Определение 1

Строение вирусов

Основа вирусной частицы – молекулы нуклеиновой кислоты ДНК или РНК, при этом форма и число молекул могут сильно варьировать у разных видов.

Нуклеиновая кислота вируса упакована внутри капсида – белковой оболочки. При этом внутри капсида кроме нуклеиновой кислоты могут находиться различные ферменты, помогающие вирусу проникать в клетку хозяина или размножаться.

Для вирусов характерен дизъюнктивный способ репродукции, что означает, что синтез различных компонентов вирусной частицы происходит в разных частях инфицированной вирусом клетки. После синтеза нуклеиновой кислоты и необходимых белков, происходит самосборка вирусной частицы и выход ее из клетки. После прохождения полного цикла внутри клетки, зрелый вирус называется вирионом.

Замечание 1

Вирусные частицы имеют очень маленький размер и изучение их строения требует использования электронной микроскопии, методом ультрафильтрации, ультрацентрифугирования и методов молекулярной биологии (полимеразная цепная реакция, секвенирование). Кроме того, для изучения патологического процесса, вызываемого вирусом, используются биологические модели – культуры клеток, эмбрионы кур и лабораторные животные.

Существует разнообразное деление вирусов по морфологии. По строению оболочек они делятся на простые вирусы (вирус гепатита А) и сложные вирусы (вирусы гриппа, герпеса, ВИЧ).

Простые вирусы не имеют дополнительных оболочек, кроме капсида. Капсид складывается из белков. Которые могут образовывать мономерные структуры – капсомеры, которые затем при сборке вириона образуют цельный футляр. Некоторые простые вирусы могут формировать своеобразные белковые кристаллы (например, вирус ящура).

Замечание 2

Функция капсида – защита генетического материала вируса, а также участие в прикреплении вируса к клетке хозяина и проникновение нуклеиновой кислоты внутрь клетки. Большинство простых вирусов выходят из клетки, вызывая ее лизис - разрушение.

Сложные вирусы имеют дополнительную оболочку – суперкапсид, который представляет собой липидный бислой, отличающийся от цитоплазматической мембраны клетки-хозяина большим числом специфических липопротеинов. Кроме того, на поверхности оболочки вируса могут формироваться гликопротеиновые шипы.

Классификация вирусов

На данный момент широко используется классификация Д. Балтимора, которая основана на механизме синтеза вирусами мРНК. Она подразделяет вирусы на 7 группах. Таксономия вирусов включает семейства, подсемейство, род и вид. Виды вирусов не имеют биноминального названия, как у других организмов.

Замечание 3

Кроме того вирусы классифицируются по типу нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), ее структуре и количеству нитей, имеет значение размер и морфология вирионов, количество капсомеров, тип симметрии, наличие суперкапсида, чувствительность к химическим реагентам (дезинфицирующим средствам), место присутствия в клетке, антигенные свойства.

Значение для человека

Вирусы вызывают огромное количество самых разнообразных заболеваний и могут поражать живые организмы всех уровней от бактерий до человека. Эволюция вирусов идет параллельно с эволюцией хозяев. Кроме заболеваний человека и связанных с ним живых организмов, вирусы используются в качестве векторов нуклеиновых кислот в молекулярной биологии и помогаю классифицировать живые организмы.

Строение вирусов является неклеточным, так как они не имеют никаких органелл. Одним словом, это переходная стадия между мертвой и живой материей. Вирусы были открыты русским биологом Д.И. Ивановским в 1892 году в процессе рассмотрения мозаичной болезни табака. Все строение вирусов - это РНК или ДНК, заключенные в белковую оболочку, называемую капсидом. Вирионом называется сформированная инфекционная частица.

Вирусы гриппа или герпеса имеют дополнительную липопротеидную оболочку, которая возникает из цитоплазматической мембраны клетки хозяев. Вирусы подразделяются на ДНК-содержащие и РНК-содержащие, ведь они могут иметь только 1 тип Однако подавляющее количество вирусов - это РНК-содержащие. Их геномы бывают одноцепочечными и двуцепочечными. Внутреннее строение вирусов позволяет им размножаться только лишь в клетках других организмов, и никак иначе. Они совершенно не проявляют никакой внеклеточной жизнедеятельности. Размеры широко распространенных вирусов - от 20 до 300 нм диаметром.

Строение вирусов-бактериофагов

Вирусы, которые поражают бактерии изнутри, называют Они способны проникнуть в и разрушить.

