Клеточное строение вирусов. Особенности строения вирусов

Строение вирусов

1) Вирусы не имеют клеточного строения. Каждая вирусная частица состоит из расположенного в центре носителя генетической информации и оболочки.Генетический материал представляет собой короткую молекулу нуклеиновой кислоты, это образует сердцевину вируса. Нуклеиновая кислота у разных вирусов может быть представлена ДНК или РНК, причем эти молекулы могут иметь необычное строение: встречается однонитчатая ДНК и двух нитчатая РНК.

2) Оболочка называется капсид .

Капсид выполняет несколько функций.

Защита генетического материала (ДНК или РНК) вируса от механических и химических повреждений.

Определение потенциала к заражению клетки.

На начальных стадиях заражения клетки: прикрепление к клеточной мембране, разрыв мембраны и внедрение в клетку генетического материала вируса.

частицы вируса табачной мозаики, вируса, вызывающего бородавки, и аденовируса

Она образована субъединицами – капсомерами, каждый из которых состоит из одной или двух белковых молекул. Число капсомеров для каждого вируса постоянно (в капсиде вируса полиомиелита их 60, а у вируса табачной мозаики – 2130). Иногда нуклеиновая кислота вместе с капсидом называется нуклеокапсидом. Если вирусная частица кроме капсида, больше не имеет оболочки, её называют простым вирусом, если имеется ещё одна – наружная, вирус называется сложным.

3) Наружную оболочку также называют суперкапсидом , генетически она не принадлежит вирусу, а происходит из плазматической мембраны клетки-хозяина и формируется при выходе собранной вирусной частицы из инфицированной клетки. организованный двойным слоем липидов и специфичными вирусными белками, наиболее часто образующими выросты-шипы, пронизывающие липидный бислой. Такие вирусы называют «одетыми».Выполняет защитные функции у вириона,функцию прикрепления к восприимчивой клетке и проникновения в ее цитоплазму,определяет многие характеристики вируса (антигенные свойства, чувствительность к повреждающим факторам и др.).-вирусы гриппа и герпеса

4) У каждого вируса капсомеры капсида располагаются в строго определённом порядке, благодаря чему возникает определённый тип симметрии. При спиральной симметрии капсид приобретает трубчатую (вирус табачной мозаики) или сферическую (РНК-содержащие вирусы животных) форму. При кубической симметрии капсид имеет форму икосаэдра (двадцатигранника), такой симметрией обладают изометрические вирусы. В случае комбинированной симметрии капсид обладает кубической формой, а расположенная внутри нуклеиновая кислота уложена спирально. Правильная геометрия капсида даже позволяет вирусным частицам совместно образовывать кристаллические структуры.

Определение 1

Строение вирусов

Основа вирусной частицы – молекулы нуклеиновой кислоты ДНК или РНК, при этом форма и число молекул могут сильно варьировать у разных видов.

Нуклеиновая кислота вируса упакована внутри капсида – белковой оболочки. При этом внутри капсида кроме нуклеиновой кислоты могут находиться различные ферменты, помогающие вирусу проникать в клетку хозяина или размножаться.

Для вирусов характерен дизъюнктивный способ репродукции, что означает, что синтез различных компонентов вирусной частицы происходит в разных частях инфицированной вирусом клетки. После синтеза нуклеиновой кислоты и необходимых белков, происходит самосборка вирусной частицы и выход ее из клетки. После прохождения полного цикла внутри клетки, зрелый вирус называется вирионом.

Замечание 1

Вирусные частицы имеют очень маленький размер и изучение их строения требует использования электронной микроскопии, методом ультрафильтрации, ультрацентрифугирования и методов молекулярной биологии (полимеразная цепная реакция, секвенирование). Кроме того, для изучения патологического процесса, вызываемого вирусом, используются биологические модели – культуры клеток, эмбрионы кур и лабораторные животные.

Существует разнообразное деление вирусов по морфологии. По строению оболочек они делятся на простые вирусы (вирус гепатита А) и сложные вирусы (вирусы гриппа, герпеса, ВИЧ).

