Уникальный мир вирусов: от простейших фильтрующихся вирусов растений до сложного по своему строению вируса СПИД

Содержание реферата

Введение
1. Вирусы растений (фитопатогенные вирусы)
2. Вирусы, патогенные для животных и человека
3. Вирусы бактерий
Список литературы

Введение

Наряду с многочисленными болезнетворными бактериями и паразитическими простейшими, существуют и другие возбудители заразных болезней человека, животных, растений и самих микробов. Их называют вирусами. Многие вирусы очень заразны. Один из основоположников русской микробиологии - Н. В. Гамалея - рассказывал о таком случае в своей практике: «В одной больнице лет 60 назад на втором этаже находились больные оспой, а под ними, на первом этаже, - хирургические больные. Было лето. Для проветривания палат окна открыли настежь. Возбудители оспы со струей воздуха проникли в нижнюю палату, хирургические больные заболели оспой».
Современные представления о вирусах складывались постепенно. Название «вирус» происходит от латинского слова virus, что означает «яд». Данное название сначала применяли для обозначения различных малоизученных болезнетворных агентов. В 1892 г. Д. И. Ивановским была открыта группа возбудителей, которые оказались способными проходить через бактериальные фильтры. Их стали называть фильтрующимися вирусами, или просто вирусами. Вирусы не способны расти на искусственных питательных средах, как другие микроорганизмы.
Здесь необходимо подробнее рассказать об опытах Д. И. Ивановского, выдающегося русского ученого-ботаника. Дмитрий Иванович с большой настойчивостью искал возбудителя мозаичной болезни табака. Полученную при растирании жидкость больных листьев табака он тщательно исследовал. Исследование заключалось в том, что жидкость процеживалась через специальные бактериальные фильтры. Эти фильтры обладали способностью не пропускать бактериальные клетки. Расскажем немного о строении бактериальных фильтров: они сделаны из микропористого фарфора, напоминающего длинные свечи, внутри они полые. Жидкость, взятая из больных листьев табака, накачивалась в эти фильтры и через них профильтровывалась. Затем ученый наносил профильтрованную жидкость на здоровые листья табака. Через 7-10 дней у здорового растения появлялись признаки мозаичной болезни.
Ивановский на основании своих опытов сделал вывод: вирусы - твердые частицы, способные проходить через бактериальные фильтры. Они мельче самых мельчайших частиц - бактерий. До поры до времени вирусы невозможно было увидеть. И только тогда, когда изобрели электронный микроскоп, дающий увеличение в сотни тысяч раз, вирусы стали доступны для человеческого глаза.
В 1935 г. американскому ученому Стенли удалось получить вирус мозаики табака в виде кристаллов. Впоследствии стали получать в кристаллическом виде и другие вирусы растений.
Так в чем же заключается особенность вирусов?

1. Вирусы содержат нуклеиновую кислоту только одного типа - ДНК или РНК.
2. Для их репродукции (воспроизведения) необходима только нуклеиновая кислота.
3. Они не имеют клеточного строения.
4. Все вирусы проходят особый цикл развития в организме хозяина.
5. В определенных условиях некоторые вирусы способны кристаллизоваться.
6. Они не способны размножаться вне живой клетки, т. е. на искусственных питательных средах.

