ЛЕКЦИЯ № 9. ОСНОВЫ ВИРУСОЛОГИИ

 

9.1. История развития вирусологии

9.2. Строение и химический состав вирусов

9.2.1. Строение вирусов

9.2.2. Химический состав вирусов

9.3. Этапы взаимодействия вируса и клетки

9.3.1. Вирусы животных

9.3.2. Вирусы растений

9.3.3. Вирусы бактерий

9.4. Типы взаимодействия вируса и клетки

9.5. Общие методы изучения вирусов (слайд 9.3)

 

История развития вирусологии

 

История вирусологии началась с открытия вируса табачной мозаики (ВТМ). В 1892 г. Д. И. Ивановский установил, что сок пораженных мозаичной болезнью растений табака, пропущенный через фарфоровый бактериальный фильтр и свободный от бактерий, сохраняет инфекционность. Д. И. Ивановский доказал, что возбудитель мозаичной болезни неспособен расти на искусственных питательных средах и может размножаться только в клетках растения (слайд 9.4).

В 1898 г. М. Бейеринк, не зная о работах Д. И. Ивановского, обнаружил, что возбудитель мозаичной болезни табака диффундирует через агаровый гель и осаждается спиртом без потери инфекционности. М. Бейеринк назвал этот возбудитель «жидким носителем инфекционности».

После работ Д. И. Ивановского и М. Бейеринка начинается серия открытий фильтруемости возбудителей многих заболеваний человека, животных и растений. Этих возбудителей, невидимых в обычный микроскоп, стали называть фильтрующимися вирусами, а затем вирусами. 

Используя тот же метод фильтрации, Ф. Леффлер (F. Lofler, 1852-1915) и П. Фрош (P. Frosch, 1860-1928) в 1898 году установили фильтруемость возбудителя ящура (слайд 9.5). Далее открытия вирусов происходили очень стремительно: 1901 год – вирус желтой лихорадки, 1907 – натуральной оспы, 1909 – полиомиелита (слайд 9.6).

В 1917 г. Ф. Д'Эррель (F. d'Herelle, 1873-1949) открыл бактериофаги.

В 1931 году А. М. Вудроф и Э. Дж. Гудпэсчур впервые применили метод выращивания вирусов в развивающемся курином эмбрионе.

Прогресс физико-химических методов привел к тому, что в 1935 г. У. М. Стенли (W. M. Stanley, 1860-1917) впервые выделил вирус табачной мозаики в кристаллическом виде. Благодаря этому появилась возможность изучать химический состав чистых препаратов вируса (слайд 9.7). 

В 1939 году А. В. Арден и Г.Руска впервые применили для изучения вирусов электронный микроскоп. 

История развития вирусологии

В 1941 году Г.Херст установил, что вирус гриппа вызывает агглютинацию эритроцитов. Этим была положена основа для изучения взаимоотношений между поверхностными структурами вируса и эритроцитов.

Коренной перелом в исследованиях произошел в 1949 г., когда Дж. Эндерсу, Т. Уэллеру и Ф. Роббинсу удалось размножить вирус полиомиелита в клетках кожи и мышц человеческого зародыша. Они добились разрастания кусочков ткани на искусственной питательной среде. Метод культуры клеток стал одним из наиболее важных для культивирования вирусов.

В 1956 году удалось показать, что носителем инфекционности вируса является содержащаяся в нем нуклеиновая кислота. А в 1957 году А. Айзекс и Дж. Линдеман открыли интерферон (слайд 9.8).

С. Бреннер и Д. Хорн ввели в технику электронной микроскопии метод негативного контрастного окрашивания, сделавший возможным изучение тонкого строения вирусов, в частности их структурных элементов (субъединиц).

В 1964 г. Д. К. Гайдузек (Gajdusek, р. 1923) с сотрудниками доказал инфекционный характер ряда хронических заболеваний центральной нервной системы человека и животных. Основоположник учения о медленных инфекциях человека, в 1976 г. получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине совместно с Б. Бламбергом «за открытия, касающиеся новых механизмов происхождения и распространения инфекционных заболеваний»

(слайд 9.9).

