Тема: вирусы, прионы. Строение, жизненные циклы. Роль в природе и жизни человека

Лекция № 16

В системе органического мира отдельно выделяют неклеточные формы жизни – вирусы (от латинского слова вирус – яд). Их изучает наука вирусология.

Впервые существование вирусов доказал русский ученый Дмитрий Иосифович Ивановский в 1892 году. Исследуя заболевания табака, он с помощью микробиологических фильтров пытался выделить возбудителя табачной мозаики. Но даже фильтры с мельчайшим диаметром пор не смогли его задержать, и отфильтрованный сок больного растения вызывал заболевание здоровых. На основании этого ученый выдвинул предположение о существовании неизвестного в то время науке организма, который по размерам значительно уступает бактериям. Позже было доказано существование аналогичных возбудителей различных заболеваний животных. Все эти невидимые в световой микроскоп организмы получили общее название вирусы. Но систематическое изучение вирусов началось только в 30-е годы ХХ века после изобретения электронного микроскопа.

От представителей других групп организмов вирусы отличаются отсутствием клеточного строения. Это внутриклеточные паразиты. Во внешней среде они не проявляют никаких признаков жизни. Только проникнув в клетки организмов определенного вида и взаимодействуя с их аппаратом синтеза белка, вирусные частички проявляют определенные признаки живого – способность к размножению. Поэтому вирусы считаются неклеточными формами жизни и объединяют в особое царство – Вира.

Каждая вирусная частичка состоит из оболочки, окружающей молекулу ДНК или РНК (в соответствии с этим вирусы называются ДНК- или РНК-содержащими).Вирусы нуклеиновой кислоты имеют разнообразный вид: одно- или двуцепочных спиралей, которые, в свою очередь, бывают линейными, кольцевыми или вторично скрученными. Молекула нуклеиновой кислоты несет наследственную информацию о строении вирусной частички.

Размеры вирусных частичек составляют от 15 до нескольких сотен, иногда – до 2 тысяч (некоторые вирусы растений) нанометров. Жизненный цикл вирусов состоит из двух фаз: внеклеточной и внутриклеточной.

В зависимости от структуры и химического состава оболочки вирусы делят на простые и сложные.

У простых вирусов оболочка состоит из однотипных белковых образований (субъединиц), образующих спиральные или многогранные структуры. Простые вирусы имеют разную форму – палочкообразную, нитчатую, шарообразную, и т.д.

Сложные вирусы покрыты дополнительной мембраной, состоящей из белков и липидов. Эта мембрана расположена над белковой оболочкой и представляет собой часть плазматической мембраны клетки- хозяина. Она может содержать соединения, служащие для распознавания специфических рецепторов на мембране клетки-хозяина и прикрепления к ней вирусной частички (оспа, гепатит В и т.д.). Иногда в мембране вируса содержатся ферменты, обеспечивающие синтез вирусных нуклеиновых кислот в клетке –хозяине и некоторые другие реакции.

Вирусные частички способны длительное время существовать вне организма хозяина т выдерживать влияние солнечных лучей, низкие или высокие температуры, а частички вируса гепатита В – даже кратковременное кипение. Вирус полиомиелита во внешней среде сохраняет способность к заражению хозяина в течение нескольких дней, а оспы – многих месяцев.

Большинство вирусов специфические: они поражают только определенные типы клеток хозяина – многоклеточных организмов или отдельные виды одноклеточных организмов. Проникновение в клетку-хозяина начинается со взаимодействия вирусной частички с мембраной клетки, на которой расположены особые рецепторные участки. Они «распознают» эти участки, что и определяет специфичность вируса. Если же вирусная частичка присоединяется к клетке, на которой нет чувствительных рецепторов, не происходит и заражения.

Внутрь клетки – хозяина вирусные частички попадают по-разному. У многих сложных вирусов мембранные вирусные частички и клетки сливаются, как в вирусе гриппа. Часто вирусная частичка попадает внутрь клетки в результате пиноцитоза (полиомиелит). Большинство вирусов растений проникает внутрь клеток через повреждения клеточных стенок.

Особый механизм проникновения внутрь клетки – хозяина у вирусов – паразитов бактерий, называемых бактериофагами (от греческих слов бактерион – папочка и фагос – пожирать). Частичка бактериофага представляет собой достаточно сложное образование. Она состоит из расширенной головки, содержащей ДНК, чехлообразного отростка с пустым стержнем внутри, напоминающим растянутую пружину, и хвостовых нитей. С помощью этих нитей вирус соединяется с рецепторными участками клетки – хозяина и прикрепляется к ее поверхности. Потом чехлообразный отросток сокращается, вследствие чего стержень проходит через оболочку бактерии и впрыскивает вирусную ДНК внутрь клетки. А пустая оболочка бактериофага остается снаружи.

Попав в клетку, вирусная нуклеиновая кислота передает наследственную информацию в разные участки аппарата, обеспечивающего синтез белка в клетке.

Нуклеиновая кислота некоторых вирусов представляет собой иРНК, которая соединяется с рибосомами клетки – хозяина и принимает непосредственное участие в синтезе вирусных белков. РНК других вирусов, например, СПИДа, пронимает в ядро клетки, где синтезирует ДНК, которая содержит информацию о структуре вирусных частичек, а ДНК, в свою очередь, синтезирует вирусную иРНК.

Синтезированные вирусные белки, накапливаясь в клетке – хозяине, угнетают образование его белков и стимулируют дальнейший синтез веществ, необходимых для строительства вирусных частичек. За счет использования энергетических ресурсов клетки – хозяина в ней синтезируется все больше и больше вирусных белков и нуклеиновых кислот.

Затем внутри клетки – хозяина формируются вирусные частички: вокруг молекул нуклеиновой кислоты образуется белковая оболочка. Выход вирусных частичек из клетки происходит по-разному. Часто мембрана клетки, наполненной вирусными частичками, разрушается и вирусы попадают в окружающую среду. Иногда вирусные частички освобождаются при нарушении целостности участков мембраны клетки-хозяина другим вирусом (например, бактериофагом). Частички многих сложных вирусов могут «отпочковываться» от клетки-хозяина, захватывая часть плазматической мембраны. В таком случае зараженная клетка, пока не исчерпаются ее биохимические и энергетические ресурсы, достаточно долгое время образует все новые и новые вирусные частички.

Иногда вирусная ДНК встраивается в ДНК клетки-хозяина. При этом одновременно синтезируются как белки клетки, так и белки вирусов. Такая клетка не погибает, но может изменять свои свойства, например, приобретает способность неограниченного роста. Такие формы известны среди бактериофагов и вирусов, вызывающих некоторые виды раковых заболеваний.

Проникая в клетку, вирус вызывает в ней инфекционные процессы. Инфекция (от латинского слова инфецере – заражать, отравлять) – комплекс процессов, происходящих во время взаимодействия возбудителя (вирусы, бактерии, грибы) и организма хозяина. Подобные явления, к которым приводят паразитические животные (простейшие, плоские и круглые черви и т.д.), называются инвазией (от латинского слова инвазио – вторжение, нападение).

Различают острые и хронические вирусные инфекции. Вследствие острой инфекции после размножения вирусных частичек клетка обычно гибнет. При хронической инфекции последовательные поколения вирусных частичек образуются в клетках в течение длительного времени. Иногда инфицированная клетка не теряет способности к делению и может передавать вирусные частички дочерним клеткам.

При скрытой инфекци и вирусные частички из инфицированных клеток в окружающую среду не выходят, их часто невозможно обнаружить и в самой клетке (герпес, СПИД и т.д.). Но под влиянием определенных причин, которые их активизируют, скрытая инфекция может приобрести острую или хроническую форму. Людей СС крытой формой заболевания называют носителями инфекции.

Пути проникновения вирусов в организм хозяина бывают разными. При воздушно-капельном здоровый организм заражается от больного, вдыхая воздух с каплями слюны и других выделений последнего (грипп, корь, оспа и т.д.). При пищевом пути вирусы попадают в организм с едой (ящер). В кровь вирусы попадают в организм хозяина тремя путями. 1 путь – через поврежденную, а иногда и неповрежденную кожу (бешенство, оспа, герпес). 2 путь - во время переливания крови, стоматологических операций, использования грязных шприцов (СПИД, гепатит В). 3 путь – с помощью кровососущих насекомых (малярия, энцефалит и т.д.) Половым путем вирусы попадают от одного организма к другому при незащищенном половом акте (СПИД, герпес).

Некоторые насекомые (тля, цикады) и черви переносят возбудителей вирусных заболеваний растений. В организмах человека и животных вирусные частички распространяются с током крови, лимфы, тканевой жидкости, а в растениях – по проводящим тканям.

Организм хозяина защищается от вирусных инфекций. В ответ на попадание вирусных частичек в организм человека и животных, вырабатываются особые защитные белки – иммуноглобулины. Они представляют собой антитела и способны обезвреживать определенные вирусы и не допускать их проникновения внутрь клеток. Для противодействия каждому вирусу вырабатывается определенный иммуноглобулин. Если же вирусная частичка все же проникает сквозь мембрану, в клетке образуются другие защитные белки – интерфероны, которые угнетают размножение вирусов. В отличие от иммуноглобулина, интерфероны не обладают специфичностью, поэтому их применяют для борьбы с разными вирусными заболеваниями. В гемолимфе членистоногих обнаружены особые ферменты, расщепляющие вирусные частички. Некоторые виды лейкоцитов способны распознавать и уничтожать инфицированные вирусами клетки. У растений также обнаружены вещества, способные противостоять вирусам.

