Вирусы, прионы, вироиды - Организменный уровень организации жизни

К неклеточным формам жизни относятся вирусы, вироиды и прионы. Согласно одной из точек зрения, их считают неживыми и рассматривают как молекулярные инфекционные агенты, которые не живут сами, а лишь изменяют жизнедеятельность клеток-хозяев.

Вирусы

Вирусы — инфекционные неклеточные системы, которые способны размножаться в живых клетках. Впервые были обнаружены в 1892 г. русским ботаником Д. И. Ивановским при изучении возбудителя листовой мозаики табака. Термин «вирус» был предложен в 1899 г. голландским ботаником М. Бейеринком. Наука, изучающая вирусы и их действие на организм хозяина, называется вирусологией.

Первым искусственно созданным вирусом стал вирус полиомиелита, разработанный в университете Нью-Йорка в 2002 г.

Размер вирусных частиц составляет 15-500 нм и более. Находясь вне клетки, они представляют собой вирионы, состоящие из одной или нескольких молекул нуклеиновой кислоты, окруженных защитной белковой оболочкой — капсидом. Нуклеиновые кислоты (из одной или двух цепей ДНК или РНК) кодируют от 3 до 100 генов. Капсиды состоят из отдельных молекул белка — капсомеров, которые могут формировать у простых вирусов спираль или икосаэдр, а у некоторых бактериофагов (вирусов бактерий) образуют сферическую головку и трубчатый «хвост» с длинными нитями. Сложные вирусы могут иметь также внешнюю липопротеидную оболочку — суперкапсид, который образуется при отделении вирусной частицы от плазматической мембраны зараженной клетки и содержит встроенные вирусные белки (например, ВИЧ).

Введение бактериофагом своей нуклеиновой кислоты в цитоплазму клетки-хозяина:

1 — головка;

2 — чехол;

3 — стержень;

4 — отросток или «хвос»;

5 — хвостовые нити;

6 — нуклеиновая кислота бактериофага

Попадание вируса в клетку обеспечивает его оболочка. Сама она или остается снаружи клетки, или утрачивается после проникновения вириона внутрь клетки.

Животные клетки поглощают вирусные частицы путем эндоцитоза, в растительные вирусы проникают через повреждения в клеточной стенке и распространяются в организме по плазмодесмам. Бактериофаги прикрепляются к бактериальным клеткам белковыми нитями и выделяют фермент, разрушающий их поверхностный аппарат. При сокращении хвостового отростка нуклеиновая кислота «впрыскивается» внутрь клетки, как из шприца.

Репликация вирусов осуществляется специальными ферментами. Особенностью РНК-содержащих ретровирусов является наличие фермента обратной транскриптазы, синтезирующей ДНК по РНК. Вирусная ДНК встраивается в хромосомную ДНК клетки. На матрице такой вирусной ДНК синтезируется новая вирусная РНК, которая определяет синтез вирусных белков, образующих капсид.

Вирусная инфекция может проходить различными путями:

1. Острая (литическая) инфекция. Вирус активно размножается, в клетке образуются новые вирусные единицы. При их массовом выходе клетка-хозяин, как правило, погибает.

2. Носительство. Вероятно, самая распространенная форма взаимодействия вируса и клетки-хозяина. При попадании в клетку вирус начинает размножаться, он встраивается в генетический аппарат клетки и становится его составляющей. При этом происходит репликация вирусной нуклеиновой кислоты в составе клеточной ДНК во время деления клетки. Болезнетворное действие вируса никак не проявляется, и новые вирусные частицы не образуются. Вирус может переходить в острую инфекцию (иногда через много лет) в результате общего ослабления организма.

3. Стойкая инфекция. Вирус размножается в клетке, но вирусные частицы покидают клетку постепенно, не разрушая, а лишь изменяя ее функционирование.

Как внутриклеточные паразиты, вирусы поражают любые клетки. Значительный вред они наносят сельскохозяйственным растениям, вызывая образование пятен на листьях, наростов и опухолей. К опасным вирусным болезням растений относятся мозаичная болезнь табака, томатов, огурцов, скручивание листьев, карликовость, и т. д. Бактериофаги могут наносить значительный ущерб промышленным культурам бактерий. Их можно использовать для борьбы с бактериальными инфекциями, такими как дизентерия, холера, брюшной тиф. Многие вирусы являются возбудителями опасных инфекций человека и других животных. Они вызывают ящур, чуму свиней и птиц, инфекционную анемию лошадей, рак и т. д. В число опасных для человека вирусов входят возбудители ВИЧ, гриппа, кори, оспы, полиомиелита и др.

Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ):

1 — РНК; 2 — белковый капсид; 3 — липопротеиновая мембрана

Бактериофаги — классический объект молекулярной биологии.

Вирусы могут передаваться различными путями: воздушно-капельным, с пищей, при непосредственном физическом контакте, через переносчиков (кровососущих беспозвоночных и т. п.). Некоторые вирусы попадают в организм человека при использовании плохо продезинфицированных медицинских инструментов, переливании крови и т. д.

