Вирусы и их виды

ВИРУСЫ  И ИХ ВИДЫ 

Заболевания растений, животных и человека, вирусная природа  которых в настоящее время  установлена, в течение многих столетий наносили ущерб хозяйству и вред здоровью человека. Хотя многие из этих болезней были описаны, но попытки установить их причину и обнаружить возбудитель  оставались безуспешными. В результате наблюдений Д.И. Ивановский и В.В. Половцев впервые высказали предположение, что болезнь табака, описанная в 1886 году A.D. Mayer в Голландии под название мозаичной, представляет собой не одно, а два совершенно различных заболевания одного и того же растения: одно из них - рябуха, возбудителем которого является грибок, а другое неизвестного происхождения. Исследование мозаичной болезни табака Д.И. Ивановский продолжает в Никитинском ботаническом саду (под Ялтой) и ботанической лаборатории Академии наук и приходит к выводу, что мозаичная болезнь табака вызывается бактериями, проходящими через фильтры Шамберлана, которые, однако, не способны расти на искусственных субстратах. Возбудитель мозаичной болезни называется Ивановским то “фильтрующимися” бактериями, то микроорганизмами, так как сформулировать сразу существование особого мира вирусов было весьма трудно. Подчеркивая, что возбудитель мозаичной болезни табака не мог быть обнаружен в тканях больных растений с помощью микроскопа и не культивировался на искусственных питательных средах. Д.И. Ивановский писал, что его предположение о живой и организованной природе возбудителя “формировано в целую теорию особого рода инфекционных заболеваний”, представителем которых, помимо табачной мозаики, является ящур (использовав тот же метод фильтрации). Д.И. Ивановский открыл вирусы - новую форму существования жизни. Своими исследованиями он заложил основы ряда научных направлений вирусологии: изучение природы вируса, цитопатологических вирусных инфекций, фильтрующихся форм микроорганизмов, хронического и латентного вирусоносительства. Один из выдающихся советских фитовирусологов В.Л. Рыжков писал: “Заслуги Д.И. Ивановского не только в том, что он открыл совершенно новый вид заболеваний, но и в том, что он дал методы их изучения”. В 1935 году У. Стенли из сока табака, пораженного мозаичной болезнью, выделил в кристаллическом виде ВТМ (вирус табачной мозаики). За это в 1946 году ему была вручена Нобелевская премия. В 1958 году Р.Франклин и К.Холм, исследуя строение ВТМ, открыли, что ВТМ является полым цилиндрическим образованием. В 1960 году Гордон и Смит установили, что некоторые растения заражаются свободной нуклеиновой кислотой ВТМ, а не целой частицей нуклеотида. В этом же году крупный советский ученый Л.А.Зильбер сформулировал основные положения вирусогенетической теории. В 1962 году американские ученые А. Зигель, М. Цейтлин и О.И. Зегал экспериментально получили вариант ВТМ, не обладающий белковой оболочкой, выяснили, что у дефектных ВТМ частиц белки располагаются беспорядочно, и нуклеиновая кислота ведет себя, как полноценный вирус.

В 1968 году Р.Шепард обнаружил ДНК-содержащий вирус.

Одним из крупнейших открытий в вирусологии является открытие американских ученых Д. Балтимора  и Н. Темина, которые нашли в структуре ретровируса ген, кодирующий фермент - обратную транскриптазу. Назначение этого фермента - катализировать синтез молекул ДНК на матрице молекулы РНК. За это открытие они получили Нобелевскую премию. В знак признания выдающихся заслуг Д.И. Ивановского перед вирусологической наукой Институту вирусологии АМН СССР в 1950 году было присвоено его имя, в Академии медицинских наук учреждена премия имени Д.И.Ивановского, присуждаемая один раз в три года.

