Рассмотрите рисунки 67-71. Какие черты строения и жизнедеятельности отличают вирусы от клеточных организмов?
Рис. 66. Дмитрий Иосифович Ивановский (1864-1920)
Кроме организмов, имеющих клеточное строение, существуют и неклеточные формы жизни - вирусы (от лат. virus - яд). Они имеют свойства, которые позволяют считать их живыми существами, но могут рассматриваться и как гигантские молекулы нуклеиновых кислот, покрытые белковой оболочкой. Вирусы обладают наследственностью и изменчивостью. Но в то же время они не способны к самостоятельному обмену веществ и размножению. Вирусы представляют собой переходную группу между живой и неживой природой, выделяемую в царство.
Открытие вирусов. Вирусы были открыты в 1892 г. русским ученым Д.И. Ивановским (рис. 66). Он изучал мозаичную болезнь табака и определил, что ее возбудитель способен проходить через фильтры, задерживающие бактерии. Позднее эти результаты были подтверждены голландским ученым М. Бейеринком, предложившим для обозначения небактериального инфекционного начала термин «вирус». Вирусы настолько малы, что не видны в световой микроскоп. Поэтому до появления электронного микроскопа их природа оставалась неясной. Активное изучение вирусов и развитие вирусологии - науки о вирусах - началось лишь во второй половине XX в.
Строение и жизнедеятельность вирусов. Для вирусов характерны следующие признаки.
1. Вирусы очень малы и различимы только в электронный микроскоп.
2. Вирусы можно рассматривать как генетические элементы (ДНК или РНК), одетые в защитную белковую или белково-липидную оболочку.
3. Вирусы могут существовать только внутри клетки другого организма. Вне клетки они инертны, способны кристаллизоваться подобно неживому веществу, сохраняя при этом свои свойства.
4.Жизнедеятельность вирусов приводит к гибели клетки-хозяина. При внедрении в клетку вирус начинает размножаться, подавляя и разрушая все ее органоиды.
Рис. 67. Вирус табачной мозаики (ВТМ): 1 - растение табака, пораженное вирусом; 2 - электронная микрофотография вируса; 3 - схема строения вируса
Вирусы имеют простое строение (рис. 67). Отдельные частицы вирусов - вирионы - состоят из нуклеиновой кислоты и белков. Генетический аппарат вирусов может быть представлен как молекулой ДНК, так и РНК. Нуклеиновая кислота составляет сердцевину вируса и защищена белковой оболочкой, которая называется капсидом (от лат. capsa - вместилище, ящик). Форма вирусов очень разнообразна. Среди них встречаются многогранники: икосаэдр (вирус полиомиелита), палочковидная (вирус табачной мозаики), булавовидная (бактериофаги), неправильно овальная форма (вирус гриппа). По размерам они (вирусы) мельче, чем клетки прокариот и эукариот (рис. 68).
Рис. 68. Сравнительные размеры вирусов (1), прокариотной (2) и эукариотной клеток (3)
Вирусы вызывают различные заболевания у растений, животных и человека. К ним относят вирусы табачной мозаики, пестролепестности тюльпана, вирусы гриппа, кори, оспы, полиомиелита и др. В бактериальных клетках паразитируют вирусы-бактериофаги. В настоящее время известно, что вирусы могут длительное время сохраняться в организме, не вызывая заболевания. Более того, установлено, что они выполняют важную роль в переносе генетической информации между клетками, а также между организмами.
Рис. 69. Бактериофаги на поверхности бактериальной клетки (электронная микрофотография)
Бактериофаги. Бактериофаги - это вирусы, поражающие клетки бактерий (рис. 69). Тело бактериофага состоит из белковой головки, в центре которой находится вирусная ДНК, и хвоста. На конце хвоста располагаются базальная пластинка с шипами и хвостовые нити (рис. 70). С их помощью вирус входит в контакт с рецепторными участками на поверхности бактериальной клетки и прикрепляется к ней. Вирус содержит фермент, разрушающий бактериальную стенку. По хвостовому каналу ДНК вируса впрыскивается в клетку бактерии и встраивается в бактериальную ДНК. При этом подавляется синтез бактериальных белков, вместо которых синтезируются ДНК, РНК и белки вируса. В клетке происходит сборка новых вирионов, которые покидают погибшую бактерию и внедряются в новые бактериальные клетки. Бактериофаги могут использоваться как лекарства против возбудителей инфекционных заболеваний (холеры, брюшного тифа).
