Я познаю мир. Вирусы и болезни

Что такое вирусы?

"Вирусы (от латинского – virus, то есть "яд") – неклеточные формы жизни. Состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки (капсида). Открыты в 1892 году Д.И. Ивановским. Вирусы – внутриклеточные паразиты, они размножаются только в живых клетках, используя их ферменты для синтеза зрелых вирусных частиц – вирионов. У разных вирусов вирионы сильно различаются по форме и размерам (20–400 нанометров). Распространены повсеместно, вызывают болезни растений, животных и человека. Широко используются в генетической инженерии. Вирусы бактерий (бактериофаги) – классический объект молекулярной генетики".

Так определяет вирусы "Новый иллюстрированный энциклопедический словарь" (М.: Научное издательство "Большая Российская Энциклопедия", 2000 г.)

Это краткое определение вирусов мы попробуем объяснить более подробно.

Хотя вирусные болезни известны с незапамятных времен, о природе их невидимых возбудителей долгое время можно было только догадываться. В сущности, мало что изменилось и после открытия на рубеже XIX–XX веков первых вирусов – табачной мозаики, ящура и желтой лихорадки. Стало понятно, что вирусы очень мелкие, значительно меньше бактерий, но их устройство по–прежнему оставалось тайной, покрытой мраком. Так продолжалось вплоть до 30–х годов XX века, когда с помощью электронного микроскопа ученые, наконец, смогли увидеть, как выглядят вирусы.

Оказалось, что вирусы – это частицы. Действительно очень маленькие, так что разглядеть их можно только при увеличении в десятки и сотни тысяч раз, – но любой, даже самый мелкий вирус имеет характерную форму, структуру и размер. (Размеры вирусов сейчас принято указывать в нанометрах. Напомним, что 1 нанометр ровно в миллион раз меньше миллиметра).

Так выглядит поверхность одного из сферических вирусов. Белок оболочки собран в правильные структуры, наподобие цветка кувшинки, образуя сложный рельеф поверхности вирусной частицы

Очень многие вирусы, выделенные из животных, бактерий и растений, имеют сферическую форму. Встречаются очень мелкие вирусы с диаметром сферы 20–30 нанометров, как, например, вирус полиомиелита или вирус огуречной мозаики. А вот сферические частицы вирусов герпеса примерно в десять раз крупней. Сферические вирусы гриппа очень пластичны и могут изменять свою форму вплоть до нитевидной.

Сферическая вирусная частица ни в коей мере не похожа на биллиардный шар. Ее поверхность всегда рельефная, потому что содержит выступы различной формы и размеров. Выступы могут выглядеть как едва заметные бугорки или выдаваться очень сильно. Кроме того, если приглядеться, поверхность многих вирусных частиц на самом деле не сферическая, а многогранная. В мире вирусов самый распространенный многогранник – это икосаэдр, то есть геометрическое тело с 20 гранями, являющимися равносторонними треугольниками. Он имеет 12 вершин, где сходятся углы пяти треугольников, и 30 ребер, где смыкаются стороны двух соседних треугольников.

Поверхность многих вирусов представляет собой многогранник, обычно это икосаэдр

Частицы очень многих вирусов растений и некоторых бактериофагов выглядят как тонкие нити различной длины, характерной для каждого вида вируса. Скажем, нитевидные вирусы X ("икс") картофеля имеют длину 500 нанометров и толщину 12 нанометров, а нити вируса желтухи свеклы втрое длинней. Длина нитевидных частиц вируса – возбудителя геморрагической лихорадки Эбола достигает 14.000 нанометров, а диаметр их поперечного сечения составляет 80 нанометров. Обычно эта нить – или скорее уж канат – бывает свернута кольцами. Поверхность нитей тоже никогда не бывает совершенно гладкой; напротив, часто хорошо заметна ее поперечная исчерченность.

Некоторые вирусы растений похожи на жесткую палочку. Самой знаменитой палочкой является, конечно, вирус табачной мозаики. Длина, его частицы составляет 300, а толщина 18 нанометров. Собственно, это не палочка, а толстостенный цилиндр, потому что в центре вирусной частицы, вдоль ее длинной оси, проходит узкий сквозной канал.