Таким образом, вирусы не являются самостоятельными организмами, а используют для своего размножения живые клетки: их репродукция происходит в клетке-хозяине. Развитие вирусов приводит к гибели клеток-хозяев, в чем и заключается их патогенное воздействие. Вне клетки вирус существует в виде вирусной частицы (вириона), которая состоит из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки - капсида. Поэтому вирусную частицу называют еще также нуклеокапсидом.
Вирусы имеют свою длительную историю развития. После открытия в 1892 г. Д. И. Ивановским вируса табачной мозаики (данный вирус выделяют из сока зараженных растений) была открыта вирусная природа ящура - болезни, поражающей крупный рогатый скот (Flerf, Frosch P., 1898 год), а еще через несколько лет - открыты бактериофаги (d' Herrelle F., 1917 год). Таким образом, состоялись открытия трех основных групп вирусов, поражающих 1) растения, 2) животных, 3) бактерии.
В конце 30-х - начале 40-х гг. ХХ в. изучение вирусов продвинулось настолько, что сомнения в их живой природе отпали. Основанием для признания вирусов организмами явились полученные при их изучении факты, свидетельствующие, что вирусы, как и другие организмы (животные, растения, простейшие, грибы, бактерии), способны размножаться, обладают наследственностью и изменчивостью, приспособляемостью к меняющимся условиям среды обитания и, наконец, подверженностью биологической эволюции, обеспечиваемой естественным и искусственным отбором.
В 1957 г. на международной встрече ученых, посвященной вопросу возникновения жизни на Земле, известный исследователь вирусов Стенли сообщил, что в его лаборатории получены кристаллы вируса полиомиелита - детского спинно-мозгового паралича. Ученый продемонстрировал на экране кристаллы этого вируса. Значит, вирусы животных и человека, подобно вирусам растений, могут быть также истинными кристаллами.
К началу 60-х гг. ученый Lwoff ввел название «вирион» в качестве обозначения вирусного индивидуума. Однако в эти же годы, ознаменовавшиеся первыми успехами молекулярной биологии, начался и закат концепций о вирусах как организмах, и эти противоречивые процессы нашли свое отражение на Первом международном симпозиуме в 1962 г.
На данном симпозиуме одновременно с понятием «вирион» было введено и понятие «архитектура вириона» (Caspar, Klud A., 1962 г.). С другой стороны, были обобщены факты, указывающие на совершенно отличный от клеток тип размножения вирусов. В докладе Lwoff St. был сформулирован также основной критерий отличия вирусов от других организмов: генетический материал вирусов является одним из двух типов кислот (РНК либо ДНК), в то время как живые организмы имеют оба типа нуклеиновых кислот.
Накопившиеся к настоящему времени данные позволяют прийти к выводу, что вирусы не являются организмами, пусть даже мельчайшими, т. к. любые микроорганизмы имеют собственные синтезирующие белок системы, а у вирусов нет собственных систем синтеза белка (рибосомных систем).
Рассмотрим существующие взгляды на возможное происхождение вирусов.
По этому вопросу выдвигались три концепции. Согласно первой из них, вирусы являются потомками бактерий или других одноклеточных организмов, претерпевших дегенеративную эволюцию. Согласно второй, вирусы являются потомками древних, доклеточных форм жизни, перешедших к паразитическому образу существования. Согласно третьей, вирусы являются ответвлением клеточных генетических структур, ставших относительно автономными, но сохранившими зависимость от клеток.
Мир вирусов очень разнообразен, а разнообразие их генетического материала является одним из аргументов в пользу их происхождения от доклеточных форм. Действительно, генетический материал вирусов «исчерпывает» все его возможные формы: одно- и двунитевые ДНК и РНК, линейные, циркулярные и фрагментарные виды. Природа как бы испробовала на вирусах все возможные варианты генетического материала - двунитевой ДНК как хранителя генетической информации и однонитевой РНК как ее передатчика.
Третья гипотеза 20-30-х гг. ХХ в. казалась маловероятной и даже получила название «взбесившихся генов». Однако накопленные факты дают все новые и новые аргументы в пользу данной теории. Из этой концепции вытекает, что образование вирусов не явилось единовременным событием, а происходило многократно и происходит в настоящее время. Ныне существующие вирусы являются продуктами эволюции как древнейших их предков, так и недавно возникших автономных генетических структур.
В науке накопилось значительно, число фактов, свидетельствующих о существовании в природе в широких масштабах обмена готовыми блоками генетической информации, в том числе и у представителей разных, эволюционно далеких вирусов. Эта мысль впервые была выдвинута Anderson, 1970 г., а затем развита Ждановым В. М. и Тихоненко Т. И. (1974 г.). Основной идеей этой концепции является не только признание вирусов внутриклеточными (генетическими) паразитами, но и квалификация их как важных факторов эволюции органического мира. Участие вирусов в эволюции позволяет объяснить некоторые факты обнаружения одинаковых генов у эволюционно далеких друг от друга таксономических групп.
Теперь немного поговорим о строении (морфологии) вирусов.
Вирусная частица, называемая вирионом, состоит из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), окруженной белковой оболочкой. Эту оболочку называют капсидом. Такая единица (капсид + нуклеиновая кислота = нуклеокапсид) может быть «голой», а в других случаях окружена оболочкой. Например: «голыми» нуклеокапсидами являются частицы вируса табачной мозаики, вируса, вызывающего бородавки, и аденовируса. Дополнительная оболочка окружает вирусы гриппа и герпеса. Капсид, в свою очередь, состоит из субъединиц - капсомеров, имеющих чаще всего симметричное строение.
Различают два вида симметрии - спиральную и кубическую. Вирус герпеса выглядит так: у него кубическая симметрия и дополнительная оболочка. Вирус гриппа имеет спиральную симметрию и дополнительную оболочку (это фрагмент мембраны клетки-хозяина, из которой вышел вирион). Оболочка вириона имеет шипы, чтобы обосноваться на поверхности новой клетки-хозяина).
Вирус полиомиелита - с кубической симметрией и голыми частицами; вирус табачной мозаики - со спиральной симметрией и голыми частицами.
Наиболее крупные из зоопатогенных вирусов - вирусы оспы. Их частицы устроены так: они содержат ДНК, белок и несколько липидов (жировых включений).

