Вирусы и бактериофаги

     СОДЕРЖАНИЕ 

     Введение 3

     1. Вирусы. Строение и свойства 4

     1.1. Вирус табачной  мозаики 4

     1.2. Вирус гриппа 4

     1.3. Полиэдрические вирусы  без наружной оболочки 5

     1.4. Полиэдрические вирусы с наружной оболочкой 6

     1.5. Вирусы оспы 6

     2. Бактериофаги. Строение и свойства 7

     Заключение 8

     Список  литературы 9

     Приложение 10 

 

     ВВЕДЕНИЕ 

     В 1892 г. русский ботаник Д.И. Ивановский впервые получил инфекционный экстракт из растений табака, пораженных мозаичной  болезнью. Когда такой экстракт пропустили через фильтр, способный задерживать  бактерии, отфильтрованная жидкость все еще сохраняла инфекционные свойства.  В 1898 г. голландец  Бейеринк (Beijerink) придумал новое слово вирус (лат. virus — яд), чтобы обозначить этим термином инфекционную природу некоторых профильтрованных растительных жидкостей. Хотя удалось достигнуть значительных успехов в получении высокоочищенных проб вирусов и было установлено, что по химической природе это нуклеопротеиды (нуклеиновые кислоты, связанные с белками), сами частицы все еще оставались неуловимыми и загадочными, потому что они были слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью светового микроскопа. Поэтому-то вирусы и оказались в числе первых биологических структур, которые были исследованы в электронном микроскопе сразу же после его изобретения в 30-е годы XX столетия.

     Проблема  вирусов в наше время очень  актуальна. Она привлекает внимание всё большего числа учёных. С каждым днём появляется всё больше вирусов. Когда вирусы впервые были открыты, никто и не подозревал, что они  будут так опасны и им посвятят целую науку. Сейчас тысячи людей заражены такими опасными вирусами заболеваниями как СПИД, рак, но и не только же люди болеют вирусными инфекциями, а и растения, и животные, и об этом надо говорить.

 

ВИРУСЫ. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА 

       Наряду с одно- и многоклеточными  организмами в природе существуют  и другие формы жизни. Таковыми  являются вирусы, не имеющие клеточного  строения. Они представляют собой  переходную форму между неживой  и живой материей. 

     Каждая вирусная частица состоит из РНК или ДНК, заключенной в белковую оболочку, которую называют капсидом. Полностью сформированная инфекционная частица называется вирионом. Такая единица (капсид + + нуклеиновая кислота = нуклеокапсид) может быть «голой», а в других случаях окружена оболочкой (Приложение 1, рис. 4.2 и 4.3). Голыми нуклеокапсидами являются, например, частицы вируса табачной мозаики, вируса, вызывающего бородавки, и аденовируса. Дополнительная оболочка окружает вирусы гриппа и герпеса.

     Капсид в свою очередь состоит из субъединиц - капсомеров. Он чаще всего имеет симметричное строение. Различают два вида симметрии - спиральную и кубическую. В табл. 4.1 (Приложение 1) различные вирусы сгруппированы по их структуре. Ниже будут рассмотрены четыре вируса, которые известны как возбудители болезней: два вируса со спиральной симметрией, из них один с голыми частицами (вирус табачной мозаики) и один с дополнительной оболочкой (вирус гриппа), и два типа вирусов с кубической симметрией - с голыми частицами (вирус полиомиелита и другие полиэдрические вирусы) и с оболочкой (вирус герпеса). 

1. Вирус табачной мозаики

       Это типичный пример вируса  со спиральной симметрией. Его  легко выделить из выжатого сока зараженных растений. Частицы представляют собой палочки толщиной 18 нм (Приложение 2, рис. 4.4, А). Этот палочковидный нуклеокапсид состоит примерно из 2100 капсомеров. Они расположены по винтовой линии и образуют полый цилиндр. Каждый капсомер состоит из одной полипептидной цепи (158 аминокислот, последовательность которых определена). В стенке полого цилиндра между капсомерами помещается цепь РНК, которая тоже идет по винтовой линии (Приложение 2, рис. 4.4, Б). 

