Что такое вирусы?
Вирусы – это биологические системы, не имеющие клеточного строения. Следовательно, клеток у них нет.
Вирусы существуют в двух формах: внеклеточной и клеточной. Во внеклеточной форме вирусы находятся в виде вирионов – частиц, имеющих постоянную форму и достаточно простое строение. В этой форме они не могут осуществлять процессы самовоспроизведения и обмена веществ. Основная задача этой формы вируса – найти новую клетку-хозяина и проникнуть в нее.
В клеточной форме существования вирусы осуществляют процесс самовоспроизводства, используя ресурсы и компоненты клетки-хозяина. В конце периода существования этой формы в клетке накапливается большое количество новых вирионов, выходящих во внешнюю среду и начинающих поиск других клеток.
Размножаться вирусы могут только в живых клетках, потому что для синтеза веществ, из которых они состоят, нужны рибосомы, тРНК, молекулы АТФ, ферменты и другие компоненты клеточных структур, отвечающих за синтез органических веществ и которых сами вирусы не имеют. Поэтому все вирусы являются внутриклеточными паразитами. Самостоятельно осуществлять процессы самовоспроизводства они не способны.
Строение вирусов
Вирусы бывают простыми и сложными. Простые вирусы содержат только нуклеиновую кислоту и белковую оболочку (капсид), окружающую эту кислоту.
Вирионы сложных вирусов отличаются от простых наличием липопротеидной оболочки, очень похожей на мембраны клеток. Это неудивительно, потому что эта оболочка образуется из участка клеточной мембраны той клетки, в которой он размножился. В ее состав входят также специфические белки самого вируса, выполняющие преимущественно рецепторную функцию (распознают клетку для поражения).
Под липопротеидной оболочкой вириона сложного вируса содержится капсид – оболочка, состоящая из белков. Внутри капсида расположена нуклеиновая кислота, содержащая наследственную информацию. Кроме того, там могут размещаться ферменты, помогающие вирусу в захвате клетки-хозяина.
Нуклеиновые кислоты внутри капсида могут быть только одного типа – либо РНК, либо ДНК. Вирусы, соответственно, делят на две большие группы — РНК-вирусы и ДНК-вирусы.
Сложное строение также имеют вирусы бактериофаги. Они паразитируют в клетках микробов. Специфическое строение помогает бактериофагу надежно прикрепляться к бактерии и вводить в нее нуклеиновую кислоту.
Другие неклеточные формы жизни
Кроме вирусов к неклеточным формам жизни принадлежат еще вироиды и прионы. Как было указано выше, вирусы содержат как минимум нуклеиновую кислоту и белки. У вироидов и прионов имеется только один из двух компонентов — либо нуклеиновая кислота, либо белок.
Вироиды представляют собой кольцевые молекулы РНК и никаких белков не содержат. Они размещаются в ядрах или хлоропластах клеток растений и используют их ферментные системы для собственного размножения. Вироиды могут являться возбудителями некоторых заболеваний растений.
Прионы являются белками и не содержат нуклеиновой кислоты. Они синтезируются как обычные белки и в норме выполняют в клетках важнейшие функции. Да, нормальная форма прионного белка человека участвует в функционировании мембран нервных клеток.
Иногда прионы могут изменять свою структуру (в первую очередь вторичную). Уложенная по-другому белковая цепь становится очень устойчивой к любым воздействиям, нарушающим ее структуру. В видоизмененном состоянии он перестает выполнять свои привычные функции в клетке. А во время «встречи» с таким же нормальным белком инициирует его превращение в прионную форму. В результате действия прионов возникают опасные заболевания животных и людей (скрейпы, куру и т.п.).
Откуда взялись вирусы?
Можно выделить три главные версии возникновения вирусов.
Версия 1. Вирусы возникли из бактерий, перешедших во внутриклеточный паразитизм и потерявших большинство своих генов. В пользу такого варианта свидетельствует существование мимивируса. Этот вирус был открыт недавно (2003). Его вирионы имеют большой размер, их можно даже рассмотреть с помощью светового микроскопа. А его геном содержит 911 генов, что гораздо больше, чем минимальная потребность для вирусов.
Версия 2. Вирусы являются бывшими генами, которые перешли к паразитическому способу существования и приобрели способность перемещаться между клетками. Эта версия подтверждает существование транспозонов — мобильных генетических элементов, которые способны перемещаться в пределах генома клетки и передаваться от одной клетки к другой. Вероятным предшественником вирусов также плазмиды — короткие кольцевые молекулы ДНК, которыми могут обмениваться бактерии.
Версия 3. Вирусы произошли от доклеточных форм жизни, сохранившихся с тех времен, когда клеток еще не существовало. Такой вариант хорошо объясняет наличие среди вирусов большого количества форм из РНК как главного носителя наследственной информации. Именно РНК-мир считается предшественником клеточных форм жизни. А ДНК, согласно современным представлениям, стала использоваться для сохранения наследственной информации на более поздних этапах эволюции.
Вполне возможно, что на самом деле разные вирусы имеют разное происхождение. Поэтому правильными для разных групп вирусов будут разные версии.