Частицы вируса мозаики люцерны имеют, как говорят, бацилловидную форму, то есть выглядят как короткие круглые палочки с закругленными краями. А вот вирус бешенства или вирус морщинистости земляники по форме похожи на пистолетную пулю. Вирус натуральной оспы напоминает кирпич со сглаженными краями.

Частицы большинства бактериофагов состоят как бы из двух частей – головки сферической или вытянутой формы и хвостового отростка, который по внешнему виду напоминает нитевидную вирусную частицу, но может быть таким коротким, что сразу и не заметишь.

Бесспорно, форма вирусной частицы является важной характеристикой вируса, но не она определяет его основные биологические свойства. Для того чтобы постигнуть сущность вируса, необходимо разобраться, как устроена вирусная частица и заглянуть в ее нутро.

Как устроена вирусная частица

Как устроена та или иная конструкция, не всегда понятно с первого взгляда. В этом случае ее можно попытаться разобрать и собрать заново, если получится.

Вирусные частицы тоже можно разобрать на составные части и собрать вновь. Впервые такую операцию проделали с вирусом табачной мозаики. С тех пор прошло немало лет, и о структуре вирусов стало известно довольно много.

Внутри вирусной частицы находится нуклеиновая кислота, представляющая собой генетический материал вируса. В нем закодирована наследственная информация о всех свойствах вирусной частицы. Генетический материал – вещь необыкновенно ценная, которую надо беречь, как зеницу ока. Поэтому нуклеиновая кислота всегда упакована в оболочку. Оболочка собрана из нескольких десятков, или сотен, или тысяч – в зависимости от формы и размеров вируса – отдельных белковых молекул, которые называются белком оболочки вируса. Белковые молекулы уложены вплотную одна к другой, надежно защищая нуклеиновую кислоту. У нитевидных и палочковидных вирусных частиц белковые молекулы уложены в спираль, а у сферических вирусов образуют грани икосаэдра. Чаще всего белок оболочки представлен молекулами одного типа, но нередко бывает, что для заделки швов между гранями в оболочку сферических вирусов вставляются белки другой формы.

Наиболее просто устроенные вирусы этим и ограничиваются, но многие укутаны сверху еще в одну оболочку, состоящую из двойного слоя липидов. Слово "липиды" по–русски означает "жиры". Из липидов построена наружная мембрана любой клетки. Когда вирус покидает клетку, он выкраивает себе кусок клеточной мембраны и уходит, завернувшись в нее. Из липидной мембраны выступают наружу различные белки, необходимые вирусу для взаимодействия с клеткой. Часто их называют шипиками или пепломерами.

Главное содержание вирусной частицы – это его нуклеиновая кислота. Оболочка выполняет роль одежды. Она не обязательна для заражения (заразить клетку способна и голая нуклеиновая кислота), но в ней удобней и безопасней. И так же как наша одежда обычно многослойна, вирусная оболочка тоже может состоять из нескольких слоев, у каждого вида вируса по–своему.

Схема строения вируса, покрытого липидной мембраной (оболочки частично вскрыты):1 – липидная мембрана; 2 – белок, выступающий из липидной мембраны; 3 – капсид вириона в виде многогранника; 4 – нить нуклеиновой кислоты в сердцевине вириона

Нуклеиновые кислоты вирусов

Молекулы нуклеиновых кислот состоят из отдельных звеньев – нуклеотидов, соединенных между собой в длинные нити. В зависимости от структуры нуклеотидов, из которых они состоят, нуклеиновые кислоты бывают двух типов: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Нуклеиновая кислота вируса может быть представлена либо молекулами РНК, либо молекулами ДНК. Вирусов, у которых имеются оба типа нуклеиновых кислот, не существует.

Нити нуклеиновой кислоты у разных вирусов имеют различную длину. Ее принято измерять количеством составляющих ее нуклеотидов или нуклеотидных пар, если нуклеиновая кислота двунитевая. РНК самых мелких вирусов состоит примерно из трех тысяч нуклеотидов. ДНК самых крупных вирусов состоит почти из 200 тысяч нуклеотидных пар.