Тело бактериофага кишечной палочки имеет головку, из которой выходит полый стержень, укутанный чехлом На конце этого стержня находится базальная пластинка, на которой закреплены 6 нитей. Внутри головки находится молекула ДНК. При помощи специальных отростков вирус-бактериофаг прикрепляется к телу бактерии кишечной палочки. Используя специальный фермент, фаг растворяет и проникает внутрь. Далее из канала стержня за счет сокращений головки выпрыскивается молекула ДНК, и буквально через 15 минут бактериофаг полностью перестаивает метаболизм клетки бактерии на нужный ему лад. Бактерия перестает синтезировать свою ДНК - она теперь синтезирует нуклеиновую кислоту вируса. Все это завершается тем, что появляется около 200-1000 особей фагов, а клетка бактерии разрушается. Все бактериофаги делятся на вирулентные и умеренные. Последние не совершают репликаций в клетке бактерии, а вирулентные образуют поколение особей в уже зараженном участке.

Вирусные болезни

Строение и жизнедеятельность вирусов обуславливается тем, что они способны существовать только в клетках других организмов. Поселившись в любой клетке, вирус может вызвать серьезное заболевание. Нередко их атакам подвергаются сельскохозяйственные растения и животные. Данные заболевания резко ухудшают плодовитость культур и являются причиной многочисленной гибели животных.

Существуют вирусы, которые способны вызвать различные заболевания и у человека. Всем известны такие болезни, как оспа, герпес, грипп, полиомиелит, свинка, корь, желтуха и СПИД. Все они возникают из-за деятельности вирусов. Строение вируса оспы почти не отличается от строения вируса герпеса, так как они входят в одну группу - Herpes Virus, куда входят еще некоторые В наше время активно распространяется вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Как побороть его, пока никому неизвестно.

2.4.1. Открытие

В 1852 г. русский ботаник Д.И. Ивановский впервые получил инфекционный экстракт из растений табака, пораженных мозаичной болезнью. Когда такой экстракт пропустили через фильтр, задерживающий , отфильтрованная жидкость все еще сохраняла инфекционные свойства. В 1898 г. голландец Бейеринк придумал новое слово «вирус» (от латинского слова, означающего «яд»), чтобы обозначить этим словом инфекционную природу определенных профильтрованных растительных жидкостей. Хотя удалось достичь значительных успехов в получении высокоочищенных проб вирусов и было установлено, что по химической природе это нуклеопротеины (сложные соединения, состоящие из и нуклеиновых кислот), сами частицы все еще оставались неуловимыми и загадочными, потому что они были слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью светового . Именно поэтому вирусы и оказались в числе первых биологических структур, которые были исследованы в электронном микроскопе сразу же после его изобретения в тридцатые годы XX столетия.

2.4.2. Свойства вирусов

Вирусы обладают следующими свойствами.

Ниже мы рассмотрим эти свойства более подробно.

Размеры

Вирусы – это мельчайшие живые организмы, размеры которых варьируют в пределах от 20 до 300 нм; в среднем они раз в пятьдесят меньше . Их нельзя увидеть с помощью светового микроскопа, и они проходят через фильтры, не пропускающие бактерий.

Происхождение

Исследователи часто задаются вопросом, живые ли вирусы? Если считать живой любую структуру, обладающую генетическим материалом (ДНК или РНК) и способную к самовоспроизведению, то ответ должен быть утвердительным: да, вирусы – живые. Если же признаком живого считать наличие клеточного строения, то ответ будет отрицательным: вирусы не живые. К этому следует добавить, что вне клетки-хозяина вирусы неспособны к самовоспроизведению.

Для более полного представления о вирусах необходимо знать их происхождение в процессе эволюции. Существует предположение, хотя и недоказанное, что вирусы – это генетический материал, некогда «сбежавший» из прокариотических и эукариотических клеток и сохранивший способность к воспроизведению при возвращении в клеточное окружение. Вне клетки вирусы находятся в совершенно инертном состоянии, однако они обладают набором инструкций (генетическим кодом), необходимых для того, чтобы вновь проникнуть в клетку и, подчинив ее своим инструкциям, заставить производить много идентичных себе (вирусу) копий. Следовательно, логично предположить, что в процессе эволюции вирусы появились позже клеток.

Строение

Строение вирусов очень простое. Они состоят из следующих структур:

1. сердцевины – генетического материала, представленного либо ДНК, либо РНК; ДНК или РНК может быть одноцепочечной или двухцепочечной;
2. капсида – защитной белковой оболочки, окружающей сердцевину;
3. нуклеокапсида – сложной структуры, образованной сердцевиной и капсидом;
4. оболочки – у некоторых вирусов, таких как ВИЧ и вирусы гриппа, имеется дополнительный липопротеиновый слой, происходящий из плазматической мембраны клетки-хозяина;
5. капсомеров – идентичных повторяющихся субъединиц, из которых часто бывают построены капсиды.