В то же время американский генетик Б. С. Бламберг (Blumberg, род. 1925) обнаруживает антиген сывороточного гепатита (австралийский антиген), вещество, идентифицируемое при помощи серологических тестов. Этому антигену суждено было сыграть большую роль в вирусологических исследованиях гепатита. Антиген HBsAg без самого вируса был выделен у носителей вируса гепатита В, очищен и оказался безвредной и эффективной вакциной.

В 1967 В. Stollar, T. Diener, W. Raymer открыли новый тип инфекционного агента, вызывающего заболевания растений – вироиды

(слайд 9.10). 

В 1970 г. Х. М. Темин (Temin, 1934-1994) и Д. Балтимор независимо друг от друга открыли фермент обратную транскриптазу. В 1975 г. совместно с Дульбекко были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине (слайд 9.11).

В 1980-х калифорнийский биохимик С. Прузинер изучал молекулярные механизмы болезни Крейцфельдта-Якоба – довольно редкого (один случай на 1-2 миллиона населения) дегенеративного заболевания мозга. Ему удалось выделить инфекционный белок, названный в 1982 прионом. В 1997 году Прузинер получил Нобелевскую премию.

В настоящее время интерес к вирусологии объясняется, прежде всего, огромным значением вирусов в патологии человека, животных и растений.

История развития вирусологии

Кроме этого, вирусология вносит существенный вклад в разработку многих общебиологических проблем (генетических молекулярных и т. д.). 

 

 

Строение и химический состав вирусов

 

Строение вирусов

 

Вирусы можно рассматривать двояко: как болезнетворные агенты и как агенты наследственности. Не все вирусы являются двойственными агентами; некоторые действуют только как болезнетворные, другие – только как агенты наследственности. Какую роль играет вирус, во многих случаях зависит от клетки хозяина и условий внешней среды.

Вирусы – это биологические объекты, имеющие свои особенности:  

1. Содержат в своем составе только один из типов нуклеиновых кислот: РНК или ДНК (слайд 9.12).

2. Не обладают собственным обменом веществ. Для размножения используют обмен веществ клетки-хозяина, ее ферменты и энергию.

3. Могут существовать только как внутриклеточные паразиты и не размножаются вне клеток тех организмов, в которых паразитируют (в отличие от бактерий вирус паразитирует на генетическом уровне).

Вопрос о происхождении вирусов является дискуссионным. В настоящее время обсуждаются три гипотезы: 1) вирусы – примитивные доклеточные формы жизни; 2) вирусы возникли из патогенных бактерий в результате их крайней деградации (регрессивной эволюции), в связи с облигатным паразитизмом; 3) вирусы возникли из нормальных клеточных компонентов, вышедших из-под контроля клеточных регулирующих механизмов, и превратились в самостоятельные единицы (слайд 9.13).

Наиболее вероятна третья гипотеза. Можно предположить, что на участке ДНК хозяина произошла серия генетических изменений, превративших его в вирусную ДНК. Фрагмент клеточной ДНК перешел к самостоятельной репликации, стал функционировать как матрица для синтеза РНК и белков. Подтверждением гипотезы является тесная связь между клетками и вирусами, а также высокая приспособленность вирусов к использованию клеточных систем. 

Объяснить происхождение РНК-вирусов труднее, так как в нормальной клетке не бывает саморепликации РНК.

Вирусы существуют в двух основных формах: внеклеточной и внутриклеточной (слайд 9.14). 

Основными компонентами вирусной частицы являются нуклеиновая кислота и капсид. Некоторые вирусы имеют внешнюю оболочку, окружающую их капсиды. По структуре это типичная двухслойная биологическая мембрана (слайд 9.15). 

