Неклеточные формы жизни: вирусы

Открытие вируса табачной мазаики в 1892 году , положило начало созданию науки вирусологии . Термин «вирус» был предложен в 1899 году М. Бейеринком.

Вирусы существуют в двух формах: покоящейся (внеклеточной) и репродуцирующейся (внутриклеточной).

Вирусы условно делятся на простые и сложные.

• Простые. В составе таких вирусов только нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК) и белок.
• Сложные. Нуклеотид этих вирусов состоит из белка и только РНК, также они могут содержать липопротеидную мембрану, углеводы и ферменты. К группе сложных вирусов относят так называемые ретровирусы . У них обнаружен такой фермент, как обратная транскриптаза.

Особенности вирусов

1. Тело вируса не имеет клеточного строения.

3. В вирусах содержится один тип нуклеиновых кислот — либо РНК, либо ДНК (все клеточные организмы содержат и ДНК, и РНК одновременно). Отсутствуют рибосомы.

Генетический аппарат вирусов представлен различными формами нуклеиновых кислот, такого разнообразия нет ни у одной из других форм жизни . У всех живых организмов, кроме вирусов, генетический аппарат состоит из двунитевой молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), а рибонуклеиновая кислота (РНК), выполняющая в клетках роль переносчика информации, всегда однонитевая.

У вирусов же существуют все возможные варианты устройства генетического аппарата: одно- и двунитевая РНК, одно- и двунитевая ДНК .

При этом и вирусная РНК, и вирусная ДНК могут быть либо линейными, либо замкнутыми в кольцо.

4. Отсутствует обмен веществ. Вирусом используется энергия, получаемая за счет обмена веществ в клетках хозяина. Имеют очень ограниченное число собственных ферментов, используют обмен веществ хозяина, его ферменты, энергию, полученную при обмене веществ в клетках хозяина.

5. Вирусы могут существовать вне клетки хозяина в виде зрелых вироспор («споры» вирусов), в этот период они не обнаруживают никаких признаков жизни.

Вирусы состоят из нуклеиновой кислоты, окруженной белками одного или нескольких типов; некоторые вирусы имеют также липидсодержащую внешнюю оболочку.

Белки вирусов выполняют тот же ряд важнейших функций, что и в клетке, в том числе структурную, транспортную, ферментативную, защитную.

Одной из основных особенностей строения вирусов является белковая оболочка (капсула), в которую заключен генетический материал вируса. При этом вирусы не имеют собственных белоксинтезирующих систем, а используют для этого системы клетки хозяина.

Вирусный белок выполняет защитную роль и весьма важную функцию — он отвечает за прикрепление вируса к поверхности клеток, после чего вирус проникает внутрь клетки и начинает размножаться в ней. Поэтому фрагмент белка, связывающийся с клеточной мембраной, остается неизменным.

В наборе белков на поверхности вируса ВИЧ (gp120) оказались помимо собственно вирусных и белки клеток человека (в виде шипов). Размножается вирус внутри живой клетки и выходит из нее «почкованием», при этом прихватывает фрагмент клеточной оболочки человека. Этим объясняется уникальная способность вируса быть нераспознаваемым иммунным механизмом.

Гемагглютинин — поверхностный белок вируса гриппа, обеспечивающий способность вируса присоединяться к клетке-хозяину.

Нейраминидаза — поверхностный белок вируса гриппа, отвечающий, во-первых, за способность вирусной частицы проникать в клетку, и, во-вторых, за способность вирусных частиц выходить из клетки после размножения.

Нуклеокапсид — генетический материал (РНК) вируса заключенный в белковую оболочку (капсулу).

Как результат присутствия в молекулах нескольких функциональных групп белки обладают высокой реактивной способностью и амфотерными свойствами.

Капсид (уклеокапсид)— это внешняя оболочка вируса, состоящая из белков.

Функции капсида:

1. Защита генетического материала (ДНК или РНК) вируса от механических и химических повреждений.
2. Определение потенциала к заражению клетки.
3. Прикрепление к клеточной мембране, разрыв мембраны и внедрение в клетку генетического материала вируса.

В заражённой клетке вирус начинает размножаться, используя материал клетки. Белки, составляющие капсид, синтезируются на основе генетического материала вируса. Некоторые типы вирусов, покидая заражённую клетку, отхватывают часть клеточной мембраны и «закутываются» в неё, создавая тем самым дополнительный уровень защиты.

Капсиды большинства вирусов имеют спиральную или икосаэдрическую симметрию. В случае спиральной симметрии (например, у вируса табачной мозаики) составные части капсида формируют цилиндр из уложенных по спирали белковых глобул, внутри которого находится генетический материал вируса. В случае икосаэдрической симметрии (например, у многих бактериофагов) образуется квази-сферическая структура капсида.

