Различия между вирусами и клеточными организмами

Лекция 4 Неклеточные формы жизни. ВИРУСЫ

Открытие. В 1852 году русский ботаник Дмитрий Иосифович Ивановский впервые получил инфекционный экстракт из растения табака, пораженных мозаичной болезнью. Когда такой экстракт пропустили через фильтр, задерживающий бактерии, отфильтрованная жидкость все еще сохраняла инфекционные свойства.

В 1898 году голландский ученый Мартинус Виллем Бейеринк придумал новое слово «вирус» (от латинского слова, означающего «яд»), чтобы обозначить этим словом инфекционную природу определенных профильтрованных растительных жидкостей.

Вирусы оказались среди первых биологических структур, которые были исследованы в электронном микроскопе сразу после его изобретения в 30-е годы ХХ столетия.

Вирусы – это мельчайшие живые организмы (20-300 нм); в среднем они в 50 раз мельче бактерий. Вирусы являются облигатными (обязательными) внутриклеточными паразитами, то есть они способны воспроизводить себя только внутри живой клетки хозяина. Вирусы поражают все живые организмы, например, вирусы растений (фитопатогенные вирусы): рак картофеля, вирус табачной мозаики, вирусы животных – вирус ящура, бешенства; для человека – вирус гриппа, ВИЧ-инфекция, вирус полиомиелита, оспы, кори. Есть вирусы и у бактерий – бактериофаги.

Вирусы обладают следующими свойствами.

1. Это мельчайшие живые организмы. Размеры которых варьируют в пределах от 20 до 300 нм; в среднем они в 50 раз меньше бактерий. Вирусы не задерживаются бактериальными фильтрами, не осаждаются в обычных центрифугах, только в ультрацентрифугах. Их нельзя рассмотреть в обычный микроскоп, только в электронный. По своим размерам Вирусы занимают промежуточное положение между наименьшими живыми клетками и самыми крупными молекулами химических соединений.

2. Они не имеют клеточного строения.

3. Вирусы способны воспроизводиться, лишь проникнув в живую клетку. Следовательно, все они — облигатные внутриклеточные паразиты. Иными словами, вирусы могут жить, лишь паразитируя внутри других клеток. Большинство из них вызывает болезни.

4. Вирусы состоят из молекулы нуклеиновой кислоты, либо ДНК, либо РНК, окруженной белковой или липопротеиновой оболочкой.

5. Вирусы высокоспецифичны в отношении своих хозяев (каждый тип вируса способен распознавать и инфицировать лишь определенные типы клеток).

Различия между вирусами и клеточными организмами.

1. Клетка имеет нуклеиновые кислоты двух типов (ДНК и РНК). Вирусы имеют только 1 тип нуклеиновых кислот (ДНК или РНК).

2. Вирус имеет ограниченный набор ферментов, необходимых только для проникновения в клетку хозяина и удвоения своей нуклеиновой кислоты.

3. В отличие от клетки, которая возникает из предыдущей путем деления, вирусы не возникают из предшествующего вируса. Вирус возникает в результате сборки синтезированных клеткой хозяина вирусной нуклеиновой кислоты и вирусной белковой оболочки (метод самосборки).

4. Вирусы не размножаются на искусственных питательных средах и могут существовать только в организме восприимчивого к ним хозяина.

Строение вирусов.

Вирусная частица «вирион» по химической природе представляет собой нуклеопротеид. Они состоят из следующих структур:

1) сердцевины – генетического материала, представленного либо ДНК, либо РНК; ДНК двухцепочечной или РНК одноцепочечной; Молекула ДНК замкнута в кольцо, а РНК имеет, как правило, линейную форму.

2) капсида – защитной белковой оболочки, окружающей сердцевину;

* нуклеокапсида – сложной структуры, образованной сердцевиной и капсидом;

3) оболочки – у некоторых вирусов, таких как ВИЧ и вирусы гриппа, имеется дополнительный липопротеиновый слой, происходящий из плазматической мембраны клетки-хозяина;

4) капсомеров – идентичных повторяющихся субъединиц, из которых построены капсиды. Такой принцип строения гарантирует максимальный эффект при минимальной затрате генетического материала.

Общая форма капсида отличается высокой степенью симметрии, обуславливая способность вирусов к кристаллизации (это дает возможность исследовать их методами ренгеновской кристаллографии и электронной микроскопии).

Для структуры вирусов 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. Примером может служить вирус герпеса, в частице которого 162 капсомера организованы в икосаэдр.

Иллюстрацией спиральной симметрии может служить 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. Вирусы распространяются очень быстро либо механически, когда больные растения или его части приходят в соприкосновение со здоровыми растениями, либо воздушным путем с дымом от сигарет, для изготовления которых были использованы зараженные листья.

Среди вирусных болезней человека особый интерес вызывает СПИД (синдром приобретенного иммонодефицита человека), поскольку это относительно новая болезнь. Впервые сообщение о ней появилось в США в 1981 году. СПИД вызывается вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ). ВИЧ относится к группе ретровирусов. Обычно перенос генетической информации идет в направлении ДНК→РНК, т.е. информация, закодированная в определенном отрезке ДНК (гене) транскрибируется, т.е. считывается, с образованием соответствующей РНК. У ретровирусов же, у которых наследственным материалом служит РНК, происходит обратная транскрибция, т.е. генетическая информация считывается в обратном направлении: от РНК к ДНК. Фермент, участвующий в обратной транскрипции, называется обратной транскриптазой. Он широко используется в генетической инженерии.

Строение вируса иммонудефицита человека (ВИЧ): 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 соотвествующие 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.

Жизненный цикл ВИЧ. ВИЧ инфицирует и разрушает лейкоциты определенной группы, называемые Т-хелперными лимфоцитами, подавляя в результате активность иммунной системы.

1) Вирус приближается к Т₄- лимфоциту.

2) Вирусный гликопротеин прикрепляется к рецепторному белку, находящемуся на плазматической мембране

3) Вирус проникает в клетку путем эндоцитоза

4) Вирусная РНК высвобождается в цитоплазму вместе с ферментом обратной транскриптазой

5) В результате транскрипции одноцепочечной вирусной РНК при участии обратной транскриптазы образуется двухцепочечная ДНК

6) Образовавшиеся ДНК проникает в клеточное ядро и встраивается в ДНК клетки-хозяина. При каждом клеточном делении одновременно с копированием клеточной ДНК происходит копирование и встроенной вирусной ДНК. В результате число инфицированных клеток увеличивается.

7) По истечении неактивного периода, называемого латентным периодом, который длится примерно 5 лет, вирус вновь активируется. Факторы, индуцирующие превращение латентного вируса в активный, не установлены.

8) С использованием белоксинтезирующего аппарата клетки-хозяина образуется новая РНК (транскрипция) и синтезируются вирусные белки

9) Сборка новых вирусных частиц

10) Вирусные белки отпочковываются от клетки путем экзоцитоза

11) В конечном счете инфицирование клетки вирусом приводит к ее гибели