Розділ 1. Характеристика вірусоподібних біополіменів та вірусів

Термінологія

Вірулентний – заразливий, небезпечний, смертельний.

Вірулентність – міра патогенності (цього штаму вірусу). Вірулентність відзначаються інфекційністю – здатністю проникати і розмножуватися в макроорганізмі. За одиницю виміру вірулентності прийняті мінімальна летальна доза (МЛД або DLM, лат. dosis letalis minima) – наименьше число патогенів, здатне викликати загибель експериментального об'єкту (напр., піддослідної тварини), і LD50 - кількість патогенів, здатне викликати загибель 50% експериментально заражених піддослідних тварин.

Вірус – термін, що означає усі форми існування виду вірусу в його індивідуальному циклі розвитку.

Віруси-сателіти (SV) - субвіруси, віруси-паразити вірусів. SV не несуть усієї інформації, необхідної для їх власної реплікації, у зв'язку з чим SV паразитують на генних продуктах, утворених іншими, часто не спорідненими вірусами.

Вірусоїди - кільцеві сателіти РНК, які часто супроводжують РНК-виіщюючі віруси, повністю залежать у своїй реплікації від вірусу-помічника і реплікація проходить за допомогою основного віруса за типом кільця, що котиться.

Віріон – завершальна форма розвитку вірусу, яку вірус набуває при виході з клітини.

Глікопротеїд - складний білок з вуглеводним ланцюжком.

Деструкція - руйнування.

ДНК- і РНК-геномні віруси. Віруси підрозділяють на ДНК- і РНК-вміщуючі, залежно від типу нуклеїнової кислоти, що входить до їх складу.

Ендогенний - внутрішній, такий, що формується усередині (клітини, організму).

Екзогенний - зовнішній, такий, що передається ззовні.

Екліпс-період (екліпс-фаза) - період внутрішньоклітинного розвитку вірусу, протягом якого вірус перестає існувати у вигляді організованої структури, а представлений набором біополімерів (нуклеїнова кислота, білки), розосереджених, частенько, в різних зонах клітини-хазяїна.

Експресія - прояв (виявлення) якої-небудь ознаки (наприклад, експресія ге-нома - реалізація генетичної інформації у вигляді трансльованих білків).

Етіологія (греч.) - розділ медицини, що вивчає причини хвороб. У професійному медичному середовищі термін етіологія вживається також як синонім "причини" (наприклад "грип - захворювання вірусної етіології")

Інфекція - сукупність фізіологічних (алаптаційних) і патологічних процесів, що розвиваються в організмі в результаті взаємодії із збудником.

Інфікуюча доза - мінімально необхідна для розвитку патологічного процесу в макроорганізмі доза патогена, що визначається вірулентністю збудника і станом резистентності організму.

Капсид - оболонка вірусу, побудована з ідентичних субодиниць (капсомерів). Кожен капсомер є одним поліпептидним ланцюгом або агрегатом з однакових або різних поліпептидних ланцюгів.

Нуклеокапсид - капсид з ув'язненим в ній нуклеїновою кислотою вірусу -геномом.

Патогенність характеризує специфічність патологічних процесів, що викликаються конкретним збудником. Генотип патогена фенотипічно проявляється його вірулентними властивостями.

Інфекція - сукупність фізіологічних (алаптаційних) і патологічних процесів, що розвиваються в організмі в результаті взаємодії із збудником.

Інфікуюча доза - мінімально необхідна для розвитку патологічного процесу в макроорганізмі доза патогена, що визначається вірулентністю збудника і станом резистентності організму.

Капсид - оболонка вірусу, побудована з ідентичних субодиниць (капсомерів). Кожен капсомер є одним поліпептидним ланцюгом або агрегатом з однакових або різних поліпептидних ланцюгів.

Нуклеокапсид - капсид з ув'язненим в ній нуклеїновою кислотою вірусу -геномом.

Патогенність характеризує специфічність патологічних процесів, що викликаються конкретним збудником. Генотип патогена фенотипічно проявляється його вірулентними властивостями.

Суперкапсидна оболонка (пеплос) - оболонка вірусу, що складається з матеріалу клітинних мембранних структур, змінених вірусом в процесі інфекції. Частіше пеплос представляє собою біологічну мембрану з двох шарів - ліпідів (клітинних) і ув'язнених в них гликозованих суперкапсидних білків (вірусних), виступаючих над поверхнею віріона у вигляді шпильок. Суперкапсидні оболонки надають форми вірусам - кулясту (поверх икосаедричного капсиду у ретровірусів), пулевидну (поверх паличкоподібного капсиду у рабдовирусов).