Капсид построен из капсомеров, которые, в свою очередь, состоят из одной (как у ВТМ) или нескольких белковых субъединиц. Для вирионов характерна строгая геометрическая упорядоченность строения. 

Вирион или его отдельные части обладают определенной симметрией – спиральной и изометрической. 

Спиральный тип симметрии характерен для многих вирусов растений и некоторых фагов (слайд 9.16). Спиральные вирусы подразделяют на палочковидные (ВТМ) и нитевидные (х-, у- и z-вирусы картофеля, вирус желтухи свеклы и др.). 

Изометрические капсиды по форме почти идентичны сфере, представляют собой правильные многогранники (слайд 9.17). Могут быть построены в виде тетраэдра, октаэдра или икосаэдра, причем последний тип является наиболее распространенным. Икосаэдр – это правильный многогранник, имеющий 20 граней, 12 вершин и 30 ребер. Капсид защищает центральную часть вириона (ядро), в которой расположена нуклеиновая кислота или нуклеиновая кислота с белком. По этому принципу построены некоторые вирусы растений (мозаики огурцов, некроза табака). К зоопатогенным вирусам с икосаэдрической структурой относятся вирусы группы герпеса, аденовирусы, возбудители полиомиелита и др.

Сложные капсиды имеют большинство бактериофагов (слайд 9.18). Бактериофаги Escherichia coli Т-серии (Т-2, Т-4, Т-6) имеют головку и хорошо развитый отросток, состоящий из сократительного чехла и внутреннего полого белкового стержня. Один конец чехла закреплен на стержне, не соединяясь с головкой, а другой заканчивается базальной пластинкой с шипами и нитями. Чехол состоит из белковых субъединиц, уложенных по спирали. Сокращение чехла способствует проникновению ДНК в клетку хозяина 

При электронно-микроскопическом анализе строения капсидов на их поверхности удается обнаружить выступы, шипы, которые обычно расположены на каждой из 12 вершин икосаэдра. Эти шипы играют важную роль в инициации инфекции. В литературе описан " волосатый" фаг, у которого от поверхности головки вириона отходят многочисленные фибриллы. 

Далеко не у всех вирусов животных вирионы имеют описанные формы.

Вирионы рабдовирусов по форме напоминают пулю; их оболочка образуется в результате отпочкования от плазматической мембраны клетки. Вирионы группы оспы имеют форму параллелепипеда с неравными ребрами, полностью формируются в цитоплазме клетки (слайд 9.19).

Размеры вирусных частиц могут достигать нескольких сотен нанометров (слайд 9.20).

 

Химический состав вирусов

 

Вирусы имеют сравнительно простой химический состав. Непременным компонентом вирусной частицы является нуклеиновая кислота, белок и зольные элементы (К, Na, Ca, Mg, Mn, Fe, Cu), соединенные с отрицательно заряженными группами нуклеиновой кислоты и белка. Эти три компонента являются общими для всех без исключения вирусов (простых или минимальных). Липиды и углеводы входят в состав сложных вирусов (слайд 9.21).

Различают две большие группы вирусов: ДНК-геномные и РНКгеномные. Большинство вирусов растений содержат РНК. Среди вирусов человека и животных широко представлены обе группы. Большинство бактериофагов являются ДНК-геномными вирусами. 

Вирусная ДНК. Молекулы вирусных ДНК могут быть двух цепочечными или одно цепочечными, линейными или кольцевыми. Для двуспиральной циклической ДНК характерна суперспирализация, при этом изменяются свойства молекулы, повышается устойчивость к экзонуклеазам. Большинство нуклеотидных последовательностей в вирусном геноме встречается лишь по одному разу (слайд 9.22).

В составе ДНК фагов обнаружены аномальные азотистые основания: вместо цитозина – 5-оксиметилцитозин или 6-метилцитозин, а вместо тимина – 5-оксиметилурацил. Глюкозилирование ДНК некоторых фагов придает ей стабильность, делает нечувствительной к действию ДНКазы.