2. Вирус гриппа

       Частицы вируса гриппа имеют  диаметр 80-120 нм (Приложение 3, рис. 4.5, А). Нуклеокапсид, как и у вируса табачной мозаики, имеет спиральное строение, но он не палочковидный, а многократно закрученный (Приложение 3, рис. 4.5, Б). Нуклеокапсид окружен оболочкой - фрагментом мембраны клетки-хозяина, из которой вышел вирион. Оболочка имеет на своей наружной стороне шипы, которые служат для адсорбции вириона на поверхности новой клетки-хозяина и содержат мукопротеины и фермент нейраминидазу. Этот фермент отщепляет от мукопротеинов инфицируемой клетки один компонент - N-ацетилнейраминовую кислоту и, по-видимому, играет определенную роль в разжижении слизи, покрывающей эпителиальные клетки носоглотки. Размножение вируса происходит внутри клеток. Освобождение вириона напоминает процесс почкования.

     Существует  много различных разновидностей вируса гриппа. Какую именно ткань  будет поражать вирус, зависит от специфичности вируса по отношению  к клеткам-хозяевам и от рецепторных свойств клеток. Вирус может вызвать нарушение клеточного метаболизма или даже гибель клетки. Кроме того, он действует как антиген и стимулирует образование антител в организме хозяина. Вирусы, ответственные за большие эпидемии гриппа, отличаются друг от друга по своей вирулентности и патогенности. 

3. Полиэдрические  вирусы без наружной оболочки

     Многие  вирусы, кажущиеся сферическими, на самом деле имеют форму многогранника. Чаще всего это икосаэдр (двадцатигранник) - тело, ограниченное 20 равносторонними треугольниками и имеющее 12 вершин (Приложение 3, рис. 4.5, В и 4.6). Капсид икосаэдрического вируса состоит из капсомеров двух типов: в вершинах располагаются пептоны, состоящие из пяти белковых мономеров (протомеров); остальную поверхность граней и рёбра образуют гексоны, состоящие из шести протомеров. Построение капсида из капсомеров следует законам кристаллографии; в соответствии с этим наименьший икосаэдрический  капсид должен состоять из 12 пентонов, следующий по величине - из 12 пентонов и 20 гексонов. Существуют вирусы из 252 и даже 812 капсомеров.

     По  принципу икосаэдра построено очень  много вирусов: вирусы полиомиелита, ящура, аденовирусы (Приложение 3, рис. 4.5).

     То, что вирусный капсид состоит из большого числа идентичных субъединиц, станет понятным, если мы учтем, что масса нуклеиновой кислоты у многих вирусов очень невелика; цепи ДНК или РНК так коротки, что содержащейся в них информации хватает для кодирования лишь немногих полипептидных цепей, большая часть которых выполняет ферментативные функции при репродукции вируса внутри клетки-хозяина. Принцип построения капсида из множества идентичных субъединиц гарантирует максимальный эффект при минимуме генетического материала. 

4. Полиэдрические  вирусы с наружной оболочкой

     Икосаэдр, окруженный оболочкой  - такова форма возбудителей ветряной оспы, опоясывающего лишая и простого герпеса.

     Икосаэдрический капсид вируса герпеса состоит из 162 капсомеров. Наружная оболочка, несомненно, образуется из внутренней ядерной мембраны клетки-хозяина. Вирусы герпеса размножаются в ядрах клеток; капсиды новых вирусных частиц одеваются оболочкой из ядерной мембраны, «отпочковываются» от ядра и выводятся наружу по системе эндоплазматического ретикулума (внутриклеточный органоид эукариотической  клетки, представляющий собой разветвлённую систему из окружённых мембраной утолщённых полостей, пузырьков и канальцев).

     Ветряная  оспа - относительно легкая детская болезнь. Вирус инфицирует верхние дыхательные пути, разносится кровью по всему телу и, закрепляясь в коже, в конечном счете, вызывает здесь образование пузырьков. Опоясывающий лишай возникает у частично иммунных лиц; он появляется в результате реактивации вируса ветряной оспы. Таким образом,   оба   заболевания   вызываются   одним   и   тем   же   вирусом. 

