Основная структурно функциональная часть тела вирусов. Вирусы. Общие характеристики. Знакомьтесь: ядовитый и опасный

Вирусы. Классификация вирусов. Типы взаимодействия клеток и вирусов

Размеры – от 15 до 2000 нм (некоторые вирусы растений). Наибольшим среди вирусов животных и человека является возбудитель естественной оспы – до 450 нм.

Простые вирусы имеют оболочку – капсид , которая состоит лишь из белковых субъединиц (капсомеров ). Капсомеры большинства вирусов имеют спиральную или кубическую симметрию. Вирионы со спиральной симметрией имеют палочкообразную форму. По спиральному типу симметрии построено большинство вирусов, поражающих растения. Большая часть вирусов, поражающих клетки человека и животных, имеют кубический тип симметрии.

Сложные

Сложные вирусы могут быть дополнительно покрыты липопротеидной поверхностной мембраной с гликопротеидами, которые являются частью плазматической мембраны клетки хозяина (например, вирусы оспы, гепатита В), то есть имеют суперкапсид . С помощью гликопротеидов происходит распознавание специфических рецепторов на поверхности оболочки клетки хозяина и прикрепление вирусной частицы к ней. Углеводные участки гликопротеидов выступают над поверхностью вируса в виде заостренных палочек. Дополнительная оболочка может сливаться с плазматической мембраной клетки хозяина и способствовать проникновению содержимого вирусной частицы вглубь клетки. Дополнительные оболочки могут включать ферменты, обеспечивающие синтез вирусных нуклеиновых кислот в клетке хозяина и некоторые другие реакции.

Бактериофаги имеют довольно сложное строение. Их относят к сложным вирусам. Например, бактериофаг Т4 состоит из расширенной части – головки, отростка и хвостовых нитей. Головка состоит из капсида, в котором содержится нуклеиновая кислота. Отросток включает воротничок, полый стержень, окруженный сокращающимся чехлом и напоминающий растянутую пружину, и базальную пластинку с хвостовыми шипами и нитями.

Классификация вирусов

Классификация вирусов основана на симметрии вирусов, наличии или отсутствии внешней оболочки.

Проявляют жизнедеятельность вирусы только в клетках живых организмов. Их нуклеиновая кислота способна вызвать синтез вирусных частиц клетки хозяина. Вне клетки вирусы не проявляют признаков жизни и называются вирионами .

Жизненный цикл вируса состоит из двух фаз: внеклеточной (вирион), в которой он не проявляет признаков жизнедеятельности, и внутриклеточной . Вирусные частицы вне организма хозяина некоторое время не теряют способности к заражению. Например, вирус полиомиелита может сохранять инфекционную активность на протяжении нескольких суток, оспы – месяцев. Вирус гепатита В сохраняет ее даже при кратковременном кипячении.

Активные процессы одних вирусов протекают в ядре, других – в цитоплазме, у некоторых – и в ядре, и в цитоплазме.

Типы взаимодействия клеток и вирусов

Взаимодействие клеток и вирусов бывает нескольких типов:

1. Продуктивного – нуклеиновая кислота вируса индуцирует в клетке хозяина синтез собственных веществ с образованием нового поколения.
2. Абортивного – репродукция прерывается на какой-нибудь стадии, и новое поколение не образуется.
3. Вирогенного – нуклеиновая кислота вируса встраивается в геном клетки хозяина и не способна к репродукции.

Строение вирусов является неклеточным, так как они не имеют никаких органелл. Одним словом, это переходная стадия между мертвой и живой материей. Вирусы были открыты русским биологом Д.И. Ивановским в 1892 году в процессе рассмотрения мозаичной болезни табака. Все строение вирусов - это РНК или ДНК, заключенные в белковую оболочку, называемую капсидом. Вирионом называется сформированная инфекционная частица.

Вирусы гриппа или герпеса имеют дополнительную липопротеидную оболочку, которая возникает из цитоплазматической мембраны клетки хозяев. Вирусы подразделяются на ДНК-содержащие и РНК-содержащие, ведь они могут иметь только 1 тип Однако подавляющее количество вирусов - это РНК-содержащие. Их геномы бывают одноцепочечными и двуцепочечными. Внутреннее строение вирусов позволяет им размножаться только лишь в клетках других организмов, и никак иначе. Они совершенно не проявляют никакой внеклеточной жизнедеятельности. Размеры широко распространенных вирусов - от 20 до 300 нм диаметром.

