Что такое самосборка вирусов

В наш постиндустриальный век одной из важнейших задач является организация управления и координирования различных процессов. Каждый человек обладает какими-то идентификационными данными (паспортом, например), платит налоги, ежедневно взаимодействует с массой служб: коммунальная, дорожная и так далее. Работа каждой такой организации взаимосвязана с другими организациями, предприятиями, людьми… Очевидно, что такая сложная система не может обслуживаться вручную. Современные технологии позволяют создавать машины с довольно-таки замысловатым логическим устройством; алгоритмы, по которым они работают, достаточно непрозрачны.

В таких условиях на первый план выходит задача саморегуляции системы. Нет особой разницы, о чём конкретно идёт речь: работа городских служб, сеть Интернета, живые и неживые организмы или абстрактные функции. Все эти системы можно - путём, пусть иногда и нетривиальных, аналогий - свести к какой-то общей модели. Задачей, в данном случае, является построение такой модели, которая могла бы функционировать и после разрушения самой системы или каких-то связей внутри неё.

Итак, самосборка. Что же это такое?

Зигота - одна клетка с двойным набором хромосом - является тотипотентной клеткой. Тотипотентность - свойство клеток реализовывать генетическую информацию ядра, обеспечивает их дифференциацию и развитие из одной клетки целого организма (состоящего из многих типов клеток). Таким образом, одна зигота начинает делиться простым дроблением на множество дочерних клеток - бластомеры. Как только прекращается дробление зиготы, начинается морула, стадия раннего эмбрионального развития. Клетки зародыша формируют структуру, являющуюся шаровидной. Далее следует бластула - многоклеточный организм, имеющий один слой клеток.

Эти процессы представлены на рисунке:

Затем наступает гаструла - период, когда часть стенки бластулы впячивается внутрь; теперь зародыш состоит из двух частей: эктодермы (наружный слой клеток) и энтодермы (внутренний). Из внутреннего слоя клеток в дальнейшем формируются внутренние органы (легкие, кишечник и др.), а из эктодермы - нервная система, зубная эмаль и кожный эпителий.

Весь этот, известный ещё из школьного курса биологии, процесс не является регулируемым извне. Он происходит сам; клетки сами делятся, сами формируют шарообразную структуру, сами образуют полость, сами упорядоченно и организованно (хотя никакой организации-то в привычном смысле слова и нет!) формируют два слоя, два типа клеток - эктодерму и энтодерму.

Важнейшим примером в данной теме является самосборка вирусов. Необходимо более подробное описание процесса.

Что представляет из себя вирус? Это неклеточная форма жизни, которая, хоть и обладает собственным геномом (ДНК или РНК), может воспроизвести себя лишь в клетках другого организма.

На химическом уровне молекулы белка состоят из некоторых радикалов, аминогруппы NH₂ и карбоксильной группы COOH. Эти группы образуют пептидные связи; белковая субъединица - полипептид - содержит великое множество таких пептидов (от 50 аминокислотных остатков).

На приведённом ниже рисунке показана общая схема строения вируса:

Цифрами обозначены: 1 - геном (ДНК или РНК), 2 - нуклеокапсид (дополнительная белковая оболочка, окружающая геном; наличие не обязательно), 3 - капсид (построен или из идентичных субъединиц, или из объединений нескольких белков), 4 - липидная оболочка (задействована из ядерной или клеточной мембраны клетки-хозяйки; тоже встречается не всегда), 5 - фибриллы (для распознавания) и сокращающийся хвост (для доставки и интеграции вируса в клетку).

Цикл самосборки выглядит следующим образом. Вирусная частица (вирион) прикрепляется к клетке. Геном вируса (иногда со вспомогательными белками вируса) проникает в хозяйскую клетку. Затем клетка начинает синтезировать вместо своих собственных белков - вирусные белки и нуклеиновые кислоты. Из синтезированных компонентов начинается самосборка вируса.

самосборка аттрактор дискретный симметрия

На рисунке представлена схема самосборки вируса табачной мозайки. Вокруг РНК вируса, которая имеет спиралеобразную форму, нанизаны белковые частицы. Всего белковых субъединиц 2130, размеры вируса: длина примерно 300 нм, ширина - 17 нм.