1. Вирусы растений (фитопатогенные вирусы)

Эти вирусы попадают внутрь растительных клеток через повреждения, а не в результате активного внедрения. Количественное определение фитопатогенных вирусов основано на учете некрозов, возникающих в тех местах, где искусственно были созданы первичные повреждения. В естественных условиях распространение фитопатогенных вирусов происходит путем прямого контакта через переносчиков. Нередко вирусы попадают в лист через повреждения, возникшие в результате трения листьев друг о друга. Передаче вирусов могут способствовать и растения-паразиты. Например, повилика (Cuscuta), проникая в растения, создает прямую связь между растениями через систему своих проводящих пучков, по которой вирусы могут распространяться.
Переносчиками многих вирусов служат насекомые. Иногда вирусы размножаются в пищеварительном тракте насекомого (персистентные вирусы); в таких случаях заражение нового растения возможно лишь после некоторого инкубационного периода в насекомом. Неперсистентные вирусы передаются прямо при механическом повреждении растения ротовыми частями насекомого.
Вирусы вызывают у растений множество болезней. Большое хозяйственное значение имеет изучение вирусов, поражающих картофель. Лучше всего изучен вирус табачной мозаики. Генетическим материалом чаще всего служит РНК.
Долгое время учеными исследовалось вирусное заболевание клевера, уродующее листья. Единственный переносчик этого заболевания в полевых условиях - насекомое, очень мелкая и юркая цикадка агаллиопсис новелла. Насекомое вскармливали на больном клевере, а потом в течение 5 лет выращивали от этой зараженной цикадки новые поколения на других растениях, не поражаемых вирусом. Все подопытные цикадки находились в специальных изоляторах под специальным надзором. И все же все заболели. Следовательно, все они имели единственный источник вируса - первую цикадку, зараженную в начале опыта. Опытным путем было определено, что в цикадках 21-го поколения вирусных частиц имелось больше, чем в первой цикадке. В чем же дело? Оказалось, что вирус, вызывающий уродливость листьев клевера и заразивший первую цикадку, способен репродуцироваться не только в организме растения, но и в организме насекомого- переносчика. Следовательно, это насекомое не только переносчик, но и его второй хозяин.
Вирусы, поражающие растения, очень разнообразны и по своему генотипу, включают большое количество родов и семейств. Для примера приведем некоторые из них. Род Tombusvirus включает 11 вирусов, поражающих растения, в том числе вирус кустистой карликовости томатов. Вирусы имеют небольшой геном, с молекулярной массой около 1,5 х 10 в 6-й степени. Это составляет 17 % от массы всего вириона. Имеется 1 капсидный белок. В ходе репликации (размножения) образуется наряду с полным двунитевым геном субгеномная РНК. Вирусы поражают широкий круг растений, передаются механически.
Вирус мозаики гороха (Enation mosaic) выделен в самостоятельную группу. Имеет 2 капсидных белка. РНК заключается в полиэдральные частицы диаметром 28 нм. Вирус передается тлями (aphids), в организме которых он персистирует, т. е. накапливается.
Семейство Nodaaviridae содержит 6 вирусов, поражающих насекомых, в основном двукрылых, чешуекрылых, перепончатокрылых, круг хозяев очень широк.
Род Dianthovirus представлен вирусом кольцевой пятнистости гвоздики и еще двумя вирусами. Передаются механически.
Из приведенных выше данных можно сделать вывод о том, насколько обширен мир вирусов растений.