Строение вирусов-бактериофагов

Вирусы, которые поражают бактерии изнутри, называют Они способны проникнуть в и разрушить.

Тело бактериофага кишечной палочки имеет головку, из которой выходит полый стержень, укутанный чехлом На конце этого стержня находится базальная пластинка, на которой закреплены 6 нитей. Внутри головки находится молекула ДНК. При помощи специальных отростков вирус-бактериофаг прикрепляется к телу бактерии кишечной палочки. Используя специальный фермент, фаг растворяет и проникает внутрь. Далее из канала стержня за счет сокращений головки выпрыскивается молекула ДНК, и буквально через 15 минут бактериофаг полностью перестаивает метаболизм клетки бактерии на нужный ему лад. Бактерия перестает синтезировать свою ДНК - она теперь синтезирует нуклеиновую кислоту вируса. Все это завершается тем, что появляется около 200-1000 особей фагов, а клетка бактерии разрушается. Все бактериофаги делятся на вирулентные и умеренные. Последние не совершают репликаций в клетке бактерии, а вирулентные образуют поколение особей в уже зараженном участке.

Вирусные болезни

Строение и жизнедеятельность вирусов обуславливается тем, что они способны существовать только в клетках других организмов. Поселившись в любой клетке, вирус может вызвать серьезное заболевание. Нередко их атакам подвергаются сельскохозяйственные растения и животные. Данные заболевания резко ухудшают плодовитость культур и являются причиной многочисленной гибели животных.

Существуют вирусы, которые способны вызвать различные заболевания и у человека. Всем известны такие болезни, как оспа, герпес, грипп, полиомиелит, свинка, корь, желтуха и СПИД. Все они возникают из-за деятельности вирусов. Строение вируса оспы почти не отличается от строения вируса герпеса, так как они входят в одну группу - Herpes Virus, куда входят еще некоторые В наше время активно распространяется вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Как побороть его, пока никому неизвестно.

Вирусы (биология расшифровывает значение этого термина так) - внеклеточные агенты, которые могут воспроизводиться только с помощью живых клеток. Причем они способны поражать не только людей, растения и животных, но также и бактерии. Вирусы бактерий принято называть бактериофагами. Не столь давно были обнаружены виды, которые поражают друг друга. Они называются «вирусы-сателлиты».

Общие характеристики

Вирусы являются очень многочисленной биологической формой, так как существуют в каждой экосистеме на планете Земля. Их изучением занимается такая наука, как вирусология - раздел микробиологии.

Каждая вирусная частица имеет несколько компонентов:

Генетические данные (РНК или ДНК);

Капсид (белковая оболочка) - выполняет защитную функцию;

Вирусы имеют достаточно разнообразную форму, начиная от самой простой спиральной и заканчивая икосаэдрической. Стандартные размеры составляют около одной сотой размера небольшой бактерии. Однако большая часть экземпляров такие маленькие, что их даже не видно под световым микроскопом.

Распространяются несколькими способами: вирусы, живущие в растениях, перемещаются с помощью насекомых, питающихся травяными соками; животные вирусы переносят кровососущие насекомые. У передаются большим количеством способов: воздушно-капельным или половым путем, а также посредством переливания крови.

Происхождение

В наше время существуют три гипотезы происхождения вирусов.

Кратко о вирусах (по биологии этих организмов база знаний наша, к сожалению, далека от совершенства) вы можете прочитать в данной статье. Каждая из перечисленных выше теорий имеет свои минусы и недоказанные гипотезы.

Вирусы как форма жизни

Существует два определения формы жизни вирусов. Согласно первому, внеклеточные агенты - это комплекс органических молекул. Второе определение сообщает о том, что вирусы являются особой формой жизни.

Вирусы (биология подразумевает появление многих новых видов вирусов) характеризуются как организмы на границе живого. Они похожи на живые клетки тем, что имеют свой неповторимый набор генов и эволюционируют исходя из метода естественного отбора. Также они могут размножаться, создавая при этом собственные копии. Так как вирусы не ученые не рассматривают их как живую материю.