Интересно то, что отдельные части вируса собираются независимо друг от друга, но в итоге получается одно целое; и, опять же, нет (или не установлено наличие) некоего внешнего фактора, который направлял бы движение молекул определённым образом.

Вирусы представляют собой инфекционные нуклеиновые кислоты, упакованные в защитную оболочку. Это - наиболее эффективные из внутриклеточных паразитов. В отличие от клеток вирусы не способны вырабатывать энергию с помощью метаболических реакций или синтезировать белки. Они отличаются от клеток и тем, что содержат только ДНК или только РНК, но никогда не содержат и то и другое одновременно. Одни вирусы содержат одноцепочечную нуклеиновую кислоту, другие - двухцепочечную. По сложности строения вирусы широко варьируют - от фага Q β - РНК-содержащего фага, имеющего всего 4 гена, до вируса оспы, геном которого насчитывает примерно 250 генов. Готовый внеклеточный продукт размножения вируса называется вирионом (или вирусной частицей). Нуклеиновая кислота, входящая в состав вариона, одета белковым капсидом, защищающим ее от ферментативного расщепления и механических повреждений. Именно капсид обеспечивает внедрение нуклеиновой кислоты в клетки чувствительной клетки-хозяина. У некоторых более сложно устроенных вирусов животных капсид окружен оболочкой, содержащей липид и гликопротеин.

Мы уже видели, что изучение вирусов оказало глубокое воздействие на развитие молекулярной биологии. В качестве примера можно привести открытие информационной РНК. Неослабевающий интерес исследователей к вирусам объясняется несколькими причинами. Во-первых, размножение вируса - модель развития клетки, так как оно сопровождается последовательным выражением генов и сборкой макромолекул в весьма упорядоченные структуры. Относительно небольшое число вирусных генов, высокая скорость репликации и легкость генетического анализа также делают вирусы весьма привлекательной моделью. Во- вторых, вирусы - источник представлений об эволюционных процессах и молекулярных аспектах взаимоотношений хозяин-паразит. В-третьих, некоторые вирусы вызывают у экспериментальных животных рак. Интенсивно изучается и возможная роль вирусов в раковых заболеваниях человека.

Общее число аминокислот в оболочке вируса всегда превосходит число нуклеотидов в его геноме. Например, белковая оболочка одной частицы вируса табачной мозаики (ВТМ; рис. 30.2) содержит около 340000 аминокислотных остатков, а его РНК - всего 6400 нуклеотидов. В 1957 г. Френсис Крик и Джеймс Уотсон ( Francis Crick , James Watson ) обратили внимание на то, что белковая оболочка вируса не может состоять из одной большой молекулы или набора множества различных мелких белков, так как количество вирусной нуклеиновой кислоты слишком мало, чтобы кодировать такое огромное число аминокислотных остатков. С другой стороны, белковую оболочку нельзя уменьшить в размере, так как она должна закрывать всю нуклеиновую кислоту. Вирусы решают эту задачу генетической бедности, образуя оболочку из большого числа белковых субъединиц одного или нескольких видов. Например, оболочка ВТМ состоит из 2130 идентичных субъединиц (каждая длиной 158 остатков).

Таблица 30.1. Типы вирусов

Рис. 30.1. Электронная микрофотография вирионов Т4 в зараженных клетках

Рис. 30.2. Электронная микрофотография частицы вируса табачной мозаики (ВТМ)

Число способов построения вирусной оболочки из идентичных субъединиц весьма ограниченно. Стабильность достигается путем образования максимального числа связей и использования одинаковых контактов между субъединицами. Образующаяся структура должна быть симметричной. Наиболее вероятны два способа укладки белковой оболочки: цилиндрическая оболочка, обладающая спиральной симметрией, и сферическая оболочка, обладающая икосаэдрической симметрией (рис. 30.3). По существу, все мелкие вирусы представляют собой палочки или сферические частицы (или сочетание этих двух форм). Правила, определяющие структуру сферических вирусов, сформулировали Дональд Каспар и Арон Круг ( Donald Caspar, Aaron Klug). Толчком для вдохновения им послужили архитектурные проекты Бакминстера Фуллера ( Buckminster Fuller ).

