Вирусы - генные паразиты - КЛЕТКА КАК СТРУКТУРНАЯ ЕДИНИЦА ОРГАНИЗМА

Постановка проблемы урока

Факт 1.Паразит - живой организм, использующий в качестве источника питания и среды обитания другие организмы.

Факт 2.Вирус не обладает таким непременным свойством живого, как обмен веществ.

• В чём противоречие? Какая проблема возникла в связи с открытием вирусов? Предложите свой вариант вопроса и сравните его с авторским на с. 396.

Необходимые базовые знания

• Какие свойства живого вам известны? (§ 3)

• В каком виде хранится и передаётся наследственная информация? (§ 8-9)

• Как происходит синтез белка в клетке? (§15)

• Что такое вакцина? (§ 8)

Решение проблемы

• Найдите в тексте информацию и сформулируйте свой вариант решения проблемы.

Инфекционные частицы

• По каким последствиям обнаруживается присутствие вирусов?

Вирус (от лат.virus— яд) впервые описан российским учёным Д.И. Ивановским (1864-1920). Это был возбудитель болезни табака - табачной мозаики. Учёного удивило то, что среда с возбудителями оставалась опасной для растений даже после процеживания сквозь тончайшие фильтры, задерживающие самые мелкие бактерии. Вторая поразительная особенность, отличавшая их от бактерий, — то, что возбудитель невозможно разводить в искусственной среде: ему непременно нужны живые листья табака.

17.1. Вирусы

Вирусы— возбудители огромного количества заболеваний человека, животных и растений. Среди них и хорошо знакомые каждому насморк, бородавки, ветряная оспа, корь, грипп и такие опасные болезни, как гепатит, вирусный иммунодефицит человека (ВИЧ), некоторые формы злокачественных опухолей и многие другие заболевания. Вирусы могут поражать любые организмы, даже бактерии. Инфицирующие их вирусы имеют специальное название -бактериофаги.

Лишь много лет спустя, с изобретением электронного микроскопа, удалось рассмотреть вирусные частицы. Их размеры — от 20 до 3000 нм — сравнимы с размерами макромолекул. Попадая в живую клетку, вирус перестраивает её жизнедеятельность на производство себе подобных вирусных частиц.

17.2. Схема размножения бактериофагов: А — бактериофаг прикрепляется к поверхности бактериальной клетки; Б — бактериофаг вводит свою ДНК в клетку; В- фаг инактивирует ДНК бактерии; Г — ДНК бактерии разрушается; Д — ферменты фага расщепляют ДНК клетки. Клеточный аппарат используется для построения новых частиц фага; Е — лизис клетки

По воздействию на клетку различают три типа вирусных инфекций.

Литические(разрушающие) инфекции: в поражённой клетке массовое одновременное размножение вируса приводит к разрушению (лизису) клетки.

Персистентные (стойкие)инфекции: поражённая клетка продолжает жить и делиться, но перестраивается, в ущерб собственным функциям, на постепенное производство вирусов.

Латентные(скрытые) инфекции: вирус встраивает свой наследственный материал в хромосому клетки, что внешне никак не проявляется. Спустя долгое время внешние факторы, вызывающие ослабление организма, могут спровоцировать размножение вируса.

Строение вирусов

• Какие общие черты и особенности строения характерны для вирионов?

Вне живой клетки-хозяина вирус не размножается. Он существует в виде вирусной частицы — вириона, не проявляющего признаков жизни. Он состоит из двух элементов: генетического материала (молекулы ДНК или РНК) и белковой оболочки - капсида.

По генетическому материалу вирусы делятся на ДНК-содержащие и РНК-содержащие. При этом и те, и другие могут иметь одну или две цепочки нуклеотидов в виде линейной или кольцевой молекулы.

Капсид вириона состоит из многократно повторённых одинаковых полипептидных цепей одного или нескольких белков (рис. 17.1). Эти мономеры, в соответствии с физическими законами кристаллизации самопроизвольно складываются в компактную форму в виде плотной спирали или правильного 20-гранника.

У белковой оболочки двойное назначение. Во-первых, она защищает генетический материал вируса от губительного воздействия химических веществ и ультрафиолетовых лучей. Во-вторых, активные центры её белков способны распознавать клетки, пригодные для поражения, по характерным особенностям их плазматической мембраны. Поэтому вирусы обладают специфичностью: каждый поражает только нужный ему тип клеток.

