосинтеза, клеточного дыхания и мышечной активности.
С помощью соответствующих ферментов можно определить нуклеотидную последовательность генов, а по ней – аминокислотную последовательность синтезируемых белков. Если у животных разных видов близки нуклеотидные последовательности генов, кодирующих общие для них белки, например гемоглобин, можно заключить, что в прошлом эти животные имели общего предка. Если же различия в их генах велики, то ясно, что расхождение видов от общего предка произошло намного раньше. Такие молекулярно-биологические исследования открыли новый подход к изучению эволюции организмов.
Важный вклад в медицину должна внести идентификация вирусов по их составу. С ее помощью можно, например, установить, что вирус, вызывающий ту или иную болезнь у человека, гнездится естественным образом в каком-нибудь диком животном, от которого и передается человеку болезнь. Если у животных, которые служат в природе резервуаром данного вируса, симптомы болезни не обнаруживаются, то, видимо, здесь действует какой-то механизм иммунитета, и тогда возникает новая задача – изучить этот механизм, чтобы попытаться включить его в иммунную систему человека.
Областью молекулярной биологии, вызывающей большие споры и часто неприятие, является генная инженерия, или технология рекомбинантных ДНК, суть которой в том, что в организм растения или животного встраивают чужие гены, чтобы придать ему новые свойства или же компенсировать какие-нибудь наследственные дефекты.
