Что такое вирус. Строение вируса и как он инфицирует клетку.
Основные моменты
Учёные оценивают количество вирусов в любой момент времени примерно в вирусов. Это единица с нулём! Если собрать эти вирусов вместе и выстроить из них цепочку, поставив их один за другим, такая цепочка из вирусов растянулась бы в космос на расстояние почти световых лет от Земли. Можно представить это число по-другому: вирусов в мире почти в 10 миллионов раз больше, чем звёзд во вселенной.
Означает ли это, что каждый из этих вирусов только и ждёт, чтобы заразить нас? На самом деле, большинство этих вирусов обитают в океанах, где они атакуют бактерии и другие микробы. На первый взгляд, может показаться странным, что бактерии могут заразиться вирусом. Однако ученые полагают, что для каждого вида живого организма, вероятно, существует хотя бы один вирус, способный его заразить!
Запрос «Вирус» перенаправляется сюда; см. также другие значения.
Геномы вирусов могут быть представлены как ДНК, так и РНК, причем в обоих случаях как одноцепочечной, так и двуцепочечной. Некоторые вирусы способны к обратной транскрипции. Кроме того, у некоторых РНК-содержащих вирусов в репликации участвует рибозим, что сближает их с вироидами. Однако все вирусы, в отличие от вироидов, образуют белковые капсиды, в которые заключён их генетический материал.
У животных вирусные инфекции вызывают иммунный ответ, который чаще всего приводит к уничтожению болезнетворного вируса. Иммунный ответ также можно вызвать вакцинами, дающими активный приобретённый иммунитет против конкретной вирусной инфекции. Однако некоторым вирусам, в том числе вирусу иммунодефицита человека и возбудителям вирусных гепатитов, удаётся избежать иммунного ответа, вызывая хроническую болезнь. Антибиотики не действуют на вирусы, однако было разработано несколько противовирусных препаратов.
Что такое вирус?
Вирус — это микроскопическая частица, которая может размножаться, лишь заражая клетки других организмов. Вирус внедряются в клетку-хозяина и используют её ресурсы для создания новых вирусов, по сути превращая её в «фабрику вирусов». Поскольку вирусы не в состоянии размножаться самостоятельно (без клетки-хозяина), они не считаются живыми организмами. Кроме того, у вирусов нет клеток, они очень маленькие, гораздо меньше клеток живых организмов, и фактически представляют собой просто упакованную в белковую оболочку нуклеиновую кислоту (ДНК или РНК).
Тем не менее, вирусы имеют некоторые общие черты с клеточными формами жизни. Например, у них есть геномы нуклеиновых кислот, основанные на том же генетическом коде, который используется в наших клетках (и клетках всех живых существ). Точно так же, как у живых организмов, у вирусов наблюдаются вариации в генетическом коде, и они могут эволюционировать. Таким образом, вирусы не соответствуют определению жизни, и, по-видимому, находятся в «спорной» зоне. ( Может быть, вирусы на самом деле живые мертвецы, как зомби или вампиры!)
Что такое вирусная инфекция?
В повседневной жизни мы представляем вирусную инфекцию как набор неприятных симптомов, которые появляются, когда мы подхватываем вирус гриппа или ветряной оспы. Но что на самом деле происходит в нашем теле при заражении вирусом?
В микроскопическом масштабе вирусная инфекция означает, что множество вирусов использует ваши клетки, для создания еще большего количества своих копий. Вирусный жизненный цикл — это последовательность этапов, на которых вирус распознает клетку-хозяина и проникает в неё, «перепрограммирует» её, предоставляя инструкции в форме вирусной ДНК или РНК, и использует ресурсы клетки-хозяина для создания большого количества вирусных частиц. (результат вирусной «программы»).