В случае «закутанного» капсида отдельные части капсида (спирального или икосаэдрического) открыты окружающей среде, в то время как большая часть его скрыта мембраной.

Структурный анализ основных типов капсидов используется в классификации вирусов.

Дополнительная липопротеидная оболочка образована из плазматической мембраны клетки-хозяина и встречается только у сравнительно больших вирусов (грипп, герпес).

Схематичное строение вируса: 1 — сердцевина (однонитчатая РНК); 2 — белковая оболочка (капсид); 3 — дополнительная липопротеидная оболочка; 4 — капсомеры (структурные части капсида)

В отличие от других организмов вирусы не имеют рибосом и ферментов, катализирующих образование макроэргических фосфатов, метаболизм белков, углеводов и жиров.

Вирусные гены обычно кодируют белки, необходимые для репликации нуклеиновой кислоты и сборки вирусов.

Вироиды — субвирусные инфекционные агенты, возбудители некоторых заболеваний (в первую очередь у растений). Представляют собой высокоструктурированные кольцевые фрагменты РНК, реплицируемые клеточной РНК-полимеразой. Белков вироиды не кодируют. Вироиды были открыты и названы в 1971 году Теодором О. Динером.

Вирусоиды похожи на вироиды, но включены в структуру вируса — помощника и реплицируются только с его помощью.

Прионы (англ. proteinaceous infectious particles — белковые заразные частицы) — особый класс инфекционных агентов, чисто белковых, не содержащих нуклеиновых кислот, вызывающих тяжёлые заболевания центральной нервной системы у человека и ряда высших животных (так называемые «медленные инфекции»).

Человек может заразиться прионами, содержащимися в пище, так как они не разрушаются ферментами пищеварительного тракта. Беспрепятственно проникая через стенку тонкого кишечника, они в конечном итоге попадают в центральную нервную систему. Так переносится новый вариант болезни Крейтцфельдта — Якоба, которой люди заражаются после употребления в пищу говядины, содержащей нервную ткань из голов скота, больных бычьей губчатой энцефалопатией (BSE, коровье бешенство).

Мозговое вещество, изъеденное прионом коровьего бешенства. Дырки и обширные пустые участки располагаются на месте бывших нервных клеток

Прионы могут проникать в тело и парентеральным (через внедрение патогенных микроорганизмов в организм человека или животного минуя пищевой тракт (через кровяное русло, кожу, конъюнктиву глаза, подкожно, внутримышечно, внутрибрюшинно ) путем. Были описаны случаи заражения при внутримышечном введении препаратов, изготовленных из человеческих гипофизов (главным образом гормоны роста для лечения карликовости), а также заражение мозга инструментами при нейрохирургических операциях, поскольку прионы устойчивы к применяемым в настоящее время термическим и химическим методам стерилизации.

Ретровирусы — это вирусы с необычным способом репликации генетического материала. Для цикла репродукции этого большого семейства вирусов характерен обратный поток генетической информации: вместо обычной транскрипции (т. е. переписывания) дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) в рибонуклеиновую кислоту (РНК), как это происходит в клетке при реализации генетической информации, их геномная РНК переписывается в ДНК (обратная транскрипция).

Ретровирусы (лат. retro — обратно, назад и virus — яд) — РНК — содержащие вирусы, цикл размножения которой проходит через стадию двухцепочечной ДНК. В каждой вирусной частице имеются две копии вируса. В составе генома помимо генов, кодирующих структуру белков капсида, имеется ген, кодирующий фермент обратную транскриптазу, который осуществляет синтез ДНК на РНК. Обратная транскриптаза вместе с РНК упаковывается в вирусную частицу.

В цитоплазме клетки-хозяина фермент превращает одноцепочечную РНК в двухцепочечную ДНК, которая встраивается в геном хозяина. Провирусная ДНК транскрибируется как матрица для синтеза вирусных белков и в качестве генома при упаковке вирусных частиц.

Члены семейства ретровирусов вызывают ряд тяжелых заболеваний животных и человека. К наиболее изученным вирусам относятся вирусы лейкемии птиц, мышей, кошек и приматов, а также вирусы иммунодефицита кошек, обезьян и человека. Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) вызвал пандемию ВИЧ-инфекции и СПИДа (синдрома приобретенного иммунодефицита) во всем мире.

Первый Lentivirinae (lente — медленно) — ленивый ретровирус был открыт в 1904 году , когда французы А. Балле и А. Карре обнаружили фильтрующийся агент — вирус инфекционной анемии лошадей. Затем были открыты другие лентивирусные инфекции сельскохозяйственных животных. Типичными лентивирусами являются давно изученые вирус висны у овец, кошачий вирус иммунодефицита, вирус артрита у коз. Кроме сходства по своему строению эти вирусы вызывают однотипные патологии. Например, заражение овец вирусом висны приводит к длительному хроническому заболеванию, которое тянется порой до 2 и более лет. Но затем, также как и при инфицировании ВИЧ, неизбежно наступает летальный исход.