Для того чтобы синтезировать собственные молекулы, внеклеточным агентам нужна клетка-хозяин. Отсутствие собственного обмена веществ не позволяет им размножаться без посторонней помощи.

Классификация вирусов по Балтимору

Какие бывают вирусы, биология описывает достаточно детально. Дейвид Балтимор (лауреат Нобелевской премии) разработал свою классификацию вирусов, которая до сих пор пользуется успехом. Данная классификация основывается на способах образования мРНК.

Вирусы должны образовывать мРНК из собственных геномов. Этот процесс необходим для репликации собственной нуклеиновой кислоты и образования белков.

Классификация вирусов (биология учитывает их происхождение), согласно Балтимору, выглядит следующим образом:

Вирусы с двуцепочной ДНК без РНК стадии. К таким относятся мимивирусы и герпевирусы.

Одноцепочная ДНК с положительной полярностью (парвовирусы).

Двучепочная РНК (ротавирусы).

Одноцепочная РНК положительной полярности. Представители: флавивирусы, пикорнавирусы.

Одноцепочная молекула РНК двойной или негативной полярности. Примеры: филовирусы, ортомиксовирусы.

Одноцепочная положительная РНК, а также наличие синтеза ДНК на матрице РНК (ВИЧ).

Двуцепочная ДНК, и наличие синтеза ДНК на матрице РНК (гепатит В).

Жизненный период

Примеры вирусов в биологии встречаются едва ли не на каждом шагу. Но у всех жизненный цикл протекает практически одинаково. Не имея клеточного строения, размножаться методом деления они не могут. Поэтому и используют материалы, находящиеся внутри клетки своего хозяина. Таким образом, они воспроизводят большое количество копий самих себя.

Цикл вируса состоит из нескольких этапов, которые являются взаимоперекрывающимися.

На первом этапе вирус прикрепляется, то есть образовывает специфическую связь между своими белками и рецепторами клетки-хозяина. Далее нужно проникнуть в саму клетку и передать ей свой генетический материал. Некоторые виды переносят еще и белки. После этого происходит потеря капсида, и геномная нуклеиновая кислота высвобождается.

Заболевания человека

Каждый вирус имеет определенный механизм действия на своего хозяина. Этот процесс включает лизис клеток, который приводит к их смерти. У при отмирании большого количества клеток начинает плохо функционировать весь организм. Во многих случаях вирусы могут и не наносить вреда человеческому здоровью. В медицине это называется латентностью. Примером такого вируса является герпес. Некоторые латентные виды способны приносить пользу. Порой их присутствие вызывает иммунный ответ против бактериальных патогенов.

Некоторые инфекции могут быть хроническими или пожизненными. То есть вирус развивается, несмотря на защитные функции организма.

Эпидемии

Горизонтальная передача является самым распространённым типом распространения вируса среди человечества.

Скорость передачи вируса зависит от нескольких факторов: плотности популяции, количества людей с плохим иммунитетом, а также от качества медицины и погодных условий.

Защита организма

Виды вирусов в биологии, которые могут повлиять на человеческое здоровье, неисчислимые. Самой первой защитной реакцией является врожденный иммунитет. Его составляют специальные механизмы, которые дают неспецифическую защиту. Такой вид иммунитета не способен обеспечить надежную и долгую защиту.

Когда у позвоночных появляется приобретенный иммунитет, то вырабатываются специальные антитела, которые присоединяются к вирусу и делают его безопасным.

Однако далеко не против всех существующих вирусов образуется приобретенный иммунитет. Например, ВИЧ постоянно меняет аминокислотную последовательность, поэтому уходит от иммунной системы.

Лечение и профилактика

Вирусы в биологии - это очень распространенное явление, поэтому ученые вывели специальные вакцины, содержащие «убийственные вещества» для самих вирусов. Самой распространенным и действенным методом борьбы является вакцинация, которая создает иммунитет к инфекциям, а также противовирусные препараты, которые способны избирательно ингибировать репликацию вирусов.

