Вирусы. Химия Вопросы для повторения и задания

Задания части А. Выберите один правильный ответ из четырех предложенных

А1. Низшим уровнем организации живого является:

1) атомный

2) клеточный

3) молекулярный

4) организменный

А2. Среди пеерчисленных веществ не является биологическим полимером:

2) глюкоза

3) гликоген

4) гемоглобин

А3. Неорганическими веществами клетки являются:

1) углеводы и жиры

2) нуклеиновые кислоты и вода

3) белки и жиры

4) вода и минеральная вода

А4. Органические вещества клетки, обеспечивающие хранение наследственной информации и передачу ее потомкам, основа ее генетического аппарата:

3) углеводы

4) нуклеиновые кислоты

А5. Из перечисленных углеводом моносахаридом является:

2) крахмал

3) сахароза

4) фруктоза

А6. Молекулы липидов состоят из:

1) аминоксилот

2) моносахаридов

3) воды и минеральных веществ

4) глицерина и высших жирных кислот

А7. По сравнению с окислением 1 г углеродов при оксилении жиров такой же массы образуется энергии:

1) меньше в два раза

2) больше в два раза

3) больше в четыре раза

4) одинаковое количество

А8. Органические вещества, являющиеся основным строительным материалом структур клетки и принимающие участие в регуляции процессов ее жизнедеятельности, - это:

1) белки

3) углеводы

4) нуклеиновые кислоты

А9. Все многообразие белков образуется за счет различного сочетания в их молекулах:

1) 4 аминокислот

2) 20 аминокислот

3) 28 аминокислот

4) 56 аминокислот

А10. Нивысший уровень пространственной структурной конфигурации молекулы гемоглобина:

1) первичный

2) вторичный

3) третичный

4) четвертичный

А11. Мономерами молекул нуклеиновых кислот являются:

1) нуклеотиды

2) моносахариды

3) аминоксилоты

4) высшие жирные кислоты

А12. В состав ДНК входит сахар:

2) глюкоза

3) фруктоза

4) дезоксирибоза

А13. Укажите пару комплементарный нуклеотидов в молекуле ДНК:

2) А-Т

А14. Для участка ДНК АЦЦГТААТГ укажите комплементарую цепь:

1) ААГГТЦАГТ

2) ТГГЦТААЦЦ

3) ТЦЦГТТАЦГ

4) ТГГЦАТТАЦ

А15. В состав АТФ входиьт:

1) рибоза, аденин, три остатка фосфорной кислоты

2) рибоза, аденин, один остаток фосфорной кислоты

3) рибоза, дезоксирибоза, три остатка фосфорной кислоты

4) дезоксирибоза, аденин, три остатка фосфорной кислоты

А16. АТФ играет важную роль в метаболизме организмов, так как:

1) является структурной основой нуклеотидов

2) содержит микроэнергический связи

3) обычно является конечным продуктом обмена веществ

4) ее можно быстро получить из среды, окружающей организм

А17. К водорастворимым относится витамин:

2) С

А18. По химическому составу большинство ферментов являются:

2) белками

3) углеводами

4) нуклеиновыми кислотами

2) вирусы

3) бактерии

4) одноклеточные растения

А20. Вирусы состоят из:

1) целлюлозной оболочки, цитоплазмы, ядра

2) белковой оболочки и цитоплазмы

3) нуклеиновой кислоты и белковой оболочки

4) нескольктх микроскопических клеток

Задания части В. Выберите три правильных ответа из шести предложенных

В1. Молекула ДНК отличается от иРНК тем, что:

1) она свернута в спираль

2) состоит из двух полинуклеотидных цепочек

3) состоит из одной полинуклеотидной цепочки

4) обладает способностью самоудваивания

5) не обладает способностью самоудваивания

6) служит матрицей для сборки полипептидной цепи

В2. Для углеводов характерны следующие функции:

1) сигнальная

2) структурная

3) транспортная

4) регуляторная

5) энергетическая

6) ферментативная

Установите соответствие между содержанием первого и второго столбцов

В3. Соотнесите органическое вещество и функцию, выполняемую им в клетке и/или в организме

а	б	в	г	д
5	1	4	2	3

Установите правильную последовательность биологических процессов, явлений, практических действий

В4. Установите последовательность образования структуры молекулы белка гемоглобина

а) скручивание молекул белка в спираль

б) образование пептидных связей между аминокислотами и формирование пептидной цепи

в) объединение нескольких глобул

г) скручивание молекулы белка в клубок

Вирусы - существо или вещество?

В течение последних 100 лет ученые не раз меняли свое представление о природе вирусов, микроскопических переносчиков болезней.

Вначале вирусы считали ядовитыми веществами, затем - одной из форм жизни, потом - биохимическими соединениями. Сегодня предполагают, что они существуют между живым и неживым мирами и являются основными участниками эволюции.