Место вирусов в биосфере

Эволюционное  происхождение

По мере изучения природы вирусов в первом полустолетии после их открытия Д.И. Ивановским (1892) формировались представления о вирусах как о мельчайших организмах. Эпитет “фильтрующийся” со временем был отброшен, так как стали известны фильтрующиеся формы или стадии обычных бактерий, а затем и фильтрующиеся виды бактерий. Наиболее правдоподобной и приемлемой является гипотеза о том, что вирусы произошли из “беглой” нуклеиновой кислоты, т.е. нуклеиновой кислоты, которая приобрела способность реплизироваться независимо от той клетки, из которой она возникла, хотя при этом предусматривается, что такая ДНК реплизируется с использованием структур этой или другой клеток. На основании опытов фильтрации через градуированные линейные фильтры были определены размеры вирусов. Размер наиболее мелких из них оказался равным 20-30 нм., а наиболее крупных - 300-400 нм. В процессе дальнейшей эволюции у вирусов менялась больше форма, чем содержание. Таким образом вирусы, должно быть, произошли от клеточных организмов, и их не следует рассматривать, как примитивных предшественников клеточных организмов. 
 
 

Строение  и свойства

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

капсомер

сердцевина

Вирусы состоят  яз 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 каспидом.

Оболочка часто  построена из идентичных повторяющихся субъедениц - 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).

Полностью сформированная инфекционная частица называется вирионом.

Положение о  том, что вирусы представляют собой  полноценные организмы, позволило  окончательно объединить все три  названных группы вирусов - вирусы животных, растений и бактерий - в одну категорию, занимающую определенное место среди  живых существ, населяющих нашу планету. Тот факт, что их не удалось выращивать на искусственных питательных средах, вне клеток, не вызывал особого  удивления, так как вирусы с самого начала были определены как строгие  внутриклеточные паразиты. Это свойство признавалось не уникальным, присущим только вирусам, поскольку внутриклеточные  паразиты известны и среди бактерий, и среди простейших. Как и другие организмы, вирусы способны к размножению. Вирусы обладают определенной наследственностью, воспроизводя себе подобных. Наследственные признаки вирусов можно учитывать по спектру поражаемых хозяев и симптомам вызываемых заболеваний, а также по специфичности иммунных реакций естественных хозяев или искусственных иммунизируемых экспериментальных животных. Сумма этих признаков позволяет четко определить наследственные свойства любого вируса, и даже больше - его разновидностей, имеющих четкие генетические маркеры, например: нейтропность некоторых вирусов гриппа, сниженную патогенность у вакцинальных вирусов и т.п. Изменчивость является другой стороной наследственности, и в этом отношении вирусы подобны всем другим организмам, населяющим нашу планету. При этом у вирусов можно наблюдать как генетическую изменчивость, связанную с изменением наследственного вещества, так и фенотипическую изменчивость, связанную с проявлением одного и того же генотипа в разных условиях. Примером первого типа изменчивости являются мутанты одного и того же вируса, в частности температурочувствительные мутанты. Примером второго типа изменчивости служит разный тип поражений, вызываемых одним и тем же вирусом у различных животных, растений и бактерий. Все вирусы по своей природе - паразиты. Они способны воспроизводить себя, но только внутри живых клеток. Обычно вирусы вызывают явные признаки заболевания. Попав внутрь клетки, они “включают” ее ДНК и, используя свою собственную ДНК или РНК, дают клетке команду синтезировать компоненты вируса. Компоненты вируса способны к спонтанному образованию вириона. Клетка, израсходовав все жизнетворные соки на синтез вирусов, гибнет, перегруженная паразитами. Вирусы “разрывают” оболочку клетки и передаются в другую клетку в виде инертных частиц. Вирусы вне клетки представляют собой кристаллы, но при попадании в клетку “оживают”.

Ученные, анализируя строение вещества, до сих пор не решили: считать вирусы живыми или  мертвым. Вирусы, с одной стороны, обладают способностью размножатся, наследственностью и изменчивостью, но с другой стороны, не имеют обмена веществ, и их можно рассматривать, как гигантские молекулы.

Вирусы, как и  другие организмы, характеризуются  приспособляемостью к условиям внешней  среды. Нужно только не забывать, что  для них организм хозяина является средой обитания, поэтому многие условия  внешней среды влияют на вирус  опосредованно - через организм хозяина. Однако многие факторы внешней среды  могут и непосредственно воздействовать на вирусы. Достаточно вспомнить уже  названные температурочувствительные мутанты вирусов, которые, например, размножаются при температуре 32-37 С и гибнут при температуре 38-40 С, хотя их хозяева остаются вполне жизнеспособными при этих температурных режимах. В связи с тем, что вирусы являются паразитами, они подчиняются закономерностям и к ним применимы понятия экологии паразитизма. Каждый вирус имеет круг естественных хозяев, иногда очень широкий, как, например, у мелких РНК-геномных фагов: в первом случае поражаются все млекопитающие, во втором - отдельные клоны кишечной палочки. Циркуляция вирусов может быть горизонтальной (распространение среди популяции хозяев) и вертикальной (распространение то родителей потомству). Таким образом, каждый вирус занимает определенную экологическую нишу в биосфере.