Рис. 30.3. Модель икосаэдра

Самый простой и лучше всего изученный процесс сборки вируса - сборка ВТМ. Этот палочковидный вирус имеет длину 3000 А, диаметр 180 А (рис. 30.4) и массу примерно 40000 кДа. 2130 идентичных субъединиц белка оболочки плотно упакованы в спираль вокруг одноцепочечной РНК, содержащей 6390 нуклеотидов. РНК глубоко погружена в белок, что делает ее неуязвимой для рибонуклеаз. Каждая белковая субъединица взаимодействует с тремя нуклеотидами. Отделившись от белкового капсида, РНК весьма лабильна, тогда как интактный ВТМ сохраняет инфекционность десятилетиями.

Рис. 30.4. Модель части ВТМ, на которой показана спиральная укладка белковых субъединиц вокруг одноцепочечной молекулы РНК

Субъединицы ВТМ не связаны между собой ковалентно. Можно вызвать диссоциацию ВТМ на белок и РНК с помощью, например, концентрированной уксусной кислоты. В 1955 г. Хайнц Френкель-Конрат и Робли Уильяме ( Heinz Fraenkel - Conrat , Robley Williams ) показали, что в соответствующих условиях диссоциированные субъединицы оболочки и РНК ВТМ спонтанно реассоциируют и образуют вирусные частицы, неотличимые от исходного ВТМ по структуре и инфекционности. Это был первый пример самосборки активной биологической структуры. Процесс самосборки - это такой процесс, при котором в подходящих условиях среды происходит спонтанная ассоциация компонентов и образуется специфическая структура.

Биологическая библиотека - материалы для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

Синтез компонентов вирусных частиц в клетке разобщен и может протекать в разных структурах ядра и цитоплазмы. Вирусы, репликация которых проходит в ядрах, условно называют ядерными. В основном это ДНК-содержащие вирусы: аденовирусы, паповавирусы, парвовирусы, вирусы герпеса. Вирусы, реплицирующиеся в цитоплазме, называют цитоплазматическими. К ним относятся из ДНК-содержащих вирус оспы и большинство РНК-содержащих вирусов, за исключением ортомиксовирусов и ретровирусов. Однако это разделение весьма относительно, потому что в репродукции тех и других вирусов есть стадии, протекающие соответственно в цитоплазме и ядре.

Внутри ядра и цитоплазмы синтез вирусспецифических молекул также может быть разобщен. Так, например, синтез одних белков осуществляется на свободных полисомах, а других – на полисомах, связанных с мембранами. Вирусные нуклеиновые кислоты синтезируются в ассоциации с клеточными структурами вдали от полисом, которые синтезируют вирусные белки. При таком дисьюнктивном способе репродукции образование вирусной частицы возможно лишь в том случае, если вирусные нуклеиновые кислоты и белки обладают способностью при достаточной концентрации узнавать друг друга в многообразии клеточных белков и нуклеиновых кислот и самопроизвольно соединяться друг с другом, т.е. способны к самосборке.

В основе самосборки лежит специфическое белокнуклеиновое и белокбелковое узнавание, которое может происходить в результате гидрофобных, солевых и водородных связей, а также стерического соответствия. Белокнуклеиновое узнавание ограничено небольшим участком молекулы нуклеиновой кислоты и определяется уникальными последовательностями нуклеотидов в не кодирующей части вирусного генома. С этого узнавания участка генома вирусными капсидными белками начинается процесс сборки вирусной частицы. Присоединение остальных белковых молекул осуществляется за счет специфических белок-белковых взаимодействий или неспецифических белокнуклеиновых взаимодействий (рисунок 27).

В связи с разнообразием структуры вирусов животных разнообразны и способы формирования вирионов, однако можно сформулировать следующие общие принципы сборки.

Рисунок 27 – Структура и самосборка частицы вируса табачной мозаики из белковых субъединиц и молекул РНК (Биологический энциклопедический словарь / гл. ред. М. С. Гиляров; редкол.: А. А. Бабаев [и др.]. – 2-е изд., исправл. – М.: Сов. Энциклопедия, 1986)

1 У просто устроенных вирусов формируются провирионы, которые затем в результате модификаций белков превращаются в вирионы. У сложно устроенных вирусов сборка осуществляется многоступенчато. Сначала формируются нуклеокапсиды или сердцевины, с которыми взаимодействуют белки наружных оболочек.

