Вирусы морфология размножение биологические особенности. Морфология и строение вирусов. Структура простых вирионов

Морфологию и структуру вирусов изучают с помощью электронного микроскопа, так как их размеры малы и сравнимы с толщиной оболочки бактерий. Форма вирионов может быть различной: палочковидной (вирус табачной мозаики), пулевидной (вирус бешенства), сферической (вирусы полиомиелита, ВИЧ), в виде сперматозоида (многие бактериофаги).

Размеры вирусов определяют с помощью электронной микроскопии, методом ультрафильтрации через фильтры с известным диаметром пор, методом ультрацентрифугирования. Одним из самых мелких вирусов является вирус полиомиелита (около 20 нм), наиболее крупным – натуральной оспы (около 350 нм).

Различают просто устроенные (например, вирус полиомиелита) и сложно устроенные (например, вирусы гриппа, кори) вирусы. У просто устроенных вирусов нуклеиновая кислота связана с белковой оболочкой, называемой капсидом (от лат. capsa – футляр). Капсид состоит из повторяющихся морфологических субъединиц – капсомеров. Нуклеиновая кислота и капсид, взаимодействуя друг с другом, образуют нуклеокапсид. У сложно устроенных вирусов капсид окружен дополнительной липопротеидной оболочкой – суперкапсидом (производное мембранных структур клетки-хозяина), имеющей «шипы». Для вирионов характерен спиральный, кубический и сложный тип симметрии капсида. Спиральный тип симметрии обусловлен винтообразной структурой нуклеокапсида, кубический тип симметрии – образованием изометрически полого тела из капсида, содержащего вирусную нуклеиновую кислоту.

Капсид и суперкапсид защищают вирионы от влияния окружающей среды, обусловливают избирательное взаимодействие (адсорбцию) с клетками, определяют антигенные и иммуногенные свойства вирионов. Внутренние структуры вирусов называются сердцевиной.В вирусологии используют следующие таксономические категории: семейство (название оканчивается на viridae), подсемейство (название оканчивается на virinae), род (название оканчивается на virus).

Однако названия родов и особенно подсемейств сформулированы не для всех вирусов. Вид вируса биноминального названия, как у бактерий, не получил.

В основу классификации вирусов положены следующие категории:

§ тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), ее структура, количество нитей (одна или две),

§ особенности воспроизводства вирусного генома;

§ размер и морфология вирионов, количество капсомеров и тип симметрии;

§ наличие суперкапсида;

§ чувствительность к эфиру и дезоксихолату;

§ место размножения в клетке;

§ антигенные свойства и пр.

Вирусы поражают позвоночных и беспозвоночных животных, а также растения и бактерии. Являясь основными возбудителями инфекционных заболеваний человека, вирусы также участвуют в процессах канцерогенеза, могут передаваться различными путями, в том числе через плаценту (вирус краснухи, цитомегаловирус и др.), поражая плод человека. Они могут приводить к постинфекционным осложнениям – развитию миокардитов, панкреатитов, иммунодефицитов и др.

Кроме обычных вирусов, известны и так называемые неканонические вирусы – прионы – белковые инфекционные частицы, являющиеся агентами белковой природы, имеющие вид фибрилл размером 10.20x100.200 нм. Прионы, по-видимому, являются одновременно индукторами и продуктами автономного гена человека или животного и вызывают у них энцефалопатии в условиях медленной вирусной инфекции (болезни Крейтц-фельдта.Якоба, куру и др.). Другими необычными агентами, близкими к вирусам, являются вироиды – небольшие молекулы кольцевой, суперспирализованной РНК, не содержащие белка, вызывающие заболевания у растений.

Внеклеточная форма - вирион - включает в себя все составные элементы (капсид, нуклеиновую кислоту, структурные белки, ферменты и др.). Внутриклеточная форма - вирус - может быть представлена лишь одной молекулой нуклеиновой кислоты, так как, попадая в клетку, вирион распадается на составные элементы.

Морфология вирусов. Размеры вирусов.

