ВИРУСЫ

Вирусы были открыты в 1892 г. русским ученым Д.И. Ивановским при исследовании мозаичной болезни листьев табака (бактериофаги — французским микробиологом Д’Эрелем). Вирусы являются внутриклеточными паразитами. Они способны жить и размножаться только в клетках других организмов. Вирусы поражают все типы организмов — от растений и животных до бактерий (вирусы бактерий обычно называют бактериофагами).

Вне клеток других организмов вирусы не проявляют признаков жизни. Многие из них во внешней среде имеют форму кристаллов. Величина вирусов колеблется от 20 до 300 нм. Вирусы устроены очень просто. Каждая вирусная частица состоит из нуклеиновой кислоты (различают ДНК-содержащие вирусы и РНК-содержащие вирусы — ретровирусы), заключенной в белковую оболочку, которую называют капсидом. Форма капсида может быть палочковидной, нитевидной, сферической и др. Белки капсида защищают нуклеиновую кислоту и обусловливают ферментативные и антигенные свойства вирусов. Полностью сформированная инфекционная частица называется вирионом. У некоторых вирусов, таких как герпес или грипп, есть еще и дополнительная оболочка, которая возникает из плазматической мембраны клетки-хозяина. Хорошо изучен вирус “табачной мозаики”, имеющий палочковидную форму и представляющий собой цилиндр с полостью внутри. Стенка цилиндра образована молекулами белка, а внутри расположена спираль РНК. Белковая оболочка защищает нуклеиновую кислоту от неблагоприятных условий внешней среды, а также препятствует проникновению ферментов клеток и ее расщеплению (рис. 2.1).

Объем генетической информации вируса может быть очень мал, например, у некоторых вирусов он состоит из 3500 нуклеотидов. Такой объем нуклеиновой кислоты способен обеспечить синтез лишь нескольких белков, обычно белков капсида вируса. Все активные процессы вирусов протекают в клетках-хозяевах. Проникновение вирусов в клетку начинается с их адсорбции на клеточной поверхности благодаря связыванию белков-рецепторов клеточной оболочки со специальными белками вирусной частицы, которые узнают соответствующий рецептор на поверхности чувствительной клетки. Полагают, что в животную клетку вирус может проникать при процессах пиноцитоза и фагоцитоза, в растительную клетку — при различных повреждениях клеточной стенки.

Рис. 2.1. Представители Царства Вирусы:

А — вирус табачной мозаики; Б — аденовирус (вызывает респираторные заболевания человека); В — бактериофаг; 1 — молекула РНК; 2 — молекулы белка; 3 — головка с ДНК; 4 — хвостовые нити

Бактериофаги, как правило, не попадают внутрь клетки, этому препятствуют толстые клеточные стенки бактерий. Бактериофаг состоит из головки (белковая оболочка и заключенная в ней ДНК или РНК) и отростка. В отростке различают полый стержень, окруженный чехлом из сократительных белков. На конце стержня имеется пластинка с шипами и нитями, от которых зависит прикрепление бактериофага на клетке-хозяине. После присоединения к клеточной поверхности чехол отростка бактериофага сокращается, обнажая стержень, проникающий через клеточную стенку, и нуклеиновая кислота проникает в клетку.

Репликация генома у большинства ДНК-содержащих вирусов происходит в клеточном ядре. Вирусный геном изменяет обмен веществ клетки, направляя ее деятельность на производство вирусной нуклеиновой кислоты и вирусных белков. Новые молекулы вирусной нуклеиновой кислоты соединяются с вновь синтезированными белками (самосборка вирусных частиц), в результате чего образуются вирусы, которые затем выходят из клетки-хозяина.

Репликация РНК-содержащих вирусов (ретровирусов) обычно происходит в цитоплазме. Используется обратная транскриптаза, или РНК-зависимая ДНК-полимераза. Этот фермент синтезирует одну цепь ДНК на матрице вирусной РНК, а затем уже на матрице синтезированной цепи ДНК достраивает вторую, комплементарную ей цепь. Образуется двуцепочечная молекула ДНК, которая встраивается в геном клеток хозяина, такое состояние вируса называется провирусом. Исключением является вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), ДНК которого активно проникает в ядро и далее служит матрицей для синтеза молекул вирусных РНК. Эти РНК выходят из клеточного ядра в цитоплазму клетки, где происходит самосборка вирусных частиц, способных инфицировать новые клетки.

Вирусы найдены везде, где есть жизнь, и, вероятно, вирусы существуют с момента появления первых живых клеток. Происхождение вирусов неясно. По-видимому, вирусы являются производными генетических элементов клеток, но они возникали и эволюционировали вместе с возникновением и эволюцией клеточных форм жизни. Вероятно, разные группы вирусов возникали в исторически разные времена из разных генетических элементов клеток и поэтому существующие в настоящее время разные группы вирусов не имеют единого общего предка. Тем не менее универсальность генетического кода распространяется и на вирусы, свидетельствуя тем самым, что и они являются порождением органического мира Земли.

Биологическое значение вирусов в первую очередь связывается с их патогенным действием, т.е. способностью вызывать различные заболевания у человека, животных и растений. Сегодня специалисты насчитывают не менее 500 различных болезней человека, в которых в той или иной мере повинен вирус. Среди них такие тяжелые заболевания, как бешенство, натуральная оспа, желтая лихорадка, энцефалиты, инфекционные гепатиты, многие злокачественные опухоли, спид, корь и т.д. Помимо того, вирусы способны оказывать влияние на генетический аппарат клетки, вызывая генные мутации. Известны вирусы, которые могут встраивать свои ДНК в геном клеток организма, в который они проникают. Они не начинают активно копировать свой генетический материал, а остаются в виде так называемого провируса. Такой подход позволяет вирусам копировать информацию своего генома вместе с репликацией генома организма-хозяина, передаваясь по наследству потомкам этого хозяина. Геном человека более чем на 30% состоит из информации, кодируемой вирусоподобными элементами. С помощью вирусов может происходить так называемый горизонтальный перенос генов, т.е. передача генетической информации не от непосредственных родителей к своему потомству, а между двумя неродственными (или даже относящимися к разным видам) особями.

Опорные точки

• Вирусы и бактериофаги — неклеточные формы жизни, паразитирующие на генетическом уровне.

• Существуют два способа передачи вирусов от клетки к клетке: горизонтальный — путем выхода вирусной частицы из одной клетки и внедрения в другую клетку и вертикальный — из поколения в поколение в результате встраивания в хромосому клетки-хозяина.

Вопросы и задания для повторения

1. Какие существуют формы жизни?

2. Какие особенности организации характерны для вирусов?

3. Как устроены вирусы?

4. Каков принцип взаимодействия вируса и клетки?

5. Как вирус проникает в клетку?

6. Укажите особенности взаимодействия бактериофага с бактериальной клеткой.

7. В чем проявляется действие вирусов на клетку?

8. Какие болезни у человека вызывают вирусы?

9. Что такое бактериофаги? Каково их медицинское значение?

10. Как происходит синтез вирусных белков и упаковка новых вирусных частиц?