2 Сборка сложно устроенных вирусов (за исключением сборки вирусов оспы и реовирусов) осуществляется на клеточных мембранах. Сборка ядерных вирусов происходит с участием ядерных мембран, сборка цитоплазматических вирусов – с участием мембран эндоплазматической сети или плазматической мембраны, куда независимо друг от друга прибывают все компоненты вирусной частицы.

5 Сложно устроенные вирусы для построения своих частиц используют ряд элементов клетки-хозяина, например липиды, некоторые ферменты, у ДНК-геномного SV40 – гистоны, у оболочечных РНК-геномных вирусов – актин, а в составе ареновирусов обнаружены даже рибосомы. Клеточные молекулы несут определенные функции в вирусной частице, однако включение их в вирион может явиться и следствием случайной контаминации, как, например, включение ряда ферментов клеточных оболочек или клеточных нуклеиновых кислот.

Сборка РНК-содержащих вирусов. Сборка просто устроенных РНК-содержащих вирусов заключается в ассоциации вирусного генома с вирусными капсидными белками с образованием нуклеокапсида.

Все вирусные компоненты – нуклеокапсиды и суперкапсидные белки прибывают к месту сборки независимо друг от друга. Первыми к месту сборки прибывают суперкапсидные белки. Обычно этими белками являются гликопротеиды, которые синтезируются в полисомах, связанных с мембранами, и через шероховатые, а затем гладкие мембраны в результате слияния с ними везикул комплекса Гольджи транспортируются на наружную поверхность плазматических мембран или остаются в составе везикул.

Включение М-белка в клеточные мембраны является сигналом для сборки вирусной частицы: вслед за включением немедленно следует связывание нуклеокапсидов с мембранами и почкование вирусной частицы. Тем самым М-белок обладает функцией лимитирующего сборку фактора.

В результате связывания ДНК с капсидами появляется новый класс промежуточных форм, которые называются неполными формами. Помимо неполных форм с разным содержанием ДНК, существует другая промежуточная форма в морфогенезе – незрелые вирионы, отличающиеся от зрелых тем, что содержат не нарезанные предшественники полипептидов. Таким образом, морфогенез вирусов тесно связан с модификацией (процессингом) белков.

Сборка ядерных вирусов начинается в ядре, обычно – с ассоциации с ядерной мембраной. Формирующиеся в ядре промежуточные формы вируса герпеса почкуются в перинуклеарное пространство через внутреннюю ядерную мембрану, и вирус приобретает таким путем оболочку, которая является дериватом ядерной мембраны. Дальнейшая достройка и созревание вирионов происходит в мембранах эндоплазматической сети и в аппарате Гольджи, откуда вирус в составе цитоплазматических везикул транспортируется на клеточную поверхность.

Почему мыло так эффективно против возбудителя коронавируса SARS-CoV-2, равно как и против большинства других вирусов? Потому что вирус — это самоорганизующаяся наночастица, в которой самым слабым звеном является липидный (жировой) бислой.

Следовательно, эти средства — просто дорогая версия мыла с точки зрения того, как они действуют на вирусы. Мыло лучше всего, спиртовыми салфетками же стоит пользоваться, когда мыло недоступно (например, за рабочим столом в офисе)

Но почему именно мыло так эффективно? Чтобы объяснить это, я отправлюсь с вами в путешествие по супрамолекулярной химии, нанонауке и вирусологии. Я попытаюсь объяснить это в общих чертах, насколько это возможно, опустив некоторые специальные химические термины.

Вирусы: как они работают

Большинство вирусов состоят из трех ключевых строительных блоков: РНК, белков и липидов. РНК — это вирусный генетический материал. Белки выполняют несколько функций, включая проникновение в клетку-мишень, способствуют репликации вируса и являются ключевым строительным блоком во всей структуре вируса. Липиды образуют оболочку вокруг вируса как для защиты, так и для содействия его распространению и клеточной инвазии.

