Биологические вирусы

    Но  яд это – вещество, а возбудитель  болезни табака был существом. Он отлично размножался в листьях  растений.

    Так Ивановский открыл новое царство живых организмов, самых мелких из всех живых и потому невидимых в световом микроскопе. Проходящих сквозь тончайшие фильтры, сохраняющихся в соке годами и при этом не теряющих вирулентности. В 1889 году датский ботаник Мартин Виллем Бейринк, которого Майер заинтересовал болезнью табака, назвал вновь открытое существо вирусом, добавив, что вирус представляет собой «жидкое, живое, заразное начало». 

    Составные части вируса 

    В 1932 году молодому американскому биохимику  Вендиллу Стенли тогдашний директор  Рокфеллеровского института в Нью-Йорке Симон Флекенер предложил заняться вирусами. Стенли начал с того, что собрал тонну листьев табака, пораженных вирусом табачной мозаики, и решил получить сок из всей этой горы. Он отжал бутыль сока и начал исследовать сок доступными ему химическими методами. Разные фракции сока он подвергал воздействию всевозможных реактивов, надеясь получить чистый вирусный белок (Стенли был убеждён, что вирус это белок). Ему долгое время не удавалось избавиться от белков растительных клеток. Однажды, перепробовав разные методы подкисления и высаливания, Стенли получил почти чистую фракцию белка, отличавшегося по своему составу от белков растительных клеток. Учёный понял, что перед ним то, чего он так упорно добивался. Стенли выделил необыкновенный белок, растворил его в воде и поставил раствор в холодильник. Наутро в колбе вместо прозрачной жидкости лежали красивые шелковистые игольчатые кристаллы. Из тонны листьев Стенли добыл столовую ложку таких кристаллов. Затем Стенли отсыпал немного кристалликов, растворил их в воде, смочил этой водой марлю и ею натёр листья здоровых растений. Сок растений подвергся целому комплексу химических воздействий. После такой «массированной обработки» вирусы, скорее всего, должны были погибнуть.

    Натёртые  листья заболели, а через пару недель характерная мозаика белых пятен  покрыла все растения, затем повторил эту операцию опять, а после четвёртого или пятого «переливания» вируса отжал сок из листьев, подверг  его той же химической обработки и снова получил точно такие же кристаллы. Странные свойства вируса пополнились ещё одним – способностью кристаллизироваться.

    Эффект  кристаллизации был настолько ошеломляющим, что Стенли надолго отказался  от мысли, что вирус -  это существо. Так как все ферменты (катализаторы реакции в живых организмах) – белки, и количество многих ферментов также увеличивается по мере развития организма, и они могут кристаллизироваться, Стенли заключил, что вирусы – чистые белки, скорее ферменты.

    Вскоре  учёные убедились, что кристаллизировать можно не только вирус табачной мозаики, но и ряд других вирусов.

    Вендел  Стенли в 1946 году был удостоен Нобелевской  премии.

    Спустя  пять лет английские биохимики Ф. Боуден и Н. Пири нашли ошибку в  определении Стенли.  94% содержимого вируса табачной мозаики состоял из белка, а 6% представляло собой нуклеиновую кислоту. Вирус был на самом деле не белком, а нуклеопротеином – соединением белка и нуклеиновой кислоты.

    Как только биологам стали доступны электронные  микроскопы, учёные установили, что кристаллы вирусов состоят из тесно прижатых друг к другу нескольких сотен миллиардов частиц.  В одном кристалле вируса полиомиелита столько частиц, что ими можно заразить не по одному разу всех жителей Земли. Когда же удалось рассмотреть в электронном микроскопе отдельные вирусные частицы, то оказалось что они бывают разной формы – и шарообразные, и палочковидные, и в виде сандвича, и в форме булавы, но всегда наружная оболочка вирусов состоит из белка, а внутреннее содержимое представлено нуклеиновой кислотой. 
 