 

1.2. Предмет та задачі вірусології. Місце вірусології в системі природничих наук

 

Вірусологія - наука, предметом якої є об¢єкти, що знаходяться на межі живої і неживої природи, мають субмікроскопічні розміри і специфічні особливості взаємодії з клітинними організмами (паразитизмом на генетичному рівні).

Вірусологія є одною з основних дісциплін біології, оскільки без знання особливостей вірусів неможливо зрозуміти всього різноманіття форм життя на Землі, умов її виникнення і еволюції.

Цілі і задачі вірусології, на різних ступенях її розвитку визначали і стимулювали розвиток таких спеціалізованих розділів науки, як генетика, імунологія, епідеміологія, медицинська, сільськогосподарська і санітарна вірусологія і ін. У процесі розвитку вірусології було розроблено орігінальні методи досліджень, суміжні з іншими науками - біофізикою, біохімією, генетикою, цитологією, молекулярною біологиєю, генною інженеріею та ін.

 

Вірусологія є розділом загальної мікробіології - науки, що вивчає організми, невиразні неозброєним оком.

Предметом її вивчення є їх морфологія, хімічний склад, особливості структури генома і трансляції генетичної інформації, систематика і взаємовідношення з іншими формами життя.

Об'єктом досліджень вірусології є пріоны, віроїди, віруси - об'єкти, що знаходяться на межі, що відділяє світ органічної природи від неорганічної, світ жи-вого від неживого. У ході еволюції органічних форм на Землі віруси стали унікальною групою, що забезпечує перенесення і реалізацію генетичної інформації в клітинних формах. За час свого розвитку вірусологія багато почерпнула з суміжних наук, наприклад бактеріології, генетики, біохімії, але також дала потужний імпульс для їх подальшого розвитку.

1.3. Гіпотези походження і еволюція вірусів

 

Проблема походження вірусів народилася одночасно з народженням вирусологии як науки. Перші відкриття (Д.І. Івановського - вірус мозаїки тютюну, Д'Эрреля - бактеріофаг) не залишали у дослідників сумнівів відносно живої природи вірусів, протее, вже в 30-х роках 20 сторіччя виникла і мала багато прибічників точка зору на віруси, як складні органічні сполуки типу ферментів. Зміцнила цю ідею і можливість отримання велику кількість вірусів при їх концентрації в кристалічній формі, здатність багатьох вірусів формувати внутрішньоклітинні кристалічні скупчення.

В наш час встановлено, що віруси змінюються внаслідок мутацій, здатні пристосовуватися до нових умов довкілля (новим хазяям, наприклад), тобто проявляють властивості живих організмів.

 

Існують декілька гіпотез походження вірусів.

Найбільш старою гіпотезою є ідея про можливість походження вірусів від клітин або клітинних органел, що втратили в умовах паразитичного існування ряд найважливіших клітинних функцій (здатності самостоя-тельно синтезувати білки здійснювати енергетичні функції). Найбільш яскравим прикладом можливості дегенеративної еволюції може служити походження деяких клітинних органел еукаріот від симбіотичних бактерій. На основі гомології нуклеїнових кислот можна вважати встановленим, що хлоропласти рослин і найпростіших походять від предків синьо-зелених бактерій, а мітохондрії еукаріотичних клітин - від пурпурних бактерій. Таким чином, така можливість не виключена і для походження вірусів особливо таких групп, як дволанцюгові ДНК віруси (можливо – вірус натуральної віспи людини).

Накопичені факти дають нові і нові аргументи на підтримку цієї гіпотези, з якої витікає, що утворення вірусів не було одночасною подією, а відбувалося багаторазово і цей процес триває і у наш час.

У ті ж періоди історії Землі, коли почали формуватися клітинні форми, поруч і одночасно з ними збереглися і розвивалися неклітинні форми, представлені автономними, але залежними від клітин генетичними структурами - вірусами.

Неможливо заперечувати, що сучасні віруси є продуктом еволюції як прадавніх їх предків, так і нещодавно виниклих автономних генетичних структур. В результаті обміну генетичною інформацією між представниками різних еволюційно далеких вірусів, спадкові властивості можуть змінюватися швидко як внаслідок вбудовування чужих генів, так і при незвичайних об'єднаннях власних і інтегрованих геномів. Крім того збільшення об'єму генома за рахунок непрацюючих генів (можливо захоплених у клітини-хазяїна) відкриває можливості подальшої генетичної еволюції.