Вирусная РНК. У вирусов РНК выполняет функции вещества наследственности. Может быть двух- или одноцепочечная (слайд 9.23).

Геном одного вируса может быть фрагментированным. Эти фрагменты могут входить в состав одного вириона (моновирусы) или разных вирионов (ковирусы или мультивирусы). Распределение генома одного вируса по разным вирионам позволяет увеличить объем генетической информации без увеличения массы молекулы РНК и вириона в целом. У реовирусов геном состоит из 10 фрагментов, все фрагменты обнаруживаются в составе одного вириона.

У некоторых представителей РНК-вирусов одна и та же вирионная молекула РНК может выполнять функции матрицы для собственной репликации и функции мРНК, ее обозначают как (+) цепь РНК. Молекулы РНК, которые служат матрицей для собственной репликации и не могут транслироваться, обозначают как (-) цепь. 

Вирусные белки. Белки, входящие в состав вирионов, называют структурными. Количество структурных белков – от 1-2 до 10-30 видов. Белок всех исследованных до настоящего времени вирусов построен из Lаминокислот (слайд 9.24). 

У вирусов со сложной организацией вириона обнаружены основные (гистоноподобные), так называемые «внутренние» белки, которые связаны с нуклеиновой кислотой.

Белки выполняют защитную функцию, придают стабильность молекулам нуклеиновой кислоты, облегчают их проникновение в клетку. 

Особенности белковых оболочек вирусов:

1. Устойчивость к протеолитическим ферментам. Маскировка концевых аминокислот и другие особенности третичной и четвертичной структур белков придают им высокую устойчивость к действию протеаз. 

2. Устойчивость к действию ряда физических и химических факторов. Например, вирус полиомиелита выдерживает изменения рН от 1, 6 до 10, 0, обработку 0, 5 %-м раствором фенола, 50 %-м сернокислым аммонием, а также эфиром, ацетоном, уксуснокислым свинцом. В то же время многие вирусы довольно чувствительны к изменению рН и действию ядовитых веществ. Каких-либо общих закономерностей в этом отношении не отмечено. 

Ферменты вирусов. Большинство вирусов на стадии вирионов лишено какой ферментативной активности. В составе вирионов миксовирусов содержится нейраминидаза – фермент, вызывающий гидролитическое отщепление нейраминовой кислоты, которая входит в состав оболочек эритроцитов (слайд 9.25). 

В составе некоторых вирусов обнаружены ферменты, участвующие в репликации вирусных нуклеиновых кислот: ДНК-зависимая РНКполимераза, осуществляющая транскрипцию ранних РНК с ДНК (вирус оспоквакцины), РНК-зависимая РНК-полимераза (транскриптаза) и РНКзависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза), которые транскрибируют РНК и ДНК с матрицы РНК (онкогенные вирусы). 

У бактериофагов обнаружены 2 вируоспецифичных фермента: лизоцим и аденозинтрифосфатаза.

Углеводы. Единственная группа вирусов, в которой наличие углеводов точно доказано, - вирусы животных. В составе вируса гриппа и классической чумы птиц находятся до 17 % углеводов, олигосахаридов, образованных галактозой, маннозой и другими моносахарами; эти углеводные компоненты находятся в связанном состоянии в составе гликолипидов и гликопротеидов (слайд 9.26).

Липиды. Двойной слой липидов образует основную массу наружной оболочки у тех вирусов, у которых она имеется. Чаще всего липиды вирионов близки по составу к липидам клетки хозяина. В вирусах животных липиды могут составлять значительную часть: вирион энцефаломиелита лошадей содержит 54% липидов, вирус гриппа – 18-37%. Небольшое количество липидов обнаружено у бактериофагов и некоторых крупных вирусов растений.

Полиамины. Возможно, что их единственная физиологическая функция состоит в нейтрализации отрицательного заряда нуклеиновой кислоты. 

 

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться: