Вирусы – неклеточные формы жизни.
Вирус (от лат. vīrus «яд») — микроскопическая частица, состоящая из белков и нуклеиновых кислот и способная инфицировать клетки живых организмов.
Вирусы являются облигатными паразитами — они не способны размножаться вне клетки. В настоящее время известны вирусы, размножающиеся в клетках растений, животных, грибов и бактерий (последних обычно называют бактериофагами). Обнаружен также вирус, поражающий другие вирусы.
Строение вируса
Вирусы не имеют клеточного строения
Самые просто устроенные вирусные частицы — вирионы — представляют собой молекулы наследственного материала, заключённые в белковую оболочку.
Наследственный материал — это молекулы нуклеиновых кислот, в структуре которых содержится информация о строении вирусной частицы. Оболочку вируса, построенную из белковых молекул, называют капсидом (от лат. capsa [ка́пса] — «футляр»). Капсид построен из капсомеров — белковых комплексов, состоящих, в свою очередь, из протомеров.
Некоторые вирусы устроены сложнее: поверх капсида у них есть дополнительная оболочка — суперкапсид (от лат. super [су́пер] — «над, выше»). Но и такие вирусы не имеют клеточного строения.
Размеры вирусных частиц настолько малы (0,015 – 0,350 мкм), что их можно увидеть только с помощью электронного микроскопа. Вирусы мельче бактериальных клеток в 10–100 раз.
Ранее к вирусам также ошибочно относили прионы, однако впоследствии оказалось, что эти возбудители представляют собой особые белки и не содержат нуклеиновых кислот.
Вирусные частицы имеют разнообразную форму: округлую, вытянутую, палочковидную или даже форму кристалла. Некоторые вирусы имеют белковые хвостовые нити, поверхность других покрыта шипами или выростами сложной формы.
Открыты (вирусы табачной мозаики) Д. И. Ивановским в 1892 г. Вирус активен только в клетке хозяина, в нем клетке он не имеет признаков живого организма.
Классификация вирусов по содержанию наследственной информации
1. РНК-вирусы: одноцепочечные и двуцепочечные РНК-вирусы (большинство вирусов) — СПИД, грипп, корь и т.д.
2. ДНК-вирусы: одноцепочечные и двуцепочечные ДНК-вирусы — натуральная оспа
Классификация вирусов по объекту заражения
1. Вирусы растений: происходит разрушение хлоропласта, обесцвечивание листьев, неспособность к фотосинтезу — мозаичная болезнь табака, гороха
2. Вирусы человека и животных – свинка, бешенство, полиомиелит
3. Вирусы бактерий и микроорганизмов – бактериофаг
Особенности существования вирусов
Все вирусы — паразиты
Вирусы — паразиты живых организмов, так как не способны размножаться вне их клеток. Вне клетки организма-хозяина вирусные частицы не проявляют свойств живого и ведут себя как химические вещества.
Попав в клетку, генетический материал вируса начинает воспроизводиться и многократно умножается. Используя генетическую информацию вируса, клетка за счёт собственных ресурсов производит вирусные белки. Таким образом, заражённая клетка превращается в фабрику по производству компонентов вирусных частиц. Из образовавшихся молекул внутри клетки собираются новые вирионы. Затем они разрушают оболочку клетки и после выхода наружу способны заражать соседние клетки.
Вирусы поражают клетки организмов из всех царств. Существуют вирусы, размножающиеся в клетках растений, грибов и животных, в том числе человека. К вирусным заболеваниям человека относят грипп, ветрянку, свинку, корь, гепатит, СПИД, коронавирусную инфекцию (COVID-19) и многие другие.
Процесс вирусного инфицирования в масштабах одной клетки можно условно разбить на несколько взаимно перекрывающихся этапов:
1. проникновение в клетку;
2. перепрограммирование клетки;
3. переход в неактивное состояние (персистенция);
4. создание новых вирусных компонентов;
5. созревание новых вирусных частиц и их выход из клетки.
1. Проникновение в клетку
Вирусу необходимо доставить внутрь клетки свою генетическую информацию. Некоторые вирусы переносят в клетку также собственные белки, необходимые для реализации своей генетической информации. 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, пикорнавирусы) размножается в цитоплазме клетки, а часть (например, ортомиксовирусы) — в её ядре.