    Лизогения 

    Когда вирусологи поближе познакомились  с жизнью вирусов, они обнаружили у них ещё одно неожиданное  свойство. Раньше считали, что любая  частица вируса, попав в клетку, начинает там размножаться и, в конце  концов, клетка погибает. Но в 1921 году, а затем в середине 30 – х. годов в институте Пастера в Париже была описана странная картина. К бактериям добавляли бактериофаги. Через какой-то промежуток времени клетки должны были погибнуть, но, удивительно, часть их осталась жить, и продолжала размножаться, несмотря на то, что кишмя кишели фаги. Каким – то образом эти клетки получили иммунитет к фагам. Учёные выделили такие клетки, очистили их от фагов, затем стали регулярно высевать  их и однажды обнаружили, что в свободной от фагов культуре бактерий, откуда не возьмись, снова появляются фаговые частицы.

    Исчезнув  на время, как будто спрятавшись  внутрь клетки, фаги снова заявили  о своём существовании. Эти же фаги испытали на свежих ещё не заражённых культурах бактерий. Фаги по-прежнему вели себя необычно. Часть из них, как и полагалось, вызывало гибель клеток, но многие исчезали внутри клеток, а как только это происходило, клетки получали способность противостоять заражению другими такими же вирусами.

    Процесс исчезновения вирусов назвали лизогенизацией, а клетки, заражённые такими вирусами, стали именовать лизогенными. Всякие попытки обнаружить всякие фаги внутри лизогенных бактерий окончились неудачно. Вирус прикреплялся к какой-то структуре клетки и без неё не размножался.

    С помощью микроманипулятора учёные Львов и Тутман отделил от общей массы лизогенных бактерий одну клетку, и начали за ней наблюдать. Клетка поделилась один раз, дав начало двум молоденьким клеткам, те, в свою очередь, через положенное время дали потомство. Клетка, подозреваемая в том, что она спрятала внутри бактериальный вирус, ничем от других не отличалась. Сменилось 15 поколений бактерий, но терпеливые учёные постоянно наблюдали с помощью микроскопа, заменяя друг друга через определённые промежутки времени. Во время 19 деления одна из клеток лопнула точно так, как разрывались обычные бактерии, заражённые обычным вирусом.

    Учёные  определили, что лизогенные клетки, хотя и несут в себе вирус или  его часть, но до поры до времени  этот вирус не инфекционен. Такой  внутри клеточный вирус они назвали провирусом, или, если речь шла о бактериофагах, профагом.

    Затем они доказали, что провирус, попав  в бактерию, не исчезает. Через 18 поколений  его удалось обнаружить. Оставалось предположить, что всё это время  профаг размножался вместе с бактерией.

    Впоследствии  было доказано, что обычно профаги  не могут размножаться сами по себе, как это делают все остальные  вирусы, а размножаются только тогда, когда размножается сама бактерия.

    И, наконец, третья честь этого открытия принадлежит Львову, Симиновичу и Кылдгарду – способ выделения из состояния равновесия провируса. Воздействуя небольшими дозами ультрафиолетовых лучей на лизогенные клетки, удавалось вернуть их профагам способность размножаться независимо от клеток. Такие освобождённые фаги вели себя точно так, как вели себя их предки: размножались и разрушали клетки. Львов сделал из этого верный, единственный вывод – ультрафиолет нарушает связь профага с какой-то из внутри клеточных структур, после чего и наступает обычное ускорение размножения фагов. 
 
 

 

    

    ΙΙΙ. Заповеди вирусов. 

    Вирусы  проходят через фильтры, задерживающие  бактерии. Им дали название – «фильтрующиеся вирусы», но оказалось, что через  бактериальные фильтры (менее 0,5 микрометра) проходят не только вирусы, но и бактерии L-формы (их изучал академик В. Д. Тимаков со своими учениками). Затем был открыт целый класс наиболее мелких бактерий – микоплазмы. Так «фильтрующиеся» вирусы стали просто вирусы.

    Невозможно  выращивать вирусы на искусственных  средах. Это свойство вирусов отражает степень паразитизма. Они не растут даже на самых сложных по составу питательных средах и развиваются только  в живых организмах, что считалось основным критерием отличия развития вирусов от других микроорганизмов. Но были открыты опять же бактерии, не развивающиеся на питательных средах. Это риккетсии и хламидии. Риккетсии вызывают сыпной тиф, пятнистую лихорадку и другие. Хламидии – возбудители трахомы, пневмонии (воспаления лёгких).

