ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ УРОКА
Факт 1. Паразит - живой организм, использующий в качестве источника питания и среды обитания другие организмы.
Факт 2. Вирус не обладает таким непременным свойством живого, как обмен веществ.
• В чём противоречие? Какая проблема возникла в связи с открытием вирусов? Предложите свой вариант вопроса и сравните его с авторским на с. 396.
НЕОБХОДИМЫЕ БАЗОВЫЕ ЗНАНИЯ
• Какие свойства живого вам известны? (§ 3)
• В каком виде хранится и передаётся наследственная информация? (§ 8-9)
• Как происходит синтез белка в клетке? (§15)
• Что такое вакцина? (§ 8)
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
• Найдите в тексте информацию и сформулируйте свой вариант решения проблемы.
Инфекционные частицы
• По каким последствиям обнаруживается присутствие вирусов?
Вирус (от лат. virus — яд) впервые описан российским учёным Д.И. Ивановским (1864-1920). Это был возбудитель болезни табака - табачной мозаики. Учёного удивило то, что среда с возбудителями оставалась опасной для растений даже после процеживания сквозь тончайшие фильтры, задерживающие самые мелкие бактерии. Вторая поразительная особенность, отличавшая их от бактерий, — то, что возбудитель невозможно разводить в искусственной среде: ему непременно нужны живые листья табака.
17.1. Вирусы
Вирусы — возбудители огромного количества заболеваний человека, животных и растений. Среди них и хорошо знакомые каждому насморк, бородавки, ветряная оспа, корь, грипп и такие опасные болезни, как гепатит, вирусный иммунодефицит человека (ВИЧ), некоторые формы злокачественных опухолей и многие другие заболевания. Вирусы могут поражать любые организмы, даже бактерии. Инфицирующие их вирусы имеют специальное название - бактериофаги.
Лишь много лет спустя, с изобретением электронного микроскопа, удалось рассмотреть вирусные частицы. Их размеры — от 20 до 3000 нм — сравнимы с размерами макромолекул. Попадая в живую клетку, вирус перестраивает её жизнедеятельность на производство себе подобных вирусных частиц.
17.2. Схема размножения бактериофагов: А — бактериофаг прикрепляется к поверхности бактериальной клетки; Б — бактериофаг вводит свою ДНК в клетку; В — фаг инактивирует ДНК бактерии; Г — ДНК бактерии разрушается; Д — ферменты фага расщепляют ДНК клетки. Клеточный аппарат используется для построения новых частиц фага; Е — лизис клетки
По воздействию на клетку различают три типа вирусных инфекций.
Литические (разрушающие) инфекции: в поражённой клетке массовое одновременное размножение вируса приводит к разрушению (лизису) клетки.
Персистентные (стойкие) инфекции: поражённая клетка продолжает жить и делиться, но перестраивается, в ущерб собственным функциям, на постепенное производство вирусов.
Латентные (скрытые) инфекции: вирус встраивает свой наследственный материал в хромосому клетки, что внешне никак не проявляется. Спустя долгое время внешние факторы, вызывающие ослабление организма, могут спровоцировать размножение вируса.
Строение вирусов
• Какие общие черты и особенности строения характерны для вирионов?
Вне живой клетки-хозяина вирус не размножается. Он существует в виде вирусной частицы — вириона, не проявляющего признаков жизни. Он состоит из двух элементов: генетического материала (молекулы ДНК или РНК) и белковой оболочки - капсида.
По генетическому материалу вирусы делятся на ДНК-содержащие и РНК-содержащие. При этом и те и другие могут иметь одну или две цепочки нуклеотидов в виде линейной или кольцевой молекулы.
Капсид вириона состоит из многократно повторённых одинаковых полипептидных цепей одного или нескольких белков (рис. 17.1). Эти мономеры, в соответствии с физическими законами кристаллизации самопроизвольно складываются в компактную форму в виде плотной спирали или правильного 20-гранника.
У белковой оболочки двойное назначение. Во-первых, она защищает генетический материал вируса от губительного воздействия химических веществ и ультрафиолетовых лучей. Во-вторых, активные центры её белков способны распознавать клетки, пригодные для поражения, по характерным особенностям их плазматической мембраны. Поэтому вирусы обладают специфичностью: каждый поражает только нужный ему тип клеток.