2. Вирусы, патогенные для животных и человека

У людей и животных вирусы вызывают такие болезни, как оспа, ветрянка, корь, бешенство, полиомиелит (детский паралич), гриппозные инфекции; насморк; ГЛПС - т. е. геморрагическая лихорадка с почечным синдромом (в народе эту болезнь называют мышиной лихорадкой); гепатит, ящур и множество прочих болезней.
Как и вирусы растений, они передаются либо при контакте, либо через насекомых и попадают в клетки, по-видимому, в результате фагоцитоза. В лабораторных исследованиях для размножения вирусов приходится использовать подопытных животных или куриные эмбрионы. Некоторые вирусы животных удается выращивать и количественно определять на тканевых культурах. Генетическим материалом этих вирусов может быть либо ДНК, либо РНК. В то время как ДНК почти всегда представлена двойной спиралью, вирусная РНК состоит из одной полинуклеотидной цепи.
Вирусные заболевания человека и животных широко распространены на земном шаре. Статистика показывает, что с 1929-го по 1934-й год. на нашей планете вирусными заболеваниями - гриппом, корью, полиомиелитом и оспой - болело свыше 25 млн человек. За это же время бактериальными болезнями - брюшным тифом, дизентерией, коклюшем - болело всего 4 млн человек.
Наиболее подробно рассмотрим такое вирусное заболевание, как ГЛПС (геморрагическая лихорадка с почечным синдромом). ГЛПС - острое вирусное заболевание природно-очагового характера, в клинической картине которого ведущим является своеобразное поражение почек. Заболевание известно давно и описывалось под различными названиями: «тульская лихорадка» (1930), «скандинавская эпидемическая нефропатия» (1934), «дальневосточный геморрагический нефрозонефрит» (1935-1940), «лихорадка санго в Маньчжурии» (1939-1942) и др.
Название «геморрагическая лихорадка с почечным синдромом» предложено в 1954 г. М. П. Чумаковым. Вирусная этиология (природа) ГЛПС была установлена в 1940 г. в опытах на добровольцах (Смородинцев, 1940). Однако долгое время попытки выделить возбудитель ГЛПС оставались безуспешными. В 1976 г. южнокорейским ученым впервые удалось обнаружить антиген вируса - возбудителя ГЛПС - в срезах легочной ткани полевых мышей (Apodemus agrarius). Штамм (культура) вируса впервые получен также от полевой мыши, отловленной в районе Южной Карелии, недалеко от реки Хантаан и назван «Хантаан 76-118» (Lee et Nll., 1978; Lee, 1982, 1989). Установлено, что носителями хантавируса в природе являются главным образом мелкие млекопитающие - представители отрядов млекопитающих, из которых наибольшее число животных относится к отряду Rodentia (грызуны).
Заболеваемость ГЛПС в РФ имеет широкое распространение. В последние годы тенденция к повышению заболеваемости ГЛПС особенно отмечена на территории европейской части России, где наиболее активные природные очаги инфекции находятся в Уральском и Поволжском районах. У человека вирус вызывает заболевание от тяжелейших форм с летальным исходом до стертых и бессимптомных. Среди больных ГЛПС преобладают лица наиболее активного возраста (от 20 до 45 лет). Около 5 % от общего количества больных ГЛПС составляют дети в возрасте до 14 лет. Случаи ГЛПС регистрируются на территории России практически в течение всего года, однако отмечается определенная зависимость уровня заболеваемости от сезона года, ландшафтно-географических условий, типа природного очага ГЛПС, экологических и социологических факторов.
