Віруси

Вирусы

Вирусы, дрібні збудники інфекційних хвороб. У переведенні з латини virus означає «отрута, отруйне початок». До кінця XIX в. термін «вірус» побутував у медицині для позначення будь-якого інфекційного агента, що викликає захворювання. Сучасне значення це слово набуло після 1892, коли російська ботанік Д. И. Ивановский встановив «фильтруемость» збудника мозаїчної хвороби тютюну (тютюнової мозаїки). Він показав, що клітинний сік з заражених на цю хворобу рослин, пропущений через спеціальні фільтри, затримуючі бактерії, зберігає здатність викликати те захворювання в здорових рослин. П’ять років інший фильтрующийся агент — збудник ящуру великої рогатої худоби — виявили німецьким бактериологом Ф.Лёффлером. У 1898 голландський ботанік М. Бейеринк повторив в розширеному варіанті ці досліди і підтвердив висновки Іванівського. Він назвав «фильтрующееся отруйне початок», що викликає тютюнову мозаїку, «фильтрующимся вірусом». Цей термін використовувався уже багато років і поступово скоротився до слова — «вірус».

В 1901 американський військовий хірург У. Рид та його колеги встановили, що збудник жовтої лихоманки є також фильтрующимся вірусом. Жовта лихоманка був першим захворюванням людини, пізнаним як вірусне, проте знадобилося ще 26 років, щоб їх вірусне походження було остаточно доведено.

Свойства і походження вірусів. Найпростіше влаштовані віруси складаються з нуклеїнової кислоти, що є генетичним матеріалом (геномом) вірусу, і який покриває нуклеїнову кислоту білкового чохла. До складу деяких вірусів входять також вуглеводи і жири (ліпіди). Таким чином, віруси так можна трактувати просто мобільні набори генетичної інформації. Віруси позбавлені деяких ферментів, необхідні репродукції, і можуть розмножуватися лише усередині живою клітиною, метаболізм якій внаслідок зараження перебудовується на відтворення вірусних, а чи не клітинних компонентів. Це властивість вірусів стаття дозволяє віднести їх до облигатным (обов'язковим) клітинним паразитам. Після синтезу окремих компонентів є формування нового вірусні частки. Симптоми вірусного захворювання розвиваються як наслідок ушкодження вірусами окремих клітин.

Принято вважати, що віруси припадають на результаті відокремлення (автономізації) окремих генетичних елементів клітини, отримали, ще, здатність передаватися від організму до організму. У нормальної клітині відбуваються переміщення кількох типів генетичних структур, наприклад матричної, чи інформаційної, РНК (мРНК), транспозонов, интронов, плазмід. Такі мобільні елементи, можливо, були попередниками, чи прабатьками, вірусів.

Являются чи віруси живими організмами? У 1935 американський біохімік У. Стэнли виділив у кристалічною формі вірус тютюнової мозаїки, довівши цим його молекулярну природу. Отримані результати викликали бурхливі дискусії щодо природі вірусів: є вони живими організмами чи просто активированными молекулами? Справді, всередині зараженої клітини віруси проявляються як інтегральні компоненти складніших живих систем, але поза клітини є метаболически інертні нуклеопротеины. Віруси містять генетичну інформацію, але з можуть самостійно реалізувати її, не володіючи власним механізмом синтезу білка. Коли особливості будівлі та репродукції вірусів виявилися выясненными, питання, є вони живими, поступово втратив своє значення.

Размеры вірусів. Величина вірусів варіює від 20 до 300 нм (1 нм = 10 9 м). Практично всі віруси за своїми розмірами дрібніший від, ніж бактерії. Проте особливо великі віруси, наприклад вірус коров’ячої віспи, мають таку ж розміри, як і найбільш дрібні бактерії (хламідії і риккетсии), які є облигатными паразитами і розмножуються лише у живих клітинах. Тому відмітними рисами вірусів проти іншими мікроскопічними збудниками інфекцій служать не розміри чи обов’язковий паразитизм, а особливості будівлі та унікальні механізми реплікації (відтворення себе).

Строение вірусів.

Полноценная за будовою і інфекційна, тобто. здатна викликати зараження, вірусна частка поза клітини називається вирионом. Серцевина («ядро») вириона містить одну молекулу, інколи ж два чи кілька молекул нуклеїнової кислоти. Білковий чохол, покриває нуклеїнову кислоту вириона й захищає його від шкідливих впливів довкілля, називається капсидом. Нуклеїнова кислота вириона є генетичним матеріалом вірусу (його геномом) і подана дезоксирибонуклеїнової кислотою (ДНК) чи рибонуклеиновой кислотою (РНК), але ніколи двома цими сполуками відразу. (Хламідії, риккетсии й інші «істинно живі» мікроорганізми містять одночасно ДНК і РНК.) Нуклеїнові кислоти найменших вірусів містять три чи чотири гена, тоді як найбільш великі віруси мають до ста генів.

У деяких вірусів у доповнення до капсиду є що й зовнішня оболонка, що складається з білків і ліпідів. Вона утворюється з мембран зараженої клітини, містять вбудовані вірусні білки. Терміни «голі вирионы» і «позбавлені оболонки вирионы» використовують як синоніми. Капсиды найменших і влаштованих вірусів можуть бути лише вже з чи навіть кількох видів білкових молекул. Кілька молекул однієї чи різних білків об'єднують у субъединицы, звані капсомерами. Капсомеры, своєю чергою, утворюють правильні геометричні структури вірусного капсида. У різних вірусів форма капсида є характерною рисою (ознакою) вириона.

Вирионы зі спіральним типом симетрії, як в вірусу тютюнової мозаїки, мають форму подовженого циліндра; всередині білкового чохла, що складається з окремих субодиниць — капсомеров, перебуває згорнута спіраль нуклеїнової кислоти (РНК). Вирионы з икосаэдрическим типом симетрії (від грецьк. eikosi — двадцять, hedra — поверхню), як в поліовірусу, мають сферичну, а точніше, багатогранну форму; їх капсиды побудовано з 20-ти правильних трикутних фасеток (поверхонь) і нагадують геодезичний купол.

У окремих бактеріофагів (вірусів бактерій; фагов) змішаний тип симетрії. У т.зв. «хвостатих» фагов голівка має вигляд сферичного капсида; від нього відходить довгий трубчастий відросток — «хвіст».

Встречаются віруси з Президентом ще складнішим будовою. Вирионы поксвирусов (віруси групи віспи) немає правильного, типового капсида: між серцевиною і зовнішньої оболонкою вони розташовуються трубчасті і мембранні структури.

Репликация вірусів.

Генетическую інформацію, закодовану в окремому гені, загалом можна як інструкцію із виробництва певного білка у клітині. Така інструкція сприймається клітиною в тому разі, якщо вона послано як мРНК. Тому клітини, які мають генетичний матеріал представлений ДНК, повинні «переписати» (транскрибувати) цю інформацію в комплементарную копію мРНК. ДНК-содержащие віруси за способом реплікації від РНК-содержащих вірусів.

ДНК зазвичай існує у вигляді двухцепочечных структур: дві полинуклеотидные ланцюжка з'єднані водневими зв’язками і закручені в такий спосіб, що утворюється подвійна спіраль. РНК, навпаки, зазвичай існує у вигляді одноцепочечных структур. Проте геном окремих вірусів є одноцепочечную ДНК чи двухцепочечную РНК. Нитки (ланцюжка) вірусної нуклеїнової кислоти, подвійні чи одинарні, може мати лінійну форму чи замикатися в кільце.

Первый етап реплікації вірусів пов’язані з проникненням вірусної нуклеїнової кислоти в клітину организма-хозяина. Цьому процесу можуть сприяти спеціальні ферменти, що входять до склад капсида чи зовнішньої оболонки вириона, причому оболонка залишається зовні клітини чи вирион втрачає її одразу після проникнення всередину клітини. Вірус знаходить підходящу щодо його розмноження клітину, контактуючи окремими ділянками свого капсида (чи зовнішньої оболонки) зі специфічними рецепторами лежить на поверхні клітини на кшталт «ключ — замок». Якщо специфічні («узнающие») рецептори лежить на поверхні клітини відсутні, то клітина не вразлива щодо вірусної інфекції: вірус у ній не проникає.

Для здобуття права реалізувати свою генетичну інформацію, проникшая у клітину вірусна ДНК транскрибується спеціальними ферментами в мРНК. Новоутворена мРНК переміщається до клітинним «фабрикам» синтезу білка — рибосомам, де заміняє клітинні «послання» власними «інструкціями» і транслюється (прочитується), у результаті синтезуються вірусні білки. А сама вірусна ДНК багаторазово подвоюється (дуплицируется) з участю іншого набору ферментів, як вірусних, і що належать клітині.

Синтезированный білок, що використовується на будівництво капсида, і розмножена у багатьох копіях вірусна ДНК об'єднуються і формують нові, «дочірні» вирионы. Сформована вірусне потомство залишає використану клітку та заражає нові: цикл репродукції вірусу повторюється. Деякі віруси під час отпочковывания від поверхні клітини захоплюють частина клітинної мембрани, в яку «завчасно» умонтувалися вірусні білки, отже набувають оболонку. Що ж до клетки-хозяина, вона у результаті виявляється пошкодженій або й повністю зруйнованої.

У деяких ДНК-содержащих вірусів сам цикл репродукції у клітині не пов’язані з негайної репликацией вірусної ДНК; натомість вірусна ДНК вбудовується (інтегрується) в ДНК клетки-хозяина. І на цій стадії вірус як єдине структурне освіту зникає: його геном стає частиною генетичного апарату клітини, і навіть реплицируется у складі клітинної ДНК під час розподілу клітини. Однак згодом, іноді через багато років навчаються, вірус може з’явитися знову — запускається механізм синтезу вірусних білків, які, об'єднуючись із вірусної ДНК, формують нові вирионы.

У деяких РНК-содержащих вірусів геном (РНК) може безпосередньо виконувати роль мРНК. Однак це особливість характерна лише вірусів з «+» ниткою РНК (тобто. з РНК, має позитивну полярність). У вірусів з «» ниткою РНК він мусить спочатку «переписаться» в «+» нитку; після цього починається синтез вірусних білків й відбувається реплікація вірусу.

Так звані ретровіруси перебувають у ролі геному РНК і мають незвичний спосіб транскрипції генетичного матеріалу: замість транскрипції ДНК в РНК, як і відбувається у клітині і притаманно ДНК-содержащих вірусів, їх РНК транскрибується в ДНК. Двухцепочечная ДНК вірусу потім вбудовується в хромосомну ДНК клітини. На матриці такий вірусної ДНК синтезується нова вірусна РНК, яка, як та інші, визначає синтез вірусних білків.

Классификация вірусів.

Если віруси справді є мобільними генетичними елементами, які отримали «автономію» (незалежність) від генетичного апарату їхніх власників (різних типів клітин), то різні групи вірусів (з різними геномом, будовою і репликацией) мали виникнути незалежно друг від друга. Тому побудувати всім вірусів єдиний родовід, яка б пов’язала їх у основі еволюційних взаємовідносин, неможливо. Принципи «природною» класифікації, використовувані в систематики тварин, безсилі для вірусів.

Тем щонайменше система класифікації вірусів необхідна в практичну роботу, і спроби її створення були. Найбільш продуктивним виявився підхід, заснований на структурно-функциональной характеристиці вірусів: щоб відрізнити різні групи вірусів друг від друга, описують тип їх нуклеїнової кислоти (ДНК чи РНК, кожна з яких то, можливо одноцепочечной чи двухцепочечной), її розміри (число нуклеотидів в ланцюжку нуклеїнової кислоти), число молекул нуклеїнової кислоти щодо одного вирионе, геометрію вириона й особливо будівлі капсида і зовнішньої оболонки вириона, тип хазяїна (рослини, бактерії, комахи, ссавці тощо.), особливості спричиненої вірусами патології (симптоми, й характер захворювання), антигенні властивості вірусних білків й особливо реакції імунної системи організму впровадження вірусу.

