Вирусы. Описание. Характеристика

Рис. . Строение вируса табачной мозаики: Молекула РНК (в центре) окружена капсидом из белковых молекул, расположенных по спирали.

Вирусы – мельчайшие организмы, неклеточные формы жизни. Проявляют признаки, характерные для живых организмов, только во время паразитирования в клетках других организмов. Вне клетки вирус не проявляет никаких свойств живого организма – «вещество», многие способны к кристаллизации, и только попадая в клетку, вирус становится «существом». Они не могут развиваться на обычных питательных средах, в лабораториях их культивируют на куриных эмбрионах или в других клетках. Вирусы являются внутриклеточными паразитами, но в отличие от других паразитов, они паразитируют на генетическом уровне. Размеры вирусов от 10 до 300 нм. Форма вирусов: шаровидная, палочковидная, нитевидная, цилиндрическая и др. Вирусы открыты в 1892 г. Д.И.Ивановским при изучении мозаичной болезни табака (пятнистость листьев).

Пропуская сок из больных листьев через фарфоровые фильтры, задерживающие все виды бактерий, Ивановский установил, что фильтрат все же содержит возбудителей заболевания, и назвал их «фильтрующимися возбудителями». Но в отличие от бактерий, возбудители табачной мозаики не способны расти на искусственных питательных средах. В своей диссертации Д.И.Ивановский показал, что при разбавлении в несколько раз фильтрат полностью сохраняет свои свойства, а при нагревании до 60-70ºС возбудители погибают, что свидетельствовало о живой природе возбудителя. Голландец Бейеринк предложил для загадочного агента термин «вирус» (яд), название прижилось.

Вирусы состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белков, образующих оболочку вокруг этой нуклеиновой кислоты, т. е. представляют собой нуклеопротеидный комплекс. В состав некоторых вирусов входят липиды и углеводы. Вирусы содержат всегда один тип нуклеиновой кислоты – либо ДНК, либо РНК. Причем каждая из нуклеиновых кислот может быть как одноцепочечной, так и двухцепочечной, как линейной, так и кольцевой.

РНК-геномными вирусами вызываются мозаичная болезнь табака, полиомиелит, грипп, корь, бешенство, свинка. Среди них есть и онкогенные вирусы, вызывающие рак у рептилий, птиц, млекопитающих и человека. Есть вирусы с двумя молекулами РНК – ВИЧ, саркома Рауса. К ДНК-геномным вирусам относятся вирусы оспы, герпеса, аденовирусы, вирус гепатита В.

Капсид – оболочка вируса, образована белковыми субъединицами, уложенными определенным образом. Капсид защищает нуклеиновую кислоту вируса от различных воздействий и обеспечивает осаждение вируса на поверхности клетки-хозяина. Суперкапсид характерен для сложноорганизованных вирусов (ВИЧ, вирусы гриппа, герпеса). Возникает во время выхода вируса из клетки-хозяина и представляет собой модифицированный участок ядерной или наружной цитоплазматической мембраны клетки-хозяина.

Если вирус находится внутри клетки-хозяина, то он существует в форме нуклеиновой кислоты. Если вирус находится вне клетки-хозяина, то он представляет собой нуклеопротеидный комплекс, и эта форма существования называется вирионом. Следует отметить, что вирусы обладают высокой специфичностью, т.е. они могут использовать для своей жизнедеятельности строго определенный круг хозяев.

Вирусы, паразитирующие в бактериальных клетках, называются бактериофагами. Бактериофаги имеют наиболее сложную форму, состоят из головки, хвостика и хвостовых отростков, с помощью которых они осаждаются на оболочке бактерий.

В головке содержится ДНК или РНК. Фаг частично растворяет клеточную стенку и мембрану бактерии или за счет сократительной реакции хвостика пробивает бактериальную оболочку и «впрыскивает» свою нуклеиновую кислоту в ее клетку. Только паразитируя в клетке-хозяине, вирус может репродуцироваться, воспроизводить себе подобных.

В цикле репродукции вируса можно выделит следующие стадии: сначала происходит осаждение на поверхности клетки-хозяина с помощью особых белков вируса, комплементарных рецепторным участкам заражаемой клетки. Затем происходит проникновение вирусной НК в клетку-хозяина, которая может попасть в клетку-хозяина путем «инъекции», растворения оболочки клетки вирусными ферментами или с помощью эндоцитоза. Попав внутрь вирусная НК переводит белок-синтезирующий аппарат клетки под собственный контроль. На следующем этапе происходит синтез необходимых для вируса соединений – синтезируются мРНК для синтеза вирусных белков, затем происходит тиражирование вирусной нуклеиновой кислоты. Причем мелкие ДНК-геномные вирусы проникают для синтеза иРНК в ядро и используют РНК-полимеразы клетки. Крупные вирусы, как например, вирус оспы не могут проникнуть в ядро и используют собственные РНК-полимеразу, а затем происходит синтез вирусных белков с помощью белок-синтезирующего аппарата (рибосом, тРНК, ферментов, аминокислот, энергии) зараженной клетки.

РНК-геномные вирусы синтезируют белки по-разному: у одной группы транскрипция вообще отсутствует, они сами выполняют функцию иРНК и на них происходит синтез белка. Это плюс-нитевые вирусы (вирусы с позитивным геномом), синтез белка у них идет по схеме: РНК → белок. У другой группы на вирусной РНК синтезируется комплементарная ей иРНК (вирус гриппа, кори, паротита), на которой происходит синтез вирусных белков – это минус-нитевые вирусы, вирусы с негативным геномом.