Наконец, сложные вирусы имеют ещё и третий элемент строения: внешнюю белково-липидную оболочку, построенную в основном из остатков разрушенной клетки. Она служит дополнительной защитой. Вирус гриппа — пример такой упаковки: спиральный капсид его вириона укрыт в дополнительную оболочку в форме 20-гранника.

Образ жизни генетического паразита

• Как происходит поражение клетки и воспроизводство вирусных частиц?

Благодаря мелким размерам и высокой скорости размножения, вирусы распространяются в среде в астрономических количествах. Некоторые вирионы попадают на клетки, пригодные для поражения. Капсид реагирует на соприкосновение с поверхностью такой клетки и удерживается на её мембране. Несмотря на защитные свойства мембраны, существует несколько способов проникновения сквозь неё. В одних случаях клетка сама “заглатывает” вирион вместе с пузырьком межклеточной жидкости при пиноцитозе (рис. 17.3, вверху). Капсид других вирионов воздействует на мембрану, раздвигая её молекулы (рис. 17.3, внизу).

17.3. Стратегии проникновения вируса (пояснения в тексте)

Третьи, такие как фаг Т4, впрыскивают в клетку свой генетический элемент с помощью специальных нитей-фибрилл капсида.

Генетический элемент вируса, покинув белковую оболочку, проникает внутрь клетки, где находит все условия и средства для своего размножения: нуклеотиды, аминокислоты, запасы энергии в виде АТФ и необходимые ферменты. Эти агенты, встретив вирусную нуклеино_Ву_Юкислоту, приступают к её репликации. Они снимают с неё копии, производят по ним вирусные белки и собирают из них вирионы. Готовые вирионы покидают клетку.

Таким образом, вирусы - специализированныегенетические паразиты.Они используют клетку-хозяина не для питания или других целей, а исключительно для собственного воспроизводства с помощью чужих механизмов обработки генетической информации.

17.4. Процесс размножения вирусов происходит за счёт деятельности клетки. Вирусная частица связывается с клеткой и вводит в неё свою ДНК. Клеточные ферменты копируют ДНК вируса и синтезируют на ней мРНК. Клеточный аппарат синтеза белка создаёт вирусные белки на иРНК. Собранная вирусная частица покидает клетку

Реакция клетки на вирус

• Может ли клетка противостоять вирусной инфекции?

Одни вирусы приводят к гибели клетки, другие перестраивают её работу рано или поздно, в большей или меньшей степени. Эти процессы проявляются как симптомы вирусного заболевания. Клетка и организм в целом не остаются безучастными к вирусным атакам.

Собственная защитная реакция клетки срабатывает при нарушении её работы. Неспецифический (на все типы вирусов) ответ даётинтерферон— белок, производимый клеткой и препятствующий размножению вирусов. Если процесс зашёл далеко, в клетке может запуститься программа собственного уничтожения, в которой активную роль играют лизосомы. Они освобождают ферменты, расщепляющие органические вещества на мономеры. Клетка погибает, и вирус — вместе с ней.

Организм реагирует на заражение с помощью специфической (на данный тип вируса) реакции иммунной системы. Она вызывается появлением чужеродных белков вируса на поверхности клеток. Лимфоциты распознают чужеродный белок-антиген и уничтожают вирусы и поражённые клетки. Происходит размножение лимфоцитов, реагирующих на данный белок-антиген, и память о нём сохраняется иммунной системой в виде повышенного числа лимфоцитов, готовых реагировать на него в будущем.

Борьба с вирусными инфекциями

• Что необходимо знать о борьбе с вирусными инфекциями?

От вирусов — клеточных генетических паразитов — очень трудно избавиться и защититься. Во-первых, их разнообразие так велико, что сложно создать универсальное средство борьбы с ними. Во-вторых, лекарство, проникающее сквозь мембрану клетки, уничтожало бы не только вирусные компоненты, но и все похожие компоненты, в том числе и у здоровых клеток.

Наиболее эффективный способ борьбы с вирусными инфекциями — профилактическаявакцинация,прививка малой дозы обезвреженного вируса или его белка в качестве антигена. В организме возникает иммунная реакция и вырабатываются специфические Т-лимфоциты для борьбы с данной инфекцией в будущем. Именно вакцинация уничтожила оспу как ведущий фактор смертности людей в Средние века. В настоящее время достигнуто значительное снижение заболеваемости полиомиелитом и корью.