2. Перепрограммирование клетки
При заражении вирусом в клетке активируются механизмы противовирусной защиты. Заражённые клетки начинают синтезировать сигнальные молекулы — интерфероны, которые активируют системы иммунитета окружающих незаражённых клеток. Повреждения, вызываемые размножением вируса в клетке, могут обнаружить системы внутреннего клеточного контроля, и тогда заражённая клетка «покончит жизнь самоубийством» в ходе программируемой клеточной смерти (апоптоза). От способности вируса преодолевать эти системы противовирусной защиты напрямую зависит его выживание. Многие вирусы в ходе эволюции приобрели способность подавлять синтез интерферонов и «выключать» программу апоптоза.
Кроме подавления противовирусной защиты, вирусы стремятся создать благоприятные условия для развития своего потомства в ущерб процессам жизнедеятельности клетки. Пример перепрограммирования работы клетки-хозяина — трансляция РНК энтеровирусов. Вирусная протеаза расщепляет клеточный белок eIF4G, необходимый для начала (инициации) трансляции клеточных иРНК. При этом инициация трансляции РНК самого вируса происходит другим способом — для неё вполне достаточно отрезанного фрагмента белка eIF4G. Таким образом, вирусные РНК приобретают преимущественное право на трансляцию и не конкурируют за рибосомы с РНК клетки.
3. Переход в неактивное состояние
Некоторые вирусы могут переходить в скрытое (латентное) состояние, практически не вмешиваясь в процессы, происходящие в клетке, и активироваться лишь при определённых условиях. Какое-то время вирус не разрушает заражённую клетку, иногда он просто интегрируется в клеточный геном и даже наследуется дочерними клетками. Но в определённый момент вирус захватывает контроль над клеточными процессами, так что клетка начинает производить материалы, из которых строятся новые вирусные частицы. Клетка превращается в фабрику по производству вирусов. Зрелые частицы, выходя из клетки, разрывают клеточную мембрану и уничтожают клетку. Выяснено, что с переходом некоторых вирусов в неактивное состояние (персистенцией) связан ряд онкологических заболеваний.
4. Создание вирусных компонентов
Размножение вирусов состоит из двух или трёх этапов:
· транскрипция вирусного генома, то есть синтез вирусной иРНК;
· трансляция вирусной иРНК, то есть синтез вирусных белков;
· репликация вирусного генома (для ДНК-содержащих вирусов).
В случаях, когда генетическая информация вируса закодирована в виде РНК, геномная РНК одновременно играет роль иРНК, и процесс транскрипции не происходит за ненадобностью.
У многих вирусов существуют системы контроля, обеспечивающие оптимальное расходование биоматериалов клетки-хозяина. Например, когда вирусной иРНК накоплено достаточно, транскрипция вирусного генома подавляется, а трансляция и репликация, напротив, активируются.
5. Созревание вирионов и их выход из клетки
В конечном счёте синтезированные вирусные РНК или ДНК одеваются соответствующими белками и выходят из клетки. Обычно это приводит к смерти клетки, но не всегда. В некоторых случаях, например у ортомиксовирусов, дочерние вирусы отпочковываются от плазматической мембраны, не вызывая её разрыва. Таким образом, клетка организма-хозяина может продолжать жить и продуцировать вирус.
Применение вирусов
§ Генная инженерия
§ Нанотехнологии
§ Биологическое оружие
Одна из серьезных проблем, с которой сталкиваются разработки в области нанотехнологии, — это разброс размеров компонентов. Действительно, получить идентичные нанообъекты чрезвычайно сложно. Нанотрубки и нанопроволочки, предлагаемые в качестве элементов наноэлектронных приборов и устройств, несмотря на все усилия, имеют отличия по форме и/или размеру. Недавно был предложен новый подход к решению этой проблемы. Он заключается в использовании биологических объектов, имеющих заложенные природой строго определенные размеры и форму. К успеху привели вирусы, прекрасно работающие в качестве наноматриц для производства органических и неорганических наноматериалов или устройств.