Размер большинства вирусов, включая коронавирус, составляет от 50 до 200 нанометров, что позволяет отнести их к наночастицам. Наночастицы сложным образом взаимодействуют с поверхностями, на которых они находятся. То же самое с вирусами. Кожа, сталь, древесина, ткань, краска и фарфор — это очень разные поверхности.

Таким образом, вирус не сам себя копирует, а создает копии строительных блоков, которые затем самостоятельно собираются в новые вирусы!

Все эти новые вирусы в конечном итоге поражают клетку, и она умирает / взрывается, высвобождая вирусы, которые затем заражают еще больше клеток. Некоторые из этих вирусов попадают в дыхательные пути и окружающие их слизистые оболочки.

Когда вы кашляете или чихаете, крошечные капельки из дыхательных путей могут вылетать на расстояние до 10 м! Предполагается, что более крупные из этих капель являются основными носителями коронавируса, и они могут преодолевать по воздуху как минимум 2 м. Вот почему важно прикрываться, когда кашляешь или чихаешь!

Эти крошечные капельки попадают на поверхности и быстро высыхают. Но вирусы остаются активными! Согласно концепции супрамолекулярной химии, однородные молекулы взаимодействуют друг с другом сильнее, чем разнородные. Дерево, ткань, не говоря уже о коже, довольно сильно взаимодействуют с вирусами. В свою очередь, сталь, фарфор и некоторые виды пластика, например тефлон, — довольно слабо.

Почему столь разный эффект? Вирус присоединяется к поверхности с помощью водородных связей (таких, которые есть в воде) и того, что мы называем гидрофильными взаимодействиями. Например, поверхность волокон ткани или дерева может образовывать множество водородных связей с вирусом. В противоположность этому сталь, фарфор или тефлон не образуют с ним сильной водородной связи.

Поэтому, когда вы касаетесь, скажем, стальной поверхности с вирусной частицей на ней, последняя прилипает к вашей коже и, следовательно, попадает на ваши руки. Но вы (пока) не заражены. Однако, если вы дотронетесь до своего лица, вирус может попасть в дыхательные пути и на слизистые оболочки рта, носа и глаз. Если он проникнет туда, вуаля! — вы инфицированы (если, конечно, ваша иммунная система не убьет вирус).

Как часто вы касаетесь своего лица? Оказывается, большинство людей делают это раз в две-пять минут! Так что, если активный вирус попал вам на руки и вы вовремя его не смыли, риск заразиться довольно высок.

Что если мыть руки просто водой?

Мыло также разрушает взаимодействия между вирусом и поверхностью кожи, так что вирусы отсоединяются и рассыпаются как карточный домик, благодаря совместному действию мыла и воды. Кожа довольно груба и морщиниста, поэтому вам нужно приложить некоторые усилия, чтобы мыло добралось до всех изгибов и складок, в которых могут скрываться активные вирусы.

Насколько хорош против вируса алкоголь?

Алкоголь тоже растворяет липидную мембрану и нарушает другие супрамолекулярные взаимодействия в вирусе.

Однако для быстрого растворения вируса вам потребуется достаточно высокая концентрация спирта (возможно, более 60%). Водка или виски (обычно 40%) не растворяют вирус так быстро. В целом для этой задачи алкоголь не так хорош, как мыло

Подводя итог

Вирусы — это фактически смазанные жиром наночастицы. Они могут оставаться активными в течение многих часов на поверхностях, затем попасть вам на руки, а оттуда на лицо, потому что большинство из нас часто касается лица.

Вода не очень эффективна для того, чтобы смыть вирус с рук. Продукт на спиртовой основе работает лучше. Но ничто не сравнится с мылом — вирус отрывается от кожи и очень легко распадается в мыльной воде.

Вот и всё: супрамолекулярная химия и нанонаука рассказывают нам не только о том, как вирус самособрался в функциональную активную угрозу, но и о том, как мы можем победить вирусы с помощью чего-то простого — например, мыла.