Рис. 2.16. Схематическое изображение вируса в разрезе.

Общая форма капсида отличается высокой степенью симметрии, обусловливая способность вирусов к кристаллизации. Это дает возможность исследовать их как методом рентгеновской кристаллографии, так и с помощью электронной микроскопии. Как только в клетке-хозяине образуются субъединицы вируса, они сразу же могут путем самосборки объединиться в полную вирусную частицу. Упрощенная схема строения вируса показана на рис. 2.16.



Рис. 2.17. А. Икосаэдр. Б. Электронная микрофотография вируса простого герпеса, полученная методом негативного контрастирования (окрашивается не сам препарат, а его фон). Обратите внимание, насколько отчетливо видны детали строения вируса. Индивидуальные капсомеры просматриваются как раз там, где между ними проник краситель.

Для структуры капсида характерны определенные типы симметрии, особенно полиэдрическая и спиральная. Полиэдр – это многогранник. Наиболее распространенная полиэдрическая форма у вирусов – икосаэдр, у которого имеется 20 треугольных граней, 12 углов и 30 ребер. На рис. 2.17, А мы видим правильный икосаэдр, а на рис. 2.17, Б – вирус герпеса, в частице которого 162 капсомера организованы в икосаэдр.



Рис. 2.18. А. Строение вируса табачной мозаики (ВТМ); видна спиральная симметрия капсида. Показана только часть палочковидного вируса. Рисунок построен на основе результатов рентгено-структурного анализа, биохимических данных и электронно-микроскопических исследований. Б. Электронная микрофотография вируса табачной мозаики, полученная методом негативного контрастирования (х 800 000). Капсид (оболочка) образован 2130 идентичными белковыми капсомерами. В. Растение табака, инфицированное ВТМ. Обратите внимание на характерные пятна в тех местах, где ткань листа отмирает.

Наглядной иллюстрацией спиральной симметрии может служить показанный на рис. 2.18, Б РНК-содержащий вирус табачной мозаики (ВТМ). Капсид этого вируса образован 2130 идентичными белковыми капсомерами. ВТМ был первым вирусом, выделенным в чистом виде. При заражении этим вирусом на листьях больного растения появляются желтые крапинки – так называемая мозаика листьев (рис. 2.18, В). Вирусы распространяются очень быстро либо механически, когда больные растения или его части приходят в соприкосновение со здоровыми растениям, либо воздушным путем с дымом от сигарет, для изготовления которых были использованы зараженные листья.



Рис. 2.19. А. Строение бактериофага Т2. Б. Электронная микрофотография бактериофага, полученная методом негативного контрастирования.

Вирусы, атакующие бактерий, образуют группу, называемую бактериофагами или просто фагами. У некоторых бактериофагов имеются четко выраженная икосаэдрическая головка и хвост, обладающий спиральной симметрией (рис. 2.19). На рис. 2.20 и 2.21 приводятся схематические изображения некоторых вирусов, иллюстрирующие их относительные размеры и общее строение.



Рис. 2.20. Несколько упрощенных схематических изображений вирусов, отражающих различие их симметрии и размеров. Фаг Т2 показан с нитями хвостового отростка, которые фаг выпускает перед тем как инфицировать клетку; у фага? нитей хвостового отростка нет.



Рис. 2.21. Строение вируса иммунодефицита человека (ВИЧ), относящегося к ретровирусам. Конусовидный капсид состоит из уложенных по спирали капсомеров. Спереди капсид срезан, чтобы были видны две копии РНК-геномов. Под действием фермента, называемого обратной транскриптазой, информация, закодированная в этих одноцепочечных РНК-цепях, транскрибируется в соответствующие двухцепочечные ДНК-нити. Капсид окружен белковой оболочкой, заякоренной в липидном бислое – оболочке, полученной от плазматической мембраны клетки-хозяина. В этой оболочке содержатся встроенные в нее вирусные гликопротеины, которые, специфически связываясь с рецепторами Т-клеток, обеспечивают проникновение вируса в клетку-хозяина.