ВИЧ-1 и ВИЧ-2 — единственные патогенные для человека представители подсемейства Lentivirinae . Говоря о медленном течении лентивирусных инфекций, их обычно сравнивают с острыми вирусными инфекциями (например, с гриппом), но не с инфекциями, вызываемыми другими ретровирусами. В то же время клиническая картина острой лихорадочной фазы ВИЧ-инфекции напоминает проявления многих классических острых инфекций.

Все вирусы объединены в царство Vira. Вирусы — это уникальная группа инфекционных агентов.

Полная вирусная частица — вирион — содержит одну или более молекул ДНК или РНК, окружена белковой оболочкой, иногда другими слоями. Эти дополнительные слои могут быть сложными и содержать углеводы, липиды, дополнительные белки и тому подобное.

Вирусы могут существовать в двух формах: внеклеточной и внутриклеточной. Вирион, внеклеточная форма, имеет немного или ни одного фермента и не может размножаться без живой клетки. Внутриклеточная форма вируса имеет вид нуклеиновой кислоты, которая способна реплицироваться и заставлять метаболизм клетки-хозяина образовывать компоненты вирионов.

Общие свойства вирусов, которые отличают их от других живых организмов:

• 1. Отсутствие клеточного строения.
• 2. Неспособность к самостоятельному росту и делению.
• 3. Отсутствие собственных метаболических систем.
• 4. Содержат нуклеиновую кислоту только одного типа — РНК или ДНК.
• 5. Для размножения вирусов необходима только нуклеиновая кислота.
• 6. Не размножаются вне клеток организма-хозяина.

Фитопатогенные вирусы (вирусы растений) вызывают различные болезни растений: мозаику табака, пшеницы, овса, сои; кольцевую пятнистость картофеля; карликовость кустов томата и др.

Зоопатогенные вирусы. У человека и животных вирусы вызывают такие заболевания как оспа, энцефалит, бешенство, полиомиелит, грипп, насморк, ящур, синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД). Они передаются при непосредственном контакте с больным, воздушно-капельным путем, через насекомых и животных, через кровь.

Бактериофаги. Вирусы микроорганизмов поражают бактерии, актиномицеты, грибы и водоросли. Вряд ли существуют бактерии, для которых при достаточно добросовестных поисках нельзя было бы найти подходящий фаг. Ученые пытались использовать фаги для борьбы с бактериальными заболеваниями, в частности для лечения дизентерии и стафилококковых инфекций, однако попытки не дали желаемого результата. В присутствии крови, гноя или фекалий бактериофаги были неактивными.

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.

Стремительные темпы развития вирусологии во второй половине XX в. позволили получить важнейшие сведения о структуре и химическом составе разных вирусов, в том числе их генома, а также о характере взаимодействия с клетками хозяев. Полученные материалы свидетельствуют о том, что вирусы существуют в двух качественно разных формах: внеклеточной - вирион и внутриклеточной - вирус. Вирион наиболее простого вируса представляет собой нуклеопротеид, в состав которого входит вирусный геном, защищенный белковой оболочкой - капсидом. В то же время внутриклеточный вирус есть самореплицирующаяся форма, не способная к бинарному делению.

Тем самым в определение вируса закладывается принципиальное различие между клеточной формой микроорганизмов, размножающихся бинарным делением, и реплицирующейся формой, воспроизводящейся только из вирусной нуклеиновой кислоты. Однако качественное отличие вирусов от про- и эукариот не ограничивается только одной этой стороной, а включает ряд других:

наличие одного типа нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК);

отсутствие клеточного строения и белоксинтезирующих систем;

возможность интеграции в клеточный геном и синхронной с ним репликации.

Вместе с тем вирусы отличаются от обычных репликонов, какими являются молекулы ДНК всех микроорганизмов и любых других клеток, а также плазмид и транспозонов, поскольку упомянутые репликоны являются биомолекулами, которые нельзя отнести к живой материи.

Классификация и таксономия вирусов. Вирусы составляют царство Vira, которое подразделено по типу нуклеиновой кислоты на два подцарства - рибовирусы и дезоксирибовирусы. Подцарства делятся на семейства, которые в свою очередь подразделяются на роды. Понятие о виде вирусов пока еще четко не сформулировано, так же как и обозначение разных видов.

В качестве таксономических характеристик первостепенное значение придается типу нуклеиновой кислоты и ее молекулярно-биологическим признакам: двунитевая, однонитевая, сегментированная, несегментированная, с повторяющимися и инвертированными последовательностями и др. Однако в практической работе прежде всего используются характеристики вирусов, полученные в результате электронно-микроскопических и иммунологических исследований: морфология, структура и размеры вириона, наличие или отсутствие внешней оболочки (суперкапсида), антигены, внутриядерная или цитоп-лазматическая локализация и др. Наряду с упомянутыми признаками учитываются резистентность к температуре, рН, детергентам и т.д.