Чтобы получить желаемый эффект, важно вакцинировать возможно большую долю населения, особенно детей. Поэтому родителям предлагают привить детей ещё в роддоме или в первые годы жизни от таких тяжёлых вирусных заболеваний, плохо поддающихся лечению, как гепатит, корь, паротит, полиомиелит.

Есть вирусы, общие для человека и животных. Они сохраняются в животных популяциях — природных очагах инфекций. Так, вирус гриппа циркулирует в природе среди птиц; бешенства - среди грызунов; клещевого энцефалита — среди клещей и их прокормителей. В этих случаях борьба с вирусом направлена на заболевших животных и ограничение контакта с ними.

Основные стратегии в создании противовирусных лекарств направлены на поиск веществ, избирательно подавляющих активность вирусных ферментов. Не менее важны препараты, стимулирующие иммунную систему — выработку интерферона, Т-лимфоцитов и продукцию антител.

Онкогенные вирусы

• Почему изучением злокачественных опухолей занимаются вирусологи?

Использование генетической информации в ходе нормальной работы клетки начинается с процесса транскрипции — построения молекулы иРНК на открытом участке ДНК. Наблюдение за вирусами куриной саркомы привело к открытию противоположного процессаобратной транскрипции.С помощью специального фермента этот вирус в поражённой клетке по матрице своей РНК строит молекулу ДНК: сначала основную цепочку, а затем на ней — и другую, комплементарную. Эта новая ДНК встраивается в ДНК клетки, работает как обычная ДНК и передаётся в хромосомах хозяина в дочерние клетки, в том числе и в половые клетки, и далее по наследству — потомкам.

Поражённые клетки никак не проявляют свои отличия, но могут откликнуться на воздействие канцерогенных (порождающих рак) факторов: радиоактивное облучение, табачный дым и др. В этом случае чужеродный участок ДНК начинает воспроизводить вирусы, что приводит к злокачественному перерождению клеток. Они отличаютсятремя признаками.

1. Утрачивают признаки ткани, становятся недифференцированными, как бы омолаживаются.

2. Быстро и бесконтрольно делятся, расходуя много энергии.

3. Утрачивают сцепление друг с другом и разносятся по телу.

Таким образом, вирусологи описали типичную картину развития некоторых форм рака и обнаружили, что их причиной могут быть онкогенные (опухолеродные) вирусы. Тем самым они заложили основу изучения злокачественных опухолей.

Вирусы переносят гены одного организма другому

• Что такое горизонтальный перенос генов и для чего он важен?

При воспроизводстве онкогенных вирусов в них может попасть информация с соседних участков хозяйской ДНК. Если такой вирус поразит клетки другого организма, то в его ДНК попадёт наследственная информация от предыдущего хозяина.

В настоящее время факт горизонтального переноса генов — не от родителей к потомкам, а от одного неродственного организма к другому — не только доказан, но и хорошо изучен. Он используется человеком вгенной инженерии— практике создания генетически модифицированных организмов. Кроме того, учёные обсуждают вопрос, насколько такой обмен генами мог повлиять на ход эволюции органического мира на Земле.

Обобщение новых знаний

Вирусы - это инфекционные частицы, поражающие клетки любых организмов. Они состоят из нуклеиновых кислот, защищённых белковой оболочкой. Вирусы не способны к собственному обмену веществ, а размножаются только в живой клетке, используя её генетические механизмы. Защитой от вирусных заболеваний служит профилактическая вакцинация, усиливающая иммунитет. Изучение вирусов проливает свет на природу раковых опухолей и механизмы переноса генов одного неродственного организма другому.

Вирусы

Применение знаний

1. Определите, что такое вирус.

2. В каких двух формах существует вирус?

3. Каким образом вирус может получить доступ внутрь клетки?

4. Чем обусловлено разнообразие вирусов?

5. Как можно бороться с вирусными инфекциями?

6. Как вирион находит клетку, пригодную для размножения?

7. Для чего в нуклеиновых кислотах некоторых вирусов закодированы различные ферменты, несмотря на то, что вирус использует ферментные системы клетки- хозяина?

8. Эпидемии гриппа случаются очень часто, практически раз в год, но иногда они приобретают угрожающий характер и уносят много жизней. Почему?

9. Приведите доводы за и против прививок детям.

10. Какие практические шаги в изучении вирусов вы считали бы первоочередными, если бы стали вирусологами?