Нуклеиновые кислоты вирусов

Вирусы содержат только один тип нуклеиновой кислоты, ДИК или РНК, но не оба типа одновременно. Например, вирусы оспы, простого герпеса, Эпстайна-Барр - ДНК-содержащие, а тогавирусы, пикорнавирусы - РНК-содержащие. Геном вирусной частицы гаплоидный. Наиболее простой вирусный геном кодирует 3-4 белка, наиболее сложный - более 50 полипептидов. Нуклеиновые кислоты представлены однонитевыми молекулами РНК (исключая реовиру-сы, у которых геном образован двумя нитями РНК) или двухнитевыми молекулами ДНК (исключая парвовирусы, у которых геном образован одной нитью ДНК). У вируса гепатита В нити двухнитевой молекулы ДНК неодинаковы по длине.

Вирусные ДНК образуют циркулярные, ковалентно-сцёпленные суперспирализованные (например, у паповавирусов) или линейные двухнитевые структуры (например, у герпес- и аденовирусов). Их молекулярная масса в 10-100 раз меньше массы бактериальных ДНК. Транскрипция вирусной ДНК (синтез мРНК) осуществляется в ядре заражённой вирусом клетки. В вирусной ДНК на концах молекулы имеются прямые или инвертированные (развёрнутые на 180") повторяющиеся нуклеотидные последовательности. Их наличие обеспечивает способность молекулы ДНК замыкаться в кольцо. Эти последовательности, присутствующие в одно- и двух-нитевых молекулах ДНК, - своеобразные маркёры вирусной ДНК.

Вирусные РНК представлены одно- или двухнитевыми молекулами. Однонитевые молекулы могут быть сегментированными - от 2 сегментов у ареновирусов до 11 - у ротавирусов. Наличие сегментов ведёт к увеличению кодирующей ёмкости генома. Вирусные РНК подразделяют на следующие группы: плюс-нити РНК (+РНК), минус-нити РНК (-РНК). У различных вирусов геном могут образовывать нити +РНК либо -РНК, а также двойные нити, одна из которых -РНК, другая (комплементарная ей) - +РНК.

Плюс-нити РНК представлены одиночными цепочками, имеющими характерные окончания («шапочки») для распознавания рибосом. К этой группе относят РНК, способные непосредственно транслировать генетическую информацию на рибосомах заражённой вирусом клетки, то есть выполнять функции мРНК. Плюс-нити выполняют следующие функции: служат мРНК для синтеза структурных белков, матрицей для репликации РНК, упаковываются в капсид с образованием дочерней популяции. Минус-нити РНК не способны транслировать генетическую информацию непосредственно на рибосомах, то есть они не могут функционировать как мРНК. Однако такие РНК служат матрицей для синтеза мРНК.

Инфекционность нуклеиновых кислот вирусов

Многие вирусные нуклеиновые кислоты инфекционны сами по себе, так как содержат всю генетическую информацию, необходимую для синтеза новых вирусных частиц. Эта информация реализуется после проникновения вириона в чувствительную клетку. Инфекционные свойства проявляют нуклеиновые кислоты большинства +РНК- и ДНК-содержащих вирусов. Двухнитевые РНК и большинство -РНК не проявляют инфекционных свойств.

— это мельчайшие частицы жизни, размером они раз в 50 меньше бактерий. Обычно вирусы нельзя увидеть в све-товой микроскоп, так как их особи более чем вдвое меньше длины световой волны. Особей вируса, находящихся в состоянии покоя, называют вирионом. Вирусы существуют в двух формах : покоящейся , или внеклеточной (вирусные частицы, или вирионы), и репродуцирующейся, или внутриклеточной (комп-лекс «вирус — клетка хозяина»).

Формы вирусов различны, они могут быть нитевидными , сферическими , пулевидными , палочковидными , многоугольными , кирпичеобразными , куби-ческими , при этом некоторые имеют кубическую головку и отросток. Каждый вирион состоит из нуклеиновой кислоты и белков.