В систему класифікації вірусів недостатньо вкладається група мікроскопічних збудників хвороб, звана вироидами (тобто. вирусоподобными частинками). Вироиды викликають багато поширені серед рослин хвороби. Це дрібні інфекційні агенти, позбавлені навіть найпростішого білкового чохла (наявної в всіх вірусів); вони складаються тільки з замкнутої в кільце одноцепочечной РНК.

Вирусные захворювання.

Эволюция вірусів і вірусних інфекцій. Хоча віруси не є повноцінними живими організмами, їх еволюційний розвиток має багато спільного з еволюцією інших патогенних організмів. Щоб зберегти себе як вид, жоден паразит може бути занадто небезпечним своєї основної хазяїна, у якому розмножується. Інакше це призвело б до повного зникнення хазяїна як біологічного виду, а разом із і самої збудника. У той самий час будь-який патогенний організм зможе існувати як біологічний вид, якщо в його основного хазяїна занадто швидко і ефективно розвивається імунітет, дозволяє придушувати репродукцію збудника. Тому вірус, викликає гостре і тяжкий захворювання в будь-якого виду тварин, зазвичай має ще іншого хазяїна. Розмножуючись у тому, вірус не завдає йому (як виду) суттєвої шкоди, проте таке щодо нешкідлива співіснування підтримує циркуляцію вірусу у природі. Приміром, вірус сказу у природі зберігається серед гризунів, котрим зараження цим вірусом перестав бути смертельним. Природним резервуаром для вірусів кінських енцефалітів, особливо небезпечні коней й у трохи меншою мірою для людини, є птахи. Ці віруси переносяться кровососущими комарами, в яких вірус розмножується без суттєвої шкоди для комара. Іноді віруси можуть передаватися комахами пасивно (без розмноження у яких), проте частіше за все вони репродукуються в переносчиках.

Для багатьох вірусів, наприклад кору, герпесу й почасти грипу, основним природним резервуаром людина. Передача цих вірусів відбувається повітряно-краплинним чи контактним шляхом.

Распространение деяких вірусних захворювань, як та інших інфекцій, повно несподіванок. Наприклад, в групах людей, що у антисанітарних умовах, практично діти в ранньому віці переносять поліомієліт, зазвичай протекающий у легкій формі, і підлітків набувають імунітет. Якщо що умови життя жінок у цих групах поліпшуються, діти молодого віку зазвичай на поліомієліт не хворіють, але захворювання може виникнути на більш старшому віці, і тоді він часто відбувається у важкої формі.

Многие віруси що неспроможні довго зберігатися у природі при низької густини розселення вида-хозяина. Нечисленність популяцій первісних мисливців та складальників рослин створювала несприятливі умови в існуванні деяких вірусів; тому так мабуть, якісь віруси людини виникли пізніше, з появою міських і сільських поселень. Передбачається, що вірус кору спочатку існував серед собак (як збудник лихоманки), а віспа людини могла з’явитися у результаті тривалої еволюції віспи корів чи мишей. До «свіжим» прикладів еволюції вірусів можна віднести синдром набутого імунодефіциту людини (СНІД). Є дані про генетичному схожості вірусів імунодефіциту чоловіки й африканських зелених мавп.

«Новые» інфекції зазвичай протікають у важкої формі, нерідко із летальним кінцем, але у процесі еволюції збудника можуть більш легкими. Добрим прикладом — історія вірусу миксоматоза. 1950;го цей вірус, ендемічний Південної Америки і досить безневинний місцевим кроликів, разом із європейськими породами цих тварин було завезено до Австралії. Захворювання австралійських кроликів, раніше не зустрічалися з цим вірусом, було смертельним в 99,5% випадків. Декілька років через смертність від цього захворювання значно знизилася, у деяких районах до 50%, що як «аттенуирующими» (ослабляющими) мутаціями в вірусному геномі, а й зрослої генетичної сталістю кроликів до захворювання, причому у обох випадках ефективна природна селекція відбулася під потужним тиском природного відбору.

Репродукция вірусів у природі підтримується різними типами організмів: бактеріями, грибами, найпростішими, рослинами, тваринами. Наприклад, комахи часто страждають від вірусів, що накопичуються у тому клітинах як великих кристалів. Рослини нерідко уражаються дрібними і улаштованими РНК-содержащими вірусами. Ці віруси навіть мають спеціальних механізмів в просуванні в клітину. Вони переносяться комахами (які харчуються клітинним соком), круглими черв’яками і контактним способом, заражаючи рослина за його механічному ушкодженні. Віруси бактерій (бактеріофаги) мають найскладніший механізм доставки свого генетичного матеріалу в чутливу бактеріальну клітину. Спочатку «хвіст» фага, має вид тонкої трубочки, прикріплюється до стінки бактерії. Потім спеціальні ферменти «хвоста» розчиняють ділянку бактеріальної стінки й у отвір через «хвіст», ніби крізь голку шприца, впорскується генетичний матеріал фага (зазвичай ДНК).

Более десяти основних груп вірусів патогенны в людини. Серед ДНК-содержащих вірусів це сімейство поксвирусов (викликають натуральну віспу, коров’ячу віспу і інші оспенные інфекції), віруси групи герпесу (герпетические висипання на губах, вітрянка), аденовіруси (захворювання дихальних колій та очей), сімейство паповавирусов (бородавки та інші розростання шкіри), гепаднавирусы (вірус гепатиту B). РНК-содержащих вірусів, хвороботворних в людини, значно більше. Пикорнавирусы (від латів. pico — дуже дрібний, анг. RNA — РНК) — найдрібніші віруси ссавців, схожі певні віруси рослин; вони викликають поліомієліт, гепатит А, гострі простудні захворювання. Миксовирусы і парамиксовирусы — причина різних форм грипу, корі й епідемічного паротиту (свинки). Арбовирусы (від анг. arthropod borne — «стерпні членистоногими») — найбільша група вірусів (більш 300) — переносяться комахами і є збудниками кліщового і японського енцефалітів, жовтої лихоманки, менингоэнцефалитов коней, колорадской кліщовий лихоманки, шотландського енцефаліту овець та інших небезпечних хвороб. Реовирусы — досить рідкісні збудники респіраторних і кишкових захворювань людини — стали предметом особливого науковий інтерес через те, що й генетичний матеріал представлений двухцепочечной фрагментированной РНК.

Возбудители деяких захворювань, зокрема дуже важких, не вкладаються однієї із перелічених вище категорій. До особливої групі повільних вірусних інфекцій ще недавно відносили, наприклад, хвороба Крейтцфельда — Якоба і куру — дегенеративні захворювання мозку, мають дуже тривалий інкубаційний період. Проте з’ясувалося, що вони викликаються не вірусами, а дрібними інфекційних агентів білкової природи — пріонами .

Лечение і профілактика. Репродукція вірусів тісно переплітається з її механізмами синтезу білка і нуклеїнових кислот клітини в зараженому організмі. Тому створити ліки, вибірково які вірус, але з завдають шкоди організму, — завдання надзвичайно важка. І все-таки виявилося, що з найбільших вірусів герпесу і віспи геномные ДНК кодують велика кількість ферментів, які відрізняються властивостями від подібних клітинних ферментів, і це стало підвалинами розробки противірусних препаратів. Справді, створено кілька препаратів, механізм дії яких грунтується на придушенні синтезу вірусних ДНК. Деякі сполуки, занадто токсичні для загального застосування (внутрішньовенно чи через рот), годяться для місцевого використання, наприклад якщо очей вірусом герпесу.

Известно, що у людини виробляються особливі білки — інтерферони. Вони придушують трансляцію вірусних нуклеїнових кислот отже пригнічують розмноження вірусу. Завдяки генної інженерії стали доступні і проходять перевірку у медичній практиці інтерферони, вироблені бактеріями .

К найдієвішим елементам природною захисту організму ставляться специфічні антитіла (спеціальні білки, вироблювані імунної системою), які взаємодіють із відповідним вірусом і тим самим ефективно перешкоджають хворобі розвиватися; але вони що неспроможні нейтралізувати вірус, вже проникший у клітину. Прикладом може бути герпетична інфекція: вірус герпесу зберігається у клітинах нервових вузлів (гангліїв), де антитіла що неспроможні його досягти. Раз у раз вірус активується і рецидиви захворювання.

Обычно специфічні антитіла утворюються у організмі результаті проникнення нього збудника інфекції. Організму можна допомогти, посилюючи вироблення антитіл штучно, зокрема створюючи імунітет заздалегідь, з допомогою вакцинації. Саме такою способом, шляхом масової вакцинації, захворювання натуральної віспою практично ліквідовано в усьому світі.

Современные методи вакцинації і імунізації поділяються втричі основних групи. По-перше, це використання ослабленого штами вірусу, який стимулює в організмі продукування антитіл, ефективно діючих проти більш патогенного штами. По-друге, запровадження вбитого вірусу (наприклад, инактивированного формаліном), що теж індукує освіту антитіл. Третій варіант — т.зв. «пасивна» імунізація, тобто. запровадження що готові «чужих» антитіл. Тварина, наприклад кінь, иммунизируют, потім із її крові виділяють антитіла, очищають їх і використовують із запровадження пацієнтові, щоб зробити негайний, але нетривалий імунітет. Іноді використовують антитіла з крові людини, який переніс дане захворювання (наприклад, кір, кліщовий енцефаліт).

Накопление вірусів. Для приготування вакцинних препаратів необхідно нагромадити вірус. Для цього він часто використовують що розвиваються курячі ембріони, яких заражають даним вірусом. Після инкубирования заражених ембріонів протягом визначеного часу що накопичився у яких внаслідок розмноження вірус збирають, очищають (центрифугированием або іншими способом) і, коли потрібно, инактивируют. Дуже важливо було видалити з препаратів вірусу все баластові домішки, які можуть викликати серйозні ускладнення при вакцинації. Звісно, щонайменше важливо переконатися, що у препаратах не залишилося неинактивированного патогенного вірусу. Останніми роками для накопичення вірусів широко використовують різні типи клітинних культур.

Методы вивчення вірусів.

Вирусы бактерій перші почали об'єктом детальних досліджень як найзручніша модель, що має поруч переваг проти іншими вірусами. Повний цикл реплікації фагов, тобто. період від зараження бактеріальної клітини до виходу з її размножившихся вірусних частинок, надається протягом однієї години. Інші віруси зазвичай накопичуються протягом кількадобового і навіть більш багато часу. Незадовго до його Другої світової війни" та невдовзі після його закінчення розробили методи вивчення окремих вірусних частинок. Чашки з поживним агаром, у якому виростили монослой (суцільний шар) бактеріальних клітин, заражають частинками фага, використовуючи при цьому його послідовні розведення. Розмножуючись, вірус вбиває «приютившую» його клітку та проникає в сусідні, теж гинуть після накопичення фагового потомства. Ділянка загиблих клітин видно неозброєним оком як світла пляма. Такі плями називають «негативними колоніями», чи бляшками. Розроблений метод дозволив вивчати потомство окремих вірусних частинок, знайти генетичну рекомбінацію вірусів і побачити генетичну структуру і знаходять способи реплікації фагов докладно, які видавалися раніше неймовірними.

Работы з бактеріофагами сприяли розширенню методичного арсеналу до вивчення вірусів тварин. Доти дослідження вірусів хребетних виконувалися в основному для лабораторних тварин; такі спроби були й дуже трудомісткі, шляхи і невідь що інформативні. Пізніше з’явилися нові методи, засновані на застосуванні тканинних культур; бактеріальні клітини, що використовувалися в експериментах з фагами, було замінено на клітини хребетних. Проте задля вивчення механізмів розвитку вірусних захворювань експерименти на лабораторних тварин дуже важливі й продовжують проводитися нині.

Вирусология. Під редакцією Филдса Б., Найта Д., тт. 1−3, М., 1989.

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.