На этом фрагменте сферической вирусной частицы видны: образованная белком оболочки (1) поверхность вирусной частицы и закрученная в спираль молекула вирусной нуклеиновой кислоты внутри вириона (2)

Структура вирусных ДНК: 1 – линейная ДНК в виде двойной спирали;2 – линейная однонитевая ДНК; 3 – кольцевая двунитевая ДНК; 4 – кольцевая однонитевая ДНК.

По большей части молекулы нуклеиновой кислоты значительно превосходят по размерам вирусные частицы, в которые они упакованы. Поэтому нуклеиновые кислоты внутри вириона аккуратно свернуты и тщательно уложены. Нуклеиновая кислота сама обеспечивает правильность своей укладки, но важную роль в этом процессе играют и специальные вирусные белки.

Конечно, значение нуклеиновой кислоты определяется не длиной ее нити или формой укладки. Нуклеиновая кислота представляет собой генетический материал вируса. В последовательности нуклеотидов, из которых состоит нить ДНК или РНК, зашифрована вся информация о свойствах данного вируса. У разных вирусов эта последовательность различна, и именно поэтому вирусы, внешне очень похожие или даже неотличимые один от другого, могут заражать совершенно разные виды живых организмов и оказывать совершенно разное воздействие на клетку, в которую им удается проникнуть.

Структура вирусных РНК: 1 – линейная однонитевая РНК; 2 – линейная двунитевая РНК в виде двойной спирали;3 – кольцевая однонитевая РНК.

Любой вирус решает, в сущности, единственную задачу – выжить, сохранить свое присутствие среди других живых существ, непрерывно воспроизводя себе подобных. Чтобы оставить потомство, ему прежде всего необходимо изготовить множество копий нуклеиновой кислоты. Но вирус не в состоянии сделать это самостоятельно. Чтобы наштамповать много собственных копий, даже самому простому вирусу нужны: нуклеотиды, из которых он может построить собственную нуклеиновую кислоту; аминокислоты для строительства вирусного белка; ферменты, которые быстро и умело осуществят это строительство. На все это придется затратить энергию. Словом, вирусу нужны строительные материалы, рабочие и питание для рабочих. А ничего этого у вируса нет. У него есть только план, как все это надо сделать. Этот план зашифрован в молекуле вирусной нуклеиновой кислоты. Как реализовать этот план?

Для этого вирус должен попасть внутрь живой клетки. Только при этом условии он может оставить потомство и доказать, что он – живой. Там и только там, внутри клетки, он найдет все необходимое для размножения, то есть для образования дочерних вирусных частиц.

Клетка

В изящной словесности принято описывать не только внешность героя, его мысли и планы, но и обстановку, в которой происходит действие. Не будем пренебрегать этим приемом, тем более что клеточный интерьер для вируса является не декорацией, а жизненно важным условием его существования, от деталей которого зависит успех вирусной инфекции.

Выражаясь предельно схематично, клетка состоит из цитоплазмы и ядра. Цитоплазма отделена от окружающей среды и от других клеток плазматической мембраной. Плазматическая мембрана образована двойным слоем липидов и пронизана многочисленными клеточными белками. В цитоплазме находятся органеллы ("маленькие органы"), выполняющие ту или иную работу. Форму клеткй поддерживает ее внутренний скелет.

Очень упрощенная схема строения животной клетки: клетка покрыта плазматической мембраной (1); внутри клетки располагается ядро (2); пространство между ядром и плазматической мембраной заполнено цитоплазмой (3), в которой находятся митохондрии (4) и рибосомы (5).Рибосомы сконцентрированы на мембранах эндоплазматической сети (6)

Ядро отделено от цитоплазмы пористой мембраной. Внутри ядра находятся хромосомы, в которых упакован генетический материал клетки в виде отдельных молекул двунитевой ДНК. Клеточные ферменты постоянно осуществляют копирование того или иного фрагмента ДНК, в точности воспроизводя его нуклеотидную последовательность. Такой фрагмент ДНК называется геном. Ферменты снимают копию с гена в виде однонитевой молекулы РНК. Каждая молекула РНК содержит информацию о структуре какого–то одного белка и поэтому называется информационной РНК. Молекулы информационной РНК непрерывно проникают через ядерные поры в цитоплазму. Там их поджидают рибосомы – молекулярные машины, которые делают белок. Рибосомы умеют расшифровывать нуклеотидную последовательность информационной РНК и изготавливать молекулу белка в соответствии с полученным заданием. Работа всего этого механизма сопровождается расходом химической энергии, которую производят митохондрии.

