Вирусы. Особенности строения, распространения. Бактериофаги, строение, особенности размножения

Ви́рус (от лат. virus — яд) — микроскопическая частица, способная инфицировать клетки живых организмов. Вирусы являются облигатными паразитами — они не способны размножаться вне клетки. В настоящее время известны вирусы, размножающиеся в клетках растений, животных, грибов и бактерий (последних обычно называют бактериофагами).

Впервые вирусы были открыты отечественным ученым-ботаником Дмитрием Иосифовичем Ивановским в 1892 го­ду. Он изучал распространенную болезнь табака (мозаичную бо­лезнь).

Вирусы (их размеры 20-300 нм) удалось увидеть лишь с по­мощью электронного микроскопа в 30-е годы XX века.

Отличия вирусов от неживой материи:

- способность воспроизводить себе подобных;

- наследственность (ДНК или РНК);

- изменчивость (способность к мутациям у вируса гриппа);

- адаптация и способность к эволюции.

Отличия вирусов от живых организмов:

- вирусы не имеют клеточного строения (отсутствует цито-плазматическая мембрана и цитоплазма с органоидами);

- вирусы облигатные (обязательные) паразиты, вне клетки хозяина существуют в виде покоящейся или внеклеточной формы (вирусные частицы, или вирионы);

- вирусы не имеют метаболизма (обмена веществ и энергии);

- вирусы не способны к самостоятельной репродукции своей наследственности вне клетки хозяина;

- вирусы не растут.

Формы вирусов могут быть различными: нитевидными, сферическими, палочковидными, многоугольными, кубическими. Отдельные вирусные частицы - вирионы - представляют собой симметричные тела, внутри каждого вириона находится генетический материал в виде ДНК или РНК.

Есть вирусы, содержащие одну молекулу двухцепочной ДНК в кольцевой или линейной форме; вирусы с одноцепочной кольцевой ДНК; одноцепочной или двухцепочной РНК; содержащие две идентичные одноцепочные РНК.

По наличию той или иной нуклеиновой кислоты вирусы на­зывают ДНК-содержащими и РНК-содержащими.

Генетический материал вируса (ДНК или РНК) окружен капсидом - белковой оболочкой, защищающей его от действия ферментов (нуклеаз), разрушающих нуклеиновые кислоты, и от воздействия ультрафиолетового излучения. Дополнительная липопротеидная оболочка. Она образована из плазматической мембраны клетки-хозяина и встречается только у сравнительно больших вирусов (грипп, герпес).

Капсиды и дополнительная оболочка несут защитные функции, как бы оберегая нуклеиновую кислоту. Кроме того, они способствуют проникновению вируса в клетку. Полностью сформированный вирус называется вирионом.

Капсид также обеспечивает прикрепление вируса к поверхности клеточной мембраны. Капсид состоит из определенным способом уложенных белковых молекул - капсомеров. Капсид содержит рецепторы, комплиментарные рецепторам клеточных мембран, поэтому вирусы поражают строго определенный круг хозяев.

Существуют два типа строения капсидов вирионов, которые обеспечивают образование структуры с минимумом свободной энергии. В одном случае капсомеры ассоциируются с геномом и образуют спиралевидную, винтообразную структуру. Такой тип укладки называется спиральным типом симметрии, а сама структура - нуклеокапсидом.

Такой тип симметрии нуклеокапсида характерен для вирионов табачной мозаики, ортомиксовирусов, парамиксовирусов, рабдовирусов

В другом случае капсомеры образуют полое изометрическое тело, в центре которого находится геном. Такая укладка называется кубическим типом симметрии. Последние означает, что тело является симметрическим в трех Взаимно перпендикулярных направлениях (осях симметрии). Изометрические вирусные частицы с кубическим типом симметрии имеют форму геометрической фигуры икосаэдра

Сложно устроенные вирусы имеют еще дополнительную внешнюю оболочку - суперкапсид.

Все вирусы условно разделяют на простые и сложные. Простые состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки (капсид) - вирус табачной мозаики. Сложные на поверхности белковой капсулы имеют еще внешнюю оболочку, содержащую двухслойную липопротеидную мембрану, углеводы и белки (ферменты) - вирус гриппа.

В настоящее время описано более 1000 различных видов вирусов. Виды объединяют в роды и семейства. Все вместе их выделяют в особое царство живой природы - Вирусы (неклеточные формы жизни). Более 500 видов вирусов могут вызывать разнообразные инфекционные заболевания человека. Не описаны вирусы мхов и водорослей. Несколько видов вирусов известны у грибов, папоротникообразных и голосеменных. Известно много вирусов у цветковых растений.

Рецепторный эндоцитоз - основной путь про­никновения вируса в клетку хозяина. Вирусы попадают внутрь клетки вместе с капельками межклеточной жидкости.

Процесс проникновения вириона в клетку хозяина включает несколько этапов:

1) прикрепление вируса к клеточным рецепторам;

2) образование вакуоли (эндоцитоз);

3) выход вируса из вакуоли в цитоплазму.