В вирионах вирусов всегда присутствует только один тип нуклеиновой кис-лоты — либо РНК, либо ДНК. Причем как та, так и другая может быть одноцепо-чечной и двуцепочечной, а ДНК может быть линейной или кольцевой. РНК в ви-русах всегда только линейная, но она может быть представлена набором фраг-ментов РНК, каждый из которых несёт определённую часть генетической информации, необходимой для репродукции. По наличию той или иной нуклеи-новой кислоты вирусы называют ДНК-содержащими и РНК-содержащими. Осо-бо следует отметить, что в царстве вирусов функцию хранителя генетического кода выполняет не только ДНК, но и РНК (она может быть и двуцепочечной).

У вирусов очень простое строение . Каждый вирус состоит всего из двух частей — сердцевины и капсида . Сердцевина вируса, в которой находит-ся ДНК или РНК, окружена белковой оболочкой — капсидом (лат. capsa — «вместилище», «ящик», «футляр»). Белки защищают нуклеиновую кислоту, а также обусловливают ферментативные процессы и мелкие изменения белков в капсиде. Капсид со-стоит из определённым образом уложенных одно-типных белковых молекул — капсомеров. Обычно это или спиральный тип укладки (рис. 22), или тип симметричного многогранника (изометрический тип) (рис. 23).

Все вирусы условно разделяют на простые и сложные. Простые вирусы состоят только из сердцевины с нуклеиновой кислотой и капсида. Сложные вирусы на поверхности белкового капси-да имеют ещё внешнюю оболочку, или суперкапсид, содержащий двухслойную липопротеидную мембрану, углеводы и белки (ферменты). Эта внеш-няя оболочка (суперкапсид) обычно бывает пост-роена из мембраны клетки-хозяина. Материал с сайта

На поверхности капсида находятся различные выросты — шипы, или «гвоздики» (их называют фибрами ), и отростки. Ими вирион прикрепляется к поверхности клетки, в кото-рую затем проникает. Следует отметить, что на поверхнос-ти вируса имеются ещё специальные прикрепительные бел-ки, связывающие вирион со специфическими группами молекул — рецепторами (лат. recipio — «получаю», «прини-маю»), находящимися на поверхности клетки, в которую проникает вирус. Одни вирусы прикрепляются к белковым рецепторам, другие — к липидам, третьи узнают углевод-ные цепочки в составе белков и липидов. В процессе эволюции вирусы «научи-лись» узнавать чувствительные к ним клетки по наличию специальных рецепторов на клеточной поверхности хозяев.

Морфологию и структуру вирусов изучают с помощью электронного микроскопа, так как их размеры малы и сравнимы с толщиной оболочки бактерий.

Форма вирионов может быть различной: палочковидной (вирус табачной мозаики), пулевидной (вирус бешенства), сферической (вирусы полиомиелита, ВИЧ), в виде сперматозоида (многие бактериофаги) (рис. 8).

Рис. 8. Формы вирионов:

1 вирус оспы; 2 вирус герпеса; 3 аденовирус; 4 паповавирус; 5 гепаднавирус; 6 парамиксовирус; 7 вирус гриппа; 8 коронавирус; 9 аренавирус; 10 ретровирус;

Размеры вирусов определяют с помощью электронной микроскопии, методом ультрафильтрации через фильтры с известным диаметром пор, методом ультрацентрифугирования. Одними из самых мелких вирусов являются вирусы полиомиелита и ящура (около 20 нм), цирковирусы (16 нм), наиболее крупным вирус натуральной оспы (около 350 нм). Вирусы имеют уникальный геном, так как содержат либо ДНК, либо РНК. Поэтому различают ДНК-содержащие и РНК-содержащие вирусы. Они обычно гаплоидны, то есть имеют один набор генов. Геном вирусов представлен различными видами нуклеиновых кислот: двунитчатыми, однонитчатыми, линейными, кольцевыми, фрагментированными.

