Полиомиелит, бешенство, оспа, герпес, синдром приобретенного иммунодефицита человека – известные каждому заболевания, которые вызываются весьма специфичными возбудителями. Организмы, которые стоят на границе между живым и неживым, облигатные (обязательные) клеточные паразиты – вирусы. Морфология, физиология и само существование их на планете и сегодня вызывает множество вопросов.
Вирусология: начало
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 питательных средах 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
Морфология и физиология вирусов настолько удивительны, что эти организмы выделены в самостоятельное царство Vira. Эта простейшая форма жизни имеет микроскопические размеры (от 25 до 250 нанометров) и представляет собой нуклеиновые кислоты с набором генов, заключенные в оболочку. Это паразиты, которые способны к воспроизведению только в клетках других живых организмов – растений, грибов, животных, бактерий и даже других вирусов (вирусы-сателлиты).
Отличительные признаки вирусов следующие:
- Содержат только один тип нуклеиновых кислот (РНК или ДНК).
- В морфологии вирусов отсутствуют белоксинтезирующие и энергетические системы.
- Не имеют клеточной структуры.
- Паразитизм вирусов реализуется на генетическом уровне.
- Проходят через бактериальные фильтры и не культивируются на искусственных средах.
Часть органического мира планеты
Вирусы, как облигатные паразиты, имеют четкую генетическую связь с представителями как флоры, так и фауны Земли. Более того, в соответствии с последними исследованиями, геном человека на 32% состоит из элементов вирусоподобной структуры.
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.
Вне клетки форма их существования – вирион. Когда он проникает в клетку, его оболочки растворяются, и нуклеиновые кислоты вируса встраиваются в генный материал хозяина. Вот тогда мы и говорим о вирусной инфекции. Геном вируса встраивается в природные механизмы репликации генома клетки-хозяина и запускает цепь реакций, осуществляя свое паразитическое существование.
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
Взаимодействие вируса и клетки-хозяина может развиваться по нескольким сценариям. Главная особенность которых – это степень автономности паразита.
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 крупного рогатого скота (передаваемый, кстати, посредством насекомых).
Имеются и другие нюансы. Вирусы с хвостом (вирионы) в большинстве своем атакуют бактериальные клетки, нитеобразный или спиральные – паразиты растений, а в клетках животных чаще паразитируют вирусы со сложным капсидом и многогранной формой вириона.