Существует несколько механизмов защиты организма от вирусной инфекции. Вирусы, проникающие во внутреннюю среду животных, поглощаются лейкоцитами. Это вызывает иммунный ответ и синтез антител. Антитела связывают антигены (в данном случае вирусы) и запускают процесс удаления этих комплексов. Именно с формированием антител определенного типа связано формирование длительного иммунитета после перенесения некоторых болезней. С этой же целью используют вакцины, содержащие ослабленные, убитые вирусы или их определенные участки. Во время заболевания применяют лечебные сыворотки — жидкости, содержащие готовые антитела, которые получают из крови людей (или других животных), перенесших эту вирусную инфекцию. Они не обеспечивают длительный иммунитет. Известны сыворотки против гепатита, бешенства и т. д.

В зараженных клетках часто запускается механизм апоптоза (запрограммированной гибели клетки), что препятствует распространению вирусов. При контакте с вирусом клетки могут продуцировать противовирусные белки — интерфероны.

Интерфероны применяют для профилактики и лечения вирусных болезней. Однако излишнее их количество в организме может вызвать заболевания щитовидной железы и других органов. Как правило для лечения человека используют интерферон, который получают при заражении культуры клеток человека или генно-инженерным путем.

Характеристики некоторых вирусных заболеваний человека представлены в таблице.

Болезнь	Тип вируса	Поражает	Пути заражения	Состав вакцины
Простуда (ОРВЗ)	Различные РНК-содержащие	Дыхательные пути (трахею. бронхи)	Капельная инфекция	Живые ослабленные вирусы
Грипп	РНК-содержащие, типы А, В, С	Верхние дыхательные пути	Капельная инфекция	Убитые вирусы
Оспа	ДНК-содержащий	Дыхательные пути, кожу	Капельная инфекция, контакт	Живые ослабленные вирусы
Полиомиелит	РНК-содержащий	Глотку, кишечник, двигательные нейроны	Капельная инфекция	Живые ослабленные вирусы
Ветряная оспа	ДНК-содержащий	Дыхательные пути, кожу	Капельная инфекция, контакт	Живые ослабленные вирусы
Корь	РНК-содержащий	Дыхательные пути, кожу, кишечник	Капельная инфекция	Живые ослабленные вирусы
Краснуха	РНК-содержащий	Дыхательные пути» кожу, шейные лимфоузлы, глаза	Капельная инфекция	Живые ослабленные вирусы
Паротит (свинка)	РНК-содержащий	Дыхательные пути, затем слюнные железы и семенники	Контакт, через слюну	Живые ослабленные вирусы
Бешенство	РНК-содержащий	Нервную систему, слюнные железы	Через слюну при укусе	Живые ослабленные вирусы
Гепатит А (болезнь Боткина)	РНК-содержащий	Печень	Загрязненные продукты и вода	Убитые вирусы
Гепатит В	ДНК-содержащий	Печень	С кровью, слюной, половым путем _	Антиген вируса, который продуцируют генномодифицированные дрожжи
Гепатит С	РНК-содержащий	Печень	С кровью, при нанесении татуировок, маникюре	Нет
ВИЧ/СПИД	РНК-содержащий	Клетки иммунной системы	С кровью, половым путем	Нет

Вироиды

Вироиды — мельчайшие инфекционные агенты (молекулярная масса 150 000-170 000). Это низкомолекулярные кольцевые одноцепочечные РНК, не кодирующие собственные белки и не имеющие капсида. Впервые выявлены в 1971 г. Т. О. Динером, который исследовал веретеновидность клубней картофеля.

Вироиды вызывают различные заболевания растений, такие как веретеновидность клубней, карликовость, утончение покровов, обводненность тканей пораженного растения и т. п. Переносчиками являются насекомые, которые питаются клеточным соком (тля) и некоторые паразиты растений (круглые черви). Также они могут распространяться при вегетативном размножении растений и их механической обработке. Некоторые виды распространяются через семена и пыльцу.

Механизм репликации вироидов окончательно не выяснен. Считается, что в клетках растений они индуцируют синтез собственных РНК, используя ферменты растений-хозяев.

Прионы

Прионы — белковые инфекционные агенты, вызывающме ряд заболеваний нервной системы человека и животных. В 1982 г. американский ученый С. Прузинер, изучая губчатую знцефалопатмю, предположил, что возбудитель имеет белковую природу. За изучение прионов он получил в 1997 г. Нобелевскую премию.

К прионным инфекциям относятся куру, болезнь Крейтцфельдта-Якоба, синдром Герстмана-Штрауслер и т. д. Они имеют инкубационный период, длящийся десятилетиями, и поэтому чаще проявляются у пожилых людей.

Инфекционное влияние прионов связано с патогенной конформацией их белковой молекулы. Прионный белок, имеющий аномальную трехмерную структуру, способствует структурному преобразованию гомологичного ему нормального клеточного белка в новый прион. При этом белок перестает выполнять свои функции. Прионы очень устойчивы: не разрушаются при кипячении в течение 4 часов, под действием пищеварительных ферментов и при обычных методах дезинфекции. Ионизирующее, ультрафиолетовое или микроволновое излучение на них практически не действует. Надежно их ликвидируют дезинфицирующие реактивы — сильные окислители, разрушающие белки.

Человек может заразиться прионами, содержащимися в пище, например при употреблении зараженной говядины, содержащей нервную ткань из голов скота (болезнь Крейтцфельдта-Якоба, впервые описана в 1920 г.). Прионы могут проникать в тело при внутримышечном введении препаратов, изготовленных из человеческих гипофизов (главным образом гормоны роста для лечения карликовости), а также при нейрохирургических операциях.

Прионы:

Нормальная (А) и патогенная (Б) конформация белка (вызывает коровье бешенство)