Вирусы, их морфология, структура, химический состав, влияние внешних факторов, размножение и их значение
До 1891 г. считали, что именно бактерии стоят на грани живого и неживого. Ученные в то время полагали, что в вопросах изучения организации жизни они дошли до крайних ее пределов, минимальных размеров и простоты строения.
Первым вирусом, для которого были получены бесспорные данные был вирус табачной мозаики BTM, впервые открытый русским учёным Д.И. Ивановским в 1892 г. Он показал, что болезнь табака - так называемую табачную мозаику можно перенести на здоровое растение, воспользовавшись соком больных растений, даже если сок профильтровать через бактерицидные фильтры (фарфоровые). Однако при посеве на питательные среды никаких живых организмов не развивалось, не было их видно и в световой микроскоп.
Крупный микробиолог Бейеринк предполагал, что сама жидкость является живой. Он назвал её contagium vivum feuidum - «живое жидкое заразное начало». Это представление нашло свое выражение в самом слове вирус происходящего от латинского корня, означающего слизистую ядовитую жидкость, нечто вроде «живого змеиного яда». Теперь известно, что эту болезнь переносили вирусы. Вирус, в переводе означает яд.
В 1898 г. немецкие учёные Лёфлер и Форш открыли первую вирусную болезнь животных - ящур рогатого скота.
В 1900 г. Рид с сотрудниками выделил вирус желтой лихорадки - вирусную болезнь человека.
В дальнейшем была установлена вирусная природа некоторых заболеваний членистоногих - желтуха шелковичных червей (описанная ещё Пастером), полиэдроз у гусениц совки, мешотчатая детка пчел. Выявление вирусной природы этих болезней имело большое значение для медицины и сельского хозяйства.
Несколько позже в 1915 г. были описаны вирусы, поражающие бактерии, английским учёным Туортом, а более подробно изучены французским ученым Д’ Эрелем и названы им бактериофагами (от греч. фагейн - пожирать). Он считал, что фаги пожирают бактерии изнутри. Обычно в бактериологии пользуются кратким словом фаг. С совершенствованием методов вычисления вирусов, число вирусов постоянно растет.
В настоящее время не существует полной и обоснованной классификации вирусов. По классификации Берджи вирусы отнесены к отряду Virales, которые вместе с отрядом риккетсий включены в класс Microfabiac
Наиболее удачное определение вируса дал Стенли:
Вирус - это нечто ... имеющее ничтожно малые размеры, способные проникать в организм и вызывать заболевание у всех живых существ и размножающееся только в живых клетках.
Существуют и другие определения вирусов:
Вирусы - неклеточные формы жизни, способные проникать в определённые живые клетки и размножаться только внутри этих клеток;
Вирусы - это внутриклеточные паразиты на генетическом уровне.
Описано около 500 вирусов, поражающих теплокровных позвоночных и более 300 видов, поражающих высшие растения.
Отличительные признаки вирусов.
Имеют более мелкие размеры по сравнению с микробами и не задерживаются бактериофильтрами. Вирусы невидимы в простой оптический микроскоп и оседают только при ультрацентрифугировании;
Содержат только РНК или ДНК;
Для их репродукции необходима только нуклеиновая кислота;
Растут и размножаются только в клетках хозяина;
Имеют неклеточную форму строения.
В организм вирусы могут попадать разными путями:
через воздух;
грязные руки;
с пищевыми продуктами;
через членистоногих (переносчиков - комаров, москитов, клещей).
Из организма они выводятся с мочой, слюной. В растения вирусы попадают через поранения.
Детальное изучение вирусов было проведено с помощью электронного микроскопа. Размеры вирусов колеблются от 10-15 до 200-400 нм. Вирусы оспы человека - 250-300 нм; бешенства 100-150 нм; BTM - 15 нм; ящура - 10-12 нм.
Форма вирусов может быть различной:
Палочковидная или слегка изогнутая - у растений;
Сферическая, шаровидная - вирус гриппа;
Кубовидная - вирус оспы;
Головчатая, сперматозойдоподобная - бактериофоги, вирус азиатской чумы;
Нитевидная - вирус гриппа.
Рис. 1
Вирусная частица не имеет клеточного строения и её назвали вирионом. Она состоит из генетического материала к ДНК или РНК, окруженного белковой оболочкой - капсидом (греч. ящик). Заключенная в ней нуклеиновая кислота называется нуклеокапсидом. У одних вирусов она непосредственно соприкасается с оболочкой, у других - отделяется от неё мембраной. Капсид состоит из частиц - субъединиц, называемых капсомерами. Капсомер может быть образован одной полипептидной цепью как BTM или может быть построен из многих идентичных мономеров, которые в свою очередь состоят из многих полипептидных цепей.
Вирусы имеют два типа строения капсида: кубовидный и спиральный. При спиральной симметрии (у BTM) капсомеры располагаются как ступени винтовой лестницы. У кубовидного вируса они закручены в клубок, который окружен оболочкой. Некоторые вирусы (BTM) при большом накоплении в пораженной клетке образуют правильные кристаллические формы.
Химический состав вирусов.O - 60%;
сухое вещество - 40%: - 55%;- 24%;- 8%; - 11%;
зола - 3%;
липиды - до 34%;
углеводы - до 3, 5% (полисахариды);
белки - 65%.