Простые вирусы не имеют дополнительных оболочек, кроме капсида. Капсид складывается из белков. Которые могут образовывать мономерные структуры – капсомеры, которые затем при сборке вириона образуют цельный футляр. Некоторые простые вирусы могут формировать своеобразные белковые кристаллы (например, вирус ящура).

Замечание 2

Функция капсида – защита генетического материала вируса, а также участие в прикреплении вируса к клетке хозяина и проникновение нуклеиновой кислоты внутрь клетки. Большинство простых вирусов выходят из клетки, вызывая ее лизис - разрушение.

Сложные вирусы имеют дополнительную оболочку – суперкапсид, который представляет собой липидный бислой, отличающийся от цитоплазматической мембраны клетки-хозяина большим числом специфических липопротеинов. Кроме того, на поверхности оболочки вируса могут формироваться гликопротеиновые шипы.

Классификация вирусов

На данный момент широко используется классификация Д. Балтимора, которая основана на механизме синтеза вирусами мРНК. Она подразделяет вирусы на 7 группах. Таксономия вирусов включает семейства, подсемейство, род и вид. Виды вирусов не имеют биноминального названия, как у других организмов.

Замечание 3

Кроме того вирусы классифицируются по типу нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), ее структуре и количеству нитей, имеет значение размер и морфология вирионов, количество капсомеров, тип симметрии, наличие суперкапсида, чувствительность к химическим реагентам (дезинфицирующим средствам), место присутствия в клетке, антигенные свойства.

Значение для человека

Вирусы вызывают огромное количество самых разнообразных заболеваний и могут поражать живые организмы всех уровней от бактерий до человека. Эволюция вирусов идет параллельно с эволюцией хозяев. Кроме заболеваний человека и связанных с ним живых организмов, вирусы используются в качестве векторов нуклеиновых кислот в молекулярной биологии и помогаю классифицировать живые организмы.

Они везде: в воздухе, воде, почве и на поверхностях предметов. Они настолько малы, что не все их типы возможно рассмотреть в обычный микроскоп. Это вирусы, удивительные природные образования, не до конца изученные и обладающие поразительной выживаемостью.

Знакомьтесь: ядовитый и опасный

Вирус абсолютно оправдывает свое название, если перевести его с латыни: яд. Ранее это слово употреблялось по отношению ко всем возбудителям болезни без разбора. Но в конце 19 столетия ситуация переменилась.

Два века тому назад российский ученый Ивановский в ходе экспериментов с листьями табака, пораженного специфической болезнью, выяснил, что если от выжатого сока с помощью фильтра отделить бактериальное содержимое, то получившийся биоматериал все равно сохраняет способность инфицировать здоровые растения. Далее ученые начали выделять новые виды агрессивных агентов способом фильтрации, например вирус ящура или желтой лихорадки. Постепенно, слово «фильтрующийся» исчезло, и на данном этапе развития науки то, что вызывает большинство заболеваний во всем мире, принято называть вирусами.

Ни живой, ни мертвый

Этот вопрос по сей день является предметом научных споров. Дело в том, что с тех пор, как было изучено строение вирусов (прежде всего, вызывающего табачную мозаику), их поведенческие схемы, то выяснились важные подробности, которые заставили задуматься: он скорее жив, чем мертв, или наоборот?

Аргументы за:

• молекулярная структура;
• содержат геном;
• внутри клетки ведут себя довольно активно.

Аргументы против:

• вне клеточной полости абсолютно инертны;
• самостоятельно не синтезируют белок, поэтому не способны делиться генным материалом без наличия клетки-хозяина.

Структурные особенности

Строение вирусов, вызывающих многие болезни, разнится в деталях, но имеет много общих черт. Прежде всего, внеклеточная форма вируса именуется вирионом. Он состоит из таких элементов:

• ядра, которое вмещает в себя от 1 до 3 молекул нуклеиновой кислоты;
• капсида - чехла из белка, защищающего кислоту от воздействий;
• оболочки, состоящей из белково-липидных соединений (не всегда есть в наличии).