Классификация

а) Вирусы классифицируются по сердцевине:

ДНК-содержащие и РНК-содержащие (ретро) вирусы.

б) По структуре  капсомеров.

Изометрические (кубические), спиральные, смешанные.

в) По наличию  или отсутствию дополнительной липопротеидной оболочки

г) По клеткам-хозяинам

Кроме этих классификаций  есть еще много других. Например, по типу переноса инфекции от одного организма  к другому.

2. Бактериофаги

Открытие.

Спустя 25 лет  после открытия вируса, канадский  ученый Феликс Д'Эрел, используя метод фильтрации, открыл новую группу вирусов, поражающих бактерии. Они так и были названы бактериофагами (или просто фагами).

Жизненный цикл бактериофагов.

1) Фаг приближается  к бактерии 

2) Хвостовые  нити изгибаются и “заякоривают” шипы и базальную пластинку на поверхность клетки; хвостовой чехол сокращается, заставляя полый стержень входить в клетку; этому способствует фермент - лизоцим, который находится в базальной пластинке; таким образом ДНК вводится внутрь клетки.

3) ДНК фага  кодирует синтез ферментов фага, используя для этого более  синтезирующий аппарат (рибосомы  и т.п.) хозяина.

4) Фаг тем  или иным способом инактивирует  ДНК хозяина, а фермент фага  совсем расщепляет ее; ДНК фага  подчиняет себе клеточный аппарат.

5) ДНК фага  реплицируется и кодирует синтез  новых белков.

6) Новые частицы  фага, образуюшиеся в результате спонтанной самосборки белковой оболочки вокруг фаговой ДНК; под контролем ДНК фагов синтезируется лизоцим.

7) Лизис клетки, т.е. клетка лопается под воздействием лизоцима; высвобождается около 200-1000 новых фагов; фаги индуцируют другие клетки.

Жизненный цикл фага составляет 30 минут.

Лечение.

Свойство бактериофагов  разрушать бактерии используется для  предупреждения и лечения бактериальных  заболеваний.

Через 10-15 минут  после введения бактериофагов в  организм возбудителя чумы, брюшного тифа, дизентерии, сальмонеллеза обезвреживаются.

Но у этого  метода есть серьезный недостаток. Бактерии более изменчивы (в плане  защиты от фагов) чем бактериофаги, поэтому бактериальные клетки относительно быстро становятся нечувствительными  к фагам.

3. Проблемы рака

Способность вирусов  вызывать опухоли была установлена  в начале 20 века.

Онкогенное действие вирусов.

К онкогенным (опухолеродным) относятся вирусы, способные превращать зараженную ими клетку в опухолевидную. Известные в настоящее время онкогенные вирусы принадлежат к 4 из 5 семейств ДНК-содержащих вирусов (герпес-вирусы, адено-вирусы) и к одному семейству РНК-содержащих вирусов (ретровирусов).

Механизм трансформирующего  действия онкогенных вирусов на клетку.

Каким же образом  вирус превращает нормальную клетку в опухолевидную. На этот вопрос, исключительно важный не только для онкологии и вирусологии, но и для понимания важнейших аспектов биологии в настоящее время еще нет четкого и полного ответа.

Можно представить  себе два принципиально различных  механизма воздействия опухолеродного вируса на клетку: 1)вирус или вирусный геном осуществляет запуск трансформированного  процесса, но не участвует в его  поддержании (гипотеза запуска); 2)для возникновения и поддержания трансформированного состояния клетки необходимо постоянное присутствие вирусного генома (гипотеза присутствия). Если верна вторая гипотеза, то вирусный геном может действовать на клетку одним из двух общих механизмов: 1)вирусный геном включается в клеточный геном и занимает такое положение, при котором нарушается контроль клеточного деления; функционирование вирусного генома при этом не обязательно (гипотеза положения); 2) не вирусный геном а продукты его функционирования непосредственно отвечают за возникновение и поддержания трансформированного состояния клетки (гипотеза функционирования).