Вирусы и бактерии биология описывает в основном как вредоносных обитателей человеческого организма. В настоящее время с помощью вакцинации можно побороть более тридцати вирусов, поселившихся в теле человека, и еще больше - в организме животных.

Меры профилактики против вирусных заболеваний следует проводить вовремя и качественно. Для этого человечество должно вести здоровый образ жизни и стараться всеми возможными способами повысить иммунитет. Государство же должно вовремя устраивать карантины и обеспечивать хорошее медицинское обслуживание.

Вирусы растений

Искусственные вирусы

Возможность создавать вирусы в искусственных условиях может иметь много последствий. Вирус не может полностью вымереть до тех пор, пока имеются чувствительные к нему тела.

Вирусы - это оружие

Вирусы и биосфера

На данный момент внеклеточные агенты могут "похвастаться" наибольшим количеством особей и видов, проживающих на планете Земля. Они выполняют важную функцию, регулируя численность популяций живых организмов. Очень часто они образовывают с животными симбиоз. Например, яд некоторых ос содержит компоненты вирусного происхождения. Однако их главной ролью в существовании биосферы является жизнь в море и океане.

В одной чайной ложке морской соли содержится приблизительно миллион вирусов. Их основной целью является регуляция жизни в водных экосистемах. Большая их часть абсолютно безвредны для флоры и фауны

Но это далеко не все положительные качества. Вирусы регулируют процесс фотосинтеза, поэтому увеличивают процентное содержание кислорода в атмосфере.

Состоит главным образом из нуклеиновой кислоты, которая на сильно увеличенном электронном изображении предстает в виде нити. Нить является видимым изображением цепи нуклеотидов, входящих в состав нуклеиновой кислоты. Толщина нити 1 нм, длина 50 000 нм в среднем, с существенными отклонениями, определяемыми видом вируса .

Первым был открыт патогенный для растений вирус мозаичной болезни табака, описанный Ивановским в 1892 г., вторым в 1897 г. Лёффлером и Фрошем был открыт вирус ящура. Самыми мелкими (размером 20-30 нм) оказались вирусы ящура и полиомиелита, самыми крупными - вирусы оспы человека и животных (разных видов); они достигают 300 нм в длину и 200 нм в ширину.

К вирусам со средним размером частиц (80- 150 нм), так называемым миксовирусам, относятся вирусы псевдочумы птиц , кори, чумы крупного рогатого скота, бешенства у человека и свинки. Некоторые структуры вирусов, как, например вирус ящура, содержат рибонуклеиновую кислоту (РНК), другие - дезоксирибонуклеиновую кислоту или ДНК (вирус оспы).

Многие вирусы характеризуются выраженным тропизмом к определенным тканям. Различают структуры вируса нейротропные (бешенства и различных вирусных энцефалитов), дерматропные (ящура и оспы), пневмотропные (гриппа) и висцеротропные (чумы свиней). В рамках понятия «вирусы» следует различать также возбудителей, которые по своим свойствам образуют переходную группу от вирусов к бактериям .

К этой категории вирусов относятся прежде всего риккетсии. Это организмы различной формы (палочковидные, шаровидные, булавовидные), напоминающие по своему строению бактерии (наличие клеточной стенки, способность к синтезу ферментов, обмен веществ). Размеры их варьируют между 300 и 1000 нм.

Они сходны с вирусами по способу размножения и культивируются только внутри живых клеток. Чувствительны к антибиотикам широкого спектра действия (тетрациклину, хлорамфениколу). Известно множество риккетсии, вызывающих болезни, передающиеся от животных к человеку, например марсельская лихорадка, ку-лихорадка, крысиный или блошиный сыпной тиф.

Для вирусов характерна однородность формы и величины, они также не подвижны индивидуальному росту и в процессе своего онтогенеза имеют одинаковый размер.
Морфологические формы вирусов меньше, чем у бактерий.
Основными компонентами вириона (вируса вне клетки) является белковая оболочка - капсид - и с заключенной в неё НК - нуклеокапсид. Морфологические единицы капсида - капсомеры - построены из одного или нескольких белков. Эти капсомеры связаны типом симметрии, располагаются в однозначном порядке:
- спиральная симметрия - формирует цилиндрические структуры;
- кубическая симметрия - формирует структуры близкие к сфероидам.
Вирионы по типу формирования их структуры делятся на:
- простые вирионы - построены по одному типу симметрии;
- сложные вирионы - смешанный тип симметрии (спиральная и кубическая).

Структура простых вирионов

Существуют два типа простых вирионов:
- спиральные;
- сферические.
Спиральные вирионы. Различают:
1. Жесткие палочковидные вирусы имеющие форму жесткого негнущегося очень ломкого цилиндра. Сюда входят вирусы, которые различаются по своей длине 1300-3150 Ǻ при длине вирионов 180-250 Ǻ (вирус табачной мозаики).
Строение вируса табачной мозаики (ВТМ). В электронном микроскопе ВТМ,имеет форму палочек, толщиной 150-180 Ǻ, длина 3000 Ǻ (300 нм). Встречаются и с меньшей длиной, но они не обладают инфекционностью. Капсомеры вириона расположены по спиральному типу симметрии.

Химической, структурной и морфологической единицей является белок с молекулярной массой 17400 Д. Причем на каждые три витка спирали приходится 49 морфологических единицы. Внутри полого цилиндра располагается одноцепочная РНК, размер РНК превышает размер вириона, но РНК упакована компактно и расположена также по винтовой линии между капсомерами. На каждый борот спирали приходится 49 нуклеотидов, каждая молекула белка связана с тремя нуклеотидными остатками.
2. Нитевидные вирусы имеют форму эластичных легко изгибающихся и перекрещивающихся между собой нитей.
Сферические вирионы построены по кубической симметрии. В основе этой структуры лежит структура двадцатигранника - икосаэдр. Самый простой икосаэдр имеет 12 вершин и 20 граней, более сложные - содержат 20Т граней, где Т - число триагулирования.
Т=Р×f2,
Р - размер, класс икосаэдра, принимает значение 1, 3, 7, 13, 19, 21, 37,
f - любое целое число,
f 2 - указывает сколько равнобедренных треугольников расположено на одну грань икосаэдра.
Так, простейшие икосаэдры класса 1 при f =1, имеют 20 граней, при f =2 - 80 граней.
У вирусов с кубическим типом симметрии имеется два типа копсомеров: по вершинам располагаются капсомеры построены из 5-ти идентичных субъединиц (пентомеры), а по боковым граням - из 6 -ти субъединиц (гексомеры).
Размеры вируса определяются числом капсомеров, наименьший сферический вирус класса 1 имеет 12 пентомеров и не содержит гескомеров, а самый крупный вирус содержит 1472 капсомера. РНК или ДНК уложена очень компактно, образуя впячивания внутрь капсомеров по спирали.

Структура сложных вирусов

К сложным вирусам относятся вирусы, которые имеют сложный тип симметрии или дополнительные липидные или углеводные компоненты.
Дополнительные оболочки, либо липидные, либо углеводные, но структура этих оболочек не закодирована в НК. Эти оболочки клеточного происхождения и определить их содержание сложно, часто это фрагменты ЦПМ, которые захватывает вирус при выходе из клетки.
Функции оболочек:
защитная (нечувствительны к некоторым химическим, токсическим веществам);
они служат частью механизма, что облегчает проникновение вируса внутрь клетки, за счет того, что эти оболочки легко сливаются с ЦПМ.
оболочки могут иметь трубчатые выросты, которые обладают антигенной активностью и служат рецепторами для прикрепления ви руса на клеточной поверхности.
Вирусы, которые имеют дополнительные оболочки, полиморфны и напоминают форму пули или наперстка.

Бактериофаги - группа вирусов со сложным типом симметрии.
В 1917 г. Де Еррель обнаружил лизис клеток бактерий на поверхности чашки Петри и назвал этот агент неизвестной природы бактериофагом - пожиратель бактерий.
Встречаются как сложные вирусы, так и простые, они имеют 5 морфологических форм:
- фаги нитевидные (спиральный тип симметрии, в основном ДНК-содержащие);
- фаги с кубическим типом симметрии (имеют зачатки хвостового отростка, это РНК- или одноцеп. ДНК-содержащие);
- фаги с коротким отростком;
- фаги, имеющие два типа симметрии (головку - кубического типа симметрии и несокращающийся чехол - хвостовой отросток - построенный по спиральному типу симметрии) с двуцепочечной ДНК;
- самого сложно типа симметрии (с головкой и сокращающимся чехлом, ДНК-содержащие).
Модель фага Т2.
Это бактериофаг содержащий головку и отросток.
Головка построена по кубическому типу симметрии, внутри содержится двуцепоч. ДНК, которая во много раз превышает размеры фага. ДНК компактно уложена и во многом определяется стабилизирующей функцией белков путрисцина и спермицина, что связаны с двухвалентными металлами, их функция блокировать силы отталкивания и нейтрализуют отрицательный заряд частицы.
Отросток имеет сложное строение, состоит их воротничка, который примыкает к головке, сокращающегося чехла построенного по спиральному типу симметрии, внутри которого располагается полый цилиндр, а на конце отростка расположена шестиугольная базальная пластина, от которой отходят 6 нитей. Базальная пластина служит фактором адсорбции на поверхности клетки, а полый стержень обеспечивает транспортировку ДНК фага внутрь бактериальной клетки.

Вироиды. Вироиды представляют собой молекулу одноцепочечной РНК, ковалентно замкнутой в кольцо, и не содержат белковой оболочки. Вироиды относятся к инфекционным объектам. Некоторые заболевания растений имеют вироидную итеологию, но возбудителей болезней человека и животных - нет. Вироиды обладают трансмессивностью - способностью передаваться от объекта к объекту, часто от растения к растению механическим путем (ветром, насекомыми).

Культивирование вирусов

1. Использование лабораторных животных, но в связи с ограниченной специфичностью для культивирования вирусов необходимо иметь определенных лабораторных животных, также необходимы ткани человека, а это неудобства и нарушение биоэтики.
2. Культивирование виру сов на куриних эмбрионах, но это подходит не для всех вмрусов.
3. Использование культуры клеток или тканей лабораторных животных или человека, которые обладают пермессивностью для вируса - способностью размножать вирусы. Недостаток: клетки при культивировании стареют.
4. Культивирование с использованием гибридных клеток - гибрид нормальной клетки пермессивной для вируса с раковой клеткой. Раковые клетки обладают неконтролируемыми митозами, тем самым продлевая жизнь пермесссивным клеткам.

Влияние факторов внешней среды
1. Нагревание. Большинство вирусов устойчивы при комнатной температуре, но уменьшение инфекционности наступает при 50-60о С. Скорость репродукции у вируса гриппа уменьшается при 38-39о С, а вирус табачной мозаики стабилен при 65о С, но богибает при 70о С.
2. Механическое воздействие
- большинство вирусов устойчивы к осмотическому давлению,
- ультразвук разрушает палочковидные вирусы за несколько минут и слабо действует на сферические вирусы,
- высушивание - одни вирусы легко переносят, а другие при понижении влажности инактивируются при комнатной температуре.
3. Излучение: УФ и ионизирующая радиация вызывают гибель, а в низких дозах - мутации.
4. Химические факторы:
- спирт, йод, перекись водорода,
- антибиотики, но эффективных для системного лечения нет. Есть антибиотики профилактические и есть те, которые используют для местного лечения.
Агентом против вирусов является система интерферонов, продуцируемых человеческим организмом.

Хранение вирусов в лабораториях
Вирусы хранят в лиофильновысушенном состоянии состоянии в системе криопротекторов, высушивание при 60оС из замороженного состояния. При этом вирусная частичка помещается в криопротекторы, что защищают вирусы от повреждения частичками льда. Также вирусы можно хранить в сыворотке крови в атмосфере СО2 при -70о С, в виде стабилизатора используют глицерин.

Основные группы вирусов

Вирусы в зависимости от объекта воздействия делят на: вирусы бактерий, растений, насекомых, животных и человека.
Имеется искусственная классификация вирусов, которая закладывает:
- тип НК (ДНК или РНК),
- структура одно- или двоцепочечная,
- наличие или отсутствие внешней оболочки,
- если одноцепочечная РНК, то +РНК или -РНК,
- наличие в структуре обратной транскриптазы.