В конце XIX века было установлено, что некоторые болезни, в том числе бешенство и ящур, вызывают частицы, похожие на бактерии, но гораздо более мелкие. Поскольку они имели биологическую природу и передавались от одной жертвы к другой, вызывая одинаковые симптомы, вирусы стали рассматривать как мельчайшие живые организмы, несущие генетическую информацию.

Низведение вирусов до уровня безжизненных химических объектов произошло после 1935 г., когда Уэнделл Стэнли (Wendell Stanley) впервые закристаллизовал вирус табачной мозаики. Обнаружилось, что кристаллы состоят из сложных биохимических компонентов и не обладают необходимым для биологических систем свойством - метаболической активностью. В 1946 г. ученый получил за эту работу Нобелевскую премию по химии, а не по физиологии или медицине.

Дальнейшие исследования Стэнли четко показали, что любой вирус состоит из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), упакованной в белковую оболочку. Помимо защитных белков у некоторых из них есть специфические вирусные белки, участвующие в инфицировании клетки. Если судить о вирусах только по этому описанию, то они действительно больше похожи на химические субстанции, чем на живой организм. Но когда вирус проникает в клетку (после чего ее называют клеткой-хозяином), картина меняется. Он сбрасывает белковую оболочку и подчиняет себе весь клеточный аппарат, заставляя его синтезировать вирусные ДНК или РНК и вирусные белки в соответствии с инструкциями, записанными в его геном е. Далее происходит самосборка вируса из этих компонентов и появляется новая вирусная частица, готовая инфицировать другие клетки.

Такая схема заставила многих ученых по-новому взглянуть на вирусы. Их стали рассматривать как объекты, находящиеся на границе между живым и неживым мирами. По словам вирусологов Марка ван Регенмортеля (M.H.V. van Regenmortel) из Страсбургского университета во Франции и Брайана Махи (B.W. Mahy) из центров по профилактике заболеваний и контролю за их распространением, такой способ существования можно назвать "жизнью взаймы". Интересен следующий факт: при том, что долгое время биологи рассматривали вирус как "белковую коробку", наполненную химическими деталями, они использовали его способность к репликации в хозяйской клетке для изучения механизма кодирования белков. Современная молекулярная биология во многом обязана своими успехами информации, полученной при изучении вирусов.

Ученые кристаллизовали большинство клеточных компонентов (рибосомы, митохондрии, мембранные структуры, ДНК, белки) и сегодня рассматривают их либо как "химические машины", либо как материал, который эти машины используют или производят. Подобный взгляд на сложные химические структуры, обеспечивающие жизнедеятельность клетки, и стал причиной не слишком большой озабоченности молекулярных биологов статусом вирусов. Исследователи интересовались ими только как агентами, способными использовать клетки в своих целях или служить источником инфекции. Более сложная проблема, касающаяся вклада вирусов в эволюцию, остается для большинства ученых несущественной.

Быть или не быть?

Что означает слово "живой"? Большинство ученых сходятся во мнении, что помимо способности к самовоспроизведению живые организмы должны обладать и другими свойствами. Например, жизнь любого существа всегда ограничивается во времени - оно рождается и умирает. Кроме того, живые организмы имеют определенную степень автономии в биохимическом смысл е, т.е. в какой-то мере полагаются на собственные метаболические процессы, обеспечивающие их веществами и энерги ей, которые и поддерживают их существование.

Камень, равно как и капелька жидкости, в которой протекают метаболические процессы, но которая не содержит генетического материала и не способна к самовоспроизведению, несомненно, неживой объект. Бактерия же - живой организм, и хотя она состоит всего из одной клетки, она может вырабатывать энерги ю и синтезировать вещества, обеспечивающие ее существование и воспроизведение. Что в этом контекст е можно сказать о семени? Не всякое семя проявляет признаки жизни. Однако, находясь в покое, оно содержит тот потенциал , который получило от несомненно живой субстанции и который при определенных условиях может реализоваться. В то же время семя можно необратимо разрушить, и тогда потенциал останется нереализованным. В этом плане вирус больше напоминает семя, чем живую клетку: у него есть некие возможности, которые могут и не осуществиться, однако нет способности к автономному существованию.

Можно также рассматривать живое и как состояние, в которое при определенных условиях переходит система, состоящая из неживых компонентов, обладающих определенными свойствами. В качестве примера подобных сложных (эмерджентных) систем можно привести жизнь и сознание. Чтобы достичь соответствующего статуса, у них должен быть определенный уровень сложности. Так, нейрон (сам по себе или даже в составе нейрон ной сети) не обладает сознанием, для этого необходим мозг. Но и интактный мозг может быть живым в биологическом смысл е и в то же время не обеспечивать сознание. Точно так же ни клеточные, ни вирусные гены или белки сами по себе не служат живой субстанцией, а клетка, лишенная ядра, сходна с обезглавленным человеком, поскольку не имеет критического уровня сложности. Вирус тоже не способен достичь подобного уровня. Так что жизнь можно определить как некое сложное эмерджентное состояние, включающее такие же основополагающие "строительные блоки", которыми обладает и вирус. Если следовать такой логике, то вирусы, не являясь живыми объектами в строгом смысл е этого слова, все же не могут быть отнесены к инертным системам: они находятся на границе между живым и неживым.

