Встраивание своей нуклеиновой кислоты в днк клетки хозяина осуществляют: 1) образуют плодовые тела в горной местности; 2) нейтрализуют радиоактивные вещества в почве; 3) способствуют образованию известняков; 4) разлагают органические вещества до неорганических. — Знания.org

Вирусы разнообразны. Они различаются по своей структуре, методам репликации и своим целевым хозяевам или даже клеткам-хозяевам. В то время как большая часть биологического разнообразия может быть понята через историю эволюции, например, как виды адаптировались к условиям и окружающей среде, многое о происхождении и эволюции вирусов остается неизвестным.

Как размножаются вирусы

Вирусы были впервые обнаружены после разработки фарфорового фильтра, называемого фильтром Чемберленда-Пастера, который мог удалять все бактерии, видимые под микроскопом, из любого жидкого образца. В 1886 году Адольф Мейер продемонстрировал, что болезнь растений табака, мозаичная болезнь табака, может передаваться от больного растения к здоровому через жидкие растительные экстракты. В 1892 году Дмитрий Ивановский показал, что это заболевание могло передаваться таким путем даже после того, как фильтр Чемберленда-Пастера удалил из экстракта все жизнеспособные бактерии. Тем не менее, прошло много лет, прежде чем было доказано, что эти «фильтрующиеся» инфекционные агенты были не просто очень маленькими бактериями, а новым типом крошечных болезнетворных частиц.

Вирионы, одиночные вирусные частицы, очень малы, около 20–250 нанометров (1 нанометр = 1/1 000 000 мм). Эти отдельные вирусные частицы представляют собой инфекционную форму вируса вне клетки-хозяина. В отличие от бактерий (которые примерно в 100 раз крупнее), мы не можем увидеть вирусы в световой микроскоп, за исключением некоторых крупных вирионов семейства поксвирусов (рис. \(\PageIndex{2}\)).

Только с изобретением электронного микроскопа в 1940-х годах ученые впервые получили четкое представление о структуре вируса табачной мозаики (Рисунок \(\PageIndex{1}\)) и других. Поверхностную структуру вирионов можно наблюдать как с помощью сканирующей, так и с помощью просвечивающей электронной микроскопии, тогда как внутренние структуры вируса можно наблюдать только на изображениях с просвечивающей электронной микроскопии (рис. \(\PageIndex{3}\)).

Использование этой технологии позволило открыть множество вирусов всех типов живых организмов. Первоначально они были сгруппированы по общей морфологии, то есть по размеру, форме и отличительной структуре. Позже группы вирусов были классифицированы по типу содержащейся в них нуклеиновой кислоты, ДНК или РНК, а также по тому, была ли их нуклеиновая кислота одноцепочечной или двухцепочечной. Совсем недавно молекулярный анализ циклов репликации вирусов еще больше уточнил их классификацию.

Вирион состоит из ядра нуклеиновой кислоты, внешней белковой оболочки и иногда внешней оболочки, состоящей из белковых и фосфолипидных мембран, полученных из клетки-хозяина. Наиболее заметным различием между членами вирусных семейств является их морфология, которая весьма разнообразна. Интересной особенностью сложности вируса является то, что сложность хозяина не коррелирует со сложностью вириона. Одни из наиболее сложных структур вирионов наблюдаются у бактериофагов, вирусов, поражающих простейшие живые организмы, бактерии.

Вирусы бывают разных форм и размеров, но они одинаковы и различны для каждого вирусного семейства (Рисунок \(\PageIndex{4}\)). Все вирионы имеют геном нуклеиновой кислоты, покрытый защитным слоем белка, называемым капсидом. Капсид состоит из белковых субъединиц, называемых капсомерами. Некоторые вирусные капсиды представляют собой простые многогранные «сферы», тогда как другие имеют довольно сложную структуру. Внешняя структура, окружающая капсид некоторых вирусов, называется вирусной оболочкой. Все вирусы используют какой-то гликопротеин для прикрепления к своим клеткам-хозяевам на молекулах клетки, называемых вирусными рецепторами. Вирус использует эти молекулы клеточной поверхности, которые клетка использует для каких-то других целей, как способ узнавать и заражать определенные типы клеток. Например, вирус кори использует гликопротеин клеточной поверхности человека, который обычно участвует в иммунных реакциях и, возможно, во взаимодействии сперматозоида и яйцеклетки при оплодотворении. Прикрепление является необходимым условием для проникновения вирусов через клеточную мембрану, внедрения вирусного генома и завершения репликации внутри клетки.

Бактериофаг T4, инфицирующий бактерию E. coli , является одним из самых сложных известных вирионов; T4 имеет структуру белкового хвоста, которую вирус использует для прикрепления к клетке-хозяину, и структуру головы, в которой находится его ДНК.

Аденовирус, безоболочечный вирус животных, вызывающий респираторные заболевания у людей, использует белковые шипы, выступающие из его капсомеров, для прикрепления к клетке-хозяину. К безоболочечным вирусам также относятся те, которые вызывают полиомиелит (полиовирус), подошвенные бородавки (папилломавирус) и гепатит А (вирус гепатита А). Безоболочечные вирусы, как правило, более устойчивы и с большей вероятностью выживают в суровых условиях, например в кишечнике.

Оболочечные вирионы, такие как ВИЧ (вирус иммунодефицита человека), возбудитель СПИДа (синдром приобретенного иммунодефицита), состоят из нуклеиновой кислоты (РНК в случае ВИЧ) и капсидных белков, окруженных фосфолипидной двухслойной оболочкой и ассоциированными с ней белками ( Рисунок \(\PageIndex{4}\)). Ветряная оспа, грипп и эпидемический паротит являются примерами заболеваний, вызываемых вирусами с оболочками. Из-за хрупкости оболочки вирусы без оболочки более устойчивы к изменениям температуры, рН и некоторым дезинфицирующим средствам, чем вирусы с оболочкой.

В целом, форма вириона и наличие или отсутствие оболочки мало что говорит нам о том, какие болезни могут вызывать вирусы или какие виды они могут инфицировать, но все же это полезный способ начать классификацию вирусов.

ART CONNECTION

Какое из следующих утверждений о структуре вируса верно?

1. Все вирусы заключены в вирусную оболочку.
2. Капсомер состоит из небольших белковых субъединиц, называемых капсидами.
3. ДНК является генетическим материалом всех вирусов.
Гликопротеины
4. помогают вирусу прикрепляться к клетке-хозяину.

В отличие от всех живых организмов, использующих ДНК в качестве генетического материала, вирусы могут использовать в качестве своего генетического материала либо ДНК, либо РНК. Ядро вируса содержит геном или полное генетическое содержимое вируса. Вирусные геномы, как правило, малы по сравнению с бактериями или эукариотами и содержат только те гены, которые кодируют белки, которые вирус не может получить из клетки-хозяина. Этот генетический материал может быть одноцепочечным или двухцепочечным. Он также может быть линейным или круговым. В то время как большинство вирусов содержат один сегмент нуклеиновой кислоты, другие имеют геномы, состоящие из нескольких сегментов.

ДНК-вирусы имеют ядро ​​ДНК. Вирусная ДНК направляет белки репликации клетки-хозяина на синтез новых копий вирусного генома, а также на транскрипцию и трансляцию этого генома в вирусные белки. ДНК-вирусы вызывают заболевания человека, такие как ветряная оспа, гепатит В и некоторые венерические заболевания, такие как герпес и остроконечные кондиломы.

РНК-вирусы содержат в своей сердцевине только РНК. Для репликации своих геномов в клетке-хозяине геномы РНК-вирусов кодируют ферменты, отсутствующие в клетках-хозяевах. Ферменты РНК-полимеразы не так стабильны, как ДНК-полимеразы, и часто допускают ошибки при транскрипции. По этой причине мутации, изменения в последовательности нуклеотидов, у РНК-вирусов происходят чаще, чем у ДНК-вирусов. Это приводит к более быстрой эволюции и изменению РНК-вирусов. Например, тот факт, что грипп является РНК-вирусом, является одной из причин, по которой каждый год требуется новая вакцина против гриппа. Заболевания человека, вызываемые РНК-содержащими вирусами, включают гепатит С, корь и бешенство.

Вирусы могут рассматриваться как облигатные внутриклеточные паразиты. Вирус должен прикрепиться к живой клетке, проникнуть внутрь, произвести свои белки и скопировать свой геном, а также найти способ покинуть клетку, чтобы вирус мог заразить другие клетки и, в конечном счете, других людей. Вирусы могут заражать только определенные виды хозяев и только определенные клетки внутри этого хозяина. Молекулярная основа этой специфичности заключается в том, что определенная поверхностная молекула, известная как вирусный рецептор, должна быть обнаружена на поверхности клетки-хозяина, чтобы вирус мог прикрепиться. Кроме того, метаболические различия, наблюдаемые в разных типах клеток на основе дифференциальной экспрессии генов, являются вероятным фактором, в котором вирус может использовать клетки для репликации. Клетка должна вырабатывать вещества, необходимые вирусу, такие как ферменты, для которых в самом геноме вируса нет генов, иначе вирус не сможет размножаться, используя эту клетку.

Этапы вирусных инфекций

Вирус должен «захватить» клетку для репликации. Цикл репликации вируса может привести к серьезным биохимическим и структурным изменениям в клетке-хозяине, что может привести к ее повреждению. Эти изменения, называемые цитопатическими эффектами, могут изменить функции клетки или даже разрушить ее. Некоторые инфицированные клетки, например инфицированные вирусом простуды (риновирусом), погибают в результате лизиса (разрыва) или апоптоза (запрограммированная гибель клеток или «клеточное самоубийство»), высвобождая сразу все вирионы потомства. Симптомы вирусных заболеваний возникают в результате иммунного ответа на вирус, который пытается контролировать и элиминировать вирус из организма, а также в результате повреждения клеток, вызванного вирусом. Многие вирусы животных, такие как ВИЧ (вирус иммунодефицита человека), покидают инфицированные клетки иммунной системы в процессе, известном как почкование, когда вирионы покидают клетку по отдельности. В процессе почкования клетка не подвергается лизису и не сразу погибает. Однако повреждение клеток, которые заражает ВИЧ, может сделать невозможным их функционирование в качестве медиаторов иммунитета, даже если клетки остаются живыми в течение определенного периода времени. Большинство продуктивных вирусных инфекций проходят аналогичные этапы цикла репликации вируса: прикрепление, проникновение, снятие оболочки, репликация, сборка и высвобождение.

Вирус прикрепляется к определенному рецепторному участку на мембране клетки-хозяина с помощью белков прикрепления в капсиде или белков, встроенных в его оболочку. Прикрепление является специфическим, и обычно вирус прикрепляется только к клеткам одного или нескольких видов и только к определенным типам клеток этих видов с соответствующими рецепторами.

КОНЦЕПЦИЯ В ДЕЙСТВИИ

Посмотрите это видео, чтобы наглядно увидеть, как грипп атакует организм.

В отличие от вирусов животных, нуклеиновая кислота бактериофагов вводится в клетку-хозяин «голой», оставляя капсид вне клетки. Вирусы растений и животных могут проникать в их клетки посредством эндоцитоза, при котором клеточная мембрана окружает и поглощает весь вирус. Некоторые оболочечные вирусы проникают в клетку, когда вирусная оболочка сливается непосредственно с клеточной мембраной. Оказавшись внутри клетки, вирусный капсид разрушается и высвобождается вирусная нуклеиновая кислота, которая затем становится доступной для репликации и транскрипции.

Механизм репликации зависит от вирусного генома. ДНК-вирусы обычно используют белки и ферменты клетки-хозяина для создания дополнительной ДНК, которая используется для копирования генома или транскрибируется в информационную РНК (мРНК), которая затем используется в синтезе белка. РНК-вирусы, такие как вирус гриппа, обычно используют ядро ​​РНК в качестве матрицы для синтеза вирусной геномной РНК и мРНК. Вирусная мРНК транслируется в вирусные ферменты и капсидные белки для сборки новых вирионов (рис. \(\PageIndex{5}\)). Конечно, есть исключения из этого шаблона. Если клетка-хозяин не обеспечивает ферменты, необходимые для репликации вируса, вирусные гены предоставляют информацию для прямого синтеза недостающих белков. Ретровирусы, такие как ВИЧ, имеют РНК-геном, который необходимо подвергнуть обратной транскрипции, чтобы получить ДНК, которая затем встраивается в ДНК хозяина. Для преобразования РНК в ДНК ретровирусы содержат гены, кодирующие специфичный для вируса фермент обратную транскриптазу, которая транскрибирует матрицу РНК в ДНК. Тот факт, что ВИЧ производит некоторые из своих собственных ферментов, которых нет у хозяина, позволил исследователям разработать лекарства, ингибирующие эти ферменты. Эти препараты, в том числе ингибитор обратной транскриптазы AZT, ингибируют репликацию ВИЧ, снижая активность фермента, не влияя на метаболизм хозяина.

Последним этапом репликации вируса является высвобождение новых вирионов в организм хозяина, где они способны заражать соседние клетки и повторять цикл репликации. Некоторые вирусы высвобождаются, когда клетка-хозяин умирает, а другие вирусы могут покидать инфицированные клетки, прорастая через мембрану, не убивая клетку напрямую.

ART CONNECTION

Вирус гриппа упакован в вирусную оболочку, которая сливается с плазматической мембраной. Таким образом, вирус может выйти из клетки-хозяина, не убивая ее. Какое преимущество получает вирус, поддерживая жизнь клетки-хозяина?

КОНЦЕПЦИЯ В ДЕЙСТВИИ

Щелкните это руководство по вирусам, чтобы определить структуру, способы передачи, репликацию и многое другое.

Вирусы и заболевания

Вирусы вызывают различные заболевания у животных, включая людей, от обычной простуды до потенциально смертельных заболеваний, таких как менингит (Рисунок \(\PageIndex{6}\)). Эти заболевания можно лечить противовирусными препаратами или вакцинами, но некоторые вирусы, такие как ВИЧ, способны избегать иммунного ответа и мутировать, становясь устойчивыми к противовирусным препаратам.

Вакцины для профилактики

Хотя у нас есть ограниченное количество эффективных противовирусных препаратов, таких как те, которые используются для лечения ВИЧ и гриппа, основным методом борьбы с вирусными заболеваниями является вакцинация, т. е. предназначены для предотвращения вспышек путем создания иммунитета к вирусу или семейству вирусов. Вакцину можно приготовить с использованием ослабленных живых вирусов, убитых вирусов или молекулярных субъединиц вируса. Как правило, живые вирусы обеспечивают лучший иммунитет, но могут вызывать заболевания с небольшой частотой. Убитая вирусная вакцина и субъединичные вирусы не способны вызывать заболевание, но в целом приводят к менее эффективному или длительному иммунитету.

Ослабленные живые вирусные вакцины разрабатываются в лаборатории, чтобы вызывать у реципиентов мало симптомов, но при этом давать им иммунитет против будущих инфекций. Полиомиелит был одной из болезней, которая стала важной вехой в использовании вакцин. Кампании массовой иммунизации в США в 1950-х (убитая вакцина) и 1960-х (живая вакцина) по существу ликвидировали болезнь, которая вызывала мышечный паралич у детей и вызывала страх у населения в целом, когда происходили региональные эпидемии. Успех вакцины против полиомиелита проложил путь для рутинной вакцинации детей против кори, эпидемического паротита, краснухи, ветряной оспы и других болезней.

Живые вакцины обычно изготавливают путем аттенуации (ослабления) вируса «дикого типа» (вызывающего болезнь) путем его выращивания в лаборатории в тканях или при температурах, отличных от тех, к которым привык вирус в организме хозяина. Например, вирус можно выращивать в клетках в пробирке, в эмбрионах птиц или в живых животных. Адаптация к этим новым клеткам или температуре вызывает мутации в геномах вируса, позволяя им лучше расти в лаборатории, подавляя при этом их способность вызывать заболевание при повторном введении в условия, обнаруженные у хозяина. Таким образом, эти аттенуированные вирусы все еще вызывают инфекцию, но они не очень хорошо растут, что позволяет своевременно развить иммунный ответ для предотвращения серьезного заболевания. Опасность использования живых вакцин, которые обычно более эффективны, чем убитые вакцины, заключается в низком, но значительном риске того, что эти вирусы вернутся к своей болезнетворной форме в результате обратных мутаций. Обратные мутации возникают, когда вакцина подвергается мутациям в организме хозяина, так что она повторно адаптируется к хозяину и снова может вызывать заболевание, которое затем может передаваться другим людям в результате эпидемии. Это произошло совсем недавно, в 2007 году, в Нигерии, где мутации вакцины против полиомиелита привели к эпидемии полиомиелита в этой стране.

Некоторые вакцины находятся в непрерывном развитии, поскольку некоторые вирусы, такие как грипп и ВИЧ, имеют высокую частоту мутаций по сравнению с другими вирусами или клетками-хозяевами. При гриппе мутация в генах поверхностных молекул помогает вирусу обойти защитный иммунитет, который мог быть приобретен в предыдущий сезон гриппа, что делает необходимым ежегодное вакцинирование людей. Другие вирусы, вызывающие такие детские заболевания, как корь, эпидемический паротит и краснуха, мутируют настолько мало, что из года в год используется одна и та же вакцина.

Вакцины и противовирусные препараты для лечения

В некоторых случаях вакцины могут использоваться для лечения активной вирусной инфекции. В случае бешенства, фатального неврологического заболевания, передающегося со слюной инфицированных вирусом бешенства животных, прогрессирование заболевания с момента укуса животного до момента его попадания в центральную нервную систему может длиться две недели или дольше. Этого времени достаточно для вакцинации человека, который подозревает, что его укусило бешеное животное, а усиленного иммунного ответа от вакцинации достаточно, чтобы вирус не проник в нервную ткань. Таким образом предотвращаются фатальные неврологические последствия болезни, и человеку остается только оправиться от инфицированного укуса. Этот подход также используется для лечения лихорадки Эбола, одного из самых быстрых и смертоносных вирусов, поражающих людей, хотя обычно заражающих ограниченное население. Эбола также является основной причиной смерти горилл. Этот вирус, передаваемый летучими мышами и человекообразными обезьянами, может вызвать смерть в возрасте 70–9 лет.0 процентов инфицированных в течение двух недель. Есть надежда, что с помощью недавно разработанных вакцин, которые усиливают иммунный ответ, иммунная система пострадавших людей сможет лучше контролировать вирус, что потенциально снизит уровень смертности.

Другим способом лечения вирусных инфекций является использование противовирусных препаратов. Эти препараты часто имеют ограниченную способность излечивать вирусные заболевания, но используются для контроля и уменьшения симптомов широкого спектра вирусных заболеваний. Для большинства вирусов эти препараты ингибируют вирус, блокируя действие одного или нескольких его белков. Важно, чтобы целевые белки кодировались вирусными генами и чтобы эти молекулы не присутствовали в здоровой клетке-хозяине. Таким образом, рост вируса подавляется без ущерба для хозяина. Существует большое количество противовирусных препаратов для лечения инфекций, некоторые из которых специфичны для конкретного вируса, а другие могут воздействовать на несколько вирусов.

Противовирусные препараты были разработаны для лечения генитального герпеса (простого герпеса II) и гриппа. При генитальном герпесе такие препараты, как ацикловир, могут уменьшить количество и продолжительность эпизодов активного вирусного заболевания, во время которых у пациентов развиваются вирусные поражения клеток кожи. Поскольку вирус остается латентным в нервной ткани организма на всю жизнь, этот препарат не является лекарством, но может облегчить симптомы болезни. При гриппе такие препараты, как Тамифлю, могут сократить продолжительность симптомов «гриппа» на один или два дня, но препарат не предотвращает симптомы полностью. Другие противовирусные препараты, такие как рибавирин, использовались для лечения различных вирусных инфекций.

Безусловно, наиболее успешным применением противовирусных препаратов было лечение ретровируса ВИЧ, вызывающего заболевание, которое, если его не лечить, обычно приводит к летальному исходу в течение 10–12 лет после заражения. Анти-ВИЧ-препараты способны контролировать репликацию вируса до такой степени, что люди, получающие эти препараты, выживают значительно дольше, чем нелеченные.

Препараты против ВИЧ ингибируют репликацию вируса на многих различных фазах репликативного цикла ВИЧ. Разработаны препараты, ингибирующие слияние оболочки вируса ВИЧ с плазматической мембраной клетки-хозяина (ингибиторы слияния), превращение его РНК-генома в двухцепочечную ДНК (ингибиторы обратной транскриптазы), интеграцию вирусной ДНК в геном хозяина (ингибиторы интегразы) и процессинг вирусных белков (ингибиторы протеазы).

При индивидуальном применении любого из этих препаратов высокая скорость мутации вируса позволяет вирусу быстро развить устойчивость к препарату. Прорывом в лечении ВИЧ стала разработка высокоактивной антиретровирусной терапии (ВААРТ), включающей смесь различных препаратов, иногда называемую лекарственным «коктейлем». Атакуя вирус на разных стадиях его цикла репликации, вирусу трудно развить устойчивость к нескольким лекарствам одновременно. Тем не менее, даже при использовании комбинированной терапии ВААРТ есть опасения, что со временем у вируса разовьется устойчивость к этой терапии. Таким образом, новые препараты против ВИЧ постоянно разрабатываются в надежде продолжить борьбу с этим смертельно опасным вирусом.

Резюме

Вирусы представляют собой бесклеточные образования, которые обычно можно увидеть только с помощью электронного микроскопа. Их геномы содержат либо ДНК, либо РНК, и они реплицируются с использованием белков репликации клетки-хозяина. Вирусы разнообразны, заражая археи, бактерии, грибы, растения и животных. Вирусы состоят из ядра нуклеиновой кислоты, окруженного белковым капсидом с внешней липидной оболочкой или без нее.

Репликация вируса в живой клетке всегда вызывает изменения в клетке, иногда приводящие к ее гибели, а иногда к медленному уничтожению инфицированных клеток. Цикл репликации вируса состоит из шести основных стадий: прикрепление, проникновение, снятие оболочки, репликация, сборка и высвобождение. Вирусная инфекция может быть продуктивной, приводящей к образованию новых вирионов, или непродуктивной, когда вирус остается внутри клетки, не производя новых вирионов.

Вирусы вызывают различные заболевания у людей. Многие из этих заболеваний можно предотвратить с помощью вирусных вакцин, которые стимулируют защитный иммунитет против вируса, не вызывая серьезного заболевания. Вирусные вакцины также могут использоваться при активных вирусных инфекциях, повышая способность иммунной системы контролировать или уничтожать вирус. Противовирусные препараты, нацеленные на ферменты и другие белковые продукты вирусных генов, были разработаны и использовались с переменным успехом. Комбинации препаратов против ВИЧ использовались для эффективного контроля вируса, увеличивая продолжительность жизни инфицированных людей.

Art Connections

Рисунок \(\PageIndex{4}\): Какое из следующих утверждений о структуре вируса верно?

A. Все вирусы заключены в вирусную оболочку.
B. Капсомер состоит из небольших белковых субъединиц, называемых капсидами.
C. ДНК является генетическим материалом всех вирусов.
D. Гликопротеины помогают вирусу прикрепляться к клетке-хозяину.

Ответить

Д

Рисунок \(\PageIndex{5}\): Вирус гриппа упакован в вирусную оболочку, которая сливается с плазматической мембраной. Таким образом, вирус может выйти из клетки-хозяина, не убивая ее. Какое преимущество получает вирус, поддерживая жизнь клетки-хозяина?

Ответить

Клетка-хозяин может продолжать производить новые вирусные частицы.

Глоссарий

бесклеточный

отсутствуют ячейки

апоптоз

гибель клеток, вызванная индукцией собственных внутренних механизмов клетки либо как естественный шаг в развитии многоклеточного организма, либо другими факторами окружающей среды, такими как сигналы от клеток иммунной системы

затухание

ослабление вируса при разработке вакцины

капсид

белковая оболочка ядра вируса

цитопатический

вызывает повреждение клеток

гликопротеин

молекула белка с присоединенными молекулами углеводов

вакцина

ослабленный раствор вирусных компонентов, вирусов или других агентов, вызывающих иммунный ответ

вирион

отдельная вирусная частица вне клетки-хозяина

вирусная оболочка

липидный бислой, покрывающий некоторые вирусы

Авторы и ссылки

• Саманта Фаулер (Клейтонский государственный университет), Ребекка Руш (Общественный колледж Сэндхиллс), Джеймс Уайз (Хэмптонский университет).