Одним из самых известных прионных заболеваний является кура, при котором поражается мозг человека. Это заболевание было обнаружено в Новой Гвинее и сейчас практически исчезло. Основным путем передачи инфекции был ритуальный каннибализм, когда после смерти человека его тело поедали другие члены племени.
Жизненный цикл вирусов
Жизненный цикл вирусов состоит из нескольких этапов.
Этап 1. Распознавание клетки-хозяина и проникновение в нее. Нужные клетки вириона распознают с помощью специфических рецепторов, которые размещены на его поверхности. Поэтому вирусы поражают обычно не весь организм, а конкретные ткани и органы. Например, вирус гепатита А поражает клетки печени, а вирус бешенства – клетки мозга.
После распознавания клетки вирус контактирует с ее мембраной. Он может пронзить ее и ввести свою нуклеиновую кислоту в клетку (так делают бактериофаги), а может замаскироваться под пищевую частицу и проникнуть в клетку во время эндоцитоза.
Труднее вирусам проникать в клетки растений и грибов, которые имеют толстую и крепкую клеточную стенку. В таких случаях они проникают в клетку через поврежденные участки (например, с помощью кровососущих насекомых) или распространяются через плазмодесмы (каналы, соединяющие клетки между собой).
Этап 2. Введение нуклеиновой кислоты в цитоплазму клетки-хозяина. На этом этапе цикла вирус избавляется от своей белковой оболочки и высвобождает нуклеиновую кислоту в цитоплазму клетки, если он не лишился ее на первом этапе при проникновении в клетку, как, например, делают бактериофаги.
Этап 3. Взаимодействие вируса с генетическим аппаратом клетки. Вирус может блокировать работу генетического аппарата клетки, а может самостоятельно производить нуклеиновые кислоты и белки. В неких вариантах он встраивается в ДНК клеточки.
На этом этапе образуется провирус (для бактериофагов используют термин профаз). Провирус может продолжительное время существовать в клетке без внешних проявлений. При делении клеток он размножается вместе с геномом клетки за счет работы ее ферментов. Но под влиянием определенных факторов (например, ослабление иммунитета организма) провирус активизируется и превращается в активный вирус.
Этап 4. Синтез белков и нуклеиновых кислот вируса. Этот этап происходит в клетке-хозяине. Синтезированные компоненты самособираются в новые вирионы.
Этап 5. Выход вирусов из клетки. Часто этот этап связан с лизисом (полным разрушением клетки). Но так называемые умеренные фаги после встраивания в ДНК клетки-хозяина не вызывают сразу лизиса клетки. Их ДНК может оставаться в ДНК бактерии длительное время. И только в некоторых случаях, под влиянием факторов внешней среды (например, УФ-излучения), вирус активируется и вызывает лизис клетки. Есть также вирусы, которые не убивают клеточку. Они в ней размножаются, а отдельные вирионы постепенно выходят наружу через клеточную мембрану.
Биологические методы борьбы с вредными видами
Как вы уже знаете, вирусы являются внутриклеточными паразитами. Одной из их характерных черт является высокая видоспецифичность, то есть способность заражать только некоторые виды организмов. Это связано с тем, что рецепторы на поверхности вирионов очень точно распознают рецепторы клеток, к которым они подключаются.
Поэтому вирусы можно использовать как удобное средство борьбы с организмами, причиняющими вред человеку. Это и возбудители заболеваний (например, кишечных), и вредители, причиняющие вред культурным растениям или домашним животным.
Вирусы поражают только некоторые виды организмов, что выгодно отличает их от других средств борьбы. Так, антибиотики обычно оказывают широкое влияние и уничтожают не только болезнетворные бактерии, но и полезную микробиоту кишечника. А бактериофаги убивают только возбудителя заболевания. Такая фаговая терапия позволяет лечить заболевания, вызывающие стрептококки, стафилококки, возбудители бактериальной дизентерии и другие микроорганизмы.
Вирусы как инструмент эволюции
Вирусы играют важную роль в эволюции живых организмов, но не все, а некоторые из них, не имеющие четкой специализации и могут заражать разные виды организмов. Такие вирусы могут переносить гены от одних видов организмов в другие, осуществляя так называемый горизонтальный перенос генов. Именно таким образом предки эукариот получили от бактерий ген для синтеза ферментов гликолиза.
Клетки имеют несколько механизмов, защищающих их от поражения вирусами. Так, клетка может заблокировать вирус после его встраивания в ее геном. А некоторые вирусы организм может потом использовать в свою пользу (так называемое явление «одомашнивания» вирусов). Именно таким путем плацентарные млекопитающие получили от ретровирусов гены, позволяющие их плаценте маскировать зародыш от иммунной системы организма матери.
Еще одна роль вирусов в эволюции – отбор организмов на устойчивость к заболеваниям. Так, благодаря отбору и гибели части населения Европы современные европейцы приобрели достаточную устойчивость к действию вирусов кори и ветряной оспы.
Бактерии и археи обладают оригинальной системой защиты от вирусов, которая носит название CRISPR. Если приступ бактериофага на клетку закончился неудачей, фрагменты ДНК бактериофага встраиваются в геном (CRISPR-систему) клетки-хозяина. И эти участки встроенной ДНК бактериофага становятся для прокариотической клетки образцом, по которому она узнает и уничтожает вирус.