Вирусы существуют в 2 формах: покоящейся, или внеклеточной (вирусные частицы, или вирионы), и репродуцирующейся, или внутриклеточной (комплекс вирус-клетка). Все вирусы условно разделяют на простые и сложные. Простые вирусы состоят из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки — капсида; некоторые кристаллизуются; форма палочковидная, нитевидная и сферическая. Сложные вирусы помимо белков капсида и нуклеиновой кислоты могут содержать липопротеидную мембрану, углеводы и неструктурные белки — ферменты. Размер вирионов 15-350 нм (длина некоторых нитевидных вирусов достигает 2000 нм); большинство видимы только в электронный микроскоп. В вирусах присутствует всегда один тип нуклеиновой кислоты (либо ДНК, либо РНК, поэтому все вирусы делят также на ДНК-содержащие и РНК-содержащие), которая является носителем наследственной информации. Белки защищают нуклеиновую кислоту и обусловливают ферментативные и антигенные свойства вирусов. Молекулярная масса вирусных ДНК несколько более 10 6 — около 200х10 6 , вирусных РНК — от 10 6 до 15х10 6 . Формы нуклеиновых кислот многообразны: наряду с двухцепочечными ДНК и одноцепочечным и РНК встречаются одноцепочечные ДНК и двухцепочечные РНК; ДНК могут иметь линейную и кольцевую структуры, РНК, как правило, линейны и у некоторых вирусов могут быть представлены набором фрагментов (каждый фрагмент несёт определённую часть генетической информации, необходимой для репродукции вируса). Все активные процессы вирусов протекают в клетках-хозяевах, причём одни вирусы размножаются в их ядре, другие — в цитоплазме, третьи — и в ядре, и в цитоплазме. Различают 3 основных типа взаимодействия вируса и клетки: продуктивную инфекцию (нуклеиновая кислота вириона индуцирует в заражённой клетке вирусспецифические синтезы, что приводит к образованию нового поколения инфекционных вирусных частиц), абортивную инфекцию (цикл репродукции прерывается на какой-либо промежуточной стадии и потомство не образуется) и вирогению (нуклеиновая кислота вируса встроена в геном клетки-хозяина и не способна к автономной репродукции), частным случаем которой является лизогения).

Проникновение вирусной частицы в клетку начинается с её адсорбции на клеточной поверхности (благодаря взаимодействию клеточных и вирусных рецепторов). Капсид претерпевает изменения, приобретает чувствительность к клеточным протеазам, разрушается, освобождая нуклеиновую кислоту. Нуклеиновая кислота многих вирусов животных высвобождается после проникновения вируса в клетку путём пиноцитоза, у некоторых бактериофагов в клетку проникает свободная нуклеиновая кислота. Фитопатогенные вирусы проникают через повреждения в клеточной стенке, после чего адсорбируются на внутренних клеточных рецепторах и высвобождают нуклеиновую кислоту. Последующие стадии репродукции вируса — синтез вирусспецифических белков с участием информационных РНК (у одних вирусов они входят в состав вирионов, а у других синтезируются в заражённых клетках на матрице вирионной РНК или ДНК) и репликация вирусных нуклеиновых кислот. Сборка вирусных частиц у некоторых простых вирусов происходит в результате спонтанной агрегации макромолекул по типу кристаллизации. Самосборка некоторых вирусов осуществлена в искусственных условиях. Из клеток вирусные частицы выходят одновременно (при разрушении клеток) или постепенно (без разрушения клеток). При продуктивном взаимодействии вируса и клетки могут происходить различные патологические изменения-угнетение синтеза клеточных макромолекул, повреждение клеточных структур и т. д. Известны также защитные реакции клетки (образование интерферона). В природе вирусы могут распространяться с помощью переносчиков или механически.

Пути и механизмы эволюции вирусов окончательно не установлены. О происхождении вирусов существует множество гипотез. Основные из них:

бактерии —> риккетсии —> хламидозоа —> вирусы.

Вирусы развились из органоидов клеток — митохондрий, хлоропластов, эписом.

Вирусы — часть генома нормальных клеток.