В нашей стране не создана и не применяется вакцинопрофилактика. Из всего комплекса профилактических мер наиболее действенными продолжают оставаться меры неспецифической профилактики: обработка помещений от грызунов (медицинское название - дератизация) и санитарно-просветительная работа.
Необходимо в данном случае упомянуть о работе наших саратовских ученых, которые вносят большой вклад в проведение противоэпидемических и профилактических мероприятий по борьбе с ГЛПС. В январе 1998 г. сотрудниками Саратовского противочумного института «Микроб» была ликвидирована вспышка эпидемии ГЛПС в городе Аткарске. Впервые в мировой практике проведена зимняя полевая дератизация. Вспышка заболевания была вызвана сильным увеличением численности главного переносчика ГЛПС - рыжей полевки. В итоге профилактических мероприятий вспышка ликвидирована.
Все знают о такой страшной болезни, как синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД). Вирус СПИДа впервые был выделен в самостоятельную единицу в 1981 г. Центром по контролю болезней США. Пожалуй, ни одна из болезней не вызвала столь панических настроений у населения. Это и не удивляет: со времени первых регистраций заболеваний число их в США и некоторых странах Европы удваивалось каждые полгода, а смертность среди них достигала 50 % или даже превышала эту величину. Число заболеваний в Европе за период с 1981 по 1982 г. составило 2000 человек, а смертность - 1005 человек (50,1 %).
Первой выявленной и зарегистрированной больной оказалась девочка 11 лет, которая в возрасте около 2 лет получала гемотрансфузии (переливание крови), а в 5 лет заболела лимфаденопатией. Диагноз СПИДа был установлен с помощью ряда лабораторных методов. Девочка заболела в 1977 г., а заразилась в 1974 г. А когда же был инфицирован один из доноров, чью кровь она получала? Наверное, ранее 1974 г. Таким образом, совершенно ясно, что СПИД начал существовать не в 80-е и не в 70-е гг., а значительно раньше. Вероятно, «колыбель» СПИДа - Африка - явилась местом зарождения, там был и источник происхождения вируса. Сходные вирусы макак-резусов и зеленых мартышек имеют гомологию нуклеотидов и сходство с вирусом СПИДа.
В особом положении оказались США, т. к., во-первых, ввоз рабов в США и страны Карибского бассейна начал интенсивно проводиться еще с конца XVIII в., во вторых, в начале 60-х гг. ХХ в. в США произошла так называемая «сексуальная» революция (она охватила и ряд стран Западной Европы). Все это не могло не привести к взрыву эпидемии СПИДа, принявшей характер национальной катастрофы.
Перспективы борьбы со СПИДом пока не слишком оптимистичны, поскольку эффективных лечебных средств еще не найдено, а выраженная изменчивость вируса ставит препятствия на пути получения эффективных вакцин. Главные средства профилактики: диагностика СПИДа у доноров и, наконец, изменение уклада общественной жизни вплоть до необходимости «ущемления» юридическими законами прав «свободных личностей», угрожающих здоровью и жизни народа. В этом отношении здравый смысл народа и юридических законов является залогом того, что в нашей стране СПИД не угрожает катастрофой, хотя и остается серьезной проблемой.