    Таким образом, живая клетка - единственная возможная среда обитания для вирусов, риккетсий, хламидий и некоторых простейших. Но сейчас выяснилось, что вирусы для своего размножения не нуждаются в целой клетки, им достаточно её одной определённой части. 

 

    

    ΙV. Как устроены вирусы? 

    Сравнивая живое и неживое, необходимо особо остановиться на вирусах, так как они обладают свойствами и того и другого.  Что же такое вирусы?

    Вирусы  настолько малы, что их не видно  даже в самый сильный световой микроскоп. Их удалось рассмотреть  только после создания электронного микроскопа, разрешающая способность которого в 100 раз больше чем у светового.

    Сейчас  нам известно, что вирусные частицы  не являются клетками; они представляют собой скопление нуклеиновых  кислот (которые составляют единицы  наследственности, или гены), заключенные  в белковую оболочку.

    Размеры вирусов колеблются от 20 до 300 нм. В  среднем они в 50 раз меньше бактерий. Их нельзя увидеть в световой микроскоп, так как их длины меньше длины  световой волны. 

      

    Схематический разрез. 

                                                                   дополнительная

                                                                       оболочка

    

      
 

     каспсомер

    

    

    

                                                                                                   сердцевина

               

       
 
 
 

       Вирусы состоят из различных  компонентов:

    а) сердцевина - генетический материал (ДНК  или РНК). Генетический аппарат вируса несет информацию о нескольких типах  белков, которые необходимы для образования  нового вируса: ген, кодирующий обратную транскриптазу и другие.

    б) белковая оболочка, которую называют капсидом.

       Оболочка часто построена из  индентичных повторяющихся субъединиц - капсомеров. Капсомеры образуют  структуры с высокой степенью  симметрии.

    в) дополнительная липопротеидная оболочка.

       Она образована из плазматической  мембраны клетки-хозяина. Она  встречается только у сравнительно  больших вирусов (грипп, герпес).

    В отличие от обычных живых клеток вирусы не употребляют пищи и не вырабатывают энергии. Они не способны размножаются без участия живой клетки. Вирус начинает размножаться лишь после того, как он проникнет в клетку определенного типа. Вирус полиомиелита, например, может жить только в нервных клетках человека или таких высокоорганизованных животных, как обезьяны.    

    Изучению вирусов, инфицирующих некоторые бактерии в кишечнике человека, показало, что цикл размножения этих вирусов протекает следующим образом: вирусная частица прикрепляется к поверхности клетки, после чего нуклеиновая кислота вируса (ДНК) проникает внутрь клетки, а белковая оболочка остается снаружи. Вирусная нуклеиновая кислота, оказавшись внутри клетки, начинает самовоспроизводиться, используя в качестве строительного материала вещества клетки-хозяина. Затем, опять таки из продуктов обмена клетки, вокруг вирусной нуклеиновой кислоты образуется белковая оболочка: так формируется зрелая вирусная частица. Вследствии этого процесса некоторые жизненно важные частицы клетки-хозяина разрушаются, клетка гибнет, ее оболочка лопается, освобождаются вирусные частицы, готовые к заражению других клеток. Вирусы вне  клетки представляют собой кристаллы, но при попадании в клетку “оживают”.

    Итак, ознакомившись с природой вирусов, посмотрим, насколько они удовлетворяют  сформулированным критериям живого. Вирусы не являются клетками и в отличие от живых организмов с клеточной структурой не имеют цитоплазмы. Они не получают энергии за счет потребления пищи. Казалось бы, их нельзя считать живыми организмами. Однако вместе с тем вирусы проявляют свойства живого. Они способны приспосабливаться к окружающей среде путем  естественного отбора. Это их свойство обнаружилось при изучении устойчивости вирусов к антибиотикам. Допустим, что больного с вирусной пневмонией лечат каким-то антибиотиком, но вводят его в количестве, недостаточном для разрушения всех вирусных частиц. При этом те вирусные частицы, которые оказались более устойчивыми к антибиотику и их потомство наследует эту устойчивость. Поэтому в дальнейшем этот антибиотик окажется не эффективным, штамма созданного естественным отбором.