Инфекционный процесс начинается с проникновения вируса в клетку и его размножения. В клетке хозяина происходит редупликация вирусного генома и самосборка капсиды. Для осущетвления редупликации нуклеиновая кислота должна освободиться от оболочки. Помимо редупликации геном вируса участвует в синтезе иРНК, необходимой для образования на рибосомах клетки хозяина белков капсиды.

Накопление вирусных частиц приводит к выходу их из клетки. Некоторые вирусы выходят из клетки путем «взрыва», в результате чего целостность клетки нарушается и она погибает. Другие вирусы выделяются способом, напоминающим почкование. В этом случае клетки организма могут долго сохранять свою жизнеспособность.

Вирионы выдерживают давление до 6000атм и переносят высокие дозы радиации, однако погибают при высоких температуре, облучении УФ - лучами, а также воздействие кислот и дезинфицирующих средств.

В 1916 году канадским бактериологом Феликсом д'Эреллем были описаны вирусы бактерий - бактериофаги. Бактериофаги, или фаги, способны проникать в клетки бактерий и разрушать их.

Вирусы бактерий (бактериофаги) - важнейший объект исследования в молекулярной биологии.

Морфологию бактериофагов изучают с помощью электронной микроскопии. Фаги, как и просто организованные вирусы человека, состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки - капсида. Однако между собой они в значительной степени различаются по морфологии. В зависимости от формы, структурной организации и типа нуклеиновой кислоты фаги подразделяют на несколько морфологических типов

Наиболее изучены крупные бактериофаги, имеющие форму сперматозоида и сокращающийся чехол отростка, например колифаги T2, Т4, Т6

Бактериофаги содержат группоспецифические и типоспецифические антигены, обладают иммуногенными свойствами, вызывая синтез специфических антител в организме. Антитела, взаимодействуя с бактериофагами, могут нейтрализовать их литическую активность в отношении бактерий. По типоспецифическим антигенам фаги делят на серотипы.

По сравнению с вирусами человека бактериофаги более устойчивы к факторам окружающей среды. Они инактивируются под действием температуры 65-70 °С, УФ-облучения в высоких дозах, ионизирующей радиации, формалина и кислот. Длительно сохраняются при низкой температуре и высушивании.

Взаимодействие фагов с бактериальной клеткой. Взаимодействие фагов с бактериями может протекать, как и у других вирусов, по продуктивному, абортивному и интегративному типам.

При продуктивном типе взаимодействия образуется фаговое потомство, бактерии лизируются.

При абортивном типе фаговое потомство не образуется, и бактерии сохраняют свою жизнедеятельность.

При интегративном типе геном фага встраивается в хромосому бактерии и сосуществует с ней. В зависимости от типа взаимодействия различают вирулентные и умеренные бактериофаги.

Специфическая адсорбция фагов происходит только при соответствии прикрепительных белков вирусов и рецепторов бактериальной клетки липополисахаридной или липопротеиновой природы, находящихся в ее клеточной стенке. На бактериях, лишенных клеточной стенки (протопласты, сферопласты), бактериофаги не могут адсорбироваться. Фаги, имеющие хвостовой отросток, прикрепляются к бактериальной клетке свободным концом отростка (фибриллами базальной пластинки).

Бактериофаги используют в лабораторной диагностике инфекций при внутривидовой идентификации бактерий, т.е. определении фаговара (фаготипа). Для этого применяют метод фаготипирования, основанный на строгой специфичности действия фагов: на чашку Петри с плотной питательной средой, засеянной «газоном» чистой культурой возбудителя, наносят капли различных диагностических типоспецифических фагов. Фаговар бактерии определяется тем типом фага, который вызвал ее лизис (образование стерильного пятна, бляшки или негативной колонии). Метод фаготипирования позволяет выявить источник инфекции и проследить путь возбудителя от источника до восприимчивого организма (эпидемиологическое маркирование).

По содержанию бактериофагов в объектах окружающей среды можно судить о присутствии в них соответствующих патогенных бактерий. Подобные исследования проводят при санитарномикробиологическом исследовании воды. Например, в системах из поверхностных источников воды перед подачей ее в распределительную сеть определяют наличие колифагов. Колифаги являются одними из санитарно-показательных микробов, характеризующих фекальное загрязнение воды.

Фаги применяют также для лечения и профилактики ряда бактериальных, чаще всего кишечных инфекций. Производят брюшнотифозный, дизентерийный, синегнойный, стафилококковый фаги и комбинированные препараты (колипротейный, пиобактериофаги и др.). Бактериофаги назначают по показаниям перорально, парентерально или местно в виде жидких, таблетированных форм, свечей или аэрозолей. Отличительной чертой фагов является полное отсутствие у них побочного действия. Однако лечебный и профилактический эффект фагов умеренный, поэтому их необходимо применять в комплексе с другими лечебными и профилактическими мероприятиями. Бактериофаги широко применяют в генетической инженерии в качестве векторов для получения рекомбинантных ДНК.