Вирусы

Вы уже знаете, что все живые организмы (бактерии, животные, растения и грибы) имеют клеточное строение. Но существует большая группа живых существ, не имеющих клеточного строения. Это вирусы. Они представляют собой неклеточную форму жизни и имеют очень мелкие размеры. Они гораздо мельче бактерий, поэтому изучить их строение можно только с помощью электронного микроскопа.

Вирусы не способны к самостоятельному размножению и обмену веществ, поэтому для осуществления этих функций вирусам необходима клетка-хозяин. Вне клеток живых организмов вирусы жить не могут. Во внешней среде многие из них имеют форму кристаллов и не проявляют никаких признаков жизни. Вирусы поселяются внутри клеток растений, животных и бактерий и вызывают много опасных заболеваний. К числу вирусных болезней человека относится, например, корь, грипп, полиомиелит, бешенство и оспа. В последние годы к ним прибавилось ещё одно страшное заболевание – СПИД. Среди вирусных болезней растений известна мозаичная болезнь табака, гороха, томатов и огурцов, скручивание листьев и карликовость. У большинства растений вирусы разрушают хлоропласты, и поражённые участки становятся бесцветными.

Вирусы обнаружил русский учёный Дмитрий Иосифович Ивановский в 1892 году при изучении причин, вызывающих заболевание табака, когда на листьях появлялась мозаика.

Рассмотрим строение вирусов. Вы уже знаете, что вирусы не имеют клеточного строения и каждая вирусная частица устроена очень просто: она состоит из короткой молекулы нуклеиновой кислоты (генетического материала), который образует сердцевину вируса.

Нуклеиновая кислота у разных вирусов может быть представлена ДНК или РНК, причём эти молекулы могут иметь необычное строение: наряду с двунитчатой ДНК и однонитчатой РНК встречается однонитчатая ДНК и двунитчатая РНК. ДНК может иметь линейную и кольцевую структуру, а РНК, как правило, – линейную. Большинство вирусов относится к РНК-типу.

Генетический материал вируса находится внутри белковой оболочки, которая называется капсидом. Капсид выполняет защитную функцию. Он образован субъединицами – капсомерами, каждый из которых состоит из одной или двух белковых молекул. Число капсомеров для каждого вида вируса постоянно, и они располагаются в строго определённом порядке, благодаря чему возникает определённый тип симметрии.

Часть вирусов покрыты ещё одной оболочкой – суперкапсидом. Это сложные вирусы. Если вирусная частица, кроме капсида, больше не имеет оболочки, её называют простым вирусом.

Рассмотрим строение вируса табачной мозаики. Вирус существует в форме отдельных частиц, каждая из которых имеет палочковидную форму и представляет собой цилиндр с полостью внутри. Оболочка образована молекулами белка, под которой располагается тяж РНК, свёрнутый в форме спирали. В листьях табака частицы вируса соединяются вместе и образуют скопления в виде кристаллов шестигранной формы, которые видны в световой микроскоп.

Познакомимся с жизненным циклом вирусов. Вирусы не могут самостоятельно размножаться и осуществлять обмен веществ. Следовательно, у них различают две жизненные формы: покоящаяся внеклеточная (вирион) и активно размножающаяся внутриклеточная (вегетативная). Вирионы обладают высокой жизнеспособностью. Они выдерживают высокое давление и дозы радиации, но погибают при высокой температуре, облучении ультрафиолетовыми лучами, а также воздействии кислот и дезинфицирующих веществ.

Рассмотрим стадии взаимоотношения вируса с клеткой. Первая стадия представляет собой адсорбцию вирионов на поверхности клетки-мишени, которая для этого должна обладать определёнными поверхностными рецепторами. Именно с ними специфически взаимодействует вирусная частица, после чего происходит их прочное соединение (по типу «ключ-замок»). Получается, что клетки восприимчивы не ко всем вирусам, или другими словами, вирусы обладают высокой избирательностью. Например, вирус гепатита В вызывает поражение только клеток печени, которое может привести к тяжёлым заболеваниям (раку и циррозу). Поражённая клетка теряет способность к нормальной жизнедеятельности и постепенно разрушается. Если вирус попадает в кровоток, то он движется с кровяными клетками, но не поражает ни одну из них.

Вторая стадия состоит в проникновении целого вириона или его нуклеиновой кислоты внутрь клетки-хозяина.

Третья стадия называется депротеинизация. Происходит освобождение носителя генетической информации вируса, то есть нуклеиновая кислота освобождается от белковой оболочки (капсида). Именно нуклеиновая кислота изменяет деятельность клетки-хозяина, подчиняя её метаболизм своим потребностям и вынуждая её синтезировать определённые вещества. Сам вирус не обладает необходимыми для этого механизмами, поэтому для синтеза нужных молекул он использует клеточные ферменты (например, РНК-полимеразы, протеазы) и структуры (например, рибосомы).

В ходе четвёртой стадии на основе вирусной нуклеиновой кислоты происходит синтез необходимых для вируса соединений (нуклеиновой кислоты и белков капсида, причём все компоненты синтезируются много раз). Вирусная нуклеиновая кислота проникает в ДНК. В результате геном клетки-хозяина содержит как свой, так и вирусный генетический материал. Матричная ДНК списывает уже новую информацию и переносит её в цитоплазму, где на рибосомах происходит синтез белков для строительства нового вируса.

В ходе пятой стадии из синтезированных ранее многочисленных копий нуклеиновой кислоты и белков формируются новые вирионы путём самосборки.

Последняя – шестая – стадия представляет собой выход вновь собранных вирусов из клетки-хозяина. У разных вирусов этот процесс проходит неодинаково. Например, у вируса герпеса в процессе сборки вириона принимает участие ядерная мембрана, которую он увлекает за собой при выходе из клетки. У некоторых вирусов выход из клетки сопровождается её гибелью – это лизис клетки. У других вирионы выходят из живой клетки путём отпочковывания, но и в этом случае клетка со временем погибнет, так как при отпочковывании повреждается цитоплазматическая мембрана.

Время, прошедшее с момента проникновения вируса в клетку до выхода новых вирионов, называется скрытым (латентным периодом). Оно может широко изменяться для разных видов вируса: от нескольких часов (пяти-шести у вирусов оспы и гриппа) до нескольких суток (вирус кори и аденовирусы).

Рассмотрим классификацию вирусов в зависимости от разных показателей: тип нуклеиновой кислоты (ДНК-содержащие и РНК-содержащие), количество нитей нуклеиновой кислоты (одно- или двунитчатые вирусы), масса и относительная доля нуклеиновой кислоты в вирусной частице. По форме вирусы делят на: сферические (вирусы кори, гриппа и арбовирусы), палочковидные (вирусы мозаичной болезни табака и картофеля), кубоидальные (аденовирусы и вирус оспы) и сперматозоидные (бактериофаги). В зависимости от поражаемой клетки-мишени вирусы делят на вирусы животных, растений, грибов и бактерий.

Известны вирусы, которые поражают клетки бактерий. Их называют бактериофагами (фагами). Чаще всего бактериофаги размножаются внутри бактерий и вызывают разрушение бактериальной клетки. Поэтому их можно использовать для лечения бактериальных заболеваний, например: дизентерии, брюшного тифа, холеры.

Рассмотрим строение бактериофага, который поселяется в клетках кишечной палочки. Такой бактериофаг по форме напоминает головастика. Его тело состоит из головки, хвоста и нескольких хвостовых отростков. Снаружи головка и хвост покрыты белковой оболочкой. В головке содержится генетический материал – РНК или ДНК. Хвост, или отросток, представляет собой белковую трубку – продолжение белковой оболочки головки. Внутри трубки проходит канал.

Сначала бактериофаг прикрепляется к поверхности бактерии и растворяет в этом месте оболочку клетки. Далее генетический материал бактериофага впрыскивается в клетку бактерии. Примерно через 10–15 минут под действием этого генетического материала перестраивается весь обмен веществ бактерии, и она начинает синтезировать ДНК бактериофага, а не собственную ДНК. Нуклеиновая кислота фага удваивается и направляет синтез новых белков оболочки. Образуются новые частицы фага в результате самосборки. В конечном итоге бактерия погибает.

Бактериофаги, как и все вирусы, являются абсолютными внутриклеточными паразитами. По характеру взаимодействия бактериофага с бактериальной клеткой существуют вирулентные и умеренные фаги. Вирулентные фаги быстро увеличиваются в количестве, приводят к разрушению клетки и освобождению новых фагов. Умеренные фаги не размножаются внутри клетки-хозяина. Они вводят свою нуклеиновую кислоту внутрь бактерии, где она встраивается в ДНК клетки и становится профагом. Профаг не оказывает разрушающего воздействия на клетку-хозяина и при делении удваивается вместе с клеточной ДНК.

Наряду с вирусами и бактериофагами существуют вироиды. Это инфекционные агенты, состоящие только из одноцепочечной кольцевой молекулы РНК. Вироиды лишены капсида. Они являются возбудителями таких болезней растений, как деформация клубней и карликовость.

Происхождение вирусов до конца неизвестно, и существует несколько гипотез. Согласно одной, вирусы имели клеточное строение и представляют собой результат морфофункционального регресса, связанного с паразитическим образом жизни (упрощение внешнего и внутреннего строения). Согласно другой гипотезе, вирусы произошли из первобытных доклеточных организмов, которые вели паразитический образ жизни, и, таким образом, они являются наиболее древними паразитами. Согласно гипотезе об эндогенном происхождении, вирусы представляют собой фрагмент клеточной нуклеиновой кислоты, который приспособился к отдельному от клетки удвоению генетической информации. Эту версию подтверждает существование в бактериальных клетках плазмид, поведение которых во многом сходно с вирусами. Существует и «космическая» гипотеза, согласно которой вирусы были занесены из Вселенной с помощью космических тел. Ни одна из этих гипотез не является полностью доказанной.

А какое значение имеют вирусы? Они являются паразитами и поражают все известные организмы. Многие из них (грипп, полиомиелит, ВИЧ) вызывают у людей тяжёлые заболевания, часто со смертельным исходом. Но существуют и полезные вирусы. Как и любые другие паразиты, они стимулируют деятельность защитных сил организма. Многие вирусы, поражающие бактерии, чрезвычайно важны для медицины, поскольку позволяют естественным путём и без химических препаратов лечить многие бактериальные инфекции.

Раздел микробиологии, изучающий вирусы, – это вирусология. Сегодня мы узнали, что вирусы распространены в природе повсеместно и представляют собой неклеточную форму жизни. Они являются внутриклеточными паразитами и поражают все группы живых организмов, внутри которых живут и размножаются. Жизненный цикл вируса проходит в несколько этапов.