Проникнув в клетку, вирус тут же приспосабливает весь этот аппарат для собственных нужд.

Жизненный цикл вируса

Каждый вирус проникает в клетку своим, только ему свойственным путем. Проникнув, он должен прежде всего снять верхнюю одежду, чтобы обнажить, хотя бы частично, свою нуклеиновую кислоту и начать ее копирование.

Работа вируса хорошо организована. Одновременно и слаженно! происходят размножение нуклеиновой кислоты вируса и изготовление большого количества белка оболочки вируса. Если в состав вирусной частицы, помимо белка оболочки; входят другие белки (а таких вирусов большинство), придется изготовить и их. Причем изготовить не как Бог на душу положит, а в точности в то время, когда они потребуются для сборки вириона, и в тех пропорциях, в которых они находятся в составе вирусной частицы. Клетка превращается в конвейер по штамповке деталей вирусных частиц и по их сборке. Наконец, многочисленное потомство одной–единственной вирусной частицы, несколько минут или несколько часов назад проникшей в клетку, вываливается наружу и уходит из родительского, так сказать, гнезда в самостоятельную жизнь заражать другие клетки.

Все вирусы устроены по–разному, но потомство любого из них будет выглядеть в точности как исходный вирион. И сравнительно просто устроенный вирус табачной мозаики, и очень сложно устроенный вирус натуральной оспы сохраняют свою форму и структуру в череде поколений. Иными словами, вирусы, как и другие живые организмы, умеют передавать по наследству информацию о свойствах своего вириона.

Но, с другой стороны, характерная особенность всех живых организмов состоит еще и в том, что потомство может отличаться от родителей. Вирусы не исключение – у них тоже постоянно происходит образование новых форм. Более того, у вирусов этот процесс идет намного быстрее, чем у других биологических видов, потому что вирусы быстро размножаются и дают огромное количество потомков. Естественный отбор возникающих вариантов постоянно приводит к появлению новых вирусов.

Вирусная инфекция

По–разному складываются судьбы клеток, в которые проник вирус.

Некоторые вирусы, размножившись в клетке и полностью использовав ее ресурсы, разрушают клетку и вызывают ее гибель. В других случаях клетка, почувствовав, что в нее проник вирус, кончает жизнь самоубийством. Бывает и так, что зараженную клетку убивают клетки иммунной системы, исполняя свой служебный долг по защите организма от вирусной инфекции.

Впрочем, вирусная инфекция далеко не всегда заканчивается гибелью зараженной клетки. Например, нитевидные бактериофаги осторожно выползают из зараженной бактерии, и та продолжает жить. Чрезвычайно редко убивают зараженные клетки вирусы растений. Их нуклеиновая кислота расползается по соседним клеткам, пока размножившиеся вирусные частицы не заполонят все растение.

Тельца–включения. Такие памятники в знак своего пребывания в клетке сооружают некоторые вирусы

Многим вирусам клеточное окружение приходится настолько по душе, что они оставляют всякую мысль о том, чтобы еще куда–нибудь стремиться. Они встраивают свою нуклеиновую кислоту в хромосому хозяина и остаются в клетке до конца ее жизни. Часто они никак не обозначают своего присутствия, делая вид, что их там нет. И клетка их тоже как бы не замечает. Другие вирусы вынуждены вести с клеткой постоянную "разъяснительную работу", чтобы не быть выставленными за дверь, а продолжать оставаться частью ее генетического материала. Для этого они непрерывно (за ее счет) образуют различные вирусные белки. Иногда такие белки приносят пользу не только вирусу, но и клетке.

Порой вирус дарит клетке бессмертие, но это не идет на пользу ни клетке, ни вирусу. Клетка, зараженная таким вирусом, резко меняет свое поведение. Она перестает замечать окружающих и предается безудержной экспансии, непрерывно производя все новые и новые копии себе подобных. Этот процесс порой заходит так далеко, что гибнут все – и организм, в котором завелась такая клетка, и сама клетка, и вирус.