В вирусах обнаружены рибофлавин и биотин. В некоторых вирусах обнаружены собственные ферменты. Например, в вирусе гриппа находится нейромининаза, которая отцепляет нейраминовую кислоту от эритроцитов.
Влияние физических и химических факторов.
Температура оказывает наиболее губительное действие на вирусы. Большинство их гибнет при температуре 50-60 C° через 30 минут. Бактериофаги и вирусы растений более устойчивы к повышению температуры.
Вирусы хорошо переносят обезвоживание и долго могут оставаться в высушенном состоянии. Это используют при их консервировании.
[Н+] - существенно влияет на их выживаемость. Так, вирус оспы теряет активность при pH 5-3.
Инактивация вирусов происходит при облучении их ультрафиолетовыми лучами. Рентгеновские лучи не влияют на вирусы.
Многие химические вещества разрушают вирусы: фенол, формалин, KMnO4, HCl, ацетон, хлороформ, эфир и другие.
В свободном состоянии вирусы не проявляют активности, но, встретившись с чувствительными к ним клетками, они активируются и вступают с ними во взаимодействие. В зависимости от свойств вируса и поражаемой клетки, а также условий внешней среды можно наблюдать три основных типа последствий взаимодействия вируса с клеткой хозяином:
Размножение вируса приводит к гибели клетку - продуктивная инфекция;
Клетка выживает, а зрелые вирусы не образуются - абортивная инфекция;
Геном вируса объединяется с геномом клетки и передаётся дочерней клетке. В последующих поколениях, в клетках может начаться размножение вируса, приводящее их к гибели - вирогения.
Самые простые взаимодействия вируса с клеткой происходят в несколько фаз, протекающих последовательно:
адсорбция вируса на поверхности клетки;
проникновение вируса в клетку;
скрытый период (эклипс);
репродукция вируса;
освобождение зрелого вирусного потомства из клетки.
Адсорбция: происходит благодаря взаимодействию клеточных и вирусных рецепторов. Капсид разрушается под действием клеточных протеаз и НК освобождается. У животных освобождение НК происходит в клетке, после проникновения вируса путём пиноцитоза.
Фитопатогенные вирусы проникают через повреждения в клеточной стенке, после чего адсорбируются на внутренних клеточных рецепторах и высвобождают НК.
Проникновение вируса в клетку
В клетки вирусы могут проникать разными путями. Так, у вируса гриппа этот проникновение связано с явлением пиноцитоза (вироренсиса). Возможно и прямое проникновение этого вируса. В случае пиноцитоза происходит образование вакуоли, которая погружает вирус в цитоплазму, где он расцепляется на НК и белок. Во втором случае, после адсорбции на поверхности клеточной стенки, под влиянием ее ферментов происходит расщепление вирусной частицы на НК и белок. Внутрь клетки поступает только НК.
Скрытый период - эклипс ( греч. исчезновение).
На этой стадии вирус как бы исчезает из клетки. Предпологают, что НК вируса проникает в ядро и встраивается в НК клетки. Механизм не изучен. Длительность фазы: грипп 5-9 часов; E. coli - 15 минут.
Репродукция вируса. Компоненты вируса синтезируются в различных частях клетки - поэтому сам процесс размножения получил название репродукции. Этот сложный процесс условно делят на 3 стадии:
подготовительная;
синтез компонентов вибриона;
формирование полноценного инфекционного вибриона;
освобождения вирусного потомства.
. Подготовительная стадия.
НК вируса встраивается в НК клетки и нарушается нормальное функционирование ее генетического аппарата. На этой стадии вирус максимально использует компоненты клетки и энергетические ресурсы.
У разных вирусов этот процесс имеет свои особенности. У вирусов, содержащих РНК, в подготовительной стадии происходит синтез белков самой клеткой. РНК вируса, освободившись от белка, соединяется с рибосомами клетки и образует рибосомальные комплексы, которые выполняют роль и-РНК.
РНК вируса полиомелита выполняет роль особого фермента вирусной полимеразы и одновременно является матрицей для новых молекул РНК вируса.
У вирусов человека и животных, которые содержат ДНК, в меньшей степени выражен признак блокирования клеточного метаболизма и более длительно идет процесс накопления ферментов, участвующих в подготовке и репликации ДНК. Используя РНК - полимеразу клетки, на вирусной ДНК строится и - РНК которая и осуществляет синтез вирусных белков..
. Синтез компонентов вириона.
Синтез НК и белков происходит в различных частях клетки, но эти процессы тесно связаны и протекают в определенной последовательности.
У вирусов, содержащих РНК или ДНК эти процессы имеют свои особенности. Синтез вирусных ДНК происходит по принципу комлементарности. Субстратом для синтеза служат те же 4 нуклеотида, которые имеются в клетке. Ферменты, необходимые для синтеза формируются на и-РНК, как на матрице. В синтезе могут участвовать ферменты самой клетки. Синтез вирусной ДНК может осуществляться в цитоплазме и ядре. Синтез вирусной РНК в РНК - содержащих вирусах происходит на самой вирусной РНК в качестве матрицы (при участии РНК- полимеразы). Субстратом синтеза являются нуклеотиды пораженной клетки. Синтез РНК осуществляется как в цитоплазме, так и ядре. Субстратом для синтеза вирусных белков являются аминокислоты белков пораженной клетки. Полагают, что синтез вирусных белков происходит в цитоплазме клетки.