Рис. . Строение и жизненный цикл бактериофага: 1 – головка вируса. 2 – воротничок. 3 – сократительный чехол вокруг полого стержня. 4 – базальная пластинка. 5 – нити хвостового отростка, комплементарно связывающиеся с рецепторными участками бактериальной клетки. 6 – нуклеиновая кислота вируса. 7 – вирусные ферменты. 8 – осаждение бактериофага. 9 – проникновение вирусной НК в клетку. 10. Встраивание вирусной ДНК в бактериальную хромосому. 11. Репликация вирусной НК. 12. Синтез вирусных белков. 13. Самосборка и выход бактериофагов.

У третьей группы ретровирусов синтез белка происходит наиболее сложно, на однонитчатой РНК синтезируется ДНК ферментом РНК-зависимой ДНК-полимеразой или ревертазой. Эта ДНК встраивается в ДНК клетки-хозяина и там многократно транскрибируется. Образовавшиеся иРНК с одной стороны необходимы для синтеза вирусных белков, кроме того, они сами являются РНК вириона. Синтез белка здесь идет по схеме РНК → ДНК → РНК → белок.

На последнем этапе происходит самосборка и выход из клетки дочерних вирусов, а клетка либо погибает, либо продолжает существовать и производить новые поколения вирусных частиц.

Внедрившись в ДНК клетки-хозяина, многие вирусы длительное время могут себя не проявлять, причем при делении клетки ДНК вируса тиражируется и попадает во все дочерние клетки.

Такие вирусы называются умеренными, но рано или поздно вирусы активируются и разрушают клетки. Умеренные бактериофаги используются микробиологами в качестве векторов для переноса генов человека в бактериальные клетки.

И в природе вирусы способны переносить различные гены между отдаленными группами живых организмов.

Борьба с вирусами с помощью антибиотиков неэффективна, так как они не действуют на вирусы вне и внутри клетки. Кроме того, многие вирусы, отпочковываясь от клетки, одеваются в ее мембрану – «плащ-невидимку» и иммунная система организма на них не реагирует, антитела на них не образуются (вирусы гриппа, ВИЧ). К тому же многие вирусы легко мутируют, иммунитет, выработанный на определенный вирус, не срабатывает при попадании в организм вируса-мутанта. Кроме антител, главного оружия иммунитета, организм борется с вирусами с помощью интерферонов – после попадания в клетку НК вируса, клетка выделяет особые белки-интерфероны. Молекулы интерферонов, взаимодействуя с соседними клетками вызывают у последних блокирование синтеза белков как вируса, так и самой клетки и размножение в этих клетках вируса становится невозможным.

Рис. . Репродукция ВИЧ 1 – осаждение. 2 – проникновение в клетку. 3 – выход вирусной РНК из капсида. 4 – синтез на РНК ДНК. 5 – встраивание вирусной ДНК в ДНК клетки. 6 – репликация вирусной НК. 7 – синтез вирусных белков. 8 – самосборка. 9 – отпочковывание вирусов

Рис. . Строение вируса ВИЧ

Вирусы способны паразитировать в клетках большинства существующих живых организмов, вызывая различные заболевания (грипп, коревая краснуха, полиомиелит, СПИД, оспа, бешенство и др.). Возбудитель СПИДа – вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) – относится к ретровирусам. Имеет сферическую форму, диаметром 100-150 нм. Наружная оболочка вируса, суперкапсид, состоит из мембраны, образованной из клеточной мембраны клетки-хозяина, лежащей на белковом подмембранном каркасе.

В мембрану встроены рецепторные «грибовидные» образования, в шляпке которых находятся рецепторы на белки СD₄. Под суперкапсидом располагается сердцевина вируса, имеющая форму усеченного конуса и образованная особыми белками. Внутри сердцевины располагаются две молекулы вирусной РНК. Каждая молекула РНК содержит 9 генов ВИЧ и фермент (обратная транскриптаза), осуществляющий синтез вирусной ДНК на матрице вирусной РНК.

Вирус иммунодефицита человека поражает главным образом CD₄-лимфоциты (хелперы), именно на их поверхности есть CD₄-белки, способные связываться с поверхностным белком ВИЧ. Кроме того, ВИЧ проникает в клетки нейроглии ЦНС, кожи, кишечника, В-лимфоциты и макрофаги, которые также имеют на поверхности CD₄-белки.

Хелперы начинают иммунный ответ, если численность их популяции невелика, не будет иммунного ответа, иммунная система организма человека утрачивает свои защитные свойства и оказывается не в состоянии противостоять возбудителям различных инфекций. Средняя продолжительность жизни инфицированного человека составляет 7-10 лет.

ВИЧ передается половым путем, через инфицированные инструменты, кровь и ткани, от инфицированной матери к плоду во время беременности, при родах, при вскармливании молоком.

Существует несколько точек зрения на происхождение вирусов: вирусы можно рассматривать как группу «потерявшихся», вышедших из-под контроля клетки генов («осколок генома»). Эту версию подтверждает существование в бактериальных клетках плазмид, некоторые из которых могут переходить из одной бактериальной клетки в другую и автономно реплицироваться. Согласно другой гипотезе вирусы возникли в результате деградации клеточных форм организмов в связи с паразитическим образом жизни.

Вирусы способны поражать большинство существующих живых организмов, вызывая различные заболевания. Вирусные заболевания человека: грипп, СПИД, герпес, клещевой энцефалит, оспа, бешенство, корь, инфекционный насморк. У животных – ящур, коровья оспа, бешенство. У растений – МБТ (мозаичная болезнь табака), вирусы могут определять пятнистость окраски цветков (например, у тюльпана), изменения окраски листьев у многих растений.