Рис. 70. Строение бактериофага: 1 - белковая капсула; 2 - ДНК вируса; 3 — воротничок;4 - хвостовой чехол; 5 - базальная пластинка е шипами; 6 — хвостовые нити
ВИЧ. Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) вызывает заболевание - синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД). Генетический материал ВИЧ представлен молекулами РНК (рис. 71). Наружная белково-липидная мембрана, позаимствованная от клетки-хозяина, пронизана собственными вирусными белками. Они играют важную роль в проникновении вируса в белые клетки крови - лейкоциты, отвечающие за выработку иммунитета в организме человека. Под мембраной вируса располагается белковый капсид, внутри которого находится сердцевина вируса с молекулами РНК и ферментами.
Рис. 71. Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ): 1 — белковая капсула; 2 — молекулы фермента; 3 - РНК; 4 - липидная мембрана; 5 — белки мембраны
Процесс поражения лейкоцитов вирусом протекает следующим образом. На поверхности лейкоцитов имеются специфические белки-рецепторы, способные связываться с наружными белками вируса (рис. 72). При контакте с ними белок вируса выдергивается и освобождается «острие» - другой белок, повреждающий плазматическую мембрану лейкоцита. Вирусная мембрана сливается с клеточной, и содержимое вируса попадает внутрь лейкоцита. После проникновения вируса с помощью ферментов на матрице вирусной РНК синтезируется вначале одна цепь вирусной ДНК, а затем в процессе репликации вторая цепь. Вирусная ДНК замыкается в кольцо и встраивается в хромосомы лейкоцита. На матрице вирусной ДНК начинаются процессы транскрипции, синтезируются вирусные РНК, а далее и белки. Происходит сборка новых вирусных частиц и выход из клетки путем отпочковывания от клеточной мембраны, причем, часть клеточной мембраны становится мембраной вируса. Лейкоцит при этом погибает, а новые вирионы заражают другие лейкоциты. Снижение в результате этого общего количества лейкоцитов в крови - основная причина развития у человека, инфицированного ВИЧ, заболевания СПИД.
Рис. 72. Жизненный цикл ВИЧ
Вирусы способны размножаться только в клетке- хозяине, используя для этого ее генетический материал и процессы. Чаще всего клетка при этом погибает. Однако иногда вирус может включаться в хромосому клетки, не вызывая ее гибели, реплицируясь вместе с ее генетическим материалом. В этом случае клетка будет передавать вирусную ДНК при делении дочерним клеткам. Итогом этого станет нарушение клеточного деления, в результате чего в организме появятся аномальные клетки. Например, такие процессы происходят при внедрении в клетки организма опухолевых, или онкогенных, вирусов. Непрерывный синтез вирусных белков превращает нормальные клетки в раковые. Они растут и делятся значительно быстрее, чем здоровые клетки окружающих тканей, что приводит к развитию опухолей в жизненно важных органах и гибели в результате этого всего организма. Изучение онкогенных вирусов дает возможность ученым раскрыть природу раковых заболеваний и вести поиск эффективных мер их профилактики и лечения.
Вирус, вирусология, вирион, капсид, бактериофаг, вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), опухолевые (онкогенные) вирусы.
1. Кем и когда были открыты вирусы? Почему некоторое время невозможно было выяснить природу вирусов? 2. Приведите примеры заболеваний, вызываемых вирусами. 3. Чем по строению и жизнедеятельности вирусы отличаются от клеток? 4. Какими молекулами представлен генетический аппарат вирусов? 5. Как происходит размножение бактериофага и ВИЧ в клетке-хозяине? 6. Почему ДНК вирусов могут длительное время сохраняться в клетке-хозяине и передаваться дочерним клеткам в процессе деления?
Возбудитель СПИДа - ВИЧ в настоящее время выделен практически из всех физиологических жидкостей организма человека: из плазмы крови, спермы, слюны, материнского молока, спинно-мозговой жидкости, слез. Однако концентрация вирусных частиц в этих жидкостях различна. Поэтому наиболее вероятными путями передачи смертельно опасной инфекции являются: 1) донорские органы, ткани, плазма крови, костный мозг, сухожилия; 2) загрязненные медицинские инструменты и оборудование; 3) половые контакты; 4) «вертикальный» путь мать - ребенок (внутриутробно, при родах, при вскармливании грудным молоком).