Наконец, сложные вирусы имеют ещё и третий элемент строения: внешнюю белково-липидную оболочку, построенную в основном из остатков разрушенной клетки. Она служит дополнительной защитой. Вирус гриппа — пример такой упаковки: спиральный капсид его вириона укрыт в дополнительную оболочку в форме 20-гранника.
Образ жизни генетического паразита
• Как происходит поражение клетки и воспроизводство вирусных частиц?
Благодаря мелким размерам и высокой скорости размножения, вирусы распространяются в среде в астрономических количествах. Некоторые вирионы попадают на клетки, пригодные для поражения. Капсид реагирует на соприкосновение с поверхностью такой клетки и удерживается на её мембране. Несмотря на защитные свойства мембраны, существует несколько способов проникновения сквозь неё. В одних случаях клетка сама «заглатывает» вирион вместе с пузырьком межклеточной жидкости при пиноцитозе (рис. 17.3, вверху). Капсид других вирионов воздействует на мембрану, раздвигая её молекулы (рис. 17.3, внизу).
17.3. Стратегии проникновения вируса (пояснения в тексте)
Третьи, такие как фаг Т4, впрыскивают в клетку свой генетический элемент с помощью специальных нитей-фибрилл капсида.
Генетический элемент вируса, покинув белковую оболочку, проникает внутрь клетки, где находит все условия и средства для своего размножения: нуклеотиды, аминокислоты, запасы энергии в виде АТФ и необходимые ферменты. Эти агенты, встретив вирусную нуклеиновую кислоту, приступают к её репликации. Они снимают с неё копии, производят по ним вирусные белки и собирают из них вирионы. Готовые вирионы покидают клетку.
Таким образом, вирусы - специализированные генетические паразиты. Они используют клетку-хозяина не для питания или других целей, а исключительно для собственного воспроизводства с помощью чужих механизмов обработки генетической информации.
17.4. Процесс размножения вирусов происходит за счёт деятельности клетки.
Вирусная частица связывается с клеткой и вводит в неё свою ДНК. Клеточные ферменты копируют ДНК вируса и синтезируют на ней иРНК. Клеточный аппарат синтеза белка создаёт вирусные белки на иРНК. Собранная вирусная частица покидает клетку
Реакция клетки на вирус
• Может ли клетка противостоять вирусной инфекции?
Одни вирусы приводят к гибели клетки, другие перестраивают её работу рано или поздно, в большей или меньшей степени. Эти процессы проявляются как симптомы вирусного заболевания. Клетка и организм в целом не остаются безучастными к вирусным атакам.
Собственная защитная реакция клетки срабатывает при нарушении её работы. Неспецифический (на все типы вирусов) ответ даёт интерферон — белок, производимый клеткой и препятствующий размножению вирусов. Если процесс зашёл далеко, в клетке может запуститься программа собственного уничтожения, в которой активную роль играют лизосомы. Они освобождают ферменты, расщепляющие органические вещества на мономеры. Клетка погибает, и вирус — вместе с ней.
Организм реагирует на заражение с помощью специфической (на данный тип вируса) реакции иммунной системы. Она вызывается появлением чужеродных белков вируса на поверхности клеток. Лимфоциты распознают чужеродный белок-антиген и уничтожают вирусы и поражённые клетки. Происходит размножение лимфоцитов, реагирующих на данный белок-антиген, и память о нём сохраняется иммунной системой в виде повышенного числа лимфоцитов, готовых реагировать на него в будущем.
Борьба с вирусными инфекциями
• Что необходимо знать о борьбе с вирусными инфекциями?
От вирусов — клеточных генетических паразитов — очень трудно избавиться и защититься. Во-первых, их разнообразие так велико, что сложно создать универсальное средство борьбы с ними. Во-вторых, лекарство, проникающее сквозь мембрану клетки, уничтожало бы не только вирусные компоненты, но и все похожие компоненты, в том числе и у здоровых клеток.
Наиболее эффективный способ борьбы с вирусными инфекциями — профилактическая вакцинация, прививка малой дозы обезвреженного вируса или его белка в качестве антигена. В организме возникает иммунная реакция и вырабатываются специфические Т-лимфоциты для борьбы с данной инфекцией в будущем. Именно вакцинация уничтожила оспу как ведущий фактор смертности людей в Средние века. В настоящее время достигнуто значительное снижение заболеваемости полиомиелитом и корью.