В одних случаях вследствие перенесенного заболевания или благодаря прививкам организм приобретает стойкий иммунитет к определенному вирусу (оспа, корь, энтерит, чумка собак и др.), в других возможно повторное заболевание (грипп).

Вирус иммунодефицита человека угнетает иммунную систему, поэтому больной СПИДом может погибнуть от любой инфекции. К сожалении, эффективных способов борьбы со СПИДом до сих пор не найдено.

Вирусы играют определенную роль в природе. Так, они регулируют численность своих хозяев. Считается, что вирусы играют определенную роль в эволюции прокариотов, поскольку могут передавать наследственную информацию от одной бактериальной клетки к другой, как внутри одного вида, так и между разными видами, встраиваясь в ДНК клетки-хозяина.

В жизни человека вирусы играют преимущественно отрицательную роль. Они вызывают многие заболевания человека, домашних животных и культурных растений. У человека вирусы поражают органы дыхания (грипп), пищеварения (гепатит), нервную систему (энцефалит, бешенство), кожу и слизистые оболочки (герпес, корь, ветряная оспа), клетки разных систем органов (оспа, малярия), угнетают иммунные реакции (СПИД), приводят к некоторым видам раковых заболеваний. У домашних животных они вызывают ящур парнокопытных, энтерит и чумку собак, чуму кур и другие заболевания. Некоторые из них (ящур) опасны и для человека.

Вирусы являются возбудителями опасных болезней культурных растений – мозаичность, пятнистость, и др. Бактериофаги часто вредят микробиологической промышленности, уничтожая культуры полезных микроорганизмов.

Во избежание заражения вирусами необходимо придерживаться правил личной гигиены, не пить сырую воду, не употреблять немытые овощи и фрукты, недостаточно кулинарно обработанные мясо и рыбу, использовать меры защиты против укусов кровососущих насекомых и клещей. Беспорядочные половые связи и наркомания - основные пути распространения СПИДа.

Больных инфекционными болезнями людей и животных необходимо изолировать от здоровых до полного выздоровления (карантин) и лечить с помощью антивирусных препаратов. Следует также уничтожать кровососущих членистоногих – переносчиков вирусных инфекций.

Особое значение для борьбы с вирусными заболеваниями имеют профилактические прививки, вследствие которых в организме вырабатывается иммунитет к возбудителям определенного заболевания. Именно благодаря профилактическим прививкам удалось победить смертельно опасные заболевания – оспу и полиомиелит. Профилактические прививки делают и животным.

Некоторые виды бактериофагов используются для лечения бактериальных заболеваний, например, дизентерии. Вирусов – паразитов насекомых используют в биологическом методе борьбы с вредными видами.

Кроме вирусов, существует и другой класс болезнетворных микроорганизмов – прионы.

Прио́ны (от англ. proteinaceous infectious particles — белковые заразные частицы) - особый класс инфекционных агентов, чисто белковых, не содержащих нуклеиновых кислот, вызывающих тяжёлые заболевания центральной нервной системы у человека и ряда высших животных (т. н. «медленные инфекции»).

Прионный белок, обладающий аномальной трёхмерной структурой, способен прямо катализировать структурное превращение гомологичного ему нормального клеточного белка в себе подобный (прионный), присоединяясь к белку-мишени и изменяя его конформацию. Как правило, прионное состояние белка характеризуется переходом α-спиралей белка в β-слои.

Открытие прионов состоялось во второй половине XX века, когда врачи столкнулись с необычным заболеванием человека - постепенно прогрессирующим разрушением головного мозга, происходящим в результате гибели нервных клеток. Это заболевание получило название губчатой энцефалопатии. Похожие симптомы были известны давно, но наблюдались они не у человека, а у животных (скрейпи овец), и долгое время между ними не находили достаточной обоснованной связи.

Новый интерес к их изучению возник в 1996 г., когда в Великобритании появилась новая форма заболевания, обозначаемая как «новый вариант болезни Крейтцфельдта-Якоба (nvCJD)».

Важным событием было распространение «коровьего бешенства» в Великобритании, эпидемия которого была сначала в 1992—1993 гг, а потом и в 2001 г охватила несколько европейских государств, но тем не менее экспорт мяса во многие страны не был прекращён. Заболевание связывают с использованием «прионизированной» костной муки в кормах и премиксах, изготовленной из туш павших или заболевших животных, возможно, и не имевших явных признаков заболевания.

Пути переноса причинного фактора болезни, механизмы проникновения прионов в организм и патогенез заболевания изучены пока недостаточно.

В 1997 г. американскому врачу Стенли Прузинеру была присуждена Нобелевская премия за изучение прионов.