Жизненный цикл типичного вируса может быть разделен на пять основных этапов (при этом особенности этих этапов будут различаться для каждого вируса):
На диаграмме выше показано, как эти этапы протекают у вируса с одноцепочечной РНК. Реальные примеры жизненного цикла вирусов представлены в статьях о Бактериофагах (bacteria-infecting viruses) и Вирусах животных.
Капсид
Капсид, или белковая оболочка, — это не единая полая белковая молекула, а множество более мелких белков. Эти белки объединяются в группы — капсомеры, которые в свою очередь формируют капсид. Капсидные белки всегда кодируются геномом вируса, то есть инструкции для их синтеза предоставляет сам вирус, а не клетка-хозяин.
Капсиды бывают разных форм, но в основном они принимают одну из следующих форм:
Роль в заболеваниях человека
Основные вирусные инфекции человека и их возбудители
Эпидемии и пандемии
Просвечивающая электронная микроскопия воссозданного вируса испанского гриппа
Защитная реакция хозяина
Два ротавируса: правый покрыт антителами, останавливающими его прикрепление к клеткам и заражение их
Профилактика и лечение
Так как вирусы используют для размножения естественные метаболические пути клеток-хозяев, их сложно уничтожить без применения препаратов, токсичных для самих клеток-хозяев. Наиболее эффективными медицинскими мерами против вирусных инфекций являются вакцинации, создающие иммунитет к инфекции, и противовирусные препараты, избирательно ингибирующие репликацию вирусов.
Нуклеозидный аналог гуанозина — ацикловир
Структура вируса
В мире существует огромное разнообразие вирусов. Они отличаются размером, формой и жизненным циклом. Если вам интересно узнать об этом подробнее, рекомендую посмотреть сайт ViralZone. Понажимайте на различные названия вирусов и посмотрите, какие причудливые формы и свойства у них могут быть!
Однако, вирусы имеют несколько общих ключевых черт, в том числе:
Давайте подробнее рассмотрим их.
В науках о жизни и медицине
Учёный, изучающий вирус гриппа H5N1
В материаловедении и нанотехнологиях
Использованная литература и источники
Вирусная оболочка, или суперкапсид
В дополнение к капсиду, некоторые вирусы также имеют внешнюю липидную мембрану, известную как суперкапсид, которая окружает весь капсид.
Вирусы с оболочкой-суперкапсидом не предоставляют инструкций для синтеза белков суперкапсида. Вместо этого вирусы, покидая клетку-хозяина, «заимствуют» фрагменты её мембраны. Однако в суперкапсиде содержатся белки, определяемые вирусом, которые, как правило, помогают частицам вируса прикрепляться к клетке-хозяину.
Хотя суперкапсиды встречаются довольно часто, особенно у вирусов, поражающих животных, однако они есть не у каждого вируса, то есть оболочка — не обязательное свойство вирусов.
Роль вирусов в биосфере
Вирусы являются самой распространённой формой существования органической материи на планете по численности. Они играют важную роль в регуляции численности популяций некоторых видов живых организмов (например, вирус дикования с периодом в несколько лет сокращает численность песцов в несколько раз).
Однако основная роль вирусов в биосфере связана с их деятельностью в водах океанов и морей.
Роль в водных экосистемах
Пока вирус находится во внеклеточной среде или в процессе заражения клетки, он существует в виде независимой частицы. Вирусные частицы (вирионы) состоят из двух или трёх компонентов: генетического материала в виде ДНК или РНК (некоторые, например мимивирусы, имеют оба типа молекул); белковой оболочки (капсида), защищающей эти молекулы, и, в некоторых случаях, — дополнительных липидных оболочек. Наличие капсида отличает вирусы от вирусоподобных инфекционных нуклеиновых кислот — вироидов. В зависимости от того, каким типом нуклеиновой кислоты представлен генетический материал, выделяют ДНК-содержащие вирусы и РНК-содержащие вирусы; на этом принципе основана классификация вирусов по Балтимору. Ранее к вирусам также ошибочно относили прионы, однако впоследствии оказалось, что эти возбудители представляют собой особые инфекционные белки и не содержат нуклеиновых кислот. Форма вирусов варьирует от простой спиральной и икосаэдрической до более сложных структур. Размеры среднего вируса составляют около одной сотой размеров средней бактерии. Большинство вирусов слишком малы, чтобы быть отчётливо различимыми под световым микроскопом.