Различают просто устроенные (например, вирус полиомиелита) и сложно устроенные (например, вирусы гриппа, кори) вирусы. У просто устроенных вирусов нуклеиновая кислота связана с белковой оболочкой, называемой капсидом (от лат. capsa футляр). Капсид состоит из повторяющихся морфологических субъединиц капсомеров. Нуклеиновая кислота и капсид, взаимодействуя друг с другом, образуют нуклеокапсид. У сложно устроенных вирусов капсид окружен дополнительной липопротеидной оболочкой суперкапсидом (производное мембранных структур клетки-хозяина), имеющим «шипы». Капсид и суперкапсид защищают вирионы от влияния окружающей среды, обусловливают избирательное взаимодействие (адсорбцию) с клетками, определяют антигенные и иммуногенные свойства вирионов. Внутренние структуры вирусов называют сердцевиной.

Для вирионов характерен спиральный, кубический и сложный типы симметрии капсида. Спиральный тип симметрии обусловлен винтообразной структурой нуклеокапсида, кубический образованием изометрического полого тела из капсида, содержащего вирусную нуклеиновую кислоту.

Кроме обычных вирусов, известны и так называемые неканониче ские вирусы прионы белковые инфекционные частицы, имеющие вид фибрилл размером 10-20 х 100 200 нм. Прионы, по-видимому, являются одновременно индукторами и продуктами автономного гена человека или животного и вызывают у них энцефалопатии в условиях медленной вирусной инфекции (болезни Крейтцфельдта Якоба, куру и др.). Другими необычными агентами, близкими к вирусам, являются вироиды небольшие молекулы кольцевой, суперспирализованной РНК, не содержащие белка, вызывающие заболевания у растений.

Место действия - лаборатория Никитского ботанического сада при Академии наук России, где биолог Дмитрий Иосифович Ивановский (1864-1920) изучает загадочную мозаичную болезнь табака. Возбудитель заболевания у растения проходит через самые малые бактериальные фильтры, не дает роста на и не дает симптоматики при заражении здоровых растений фильтратами из больных.

Именно тогда, в 1892 году, ученый делает вывод - это не бактерии. И называет возбудителя вирусами (от латинского virus, - яд). Дмитрий Ивановский всю свою жизнь пытался увидеть вирусы, но мы увидели морфологию вирусов в 30-х годах XX века, когда были изобретены электронные микроскопы.

Но именно эта дата считается началом науки вирусологии, а Дмитрий Ивановский ее основателем.

Удивительное царство

Отличительные признаки вирусов следующие:

Часть органического мира планеты

На сегодняшний день уже описано более 6 тысяч вирусов, но предполагается, что их существует более ста миллионов. Это самая многочисленная биологическая форма на планете, и представлена она во всех экосистемах (повсеместное (убиквитарное) распространение).

Их появление на планете и сегодня не ясно. Известно одно - когда появились первые клеточные формы жизни, вирусы уже были.

Живые и не живые

Эти удивительные организмы имеют две формы своего существования, которые существенно отличаются друг от друга.

Вирион по сути это неживая часть жизни. А геном вируса в клетке его живая составляющая, ведь именно там происходит воспроизведение вирусов.

Морфология и ультраструктура вирусов

В данном контексте мы говорим о вирионе - внеклеточной форме.

Размер вирионов измеряется в нанометрах - 10 -9 метра. Вирусы гриппа имеют средние размеры - 80-120 нанометров, а вирус оспы - гигант с размерами в 400 нанометров.

Строение и морфология вирусов похожа на космонавтов. Внутри капсида (белковой оболочки, иногда содержащей жиры и углеводы), как в «скафандре», находится самая ценная часть - нуклеиновые кислоты, геном вируса. Причем и этот «космонавт» представлен в минимальном количестве - только непосредственно наследственный материал и минимум ферментов для его репликации (копирования).

Внешне «скафандр» может быть палочкообразный, шаровидный, пулевидный, в форме сложного икосаэдра или вообще не правильной формы. Это зависит от наличия в капсиде специфических белков, которые отвечают за проникновение вируса внутрь клетки.

Как патоген попадает в организм хозяина

Способов проникновения много, но самый распространенный воздушно-капельный. Мириады мельчайших частичек выбрасываются в пространство не только при кашле или чихании, а и просто при дыхании.