3. Вирусы бактерий

Вирусы, поражающие бактерий, называются бактериофагами. Вряд ли существуют бактерии, для которых при достаточно усердных поисках нельзя было бы найти соответствующего фага. Бактериофаги выявляются по образованию «стерильных» пятен («бляшек») в сплошном бактериальном газоне. В бактериальной взвеси они размножаются так быстро, что за короткое время способны растворить все клетки. Нуклеиновая кислота фага - это двухцепочная или одноцепочная ДНК, либо одноцепочная РНК. В качестве модельных объектов служат бактериофаги Escherichia coli (кишечная палочка).
Выделить бактериофаг нетрудно. Нужно лишь взять материал из естественного места обитания соответствующего вида бактерий и залить его питательной средой. Если такую накопительную культуру инкубировать в условиях, благоприятных для данных бактерий, то вскоре размножатся и содержащиеся в пробе фаги. Вирус размножается всегда только в растущих клетках. Можно путем центрифугирования или фильтрации удалить оставшиеся бактерии, а затем в надосадочной жидкости - «лизате» - определить количество фагов.
Если засеять плотную питательную среду бактериальной взвесью, не содержащей фагов, то на ее поверхности образуется сплошной газон из бактерий. Если же далее высеять суспензию, содержащую небольшое количество фагов, в «газоне» появятся свободные от бактерий участки (стерильные пятна, или бляшки). В том месте, куда попал фаг и где он поразил бактерию, лизируется все большее число бактериальных клеток; через некоторое время инфицированная фагом область становится заметной уже невооруженным глазом как пятно, не содержащее бактерий, на фоне бактериального газона.
Используя подходящие методы, можно быстро размножать бактериофаги на бактериальных газонах, на твердых средах или в суспензиях бактерий. Затем отделяют бактериальные клетки центрифугированием, убивают оставшиеся бактерии хлороформом и получают таким образом фаговый лизат, содержащий обычно от 10 (10) до 10 (13) фагов в 1 мл.
Строение бактериофагов в основе изучали на примере фагов серии Escherichia coli. Колифаг состоит из полиэдрической головки длиной 100 нм, и отростка, или «хвоста», примерно такой же длины. Головка состоит из капсомеров и содержит внутри ДНК. Количество белка и ДНК примерно одинаково. Отросток фага имеет сложное строение. В нем можно различить не менее трех частей: полый стержень, окружающий его чехол и находящуюся на конце чехла пластинку с шипами и нитями (от последних зависит прикрепление к клетке-хозяину).
Многие фаги имеют более простое строение. Большинство из них содержат двухцепочную ДНК. Содержащие 1 НК фаги обладают наименьшим геномом: в них 35000-45000 нуклеотидов.
Подобно другим вирусам, фаги неподвижны. При смешивании взвеси свободных фагов со взвесью бактерий фаговые частицы в результате случайных столкновений с клетками прикрепляются к поверхности последних и вводят в клетку-хозяина свою ДНК (инъекция). По прошествии времени, необходимого для процессов синтеза и созревания, клетки бактерий лизируются (растворяются) и новообразованные фаговые частицы выходят наружу.
Не всякий фаг адсорбируется (прикрепляется) на любой бактерии. Специфичность отношений хозяина и фага определяется специфичностью адсорбции, которая зависит от рецепторов, имеющихся в клеточной стенке. Рецепторы для одних фагов находятся в липопротеиновом слое, для других - в липополисахаридном. Устойчивость некоторых бактерий к фагам определяется, вероятно, отсутствием у них соответствующих рецепторов. При избытке бактериофага на одной клетке может адсорбироваться 200-300 фаговых частиц.
Вкратце обрисуем механизм взаимодействия фага с клеткой и внутриклеточное развитие фага.

1. Фаг адсорбируется на клетке бактерии.
2. Затем следует инъекция, т. е. введение ДНК фага в клетку.
3. Следом идет так называемый латентный период. На данном скрытом периоде еще не удается обнаружить фага. (Длится где-то 25 мин).
4. Прекращается синтез ДНК бактериальной клетки.
5. Затем прекращается синтез бактериальной РНК.
6. Происходит синтез фаговой ДНК. (Образуются необходимые для синтеза ДНК ферменты, так называемые «ранние белки»).
7. Заключительный процесс - созревание выражается в соединении фаговой ДНК с белком оболочки и образовании зрелых инфекционных фаговых частиц.
8. Процесс освобождения фагов - клеточная стенка бактерии размягчается и новый фаг выходит наружу.

Бактериофаги могут применяться для защиты от заразных заболеваний. Дизентерийному больному, например, дают пить жидкость, в которой есть противодизентерийные бактериофаги, уничтожающие дизентерийные палочки в кишечнике. Иногда особые бактериофаги разрушают полезные молочно-кислые бактерии и тем самым причиняют немало хлопот на заводах, производящих молочно-кислые продукты.
В заключение хочется сказать, что в ходе длительной эволюции сложились очень специализированные структуры вирусов. Хочется надеяться, что учеными в ближайшее время будут найдены критерии, по которым станет возможным определить эволюционное родство и построить генеалогическое древо хотя бы части этих многочисленных вирусов.

Список литературы

1. Жданов В. М. Эволюция вирусов. Изд-во Медицина, 1990.
2. Геморрагическая лихорадка с почечным синдромом в Саратовской области. (Эпидемиологические аспекты); В. Б. Коротков, А. В. Наумов, А. В. Самойлова. РосНИПИ «Микроб», Саратов, 1996.
3. Общая микробиология. Г. Шлегель, М.: Мир, 1987.
4. Развитие пандемии СПИД. // Вопросы вирусологии. 1987. N 6, с. 750-751.
5. Детская энциклопедия, т. 4. Растения и животные. М., 1973.