Прионовые белки млекопитающих не сходны с прионовыми белками дрожжей по аминокислотной последовательности. Несмотря на это, основные структурные особенности у них общие. Вместе с тем, прион, отвечающий за коровье бешенство, обладает способностью передаваться от вида к виду. В ходе исследований мозговых тканей умерших от прионных инфекций животных было показано, что прионы не содержат нуклеиновых кислот, а представляют собой белки. Одним из первых охарактеризованных прионных белков стал PrP (от англ. prion-related protein или protease-resistant protein) массой около 35 кДа. Известно, что PrP может существовать в двух конформациях — «здоровой» — PrPC, которую он имеет в нормальных клетках (C — от англ. cellular — «клеточный»), в которой преобладают альфа-спирали, и «патологической» — PrPSc, собственно прионной (Sc- от scrapie), для которой характерно наличие большого количества бета-тяжей. При попадании в здоровую клетку, PrPSc катализирует переход клеточного PrPC в прионную конформацию. Накопление прионного белка сопровождается его агрегацией, образованием высокоупорядоченных фибрил (амилоидов), что в конце концов приводит к гибели клетки. Высвободившийся прион, по-видимому, оказывается способен проникать в соседние клетки, также вызывая их гибель.

До конца механизм спонтанного возникновения прионных инфекций не ясен. Считается (но ещё не полностью доказано), что прионы образуются в результате ошибок в биосинтезе белков. Есть данные, дающее основание считать, что прионы являются не только инфекционными агентами, но и имеют функции в нормальных биопроцессах.

Человек может заразиться прионами, содержащимися в пище, так как они не разрушаются ферментами пищеварительного тракта. Беспрепятственно проникая через стенку тонкого кишечника, они в конечном итоге попадают в центральную нервную систему. Так переносится новый вариант болезни Крейтцфельдта-Якоба (nvCJD), которой люди заражаются после употребления в пищу говядины, содержащей нервную ткань из голов скота, больных бычьей губчатой энцефалопатией (BSE, коровье бешенство).

На практике доказана возможность прионов заражать организм мышей воздушно-капельным путем.

Прионы могут проникать в тело и парентеральным путем. Были описаны случаи заражения при внутримышечном введении препаратов, изготовленных из человеческих гипофизов Эта форма болезни Крейтцфельдта-Якоба обозначается как ятрогенная (1CJD).

При определённых, неизвестных условиях, в организме человека может произойти спонтанная трансформация прионного белка в прион. Так возникает так называемая спорадическая болезнь Крейтцфельдта-Якоба (sCJD), впервые описанная в 1920 г. независимо друг от друга Гансом Герхардом Крейтцфельдтом и Альфонсом Марией Якобом. Предполагается, что спонтанное возникновение этой болезни связано с фактом, что в норме в человеческом теле постоянно возникает небольшое количество прионов, которые эффективно ликвидируются клеточным Аппаратом Гольджи. Нарушение этой способности «самоочищения» клеток может привести к повышению уровня прионов выше допустимой границы нормы и к их дальнейшему неконтролируемому распространению. Причиной возникновения спорадической болезни Крейтцфельдта-Якоба согласно этой теории является нарушение функции Аппарата Гольджи в клетках

Особую группу прионовых заболеваний представляют собой наследственные (врожденные) болезни, вызванные мутацией гена прионового белка, который делает возникший прионовый белок более подверженным спонтанному изменению пространственной конфигурации и превращения их в прионы. К этой группе наследственных заболеваний относится и наследственная форма болезни Крейтцфельдта-Якоба (fCJD), которая наблюдается в ряде стран мира.

При прионовой патологии наивысшая концентрация прионов обнаружена в нервной ткани заражённых людей. Значительное количество прионов встречается в лимфатической ткани. Наличие прионов в биологических жидкостях, включая слюну, пока не было однозначно подтверждено.

Очень мало известно о молекулярном характере прионов, вызывающих заболевания. Заражение могут вызвать примерно 100 000 молекул, которые в большинстве случаев образуют большие скопления. Значение агрегации отдельных молекул в ассоциации для вирулентности прионов - устойчивость к действию ферментов, расщепляющих белки, ставшие ненужными. Нельзя исключить, что вирулентными являются и отдельные молекулы прионов. Из некоторых экспериментов следует, что для возникновения прионов в ткани достаточно лишь временного контакта ткани с материалом, содержащим прионы, и нет необходимости, чтобы прионы были навсегда внесены в организм. Этот риск является актуальным, например, в связи с использованием хирургических инструментов, заражённых прионами. Процесс трансформации «здоровых» прионовых белков в прионы может быть инициирован простым контактом здоровых тканей с прионами, зафиксированными на хирургическом инструменте.