Вирусы являются облигатными паразитами, так как не способны размножаться вне клетки. Вне клетки вирусные частицы не проявляют признаки живого и ведут себя как частицы биополимеров. От живых паразитарных организмов вирусы отличаются полным отсутствием основного и энергетического обмена и отсутствием сложнейшего элемента живых систем — аппарата трансляции (синтеза белка), степень сложности которого превышает таковую самих вирусов.
Строение икосаэдрических вирионов: А. Вирус, не имеющий липидной оболочки (например, пикорнавирус). B. Оболочечный вирус (например, герпесвирус). Цифрами обозначены:
капсид,
геномная нуклеиновая кислота,
капсомер,
нуклеокапсид,
вирион,
липидная оболочка,
мембранные белки оболочки
Палочковидный вирион вируса табачной мозаики. Цифрами обозначены:
РНК-геном вируса,
капсомер, состоящий всего из одного протомера, 
зрелый участок капсида
Строение вириона неикосаэдрического оболочечного вируса на примере ВИЧ. Цифрами обозначены:
РНК-геном вируса,
нуклеокапсид, капсид,
белковый матрикс, подстилающий
липидную мембрану,
gp120 — гликопротеин, с помощью которого происходит связывание вируса с клеточной мембраной,
gp41 — гликопротеин. Цифрами 8—11 обозначены белки, входящие в состав вириона и необходимые вирусу на ранних стадиях инфекции:
— интеграза,
— обратная транскриптаза,
— Vif, Vpr, Nef и p7,
— протеаза
Классифицируют четыре морфологических типа капсидов вирусов: спиральный, икосаэдрический, продолговатый и комплексный.
Вирус с капсомером типа гексон. Эта иллюстрация показывает, что вирусный капсид может быть выстроен из множественных копий всего лишь двух белков
Вирус герпеса, окружённый липидной оболочкой (суперкапсидом)
Реассортимент может стать причиной появления нового высокопатогенного штамма человеческого гриппа
Типичный репликативный цикл вируса на примере вируса гепатита C
Вирусы не размножаются клеточным делением, поскольку не имеют клеточного строения. Вместо этого они используют ресурсы клетки-хозяина для образования множественных копий самих себя, и их сборка происходит внутри клетки.
Отпочковывание вируса от клетки-хозяина
Особенности репликативного цикла различных вирусов
Генетический материал внутри вирусных частиц и способ его репликации значительно отличается у различных вирусов.
Действие на клетки
Микрофотография, показывающая цитопатические эффекты, вызванные вирусом простого герпеса первого типа. Тест Папаниколау
Систематику и таксономию вирусов в настоящий момент кодифицирует и поддерживает Международный комитет по таксономии вирусов (International Committee on Taxonomy of Viruses, ICTV), поддерживающий также и таксономическую базу (The Universal Virus Database, ICTVdB).
Международный комитет по таксономии вирусов разработал современную классификацию вирусов и выделил основные свойства вирусов, имеющие больший вес для классификации с сохранением единообразия семейств.
Реалм (-viria) и субреалм (-vira)
Царство (-virae) и подцарство (-virites)
Тип (-viricota) и подтип (-viricotina)
Класс (-viricetes) и подкласс (-viricetidae)
Порядок (-virales) и подпорядок (-virineae)
Семейство (-viridae) и подсемейство (-virinae)
Род (-virus) и подрод (-virus)
Вид (-virus)
Классификация по Балтимору
Группы вирусов по Балтимору. Условные обозначения: оц — одноцепочечная, дц — двуцепочечная, РТ — ретровирус или ретроидный вирус
Классификация вирусов по Балтимору основывается на механизме образования мРНК. Вирусы синтезируют мРНК из собственного генома для образования белков и репликации своей нуклеиновой кислоты, однако каждое семейство вирусов имеет собственный механизм этого процесса. Вирусные геномы могут быть одноцепоченые (оц) или двухцепочечные (дц), ДНК- или РНК-содержащие, могут использовать или не использовать обратную транскриптазу. Кроме того, одноцепочечные РНК-вирусы в составе своего генома могут иметь положительную (+) или отрицательную (-) цепь РНК.