Чтобы получить желаемый эффект, важно вакцинировать возможно большую долю населения, особенно детей. Поэтому родителям предлагают привить детей ещё в роддоме или в первые годы жизни от таких тяжёлых вирусных заболеваний, плохо поддающихся лечению, как гепатит, корь, паротит, полиомиелит.
Есть вирусы, общие для человека и животных. Они сохраняются в животных популяциях — природных очагах инфекций. Так, вирус гриппа циркулирует в природе среди птиц; бешенства - среди грызунов; клещевого энцефалита — среди клещей и их прокормителей. В этих случаях борьба с вирусом направлена на заболевших животных и ограничение контакта с ними.
Основные стратегии в создании противовирусных лекарств направлены на поиск веществ, избирательно подавляющих активность вирусных ферментов. Не менее важны препараты, стимулирующие иммунную систему — выработку интерферона, Т-лимфоцитов и продукцию антител.
Онкогенные вирусы
• Почему изучением злокачественных опухолей занимаются вирусологи?
Использование генетической информации в ходе нормальной работы клетки начинается с процесса транскрипции — построения молекулы иРНК на открытом участке ДНК. Наблюдение за вирусами куриной саркомы привело к открытию противоположного процесса обратной транскрипции. С помощью специального фермента этот вирус в поражённой клетке по матрице своей РНК строит молекулу ДНК: сначала основную цепочку, а затем на ней — и другую, комплементарную. Эта новая ДНК встраивается в ДНК клетки, работает как обычная ДНК и передаётся в хромосомах хозяина в дочерние клетки, в том числе и в половые клетки, и далее по наследству — потомкам.
Поражённые клетки никак не проявляют свои отличия, но могут откликнуться на воздействие канцерогенных (порождающих рак) факторов: радиоактивное облучение, табачный дым и др. В этом случае чужеродный участок ДНК начинает воспроизводить вирусы, что приводит к злокачественному перерождению клеток. Они отличаются тремя признаками.
1. Утрачивают признаки ткани, становятся недифференцированными, как бы омолаживаются.
2. Быстро и бесконтрольно делятся, расходуя много энергии.
3. Утрачивают сцепление друг с другом и разносятся по телу.
Таким образом, вирусологи описали типичную картину развития некоторых форм рака и обнаружили, что их причиной могут быть онкогенные (опухолеродные) вирусы. Тем самым они заложили основу изучения злокачественных опухолей.
Вирусы переносят гены одного организма другому
• Что такое горизонтальный перенос генов и для чего он важен?
При воспроизводстве онкогенных вирусов в них может попасть информация с соседних участков хозяйской ДНК. Если такой вирус поразит клетки другого организма, то в его ДНК попадёт наследственная информация от предыдущего хозяина.
В настоящее время факт горизонтального переноса генов - не от родителей к потомкам, а от одного неродственного организма к другому — не только доказан, но и хорошо изучен. Он используется человеком в генной инженерии ~ практике создания генетически модифицированных организмов. Кроме того, учёные обсуждают вопрос, насколько такой обмен генами мог повлиять на ход эволюции органического мира на Земле.
ОБОБЩЕНИЕ НОВЫХ ЗНАНИЙ
Вирусы - это инфекционные частицы, поражающие клетки любых организмов. Они состоят из нуклеиновых кислот, защищённых белковой оболочкой. Вирусы не способны к собственному обмену веществ, а размножаются только в живой клетке, используя её генетические механизмы. Защитой от вирусных заболеваний служит профилактическая вакцинация, усиливающая иммунитет. Изучение вирусов проливает свет на природу раковых опухолей и механизмы переноса генов одного неродственного организма другому.
Вирусы
ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
1.• Определите, что такое вирус.
2.• В каких двух формах существует вирус?
3.• Каким образом вирус может получить доступ внутрь клетки?
4.• Чем обусловлено разнообразие вирусов?
5.• Как можно бороться с вирусными инфекциями?
6.• Как вирион находит клетку, пригодную для размножения?
7.• Для чего в нуклеиновых кислотах некоторых вирусов закодированы различные ферменты, несмотря на то, что вирус использует ферментные системы клетки- хозяина?
8. • Эпидемии гриппа случаются очень часто, практически раз в год, но иногда они приобретают угрожающий характер и уносят много жизней. Почему?
9. • Приведите доводы за и против прививок детям.
10. • Какие практические шаги в изучении вирусов вы считали бы первоочередными, если бы стали вирусологами?