5. Вирусы  оспы

     Вирусы  оспы - наиболее крупные из зоопатогенных вирусов. Их частицы устроены совсем не так, как у вирусов четырех представленных выше типов. Они содержат ДНК, белок и несколько липидов, из-за чего их иногда называют комплексными вирионами (Приложение 1, табл. 4.1). Частицы вирусов натуральной оспы (variola) и коровьей оспы (vaccinia) имеют вид округленных блоков. Они состоят из внутреннего тельца, содержащего двухцепочечную ДНК, двойного слоя, содержащего белок, эллиптических белковых телец и наружной мембраны; частицу обвивают плотно прилегающие к ней нити. Эти вирусные частицы очень устойчивы к высыханию и поэтому чрезвычайно инфекционны. Натуральной оспой могут заболевать только люди и обезьяны. Вирусом коровьей оспы могут заражаться также коровы, кролики и овцы. Оба вируса имеют общие антигены. Поэтому людям профилактически прививают вирус коровьей оспы, который получают от коров и который у человека вызывает весьма слабые симптомы болезни. Такая активная вакцинация приводит к образованию антител, которые обусловливают иммунитет также и к натуральной оспе. 
 

БАКТЕРИОФАГИ. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА 

     Особую  группу представляют вирусы бактерий — бактериофаги, или фаги, которые  способны проникать в бактериальную  клетку и разрушать ее.

     Выделить  бактериофаг нетрудно. Нужно лишь взять материал из естественного  местообитания соответствующего вида бактерий и вместе с бактериями залить питательной средой. Если такую накопительную культуру инкубировать в условиях, благоприятных для данных бактерий, то вскоре размножатся и содержавшиеся в пробе фаги. Вирус размножается всегда только в растущих клетках.

     Строение  бактериофагов в основном изучали  на примере фагов серии Т Escherichia coli. Колифаг Т2 состоит из полиэдрической головки длиной 100 нм и отростка, или «хвоста», примерно такой же длины. Поэтому говорят о «составных» вирусах (Приложение 1, табл. 4.1). Головка состоит из капсомеров и содержит внутри ДНК. Количество белка и ДНК примерно одинаково. Отросток фага Т2 имеет сложное строение. В нем можно различить не менее трех частей: полый стержень, окружающий его сократимый чехол и находящуюся на дистальном конце стержня базальную пластинку с шипами и нитями (от последних зависит специфическая адсорбция на клетке-хозяине). На электронных микрофотографиях, полученных при негативном контрастировании, можно видеть фаговые частицы в двух состояниях: у одних частиц головка очень резко выделяется на электроноплотном фоне и чехол отростка растянут, у других головка мало отличается от фона по плотности и чехол находится в сокращенном состоянии. Это схематически изображено на рис. 4.7 (Приложение 4). Первое состояние (А) характерно для активного фага, в головке которого заключена ДНК, второе (Б) - для фага, который инъецировал свою ДНК в бактериальную клетку.

     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 к нечувствительным фагам. 
 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     Происхождение вирусов в процессе эволюции пока неясно. Их зависимость от других организмов, в клетках которых они растут и размножаются, дает основание считать, что они появились не раньше клеточных  организмов. Предполагается, что вирусы представляют собой сильно дегенерировавшие клетки или их фрагменты, утратившие в процессе приспособления к паразитизму  все, без чего можно обойтись (клеточную  стенку, цитоплазму с органеллами), за исключением своего наследственного  аппарата в виде нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК) и защитного аппарата в форме белковой капсулы.

     Вирусология – быстро развивающаяся отрасль  современной биологии. Её теоретическое  и практическое значение для медицины, ветеринарии, сельского хозяйства  – огромно. На вирусах изучаются  вопросы генетики микробов и актуальные проблемы биохимии. Учёные всё более  глубоко и успешно познают  тончайшую структуру, биохимический  состав и физиологические свойства этих ультрамикроскопических живых  существ, их роль в природе, жизни  человека, животного и растений. Развитие вирусологии связано с  блестящими успехами молекулярной генетики. Изучение вирусов привело к пониманию  тонкой структуры генов, расшифровки  генетического кода, выявлению механизмов мутации. Вирусы широко применяются  в работах генной инженерии. Способность  вирусов приспосабливаться, вести  себя непредсказуемо – не знает  предела.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гусев М.В., Минеева Л.А. – Микробиология, 8-е изд., Москва, Академия, 2008 г.
2. Коротеев И. А., Бабичев С. А. - Медицинская микробиология, иммунология и вирусология, Москва, Специальная литература, 1998 г.
3. Лемеза Н.А., Камлюк Л.В., Лисов Н.Д. - Пособие по биологии для поступающих в ВУЗы, Москва, Юнипресс, 2009 г.

 

СЕТЕРАТУРА