Дальнейшее деление производится на основе таких признаков, как структура генома (наличие сегментов, кольцевая или линейная молекула), генетическое сходство с другими вирусами, наличие липидной оболочки, таксономическая принадлежность организма-хозяина и других.
В массовой культуре
Вирусная инфекция заложена в основу следующих произведений (список неполный):
Вирусные заболевания у различных организмов
У животных вирусные инфекции вызывают иммунный ответ, который чаще всего приводит к уничтожению болезнетворного вируса. Иммунный ответ также можно вызвать вакцинами, дающими активный приобретённый иммунитет против конкретной вирусной инфекции. Однако некоторым вирусам, в том числе вирусу иммунодефицита человека и возбудителям вирусных гепатитов, удаётся ускользнуть от иммунного ответа, вызывая хроническую болезнь. Антибиотики не действуют на вирусы, однако было разработано несколько противовирусных препаратов (см. выше).
Перцы, поражённые вирусом пятнистости
Если же вирус, попадая в гриб, проявляет свою вирулентность, то реакция гриба на это может быть различной: снижение или повышение вирулентности у патогенных видов, дегенерация мицелия и плодовых тел, изменение окраски, подавление спороношения. Некапсидированные вирусные РНК передаются через анастомозы независимо от митохондрий.
Электронная микрофотография множества бактериофагов, прикрепившихся к бактериальной клеточной стенке
Вирусные геномы
Все вирусы имеют генетический материал (геном) состоящий из нуклеиновой кислоты. Вы, как и все другие представители клеточной формы жизни, храните генетический материал в ДНК. А вирусы могут использовать для этого как РНК, так и ДНК, или же и то, и другое — разновидности нуклеиновых кислот.
Мы привыкли представлять ДНК в виде двойной спирали, а РНК — в виде одинарной, поскольку в наших клетках они выглядят именно так. Однако у вирусов встречаются все возможные комбинации количества цепочек в спирали и типы нуклеиновых кислот (двухцепочечная ДНК, двухцепочечная РНК, одноцепочечная ДНК или одноцепочечная РНК). Геномы вирусов также бывают различных форм, видов и размеров, но они в любом случае, как правило, меньше геномов клеточных организмов.
Примечательно, что ДНК и РНК вирусов используют тот же генетический код, что и живые клетки. Если бы они этого не делали, у них бы не было возможности перепрограммировать клетки-хозяина!
Чем вирусы отличаются от бактерий?
Несмотря на то, что бактерии и вирусы приносят нам болезни, они сильно отличаются друг от друга на биологическом уровне. Бактерии – маленькие, одноклеточные, живые, самостоятельные организмы, процесс размножения которых не зависит от клетки-хозяина. Из-за этих различий бактериальные и вирусные инфекции лечатся совершенно по-разному. Например, антибиотики эффективны только против бактерий, но не против вирусов.
Кроме того размер бактерии намного больше, чем вируса. Диаметр типичного вируса составляет около ( ), в то время как диаметр обычной бактерии кишечной палочки E. coli составляет около ! На одной булавочной головке могут уместиться десятки миллионов вирусов.
Мартин Бейеринк в своей лаборатории в 1921 году
Гипотезы о происхождении вирусов
Препарат головного мозга коровы, поражённой коровьим бешенством. В сером веществе образуются микроскопические полости, которые придают ткани вид губки