Нуклеиновая кислота - это генетический код вируса. Интересно, что никогда дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты не содержатся вместе. В то время как микроорганизмы, в «живости» которых никто не сомневается, к примеру, хламидии, имеют в своем составе обе кислоты. Что касается генной информации, то она может быть ограничена 1-3 генами, а иногда содержит до 100 единиц.

Дополнительную оболочку вирионы позаимствовали у оккупированного организма, внеся изменения в строение клетки. Вируса, который имеет такое дополнение, интересует цитоплазматическая или ядерная мембрана, чтобы из ее фрагментов сформировать вторичный защитный слой. Причем такая оболочка свойственна только сравнительно крупным экземплярам, таким как герпес или вирус гриппа.

Компоненты вирионов выполняют не только функции защиты, хранения информации, но и отвечают за вирусное размножение и необходимые мутации.

Форменный вирус

Особенности строения вирусов таковы, что от формы капсида зависит их классификация.

Самые простые вирусы имеют строение, которое отличается наличием одного вида белковых молекул в составе капсидов. Это так называемые голые вирусы, то есть напрочь лишенные оболочки.

Но есть вирионы, покрытые капсомерами - это объединение нескольких молекул, образующее определенную геометрическую форму. Строение вирусов, а также их капсомеров играет важную роль в идентификации агрессивного агента. Форма значительно варьируется: головка с хвостиком, прямоугольник (оспа), шар (грипп), палочка (табачная мозаика), нить (болезни картофельных клубней), многогранник (полиомиелит), пулевидный (бешенство).

Наноразмеры

Вирусы настолько малы, что большинство из них можно детально рассмотреть только в электронный микроскоп. Каковы бы ни были форма и строение вируса, бактерии всегда будут отличаться более крупными размерами (примерно в 50 раз). Величина вирионов варьируется в диапазоне от мелких (20-30 нм), до крупных (400 нм).

Клеточная оккупация

Вирусное вторжение в клетку не поддается никакому сравнению - в природе подобный механизм не встречается больше нигде. Вне клетки вирион находится в спящем, кристаллизованном состоянии. Но стоит ему попасть в желаемую полость, как начинаются активные действия.

1. Адсорбция. Другими словами, это прикрепление вирионов (иногда сотен) к стенкам избранной клетки.
2. Виропексис. Процесс непосредственного погружения в клетку, происходящий через участок прикрепления вируса. Интересный момент: клетка никак не препятствует вторжению, потому что частица вируса, вернее, его белок, идентифицируется клеткой, как "свой".
3. Редупликация. Инфекционная инвазия начинается тогда, когда вирусы размножаются в клетке. Они синтезируют новые, подобные себе молекулы, образуя многочисленные капсиды.
4. Выход . В момент перенасыщения нарушается клеточное строение, вирусов уже ничего не сдерживает, и они вырываются поражать новые клетки. При этом произойти такой процесс может несколькими способами.

Удивительно, но микроорганизмы в сотни раз меньше клетки уверенно и быстро разрушают ее работу, деструктивно воздействуя на обменные процессы и часто уничтожая жертву.

Типы вирусных вторжений

Подобная классификация зависит от характера клеточной деструкции, а также от длительности пребывания агрессивного агента. В связи с этим различают три типа инфицирования:

• разрушительный: этот тип инфекции называют литическим, при нем вирусы массово вырываются из клеточного пространства, и, разрушая все на своем пути, стремятся к завоеванию новых клеток;
• стойкий, или персистентный: характеризуется постепенным истеканием вирусных масс наружу, не нарушая работы клетки;
• скрытый: латентный тип отличается встраиванием вирусного генома в клеточные хромосомы и позже, при делении, клетка передает вирус дочерним структурам.

В заключение стоит отметить поражающее разнообразие этих микроскопических субстанций, чем и обусловлена разность наблюдаемых симптомов. Существуют вирусы с наличием ДНК - герпес, оспа, а также содержащие РНК - ящур, несколько бактериофагов. Кроме прочего, данные вирионы содержат липиды.

Другие варианты: безлипидные вирусы, такие как аденовирусы и подавляющее большинство бактериофагов.