В многовековой истории нашей планеты в развитие всей флоры и фауны постоянно вмешивались невидимые захватчики – вирусы (лат. virus – яд).
В связи с микроскопическим размером вирусы лишены такого сложного внутреннего многоклеточного строения как у живых организмах, так как они в разы меньше любой живой клетки и даже намного меньше какой-либо бактерии. Влиянию вирусов подвержены все известные живые организмы, не только люди, животные, рептилии и рыбы, но и всевозможные растения.
Только в начале 20-ого века, после изобретения электронного микроскопа, ученые смогли увидеть своими глазами крошечных возбудителей болезней, о которых до того момента уже было высказано великое множество теорий. Определенные вирусы человека отличались между собой по форме и размеру. В зависимости от типа болезни симптомы разных заболеваний проявляются по-разному: воспаляется кожа, внутренние органы или суставы.

Вирусная инфекция

В 1852 году Дмитрию Иосифовичу Ивановскому (русский ботаник) удалось получить инфекционный экстракт из растений табака, который был заражен мозаичной болезнью. Такая структура получила название вируса табачной мозаики.

Строение вируса

В самом центре вирусной частицы располагается геном (наследственная информация, которая представлена ДНК или РНК структурой – позиция 1). Вокруг генома располагается капсид (позиция 2), который представлен белковой оболочкой. На поверхности белковой оболочки капсида располагается липопротеидная оболочка (позиция 3). Внутри оболочки располагаются капсомеры (позиция 4). Каждый капсомер состоит из одной или двух белковых нитей. Число капсомеров для каждого вируса строго постоянно. Каждый вирус содержит определенное число капсомеров, поэтому их количество у разных видов вируса
существенно отличается. Некоторые вирусы не имеют в своем строении белковой оболочки (капсида). Такие вирусы называют простыми. И наоборот, вирусы, которые в своем строении имеют еще одну наружную (дополнительную липопротеидную) оболочку называются сложными. У вирусов различают две жизненные формы. Внеклеточная жизненная форма вируса называется варион (состояние покоя, ожидания). Внутриклеточная форма жизни вируса, которая активно репродуцирует, называется вегетативная.

Свойства вирусов

Вирусы не имеют клеточного строения, их относят к мельчайшим живым организмам, воспроизводятся внутри клеток, имеют простое строение, большинство из них вызывают различные болезни, каждый тип вируса распознает и инфицирует лишь определенные типы клеток, содержат только один тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК).

Классификация вирусов

Как клетки организма усваивают вещества

В отличие от других живых организмов вирусу для воспроизводства потомства нужны живые клетки. Сам по себе он не умеет размножаться. К примеру, клетки организма человека состоят из ядра (в нем сосредоточена ДНК — генетическая карта, план действий клетки для поддержания ее жизнедеятельности). Ядро клетки окружает цитоплазма, в которой расположены митохондрии (они вырабатывают энергию для химических реакций, лизосомы (в них расщепляются поступившие из вне материалы), полисомы и рибосомы (в них вырабатываются белки и ферменты для осуществления химических реакций, которые происходят в клетке). Вся цитоплазма клетки, вернее ее пространство пронизано сетью канальцев, по которым всасываются нужные вещества, а также выводятся ненужные. Также клетка окружена мембраной, которая защищает ее и выполняет роль двустороннего фильтра. Мембрана клетки постоянно вибрирует. При наличии на поверхности мембраны корпускулу белка она изгибается и заключает его в пищеварительный пузырек, который втягивает в клетку. Далее мозговой центр клетки (ядро) распознает поступившее извне вещество и дает серию команд центрам, которые расположены в цитоплазме. Они разлагают поступившее вещество на более простые соединения. Часть полезных соединений используют для поддержания жизнедеятельности и выполнения запрограммированных функций, а ненужные соединения выводят наружу из клетки. Так осуществляется процесс поглощения, переваривания, усвоения веществ в клетке и вывода ненужных наружу.

Размножение вирусов

Как отмечалось выше, вирусу для воспроизводства себе подобных нужны живые клетки, потому что сам по себе он не умеет размножаться. Процесс проникновения вируса в клетку состоит из нескольких этапов.

Первый этап проникновения вируса в клетку заключается в осаждении (адсорбции посредством электрического взаимодействия) его на поверхности клетки – мишени. Клетка – мишень должна в свою очередь обладать соответствующими поверхностными рецепторами. Без наличия соответствующих поверхностных рецепторов вирус не может присоединиться к клетке. Поэтому, такой вирус, который присоединился к клетке в результате электрического взаимодействия можно убрать путем встряхивания. Второй этап проникновения вируса в клетку называют необратимым. При наличии соответствующих рецепторов вирус прикрепляется к клетке и белковые шипы или нити начинают взаимодействовать с рецепторами клетки. В качестве рецепторов клетки выступает белок или гликопротеид, который обычно специфичен для каждого вируса.

Во время третьего этапа вирус всасывается (перемещается) в клеточной мембране с помощью внутриклеточных мембранных пузырьков.