Поскольку для филогенетической классификации вирусов нет достаточных данных, их группируют на основании химических и морфологических свойств и особенностей репродукции. Вирусы объединяют в роды и семейства, для обозначения которых применяют латинизированные названия с окончаниями virus для рода (например, Enterovirus) и viridae для семейств (например, Poxviridae). Виды вирусов, как правило, имеют тривиальные названия, например, вирус табачной мозаики, вирус полиомиелита, бактериофаг Х-174 и др. (бинарные латинизированные наименования, применяемые для обозначения всех видов живых организмов, для вирусов не привились). Свойства вирусов описываются криптограммой. Вирусы резко отличаются от всех других форм жизни. По строению и организации они представляют собой нуклеопротеидные частицы, по способу репродукции являются внутриклеточными паразитами. Будучи автономными генетические структурами, они обладают рядом атрибутов жизни, в том числе таким важным, как способность к эволюции. Иногда вирусы выделяют в особое царство живой природы — Vira.

Вирусы — объект молекулярной биологии. Они используются при изучении генетической функций нуклеиновых кислот, расшифровке генетического кода и др., принципов и механизмов работы генетического аппарата. Вирусы широко применяются в работах по генетической инженерии, канцерогенезу.

Подробное решение параграф § 14 по биологии для учащихся 10 класса, авторов Сивоглазов В.И., Агафонова И.Б., Захарова Е.Т. 2014

Чем вирусы отличаются от всех остальных живых существ?

Вирусы — это неклеточная форма жизни. Считая признаком живого наличие клеточного строения, большинство ученых, тем не менее, относят вирусы к живым организмам, потому что их существование неразрывно связано с клеткой. Являясь внутриклеточными паразитами, вне клетки вирусы не способны к самовоспроизведению и осуществлению процессов обмена веществ.

Почему существование вирусов не противоречит основным положениям клеточной теории?

Состоят из органических веществ, что и клетки (белки, нуклеиновые кислоты)

Размножаются с помощью клеток

Какие вы знаете вирусные заболевания?

Грипп, ВИЧ, бешенство, краснуха, оспа, герпес, гепатит, корь, папиллома, полиомиелит.

Вопросы для повторения и задания

1. Как устроены вирусы?

Вирусы имеют очень простое строение. Каждый вирус состоит из нуклеиновой кислоты (или ДНК, или РНК) и белка. Нуклеиновая кислота является генетическим материалом вируса. Она окружена защитной белковой оболочкой — капсидом. Внутри капсида могут также находиться собственные вирусные ферменты. Некоторые вирусы, например вирус гриппа и ВИЧ, имеют дополнительную оболочку, которая образуется из клеточной мембраны клетки-хозяина. Капсид вируса, состоящий из многих белковых молекул, обладает высокой степенью симметрии, имея, как правило, спиральную или многогранную форму. Эта особенность строения позволяет отдельным белкам вируса объединяться в полную вирусную частицу путём самосборки.

2. Каков принцип взаимодействия вируса и клетки?

Обычно вирус сначала связывается с поверхностью клетки-хозяина, а затем или проникает внутрь целиком (путём эндоцитоза), или с помощью специальных приспособлений вводит в клетку свою нуклеиновую кислоту. Попав в клетку, генетический материал вируса взаимодействует с ДНК хозяина таким образом, что клетка сама начинает синтезировать необходимые вирусу белки. Одновременно происходит копирование наследственного материала паразита, и в цитоплазме заражённой клетки начинается самосборка новых вирусных частиц. Готовые вирусные частицы покидают клетку или постепенно, не вызывая её гибели, но изменяя работоспособность, или одновременно в большом количестве, что приводит к разрушению клетки.

3. Опишите процесс проникновения вируса в клетку.

4. В чём проявляется действие вирусов на клетку?

Попав в клетку, генетический материал вируса взаимодействует с ДНК хозяина таким образом, что клетка сама начинает синтезировать необходимые вирусу белки. Одновременно происходит копирование наследственного материала паразита

5. Используя знания о путях распространения вирусных и бактериальных инфекций, предложите пути предотвращения инфекционных заболеваний.

6. Предложите несколько разных классификаций вирусов. Какие критерии вы положили в основу этих классификаций? Сравните свои классификации и классификации, которые создали ваши одноклассники.

Подумайте! Вспомните!

1. Объясните, почему вирус может проявить свойства живого организма, только внедрившись в живую клетку.