Вирусы и эволюция

У вирусов есть своя, очень длинная эволюционная история, восходящая к истокам возникновения одноклеточных организмов. Так, некоторые вирусные системы репарации, которые обеспечивают вырезание неправильных оснований из ДНК и ликвидацию повреждений, возникших под действием радикалов кислорода, и т.д., есть только у отдельных вирусов и существуют в неизменном виде миллиарды лет.

Исследователи не отрицают, что вирусы играли какую-то роль в эволюции. Но, считая их неживой материей, они ставят их в один ряд с такими факторами, как климатические условия. Такой фактор воздействовал на организмы, которые обладали изменяющимися, генетически детерминируемыми признаками, извне. Организмы, более стойкие к этому влиянию, успешно выживали, размножались и передавали свои гены следующим поколениям.

Однако в действительности вирусы воздействовали на генетический материал живых организмов не опосредованно, а самым что ни на есть прямым образом - они обменивались с ним своими ДНК и РНК, т.е. были игроками на биологическом поле. Большим сюрпризом для врачей и биологов-эволюционистов стало то, что большая часть вирусов оказалась вполне безобидными созданиями, не связанными ни с какими болезнями. Они спокойно дремлют внутри клеток-хозяев или используют их аппарат для своего неспешного воспроизведения без всякого ущерба для клетки. У таких вирусов есть масса ухищрений, позволяющих им избежать недремлющего ока иммунной системы клетки - для каждого этапа иммунного ответа у них заготовлен ген, который этот этап контролирует или видоизменяет в свою пользу.

Более того, в процессе совместного проживания клетки и вируса вирусный геном (ДНК или РНК) "колонизирует" геном хозяйской клетки, снабжая его все новыми и новыми генами, которые в итоге становятся неотъемлемой частью геном а данного вида организмов. Вирусы оказывают более быстрое и прямое действие на живые организмы, чем внешние факторы, которые осуществляют отбор генетических вариантов. Многочисленность популяций вирусов вкупе с их высокой скоростью репликации и высокой частотой мутаций превращает их в основной источник генетических инноваций, постоянно создающий новые гены. Какой-нибудь уникальный ген вирусного происхождения, путешествуя, переходит от одного организма к другому и вносит вклад в эволюционный процесс.

Клетка, у которой уничтожена ядерная ДНК, - настоящий "покойник": она лишена генетического материала с инструкциями о деятельности. Но вирус может использовать для своей репликации оставшиеся целыми компоненты клетки и цитоплазму. Он подчиняет себе клеточный аппарат и заставляет его использовать вирусные гены как источник инструкций для синтеза вирусных белков и репликации вирусного геном а. Уникальная способность вирусов развиваться в погибших клетках наиболее ярко проявляется, когда хозяевами служат одноклеточные организмы, прежде всего населяющие океаны. (Подавляющее число вирусов обитает на суше. По оценкам специалистов, в Мировом океане насчитывается не более 1030 вирусных частиц.)

Бактерии, фотосинтезирующие цианобактерии и водоросли, потенциал ьные хозяева морских вирусов, нередко погибают под действием ультрафиолетового излучения, которое разрушает их ДНК. При этом некоторые вирусы ("постояльцы" организмов) включают механизм синтеза ферментов, которые восстанавливают поврежденные молекулы хозяйской клетки и возвращают ее к жизни. Например, цианобактерии содержат фермент, который участвует в фотосинтезе, и под действием избыточного количества света иногда разрушается, что приводит к гибели клетки. И тогда вирусы под названием цианофаги "включают" синтез аналога бактериального фотосинтезирующего фермента, более устойчивого к УФ-излучению. Если такой вирус инфицирует только что погибшую клетку, фотосинтезирующий фермент может вернуть последнюю к жизни. Таким образом, вирус играет роль "генного реаниматора".

Избыточные дозы УФ-излучения могут привести к гибели и цианофагов, однако иногда им удается вернуться к жизни при помощи множественной репарации. Обычно в каждой хозяйской клетке присутствует несколько вирусов, и в случае их повреждения они могут собрать вирусный геном по частям. Различные части геном а способны служить поставщиками отдельных генов, которые совместно с другими генами восстановят функции геном а в полном объеме без создания целого вируса. Вирусы - единственные из всех живых организмов, способные, как птица Феникс, возрождаться из пепла.

По данным Международного консорциума по секвенированию геном а человека, от 113 до 223 генов, имеющихся у бактерий и человека, отсутствуют у таких хорошо изученных организмов, как дрожжи Sacharomyces cerevisiae, плодовая мушка Drosophila melanogaster и круглый червь Caenorhabditis elegans, которые находятся между двумя крайними линиями живых организмов. Одни ученые полагают, что дрожжи, плодовая мушка и круглый червь, появившиеся после бактерий, но до позвоночных, просто утратили соответствующие гены в какой-то момент своего эволюционного развития. Другие же считают, что гены были переданы человеку проникшими в его организм бактериями.

Вместе с коллегами из Института вакцин и генной терапии при Орегонском университете здравоохранения мы предполагаем, что существовал третий путь: исходно гены имели вирусное происхождение, но затем колонизировали представителей двух разных линий организмов, например бактерий и позвоночных. Ген, которым одарила человечество бактерия, мог быть передан двум упомянутым линиям вирусом.

Более того, мы уверены, что само клеточное ядро имеет вирусное происхождение. Появление ядра (структуры, имеющейся только у эукариот, в том числе у человека, и отсутствующей у прокариот, например у бактерий) нельзя объяснить постепенной адаптацией прокариотических организмов к изменяющимся условиям. Оно могло сформироваться на основе предсуществующей высокомолекулярной вирусной ДНК, построившей себе постоянное "жилище" внутри прокариотической клетки. Подтверждением этому служит факт, что ген ДНК-полимеразы (фермента, участвующего в репликации ДНК) фага Т4 (фагами называют вирусы, которые инфицируют бактерии) по своей нуклеотидной последовательности близок к генам ДНК-полимераз как эукариот, так и инфицирующих их вирусов. Кроме того, Патрик Фортере (Patrick Forterre) из Южного парижского университета, который исследовал ферменты, участвующие в репликации ДНК, пришел к выводу, что гены, детерминирующие их синтез у эукариот, имеют вирусное происхождение.

Вирус синего языка

Вирусы влияют абсолютно на все формы жизни на Земле, а часто и определяют их судьбу. При этом они тоже эволюционируют. Прямым доказательством служит появление новых вирусов, таких как вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), вызывающий СПИД.

Вирусы постоянно видоизменяют границу между биологическим и биохимическим мирами. Чем дальше мы будем продвигаться в исследовании геном ов различных организмов, тем больше будем обнаруживать свидетельств присутствия в них генов из динамичного, очень древнего пула. Лауреат Нобелевской премии Сальвадор Лурия (Salvador Luria) в 1969 г. так говорил о влиянии вирусов на эволюцию: "Возможно, вирусы с их способностью включаться в клеточный геном и покидать его были активными участниками процесса оптимизации генетического материала всех живых существ в ходе эволюции. Просто мы этого не заметили". Независимо от того, к какому миру - живому или неживому - мы будем относить вирусы, пришло время рассматривать их не изолированно, а с учетом постоянной связи с живыми организмами.

ОБ АВТОРЕ:
Луис Вилляреал (Luis P. Villarreal) - директор Центра по изучению вирусов при Калифорнийском университете в г. Ирвайн. Получил степень кандидата биологических наук в Калифорнийском университете в Сан-Диего, затем работал в Стэнфордском университете в лаборатории лауреата Нобелевской премии Пола Берга. Активно занимается педагогической деятельностью, в настоящее время участвует в разработке программ по борьбе с угрозой биотерроризма.

<Бактериофаг>

Обнаружены также вирусы, поражающие другие вирусы (вирусы-сателлиты.

Многие вирусы являются возбудителями заболеваний, таких как СПИД , коревая краснуха , эпидемический паротит (свинка), ветряная и натуральная оспа. Вирусы имеют микроскопические размеры, многие из них способны проходить через любые фильтры. И отличие от бактерий, вирусы нельзя выращивать на питательных средах, так как вне организма они не проявляют свойств живого. Вне живого организма (хозяина) вирусы представляют собой кристаллы веществ, не имеющих никаких свойств живых систем.

История

Впервые существование вируса (как нового типа возбудителя болезней) доказал в 1892 году русский учёный Д. И. Ивановский. После многолетних исследований заболеваний табачных растений, в работе, датированной 1892 годом, Д. И. Ивановский приходит к выводу, что табачная мозаика вызывается «бактериями, проходящими через фильтр Шамберлана, которые, однако, не способны расти на искусственных субстратах». Пять лет спустя, при изучении заболеваний крупного рогатого скота, а именно - ящура, был выделен аналогичный фильтрующийся микроорганизм. А в 1898 году, при воспроизведении опытов Д. Ивановского голландским ботаником М. Бейеринком, он назвал такие микроорганизмы «фильтрующимися вирусами». В сокращённом виде, это название и стало обозначать данную группу микроорганизмов. В 1901 году было обнаружено первое вирусное заболевание человека - жёлтая лихорадка. Это открытие было сделано американским военным хирургом У. Ридом и его коллегами. В 1911 году Фрэнсис Раус доказал вирусную природу рака - саркомы Рауса (лишь в 1966 году, спустя 55 лет, ему была вручена за это открытие Нобелевская премия по физиологии и медицине). В последующие годы изучение вирусов сыграло важнейшую роль в развитии эпидемиологии, иммунологии, молекулярной генетики и других разделов биологии. Так, эксперимент Херши-Чейз стал решающим доказательством роли ДНК в передаче наследственных свойств. В разные годы еще как минимум шесть Нобелевских премий по физиологии и медицине и три Нобелевских премии по химии были вручены за исследования, непосредственно связанные с изучением вирусов. В 2002 году в Нью-Йоркском университете был создан первый синтетический вирус (вирус полиомиелита).

Строение вирусов

Просто организованные вирусы состоят из нуклеиновой кислоты и нескольких белков, образующих вокруг неё оболочку - капсид. Примеров таких вирусов является вирус табачной мозаики. Его капсид содержит один вид белка с небольшой молекулярной массой. Сложно организованные вирусы имеют дополнительную оболочку - белковую или липопротеиновую; иногда в наружных оболочках сложных вирусов помимо белков содержатся углеводы. Примером сложно организованных вирусов служат возбудители гриппа и герпеса. Их наружная оболочка - это фрагмент ядерной или цитоплазматической мембраны клетки-хозяина, из которой вирус выходит во внеклеточную среду. Зрелые вирусные частицы называются вирионами. Фактиче¬ски они представляют собой геном, покрытый сверху белковой оболочкой. Эта оболочка- капсид. Она построена из белковых молекул, защищающих генетический материал вируса от воз¬действия нуклеаз - ферментов, разрушающих нуклеиновые кис¬лоты. У некоторых вирусов поверх капсида располагается суперкапсидная оболочка, также построенная из белка. Генетический материал представлен нуклеиновой кислотой. У одних вирусов это ДНК (так называемые ДНК-овые вирусы), у других - РНК (РНК-овые вирусы). РНК-овые вирусы также называют ретровирусами, так как для синтеза вирусных белков в этом случае необходима обратная транскрипция, которая осуществляется ферментом - обратной транскриптазой (ревертазой) и представляет собой синтез ДНК на базе РНК.

Роль вирусов в биосфере

Вирусы являются одной из самых распространённых форм существования органической материи на планете по численности: воды мирового океана содержат колоссальное количество бактериофагов (около 250 миллионов частиц на миллилитр воды), их общая численность в океане - около 4×1030, а численность вирусов (бактериофагов) в донных отложениях океана практически не зависит от глубины и всюду очень высока . В океане обитают сотни тысяч видов (штаммов) вирусов, подавляющее большинство которых не описаны и тем более не изучены . Вирусы играют важную роль в регуляции численности популяций некоторых видов живых организмов (например, вирус дикования раз в несколько лет сокращает численность песцов в несколько раз).

Положение вирусов в системе органического мира

Происхождение вирусов

Структура

Вирусные частицы (вирио́ны) представляют собой белковую капсулу - капсид, содержащую геном вируса, представленный одной или несколькими молекулами ДНК или РНК. Капсид построен из капсомеров - белковых комплексов, состоящих, в свою очередь, из протомеров. Нуклеиновая кислота в комплексе с белками обозначается термином нуклеокапсид. Некоторые вирусы имеют также внешнюю липидную оболочку. Размеры различных вирусов колеблются от 20 (парвовирусы) до 500 (мимивирусы) и более нанометров. Вирионы часто имеют правильную геометрическую форму (икосаэдр, цилиндр). Такая структура капсида предусматривает идентичность связей между составляющими её белками, и, следовательно, может быть построена из стандартных белков одного или нескольких видов, что позволяет вирусу экономить место в геноме.

Механизм инфицирования

Условно процесс вирусного инфицирования в масштабах одной клетки можно разбить на несколько взаимоперекрывающихся этапов:

1. Присоединение к клеточной мембране - так называемая адсорбция. Обычно для того, чтобы вирион адсорбировался на поверхности клетки, она должна иметь в составе своей плазматической мембраны белок (часто гликопротеин) - рецептор, специфичный для данного вируса. Наличие рецептора нередко определяет круг хозяев данного вируса, а также его тканеспецифичность. 2. Проникновение в клетку. На следующем этапе вирусу необходимо доставить внутрь клетки свою генетическую информацию. Некоторые вирусы переносят также собственные белки, необходимые для её реализации (особенно это характерно для вирусов, содержащих негативные РНК). Различные вирусы для проникновения в клетку используют разные стратегии: например, пикорнавирусы впрыскивают свою РНК через плазматическую мембрану, а вирионы ортомиксовирусов захватываются клеткой в ходе эндоцитоза, попадают в кислую среду лизосом, где происходит их окончательное созревание (депротеинизация вирусной частицы), после чего РНК в комплексе с вирусными белками преодолевает лизосомальную мембрану и попадает в цитоплазму. Вирусы также различаются по локализации их репликации, часть вирусов (например, те же пикорнавирусы) размножается в цитоплазме клетки, а часть (например, ортомиксовирусы) в её ядре. 3. Перепрограммирование клетки. При заражении вирусом в клетке активируются специальные механизмы противовирусной защиты. Заражённые клетки начинают синтезировать сигнальные молекулы - интерфероны, переводящие окружающие здоровые клетки в противовирусное состояние и активирующие системы иммунитета. Повреждения, вызываемые размножением вируса в клетке, могут быть обнаружены системами внутреннего клеточного контроля, и такая клетка должна будет «покончить жизнь самоубийством» в ходе процесса, называемого апоптозом или программируемой клеточной смерти. От способности вируса преодолевать системы противовирусной защиты напрямую зависит его выживание. Неудивительно, что многие вирусы (например, пикорнавирусы, флавивирусы) в ходе эволюции приобрели способность подавлять синтез интерферонов, апоптозную программу и так далее. Кроме подавления противовирусной защиты, вирусы стремятся создать в клетке максимально благоприятные условия для развития своего потомства. 4. Персистенция. Некоторые вирусы могут переходить в латентное состояние, слабо вмешиваясь в процессы, происходящие в клетке, и активироваться лишь при определённых условиях. Так построена, например, стратегия размножения некоторых бактериофагов - до тех пор, пока заражённая клетка находится в благоприятной среде, фаг не убивает её, наследуется дочерними клетками и нередко интегрируется в клеточный геном. Однако при попадании заражённой лизогенным фагом бактерии в неблагоприятную среду, возбудитель захватывает контроль над клеточными процессами так, что клетка начинает производить материалы, из которых строятся новые фаги. Клетка превращается в фабрику, способную производить многие тысячи фагов. Зрелые частицы, выходя из клетки, разрывают клеточную мембрану, тем самым убивая клетку. С персистенцией вирусов (например, паповавирусов) связаны некоторые онкологические заболевания. 5. Созревание вирионов и выход из клетки. В конце концов, новосинтезированные геномные РНК или ДНК одеваются соответствующими белками и выходят из клетки. Следует сказать, что активно размножающийся вирус не всегда убивает клетку-хозяина. В некоторых случаях (например, ортомиксовирусы) дочерние вирусы отпочковываются от плазматической мембраны, не вызывая её разрыва. Таким образом, клетка может продолжать жить и продуцировать вирус.

Наш обзор, в котором клетки рассматриваются как единицы живой материи, не может быть полным, если мы не коснемся вирусов. Хотя вирусы и не являются живыми, они представляют собой образующиеся биологическим путем надмолекулярные комплексы, которые способны к самовоспроизведению в соответствующих клетках-хозяевах. Вирус состоит из молекулы нуклеиновой кислоты и окружающей ее защитной оболочки, или капсида, построенной из белковых молекул. Вирусы существуют в двух состояниях.

Рис. 2-23. Электронная микрофотография клеточной стенки растений. Стенка состоит из перекрещивающихся слоев целлюлозных волокон, погруженных в органический «клей». Стенки растительных клеток очень прочны, по своей структуре они напоминают бетонную плиту, укрепленную стальной арматурой.

Рис. 2-24. Репликация бактериофага в клетке-хозяине.

Одни вирусы содержат ДНК, а другие - РНК.

Известны сотни различных вирусов, специфичных в отношении определенных типов клеток-хозяев. Роль хозяев могут играть клетки животных, растений или бактерий (табл. 2-3). Вирусы, специфичные для бактерий, называются бактериофагами, или просто фагами (слово «фаг» означает поедать, поглощать). Капсид вирусов может быть построен из белковых молекул только одного типа, как это имеет место, например, в случае вируса табачной мозаики - одного из простейших вирусов, который первым был получен в кристаллическом виде (рис. 2-25). Другие вирусы могут содержать десятки и сотни белков различных типов. Размеры вирусов варьируют в широких пределах. Так, один из самых мелких вирусов, бактериофаг фХ174, имеет диаметр 18 нм, тогда как один из самых крупных вирусов - вирус осповакцины - по размерам своих частиц соответствует самым мелким бактериям. Вирусы различаются также по форме и степени сложности их структуры. К числу наиболее сложных относится бактериофаг Т4 (рис. 2-25), для которого клеткой-хозяином служит Е. coli. Фаг Т4 имеет головку, отросток («хвост») и сложный набор хвостовых нитей; при введении вирусной ДНК в клетку-хозяина они действуют совместно как «жало» или шприц для подкожных инъекций. На рис. 2-25 и в табл. 2-3 приведены данные о размерах, форме и массе частиц ряда вирусов, а также тип и величина входящих в их состав молекул нуклеиновых кислот. Некоторые вирусы необычайно патогенны для человека. К ним относятся, в частности, вирусы, вызывающие оспу, полиомиелит, грипп, простудные заболевания, инфекционный мононуклеоз и опоясывающий лишай. Считают, что причиной рака у животных также являются вирусы, которые могут находиться в латентном состоянии.

Таблица 2-3. Свойства некоторых вирусов

Вирусы играют все более важную роль в биохимических исследованиях, поскольку с их помощью удается получать необычайно ценную информацию о структуре хромосом, механизмах ферментативного синтеза нуклеиновых кислот и регуляции передачи генетической информации.

Вспомните!

Чем вирусы отличаются от всех остальных живых существ?

Почему существование вирусов не противоречит основным положениям клеточной теории?

Состоят из органических веществ, что и клетки (белки, нуклеиновые кислоты)

Размножаются с помощью клеток

Какие вы знаете вирусные заболевания?

Грипп, ВИЧ, бешенство, краснуха, оспа, герпес, гепатит, корь, папиллома, полиомиелит.

Вопросы для повторения и задания

1. Как устроены вирусы?

Вирусы имеют очень простое строение. Каждый вирус состоит из нуклеиновой кислоты (или ДНК, или РНК) и белка. Нуклеиновая кислота является генетическим материалом вируса. Она окружена защитной белковой оболочкой - капсидом. Внутри капсида могут также находиться собственные вирусные ферменты. Некоторые вирусы, например вирус гриппа и ВИЧ, имеют дополнительную оболочку, которая образуется из клеточной мембраны клетки-хозяина. Капсид вируса, состоящий из многих белковых молекул, обладает высокой степенью симметрии, имея, как правило, спиральную или многогранную форму. Эта особенность строения позволяет отдельным белкам вируса объединяться в полную вирусную частицу путём самосборки.

2. Каков принцип взаимодействия вируса и клетки?

3. Опишите процесс проникновения вируса в клетку.

«Голые» вирусы проникают в клетку путём эндоцитоза - погружения участка клеточной мембраны в месте их адсорбции. Иначе этот процесс известен как виропексис [вирус + греч. pexis, прикрепление]. «Одетые» вирусы проникают в клетку путём слияния суперкапсида с клеточной мембраной при участии специфических F-белков (белков слияния). Кислые значения рН способствуют слиянию вирусной оболочки и клеточной мембраны. При проникновении «голых» вирусов в клетку образуются вакуоли (эндосомы). После проникновения «одетых» вирусов в цитоплазму происходит частичная депротеинизация вирионов и модификация их нуклеопротеида (раздевание). Модифицированные частицы теряют инфекционные свойства, в ряде случаев изменяются чувствительность к РНКазе, нейтрализующему действию антител (AT) и другие признаки, специфичные для отдельных групп вирусов.

4. В чём проявляется действие вирусов на клетку?

Подумайте! Вспомните!

1. Объясните, почему вирус может проявить свойства живого организма, только внедрившись в живую клетку.

Вирус-неклеточная форма жизни, у него нет никаких органоидов, выполняющих в клетках определенные функции, нет обмена веществ, вирусы не питаются, не размножаются самостоятельно, не синтезируют никаких веществ. У них есть только наследственность в форме какой-то одной нуклеиновой кислоты-ДНК или РНК, а также капсид из белков. Поэтому только в клетке хозяина, когда вирус встраивает свою ДНК (если это ретро-вирус, то сначала происходит обратная транскрипция и строится по РНК-ДНК) в ДНК клетки, могут образовываться новые вирусы. При репликации и дальнейшем синтезе клеткой нуклеиновых кислот и белков заодно воспроизводится и вся информация вируса, занесенная им, и собираются новые вирусные частицы.

2. Почему вирусные заболевания имеют характер эпидемий? Охарактеризуйте меры борьбы с вирусными инфекциями.

Распространяются быстро, воздушно-капельным путем.

3. Выскажите своё мнение о времени появления на Земле вирусов в историческом прошлом, учитывая, что вирусы могут размножаться только в живых клетках.

4. Объясните, почему в середине XX в. вирусы стали одним из главных объектов экспериментальных генетических исследований.

Вирусы быстро размножаются, ими легко заразиться, вызывают эпидемии и пандемии, могут служить мутагенами для человека, животных и растений.

5. Какие сложности возникают при попытках создать вакцину против ВИЧ-инфекции?

Так как ВИЧ уничтожает иммунную систему человека, а вакцина изготавливается из ослабленных или убитых микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности, или из их антигенов, полученных генно-инженерным или химическим путём. Иммунная ситема не выдержит этого действия.

6. Объясните, почему перенос вирусами генетического материала от одного организма к другому называют горизонтальным переносом. Как тогда, по вашему мнению, называют передачу генов от родителей детям?

Горизонтальный перенос генов (ГПГ) - процесс, в котором организм передаёт генетический материал другому организму, не являющемуся его потомком. Вертикальный перенос генов – это перенос генетической информации от клетки или организма к их потомству при помощь обычных генетических механизмов.

7. В разные годы как минимум семь Нобелевских премий по физиологии и медицине и три Нобелевских премии по химии были вручены за исследования, непосредственно связанные с изучением вирусов. Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, подготовьте сообщение или презентацию о современных достижениях в области исследования вирусов.

Борьба человечества с эпидемией СПИДа продолжается. И хотя рано подводить итоги, определенные, без сомнения, оптимистические тенденции, все-такипрослеживаются. Так, биологам из Америки, удалось вырастить иммунные клетки, в которых вирус иммунодефицита человека размножаться не может. Этого удалось добиться с помощью новейшей методики, позволяющей влиять на работу наследственного аппарата клетки. Профессор Колорадского университета Рамеш Аккина и его коллеги спроектировали особые молекулы, которые блокируют работу одного из ключевых генов вируса иммунодефицита. Затем ученые изготовили искусственный ген, способный осуществлять синтез таких молекул, и с помощью вируса-носителяввели его в ядра стволовых клеток, которые в последствии и дают начало иммунным клеткам уже защищенным от ВИЧ-инфекции. Однако насколько эта методика окажется эффективной в борьбе со СПИДом, покажут только клинические испытания.

Еще 20 лет назад заболевание считалось неизлечимым. В 90-тые годы применялись только препараты короткоживущего интерферона-альфа. Эффективность такого лечения была очень низка. На протяжении последнего десятилетия «золотым стандартом» в терапии хронического гепатита С являлась комбинированная противовирусная терапия пегилированным интерфероном-альфа и рибавирином, эффективность которой в отношении элиминации вируса, то есть излечения гепатита С, достигает в целом 60-70%. При этом, среди больных, инфицированных 2 и 3 генотипами вируса, она составляет около 90%. В то же время, частота излечения у больных, инфицированных генотипом вируса С, до последнего времени составляла всего 40-50%.

1. Особенности жизнедеятельности (размеры)

2. Схема строения вируса

3. Схема проникновения в клетку, размножения

4. Стихи и загадки о вирусах

4.Загадки и стихи

У меня печальный вид, –

Голова с утра болит,

Я чихаю, я охрип.

Что такое?

Это – ... грипп

Подлый вирус этот грипп

Глова сейчас болит

Поднялась температура

И нужнате перь микстура

Заболела детка корью?

Это вовсе и не горе

Врач поможет, поспешит

Нашу детку излечит

На прививку я иду

Гордо к доктору приду

Шприц давайте и укол

Все готово? Я пошел

Ваша будущая профессия

1. Докажите, что базовые знания о процессах, происходящих на молекулярном и клеточном уровнях организации живого, необходимы не только биологам, но и специалистам в других областях естественных наук.

Биофизики, биохимики, не смогут обойтись без таких знаний. Физический и химический процессы протекают по одинаковым законам.

2. Какие профессии в современном обществе требуют знания строения и особенностей жизнедеятельности прокариотических организмов? Подготовьте небольшое (не более 7-10 предложений) сообщение о той профессии, которая вас наиболее впечатлила. Объясните свой выбор.

Системный биотехнолог. Специалист по замещению устаревших решений в разных отраслях новыми продуктами отрасли биотехнологий. Например, он будет помогать транспортным компаниям перейти на биотопливо вместо дизельного, а строительным – на новые биоматериалы вместо цемента и бетона. Использовать биотехнологии для очистки жидких сред.

3. «Эти специалисты нужны в ветеринарных и медицинских научных институтах, академических институтах, на предприятиях, связанных с биотехнологиями. Они не останутся без работы в лабораториях поликлиник и больниц, на агрономических селекционных станциях, в ветеринарных лабораториях и больницах. Порой именно они могут поставить наиболее достоверный и точный диагноз. Их исследования незаменимы для ранней диагностики онкологических заболеваний». Предположите, о людях какой специальности идёт речь в этих предложениях. Докажите свою точку зрения.

Наверное генетики. Занимаясь генетическим материалом могут работать в любых отраслях связанных с живыми организмами, будь то селекция или любая отрасль медицинских знаний.