В четвертом этапе ферменты клетки расщепляют вирусные белки, и таким образом освобождается из «заточения» геном вируса, в котором располагается наследственная информация, которая представлена ДНК или РНК структурой. Затем спираль РНК быстро разворачивается и устремляется в ядро клетки. В ядре клетки геном вируса изменяет генетическую информацию клетки и реализует свою. В результате таких изменений работа клетки полностью дезорганизуется и вместо нужных ей белков и ферментов клетка начинает синтезировать вирусные (видоизменённые) белки и ферменты.

Время прошедшее с момента проникновения вируса в клетку до выхода новых варионов называется скрытым, или латентным периодом. Оно может изменяться от нескольких часов (оспа, грипп) до нескольких суток (корь, аденовирус).

Вирусы - это мельчайшие живые организмы, размеры которых варьируют в пределах от 20 до 300 нм; в среднем они раз в пятьдесят меньше бактерий. Их нельзя увидеть с помощью светового микроскопа, и они проходят через фильтры, не пропускающие бактерий.

Происхождение вирусов

Исследователи часто задаются вопросом, живые ли вирусы ? Если считать живой любую структуру, обладающую генетическим материалом (ДНК или РНК) и способную к самовоспроизведению, то ответ должен быть утвердительным: да, вирусы - живые. Если же признаком живого считать наличие клеточного строения, то ответ будет отрицательным: вирусы не живые. К этому следует добавить, что вне клетки-хозяина вирусы неспособны к самовоспроизведению.

Для более полного представления о вирусах необходимо знать их происхождение в процессе эволюции. Существует предположение, хотя и недоказанное, что вирусы - это генетический материал, некогда «сбежавший» из прокариоти-ческих и эукариотических клеток и сохранивший способность к воспроизведению при возвращении в клеточное окружение.

Вне клетки вирусы находятся в совершенно инертном состоянии, однако они обладают набором инструкций (генетическим кодом), необходимых для того, чтобы вновь проникнуть в клетку и, подчинив ее своим инструкциям, заставить производить много идентичных себе (вирусу) копий. Следовательно, логично предположить, что в процессе эволюции вирусы появились позже клеток.

Строение вирусов

Строение вирусов очень простое. Они состоят из следующих структур:
1) сердцевины - генетического материала, представленного либо ДНК, либо РНК; ДНК или РНК может быть одноцепочечной или двухцепочечной;
2) капеида - защитной белковой оболочки, окружающей сердцевину;
3) нуклеокапсида - сложной структуры, образованной сердцевиной и капсидом;
4) оболочки - у некоторых вирусов, таких как ВИЧ и гриппа, имеется дополнительный липопротеиновый слой, происходящий из плазматической мембраны клетки-хозяина;
5) капсомеров - идентичных повторяющихся субъединиц, из которых часто бывают построены капсиды.

Общая форма капсида отличается высокой степенью симметрии, обусловливая способность вирусов к кристаллизации. Это дает возможность исследовать их как методом рентгеновской кристаллографии, так и с помощью электронной микроскопии. Как только в клетке-хозяине образуются субъединицы вируса, они сразу же могут путем самосборки объединиться в полную вирусную частицу. Упрощенная схема строения вируса показана на рисунке.

Для структуры капсида вируса характерны определенные типы симметрии, особенно полиэдрическая и спиральная. Полиэдр - это многогранник. Наиболее распространенная полиэдрическая форма у вирусов - икосаэдр, у которого имеется 20 треугольных граней, 12 углов и 30 ребер. На рисунке, А мы видим правильный икосаэдр, а на рисунке, Б - вирус герпеса, в частице которого 162 капсомера организованы в икосаэдр.

Наглядной иллюстрацией спиральной симметрии может служить показанный на рисунке, РНК-содержащий вирус табачной мозаики (ВТМ). Капсид этого вируса образован 2130 идентичными белковыми капсомерами.

ВТМ был первым вирусом , выделенным в чистом виде. При заражении этим вирусом на листьях больного растения появляются желтые крапинки - так называемая мозаика листьев (рис. 2.18, В). Вирусы распространяются очень быстро либо механически, когда больные растения или его части приходят в соприкосновение со здоровыми растениям, либо воздушным путем с дымом от сигарет, для изготовления которых были использованы зараженные листья.

Вирусы , атакующие бактерий, образуют группу, называемую бактериофагами или просто фагами. У некоторых бактериофагов имеются четко выраженная икосаэдрическая головка и хвост, обладающий спиральной симметрией). На рисунке приводятся схематические изображения некоторых вирусов , иллюстрирующие их относительные размеры и общее строение.