Вирус-неклеточная форма жизни, у него нет никаких органоидов, выполняющих в клетках определенные функции, нет обмена веществ, вирусы не питаются, не размножаются самостоятельно, не синтезируют никаких веществ. У них есть только наследственность в форме какой-то одной нуклеиновой кислоты-ДНК или РНК, а также капсид из белков. Поэтому только в клетке хозяина, когда вирус встраивает свою ДНК (если это ретро-вирус, то сначала происходит обратная транскрипция и строится по РНК-ДНК) в ДНК клетки, могут образовываться новые вирусы. При репликации и дальнейшем синтезе клеткой нуклеиновых кислот и белков заодно воспроизводится и вся информация вируса, занесенная им, и собираются новые вирусные частицы.

2. Почему вирусные заболевания имеют характер эпидемий? Охарактеризуйте меры борьбы с вирусными инфекциями.

Распространяются быстро, воздушно-капельным путем.

3. Выскажите своё мнение о времени появления на Земле вирусов в историческом прошлом, учитывая, что вирусы могут размножаться только в живых клетках.

4. Объясните, почему в середине XX в. вирусы стали одним из главных объектов экспериментальных генетических исследований.

Вирусы быстро размножаются, ими легко заразиться, вызывают эпидемии и пандемии, могут служить мутагенами для человека, животных и растений.

5. Какие сложности возникают при попытках создать вакцину против ВИЧ-инфекции?

Так как ВИЧ уничтожает иммунную систему человека, а вакцина изготавливается из ослабленных или убитых микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности, или из их антигенов, полученных генно-инженерным или химическим путём. Иммунная ситема не выдержит этого действия.

6. Объясните, почему перенос вирусами генетического материала от одного организма к другому называют горизонтальным переносом. Как тогда, по вашему мнению, называют передачу генов от родителей детям?

Горизонтальный перенос генов (ГПГ) — процесс, в котором организм передаёт генетический материал другому организму, не являющемуся его потомком. Вертикальный перенос генов – это перенос генетической информации от клетки или организма к их потомству при помощь обычных генетических механизмов.

7. В разные годы как минимум семь Нобелевских премий по физиологии и медицине и три Нобелевских премии по химии были вручены за исследования, непосредственно связанные с изучением вирусов. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте сообщение или презентацию о современных достижениях в области исследования вирусов.

Борьба человечества с эпидемией СПИДа продолжается. И хотя рано подводить итоги, определенные, без сомнения, оптимистические тенденции, все-такипрослеживаются. Так, биологам из Америки, удалось вырастить иммунные клетки, в которых вирус иммунодефицита человека размножаться не может. Этого удалось добиться с помощью новейшей методики, позволяющей влиять на работу наследственного аппарата клетки. Профессор Колорадского университета Рамеш Аккина и его коллеги спроектировали особые молекулы, которые блокируют работу одного из ключевых генов вируса иммунодефицита. Затем ученые изготовили искусственный ген, способный осуществлять синтез таких молекул, и с помощью вируса-носителяввели его в ядра стволовых клеток, которые в последствии и дают начало иммунным клеткам уже защищенным от ВИЧ-инфекции. Однако насколько эта методика окажется эффективной в борьбе со СПИДом, покажут только клинические испытания.

1. Особенности жизнедеятельности (размеры)

2. Схема строения вируса

3. Схема проникновения в клетку, размножения

4. Стихи и загадки о вирусах

1. Вирусы (лат. virus — яд) — не имеют клеточного строения, поэтому их относят к самым простым неклеточным формам жизни. Вирусы — это внутриклеточные паразиты, и вне клетки они не проявляют никаких свойств живого. Они не потребляют пищи и не вырабатывают энергии, не растут, у них нет обмена веществ. Многие из них во внешней среде имеют форму кристаллов. Вирусы настолько малы, что их можно увидеть только с помощью электронного микроскопа. От неживой материи вирусы отличаются двумя свойствами: способностью воспроизводить себе подобные формы (размножаться) и обладанием наследственностью и изменчивостью. Устроены вирусы очень просто. Каждая вирусная частица состоит из РНК или ДНК, заключенной в белковую оболочку, которую называют капсидом. Проникнув в клетку, вирус изменяет в ней обмен веществ, направляя всю ее деятельность на производство вирусной нуклеиновой кислоты и вирусных белков. Внутри клетки происходит самосборка вирусных частиц из синтезированных молекул нуклеиновой кислоты и белков.

Читайте также: