Лекции по "Вирусологии"

        1.Общие принципы вирусологии. Предмет «Вирусология», разделы; объект исследования.

Вирусология — наука о вирусах —субмикроскопические ДНК или РНК содержащие объекты, репродуцирующиеся только в живых клетках, заставляя их синтезировать вирионы, которые содержат геном вируса  способны перемещать геном в другие клетки.

Общая вирусология изучает природу вирусов, их строение, размножение, биохимию, генетику, экологию, эволюцию.

Вирусология решает фундаментальные и прикладные задачи и тесно связана с другими науками. Открытие и изучение вирусов, в частности бактериофагов, внесло огромный вклад в становление и развитие молекулярной биологии. Раздел вирусологии, изучающий наследственные свойства вирусов, тесно связан с молекулярной генетикой. Вирусы не только предмет изучения, но и инструмент молекулярно-генетических исследований, что связывает вирусологию с генетической инженерией.

 Вирусы — возбудители большого  количества инфекционных заболеваний  человека, животных, растений, насекомых. С этой точки зрения вирусология  тесно связана с медициной, ветеринарией, фитопатологией и другими науками.

2. История развития вирусологии.

История вирусологии необычна тем, что один из ее предметов — вирусные болезни — стал изучаться задолго до того, как были открыты собственно вирусы. Начало истории вирусологии — это борьба с инфекционными заболеваниями и только впоследствии — постепенное раскрытие источников этих болезней. Подтверждением тому служат работы Эдуарда Дженнера (1749-1823 гг.) по предупреждению оспы и работы Луи Пастера (1822-1895 гг.) с возбудителем бешенства.

Термин «вирус» применил еще Л. Пастер для обозначения заразного начала.

 Открытие вирусов принадлежит русскому ученому Ивановскому, который в 1892 г. опубликовал работу по изучению мозаичной болезни табака.

 Д.И. Ивановский показал, что  возбудитель этой болезни имеет  очень малые размеры и не  задерживается на бактериальных  фильтрах, являющихся непреодолимым  препятствием для мельчайших  бактерий. Кроме того, возбудитель  мозаичной болезни табака не  способен культивироваться на  искусственных питательных средах. Д.И. Ивановский открыл вирусы растений.

Подтвердил эксперименты Д.И. Ивановского в 1893г.  
датский ботаник М. Бейеринк.Он рассматривал идею «вируса» в контексте заразного начала. 
Термин «вирус» (от лат. virus – яд) предложил Бейеринк для обозначения инфекционной природы отфильтрованных растительных жидкостей. Название «фильтрующиеся вирусы» употребляли до к. 30-х – нач. 40-х гг. 20 века.

В 1898 г. Ф. Леффлер и П. Фрош показали, что широко распространенная болезнь крупного рогатого скота — ящур, вызывается агентом, который также проходит через бактериальные фильтры. Этот год считается годом открытия вирусов животных.

В 1901 г. Рид и Кэррол показали, что фильтрующиеся агенты можно выделить и из трупов людей, умерших от желтой лихорадки. Этот год считается годом открытия вирусов человека.

Ф. Д’Эррель и Ф. Туорт в 1915-1917 гг. обнаружили вирусы у бактерий. Д’Эррель назвал их «бактериофагами» или пожирателями бактерий. Позднее были выделены вирусы грибов, простейших, насекомых.

В истории вирусологии выделяют 4 периода:

1.-древнейший мир. В 1942 г Дженер  предложил вакцину против оспы

2.-организменный. С 1842 по 1940 гг.

3.-клеточный. 1940-1960 гг. Доказано, что вирусы могут репродуцироваться  только в живой клетке, вызывая при этом ЦПД-цитопатическое действие-специфические изменения морфологии клеток или ЦПЭ-цитопатический эффект-функциональное нарушение метаболизма клеток.

4. –молекулярно-биологический. С 1970 до  нашего времени.

3.Природа неклеточных  форм жизни, происхождение вирусов, эволюция.

Что представляют собой неклеточные формы жизни? Наряду с одноклеточными и многоклеточными организмами в природе сущ-ют и др формы жизни. Это вирусы, не имеющие клеточного строения. Они предст-ют переходную форму между живой и неживой материей. Вирусы устроены очень просто. Каждая вирусная частица состоит из РНК или ДНК, заключенной в белковую оболочку, которую называют капсидом, полностью сформированная инфекционная частица называется вирионом. У некоторых вирусов (герпеса или гриппа) есть еще и дополнительная оболочка, которая возникает из плазматической мембраны клетки-хозяина. Вирусы способны жить и размножаться только в клетках других организмов. Во внешней среде они не проявляют никаких признаков жизни, многие имеют форму кристаллов. Величина вирусов колеблется от 20 до 300 нм.

Вирус обладает достаточно сложной внутренней структурой. Его сердцевина (ядро) содержит одну (иногда больше) молекулу нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК). Нуклеиновые кислоты самых мелких вирусов содержат 3-4 гена, а самые крупные вирусы имеют до 100 генов. Снаружи вирус покрыт белковым «чехлом», защищающим нуклеиновую кислоту от вредных воздействий окружающей среды. Форма вирусов очень разнообразна. По размерам вирусы подразделяют на крупные (300-400 нм в диаметре), средние (80-125 нм) и мелкие (20-30 нм). Крупные вирусы можно увидеть в обычный микроскоп, более мелкие изучают под электронным микроскопом.

3 основные  гипотезы происхождения вирусов:

вирусы являются потомками бактерий или других одноклеточных организмов, претерпевших дегенеративную эволюцию.

вирусы являются потомками древних, доклеточных, форм жизни, перешедших к паразитическому способу существования.

вирусы являются производными клеточных генетических структур, ставших относительно автономными, но сохранившим зависимость от клеток.

 Накопившиеся данные позволили  прийти к выводу, что вирусы  не являются организмами, пусть  даже мельчайшими, так как любые, даже минимальные организмы типа  микоплазм, риккетсий и хламидий  имеют собственные белоксинтезирующие  системы.

Дегенеративная эволюция вирусов:

Обычные бактерии (Гр+ и Гр-) → Микоплазмы( теряют клет. стенку) и риккетсии( просты в организации, уменьш в размерах) →Хламидии (не имеют митохондрий и рибосом) → Вирус оспы ( сохранилась система репликации и транскрипции иДНК, поэтому они могут размножаться в безъядерных клетках).

4.Особенности вирусов. Общее  и отличия от живых организмов. Принципы классификации вирусов.

Главные качества вирусов: 1. Содержат свой генетически материал, кот-й внутри кл-ки-хозяина ведёт себя как часть клетки, поэтому вирусы это паразиты на генетическом уровне. 2. Существует внеклеточная инфекционная фаза-вирион, кот-й служит для введения генома вируса в др клетки.

Св-ва вирусов как живых: способны реплицироваться, изменяться и передавать изменении, т.е. эволюционировать.

Св-ва вирусов как неживых: 1.вирусы не дышат; 2.не проявляют раздражимости; 3.не способны самост-но двигаться; 4.не растут и не делятся; 5.способны в очищенном состоянии кристаллизоваться.

Вирусы имеют кардинальные отличия от других прокариотических микроорганизмов:

1. Они не имеют клеточного  строения. Это доклеточные формы  биологической жизни.

2. Имеют субмикроскопические размеры, варьирующие у вирусов человека  в пределах 15-250 и более нм.

3. Характеризуются только одним  типом нуклеиновой кислоты: или  ДНК, или РНК в качестве генома.

4. Вирусы не обладают собственными  системами метаболизма и получения  энергии.

5. Репликация вирусов происходит  в клетках с использованием  их белоксинтезирующих и энергетических  систем, поэтому они — облигатные  внутриклеточные паразиты.

6. Вирусы не способны к прогрессивному  росту и делению. Они образуются  в виде зрелых форм (вирионов) путем самосборки из готовых, т.е. преформированных компонентов (белков, нуклеиновых кислот).

В основу современной классификации вирусов положены следующие основные критерии:

1. Тип нуклеиновой кислоты (РНК  или ДНК) и ее первичная структура  — сиквенс (одно- или двунитчатая, линейная, циркулярная, непрерывная или фрагментированная).

2. Характеристика вирионов: наличие  белковой оболочки (капсида) и/или  дополнительной липопротеидной  оболочки (суперкапсида), размер и  морфология, тип симметрии.

3. Стратегия вирусного генома  в клетке хозяина (т.е. используемый  вирусом путь транскрипции, трансляции, репликации и выход из нее).

4. Антигенные и физико-химические  свойства.

5. Феномены генетических взаимодействий.

6. Экологические взаимодействия (круг  восприимчивых хозяев, ареал географического  распространения).

7. Механизмы патогенности (характер  изменений в клетках, образование  внутриклеточных включений, изменения  экспрессии генов клеток хозяина, апоптоз и трансформация клеток).

8. Способы передачи и резистентность  к факторам внешней среды (γ-излучению, температуре, действию детергентов, эфира, противовирусным препаратам).

Существуют две системы классификации:

Иерархическая система классификации вирусов( имеет след. таксоны:Тип→Класс→Пор→Сем-во→П/сем-во→Род→Вид→П/вид)

Балтиморская система классификации

5.Структура вирусных  частиц, типы симметрии.

Снаружи НК покрыта белковым чехлом – капсидом, образуя комплекс — нуклеокапсид (в химическом смысле — нуклеопротеид).

Капсид состоит из отдельных белковых субъединиц — капсомеров, кот-е предст уложенную определенным образом полипептидную цепь, создающую симметричную конструкцию.

Если капсомеры укладываются по спирали, такой тип укладки капсида носит название спиральной симметрии.

Если капсомеры укладываются по граням многогранника (12-20-гранника), такой тип укладки капсида носит название икосаэдрической симметрии.

Капсид простых вирусов представлен a-спиральными белками, которые защищают геном от различных воздействий, выполняют рецепторную функцию у этой группы вирусов, обладают антигенными свойствами.

Сложные вирусы имеют дополнительную внешнюю оболочку — суперкапсид.

В составе суперкапсида выделяют :

внутренний белковый слой (М-белок),

внешний объемный слой липидов и углеводов (компонентов мембран клетки-хозяина)

поверхностные гликопротеиды.

Вирусспецифические гликопротеиды встраиваются в липидный бислой, образуя разные по форме выпячивания, выполняющие рецепторную функцию и обладающие антигенными свойствами.

Вирусы существуют в трех формах:

вирион (вирусная частица) — образуется внутри клетки, но местом нахождения является внеклеточная или внешняя среда. Это покоящаяся форма вируса;

внутриклеточный (вегетативный) вирус;

геном вируса, интегрированный с ДНК клетки-хозяина (провирус).

 

6.Химический состав вирусов, функции компонентов и их типы  взаимодействий при упаковке  вирусных частиц.

В с-в простых вирусов, типичным предстиавителем которых является вирус тобачной мозаики, входят только капсидные белки, но у некоторых из них содержатся также геномные, или терминальные. Капсидные белки вирионов состоят из 1-3 вирусоспецефических белков. При этом каждый из них обладает способностью к самосборке: обр-ся отдельные структурные элементы(субъединицы) или капсомеры белкового чехла, вслед за чем при взаимодействии с НК вириона происходит полное самопроизвольное формирование капсида. В суперкапсиде сложных вирусов имеется липидный белок, в котором расположены пепломеры, превалируют гликопротеиды. Суперкапсидыне вирусные гликопротеиды выполняют ф-ции:1. Распознают спецефические клеточные рецепторы и взаимод-т с ними, что дало повод называть их прикрепительными белками 2.обуславливают проникновение вируса в клетки, инициируя слияние его оболочек с клеточными мембранами. Углеводы вирионов: сахароза, фруктоза, манноза, галактоза, нейраминовая к-та. Липиды: фосфолипиды и холестирин.

7.Организация геномов  вирусов, типы. Вирусные мутанты. Взаимодействия  вирусов, генетические и негенетические.

Сердцевина вируса — вирусная НК — вирусный геном. Вирусный геном может быть представлен одной из 4 молекул РНК или ДНК: однонитчатыми и двунитчатыми РНК и ДНК. Большинство вирусов имеют один цельный или фрагментированный геном, имеющий линейную или замкнутую форму. Однонитчатые геномы могут иметь 2 полярности: позитивную, когда вирионная НК одновременно служит и матрицей для синтеза новых геномов и выполняет роль и-РНК;негативную, выполняющую только ф-цию матрицы.

Геном вирусов содержит от 3 до 100 и более генов, кот-е делятся на:

структурные, кодирующие синтез белков, входящих в состав вириона

неструктурные;регуляторные, кот-е изменяют экспрессию генов клетки хозяина и регулируют скорость биосинтеза компонентов вирусов.

Ферменты вирусов кодируются неструктурными генами. К ним отн-ся: РНК-зависимая РНК-полимераза (транскриптаза), кот-я обнаружена у всех РНК-содержащих вирусов с негативной полярностью. Поксвирусы содержат ДНК-зависимую РНК-полимеразу. Ретровирусы имеют уникальный фермент — РНК-зависимую ДНК-полимеразу( обратная транскриптаза).  В геноме некоторых вирусов имеются гены, кодирующие РНК-азы, эндонуклеазы, протеинкиназы.