Но большинству вирусов не свойственно ограничиваться клеткой, в которую они попали при заражении. Размножившись в ней, выжав из нее все соки, они навсегда покидают ее уже совершенно бесполезную оболочку и проникают в другие клетки того же организма. В зараженном организме разворачивается борьба между вирусом, который хотел бы использовать все его ресурсы в собственных узкокорыстных целях, и организмом, который разными путями стремится этого не допустить. Эта борьба называется инфекционным процессом или просто инфекцией, и порой достигает такого накала, что ощущается как болезнь.

Так устроена плазматическая мембрана клетки.В двойной слой фосфолипидов (1) встроены различные клеточные белки (2). Именно в такую мембрану заворачиваются дочерние вирусные частицы, когда они покидают клетку. Предварительно вирусные белки вытесняют клеточные белки из мембраны

Вирусы и их хозяева

Вирусам нельзя задерживаться в одном–единственном организме. Смерть организма грозит вирусу гибелью, и необходимо заблаговременно озаботиться поисками нового пристанища. Поэтому, размножившись в одном, вирусы стремятся заразить другие организмы, для чего освоили необходимые способы перемещения.

Правда, кого угодно вирус заразить не может. Для того чтобы обеспечить дальнейшее существование, ему придется отыскать такой организм, в клетках которого он может размножаться, и суметь проникнуть в него. Такой вид организмов называется хозяином вируса.

Каждый вид вируса имеет определенный круг восприимчивых хозяев. Одни вирусы заражают только животных определенных видов, другие – только определенные виды растений. Есть вирусы, способные размножаться и в клетках насекомого, и в клетках растения, на котором это насекомое питается. Вирусы бактерий заражают только бактерии, каждый вирус – свою. За пределы своего круга вирус обычно не выходит, но этот круг может быть и очень узким, и очень широким. Например, вирус натуральной оспы заражает только человека, а вирус огуречной мозаики заражает множество видов растений из сорока семейств. Вирусы растений безвредны для человека, и можно не опасаться заразиться, например, вирусами картофеля, употребляя в пищу зараженные клубни.

Эпидемия вирусных заболеваний

При наличии большого количества восприимчивых хозяев и эффективного способа перемещения от одного хозяина к другому вирус способен быстро распространиться между ними. Часто вирусы животных и человека передаются от зараженного организма к здоровому воздушным путем. Известно немало вирусов, которые распространяются через воду и пищу. Многие вирусы животных и человека передаются комарами, москитами и клещами, а вирусы растений – тлями, цикадками, трипсами и нематодами. Нередко вирусы проникают из одного организма в другой при прямом контакте, в том числе при половом. Некоторые вирусные болезни передаются внутриутробно, то есть от матери еще не родившемуся ребенку. Зараженная самка насекомого часто заражает вирусом потомство, откладывая зараженные яйца. Некоторые вирусы растений передаются семенами.

Форма и сравнительные размеры некоторых вирусов: 1 – (fitpyc натуральной оспы; 2 – вирус иммунодефицита человека; 3 – вирус мозаики цветной капусты; 4 – вирус полиомиелита; 5 – вирус X картофеля; 6 – вирус бешенства; 7 – аденовирус; 8 – вирус деформации побегов какао; 9 – бактериофаг Т2; 10 – вирус табачной мозаики

Процесс возникновения и распространения инфекционного заболевания среди людей называется эпидемией, то есть, по–гречески, "повальной болезнью". Тот же процесс у животных называется эпизоотией, а у растений эпифитотией.

Остановить эпидемию иногда удается, препятствуя распространению вируса, обрывая эпидемические цепочки, образующиеся между людьми. Однако, гораздо чаще эпидемия самоограничивается, то есть идет на убыль и в конце концов прекращается, когда вирус исчерпал доступный ему запас восприимчивых хозяев и уткнулся в непробиваемую стену хозяев, устойчивых к заражению – например, обладающих иммунитетом к этому вирусу. Наступившие тяжелые времена вирусы переживают в организме вирусоносителей, хладнокровно ожидая восстановления численности восприимчивых хозяев или изменяясь таким образом, что становятся заразными для хозяев, прежде невосприимчивых к ним.