Другой путь попадания вирионов в организм - контагиозный (непосредственный физический контакт). Этот способ присущ довольно небольшой группе патогенов, именно так передается герпес, венерические инфекции, СПИД.

Способ заражения через переносчика, которыми могут быть различные группы организмов, довольно сложный. Переносчик, получивший патоген из резервуара инфекции, становится местом, где вирусы могут размножаться или проходить стадии развития. Вирус бешенства - именно такой патоген.

Что происходит в организме хозяина

При помощи внешних белков капсида вирус прикрепляется к клеточной мембране и проникает внутрь посредством эндоцитоза. Они попадают в лизосомы, где под действием ферментов избавляются от «скафандра». И нуклеиновые кислоты патогена попадают в ядро или же остаются в цитоплазме.

Нуклеиновые кислоты патогена встраиваются в цепочки нуклеиновых кислот хозяина, и запускается реакция репликации (копирования) наследственной информации. Когда в клетке накопится достаточное количество вирусных частиц, при этом вирионы используют энергетический и пластические механизмы и ресурсы хозяина.

Последний этап - выход вирионов из клетки. Некоторые вирусы приводят к полной деструкции клеток и попадают в межклеточное пространство, другие выходят в него посредством экзоцитоза или почкования.

Стратегии патогена

Строение морфология вирусов приводит к полной зависимости патогена от энергетического и белоксинтезирующего потенциала клетки, единственное условие - он реплицирует свои нуклеиновые кислоты по собственному расписанию. Такое взаимодействие называется продуктивным (естественно для вируса, но не для клетки). Исчерпав запас клетки, вирус приводит к ее гибели.

Другой тип взаимодействия - соглашательный. В таком случае геном вируса, встроенный в геном хозяина, реплицируется ковалентно с собственными нуклеиновыми кислотами клетки. А дальше развитие сценария может пойти в двух направлениях. Вирус ведет себя тихо и не проявляет себя. Молодые вирионы покидают клетку только при определенных условиях. Либо гены патогена постоянно работают, продуцируют большое количество молодого поколения, но клетка не погибает, а они покидают ее посредством экзоцитоза.

Сложности систематики

Классификация и морфология вирусов различна в разнообразных источниках. При этом для их классификации используются следующие признаки:

• Тип нуклеиновой кислоты (РНК - содержащие и ДНК-содержащие) и способ ее репликации. Самая распространенная классификация вирусов, предложенная американским вирусологом Дэвидом Балтимором в 1971 году.
• Морфология и структура вируса (однонитевые, двухнитевые, линейные, кольцевые, фрагментированные, не фрагментированные).
• Размеры, тип симметрии, количество капсомеров.
• Наличие суперкапсида (внешней оболочки).
• Антигенные свойства.
• Тип генетического взаимодействия.
• Круг потенциальных хозяев.
• Локализация в клетке-хозяине - в ядре или в цитоплазме.

Именно выбором главного критерия и морфологии вирусов, в микробиологии определяются различные подходы к классификации вирусов. Это довольно не просто. Сложность состоит в том, что изучать морфологию и строение вируса мы начинаем только тогда, когда они приводят к патологическим процессам.

Привередливые и не очень

По выбору хозяина эти патогены чрезвычайно разнообразны в своих предпочтениях. Некоторые нападают исключительно на один биологический вид - имеют очень строгую «прописку». Например, ест вирусы гриппа кошек, чаек, свиней, которые совершенно безопасны для других животных. Иногда специализация бывает удивительной - вирус бактериофаг Р-17 поражает только мужские особи одной разновидности кишечной палочки.

Другие вирусы ведут себя совершенно иначе. Например, пулевидные вирусы, морфология которых похожа на пулю, вызывают совершенно разные болезни и при этом круг хозяев у них чрезвычайно широк. К таким вирусам относится вирус бешенства, который поражает всех млекопитающих, или вирус везикулярного стоматита (передаваемый, кстати, посредством насекомых).