Обнадеживает то обстоятельство, что рано или поздно ученый мир научится подчинять эти формы жизни и обращать их на пользу человечеству.

Вирусы относятся к царству Virae (от лат. virus - «яд»). Это мельчайшие микроорганизмы («фильтрующиеся агенты»), не имеющие клеточного строения, белоксинтезирующей системы, содержащие один тип нуклеиновой кислоты (или ДНК, или рибонуклеиновой кислоты - РНК).

Морфологию и структуру вирусов изучают с помощью электронной микроскопии, так как их размеры малы и сравнимы с толщиной оболочки бактерий. Форма вирионов может быть палочковидной (вирус табачной мозаики), пулевидной (вирус бешенства), сферической (вирусы полиомиелита, вирус иммунодефицита человека - ВИЧ), нитевидной (филовирусы) или в виде сперматозоида (многие бактериофаги - см. главу 3). Наиболее мелкими являются парвовирусы (18 нм) и вирус полиомиелита (около 20 нм), наиболее крупным - вирус натуральной оспы (около 350 нм).

Различают ДНК- и РНК-содержащие вирусы. Геном вирусов содержит от шести до нескольких сотен генов и представлен различными видами нуклеиновых кислот: дву-, однонитевыми, линейными, кольцевыми, фрагментированными. Среди однонитевых РНК-содержащих вирусов различают вирусы с плюс-нитью РНК и вирусы с минус-нитью РНК (полярность РНК). Плюс-нить РНК (позитивная нить) выполняет наследственную (геномную) функцию и функцию матричной, или информационной, РНК (иРНК), являясь матрицей для белкового синтеза на рибосомах инфицированной клетки. Плюс-нить РНК является инфекционной: при введении в чувствительные клетки она способна вызвать инфекционный процесс. Минус-нить (негативная нить) выполняет только наследственную функцию; для синтеза белка на минус-нити РНК синтезируется комплементарная ей нить. У некоторых вирусов РНК-геном содержит плюс- и минус-сегменты РНК.

Простые, или безоболочечные, вирусы капсидом (от лат. capsa - нуклеопротеины, нуклеокапсидом.

Рис. 2.8.

капсомеры, (адсорбции) (лизиса).

Сложные, или оболочечные, вирусы (суперкапсид), гликопротеиновые шипы, или шипики. матриксный белок (М-белок).

Таким образом, простые вирусы сложные

Различают простые вирусы (например, вирусы полиомиелита, гепатита А) и сложные вирусы (например, вирусы кори, гриппа, герпеса).

Простые, или безоболочечные, вирусы (рис. 2.8) имеют только нуклеиновую кислоту, связанную с белковой структурой, называемой капсидом (от лат. capsa - «футляр»). Протеины, связанные с нуклеиновой кислотой, известны как нуклеопротеины, а ассоциация вирусных протеинов капсида вируса с вирусной нуклеиновой кислотой названа нуклеокапсидом.

Рис. 2.8. Строение простых и сложных вирусов с икосаэдрическим капсидом. Внизу справа - сложный вирус со спиральным капсидом

Капсид включает повторяющиеся морфологические субъединицы - капсомеры, скомпанованные из нескольких полипептидов. Капсид защищает нуклеиновую кислоту от деградации. У простых вирусов капсид участвует в прикреплении (адсорбции) к клетке хозяина. Простые вирусы выходят из клетки в результате ее разрушения (лизиса).

Сложные, или оболочечные, вирусы (см. рис. 2.8) кроме капсида имеют мембранную двойную липопротеиновую оболочку (суперкапсид), которая приобретается путем почкования вириона через мембрану клетки, например, через плазматическую мембрану, мембрану ядра или мембрану эндоплазматического ретикулума. На оболочке вируса расположены гликопротеиновые шипы, или шипики. Разрушение оболочки эфиром и другими растворителями инактивирует сложные вирусы. Под оболочкой некоторых вирусов находится матриксный белок (М-белок).

Таким образом, простые вирусы состоят из нуклеиновой кислоты и капсида, а сложные - из нуклеиновой кислоты, капсида и липопротеиновой оболочки.

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.