В настоящее время вирусы человека и животных включены в состав 18 семейств. Принадлежность вирусов к определенным семействам определяется типом нуклеиновой кислоты, ее структурой, а также наличием или отсутствием внешней оболочки. При определении принадлежности к семейству ретровирусов обязательно учитывается наличие обратной транскриптазы.

Морфология и структура вирионов

Размеры вирионов различных вирусов варьируют в широких пределах: от 15-18 до 300-400 нм. Они имеют разнообразную форму: палочковидную, нитевидную, сферическую форму параллелепипеда, сперматозоидную (рис. 5.1). Структура простого вириона - нуклеокапсида - свидетельствует о том, что вирусная нуклеиновая кислота - ДНК или РНК - надежно защищена белковой оболочкой - капсидом. Последний имеет строго упорядоченную структуру, в основе которой лежат принципы спиральной или кубической симметрии. Капсиды палочковидных и нитевидных вирионов состоят из структурных субъединиц, уложенных в виде спирали вокруг оси. При таком расположении субъединиц образуется полый канал, внутри которого компактно уложена молекула вирусной нуклеиновой кислоты. Ее длина может во много раз превышать длину палочковидного вириона. Например, длина вируса табачной мозаики (ВТМ) 300 нм, а его РНК достигает величины 4000 нм, или 4 мкм. При этом РНК настолько связана с капсидом, что ее нельзя освободить, не повредив последний. Подобные капсиды встречаются у некоторых бактериальных вирусов и у вирусов человека (например, вируса гриппа).

Сферическая структура вирионов определяется капсидом, построенном по принципам кубической симметрии, в основе которой лежит фигура икосаэдра - двадцатигранника. Капсид состоит из асимметричных субъединиц (полипептидных молекул), которые объединены в морфологические субъединицы - капсомеры. Один капсомер содержит 2, 3 или 5 субъединиц, расположенных по соответствующим осям симметрии икосаэдра. В зависимости от типа перегруппировки и числа субъединиц число капсомеров будет равным 30, 20 или 12. На рис. 5.1 представлены возможные типы простых вирионов, состоящих из определенного количества капсомеров, изображенных в виде шариков, а также капсомеров увеличивающегося объема.

Вирионы со сложным капсидом, построенным более чем из 60 структурных субъединиц, содержат группы из 5 субъединиц - пен-тамеры, или из 6 субъединиц - гексамеры. Нуклеокапсид сложноорганизованных вирионов, называемый «сердцевиной», покрыт внешней оболочкой - суперкапсидом.

Химический состав вирионов

В состав простых вирионов входит один тип нуклеиновой кислоты - РНК или ДНК - и белки. У сложных вирионов в составе внешней оболочки содержатся липиды и полисахариды, первые получают из клеток хозяина, вторые в виде гликопротеидов закодированы в геноме вируса.

Вирусные ДНК. Молекулярная масса ДНК разных вирусов колеблется в широких пределах (1 * 106- 1 * 108). Она примерно в 10-100 раз меньше молекулярной массы ДНК бактерий. В геноме вирусов содержится до нескольких сотен генов. По своей структуре вирусные ДНК характеризуются рядом особенностей, что дает возможность подразделить их на несколько типов. К ним относятся двунитевые и однонитевые ДНК, которые могут иметь линейную или кольцевую форму.

Хотя в каждой нити ДНК нуклеотидные последовательности встречаются однократно, на ее концах имеются прямые или инвертированные (повернутые на 180°) повторы. Они представлены теми же нуклеотидами, которые располагаются в начальном участке ДНК. Нуклеотидные повторы, присущие как однонитевым, так и двунитевым вирусным ДНК, являются своеобразными маркерами, позволяющими отличить вирусную ДНК от клеточной. Функциональное значение этих повторов состоит в способности замыкаться в кольцо. В этой форме она реплицируется, транскрибируется, приобретает устойчивость к эндонуклеазам и может встраиваться в клеточный геном.

Вирусная РНК. У РНК-содержащих вирусов генетическая информация закодирована в РНК таким же кодом, как в ДНК всех других вирусов и клеточных организмов. Вирусные РНК по своему химическому составу не отличаются от РНК клеточного происхождения, но характеризуются разной структурой. Наряду с типичной однони-тевой РНК у ряда вирусов имеется двунитевая РНК. При этом она может быть линейной и кольцевой. В составе однонитевых РНК имеются спиральные участки типа двойной спирали ДНК, образующиеся вследствие спаривания комплементарных азотистых оснований. Однонитевые РНК в зависимости от выполняемых ими функций разделяют на две группы.

---