В 1990 роки В. М. Ждановим і його послідовниками була сформульована гіпотеза про доклітинне походження частини вірусів. Ця гіпотеза базується на експериментально доведеній здатності окремих нуклеотидів синтезуватися в безклітинному середовищі, близькому по своєму складу і фізичним характеристикам Землі в "доклітинну" епоху, об'єднуватися в полінуклеотидні ланцюги і автокаталітично "розмножуватись" (без участі ферментів). Тім більше що самі по собі РНК мають ферментативні властивості. "Первмнний бульйон", яким була гідросфера Землі в той період, надавав необхідні хімічні елементи для такого синтезу, а необхідна для протіканя хімічних реакцій, енергія могла бути еенергією тепла вулканічних вивержень, електричних розрядів та різних типів опромінення.

 

Рис.1. Гіпотетична картина прадавньої Землі (період абіогенного синтезу полімерів – 6 – 4,5 млрд років назад)

 

 

Можливість абіогенного синтезу полімерів, що вважаються неодмінним атрибуто живого організму була експериментально встановлена в другій половині ХХ століття.

У 1990-і роки А.Б. Четвериным з співробітниками була показана здатність РНК формувати молекулярні колонії на гелях і твердих субстратах, при створенні умов для реплікації (присутності вільних нуклеотидів і двохвалентних катіонів металів). Відбувався вільний обмін молекулами, що при зіткненні могли обмінюватися ділянками що показане экспериментально. Уся сукупність колоній у зв'язку з цим швидко еволюціонувала. Цікаво, що утворення полімеру РНК і її реплікація здійснювалися без участі білків-ферментів.

На початку 1980-х років в лабораторії Т. Чека і С. Олтмана в США була встановлена каталітична здатність РНК. По аналогії з ензимами (ферментами) РНК-катализаторы були названі рибозимами, за їх відкриття була присуджена Нобелівська премія 1989.

На жаль, ця струнка гіпотеза має свої недоліки. Для абіогенного формування рібонуклеотідов, при полімеризації яких утворюється РНК, «традиційним» чином — необхідною «цеглою» є залишки фосфорної кислоти, цукор рібоза і азотістих основ. Проте, маловирогідно, щоб утворення цих з'єднань могло відбуватися природним, абіогенним, шляхом.

Група вчених Манчестерського університету (Велика Брітанія) довели, що синтез рібонуклеотідов можна провести і іншим шляхом, без участі рібози і основ. Для здійснення реакції, запропонованої ученими, потрібні ціанамід, цианоацетілен, гліколевий альдегід, гліцеральдегид і неорганічний фосфат-молекули, знаходження яких на первісній Землі оцінюється як вельми вірогідне.

На початку процесу гліколевий альдегід реагує з ціанамідом, утворюючи проміжне з'єднання — 2-амінооксазол. Періодичний нагрів сонячними променями і пониження температури в нічний період дозволяють виробити очищення 2-амінооксазола, перетворюючи його на «замінник» цукру і азотистої підстави. Під впливом УФ-ізлученія у присутності неорганічного фосфату процес завершується утворенням рібонуклеотиду.

Таким чином, РНК мали змогу формуватися, існувати і змінюватися (за рахунок мутацій) повністю автономно, каталізуючи "метаболічні" реакції, напри-мер, синтезу нових рибонуклеотидов і самовідтворюючись зберігаючи з "покоління" в "покоління" каталітичні властивості. Характерними особливостями Р-зимів є можливість формування молекулою РНК дволанцюжкових ділянок, формування тривимірних просторових структур. Крім того, окремі молекули рібозимів можуть забезпечити "зшивання" амінокислот в полінуклеотидний ланцюг.

 

 

 

 

Рис.2. Модель просторової структури рібозиму

 

 

У 1924 році майбутній академік А.І. Опарин опублікував статтю "Походження життя", яке в 1938 році було переведене на англійську і відродила інтерес до теорії самозародження. Опарин припустив, що в розчинах високомолекулярних з'єднань можуть мимоволі утворюватися зони підвищеної концентрації, які відносно відокремлені від зовнішнього середовища і можуть підтримувати обмін з нею. Він назвав їх коацерватні краплі, або просто - коацервати.

А.І. Опарін спостерігав, як в колоїдних розчинах поліпептидів, полісахаридів, РНК і інших високомолекулярних з'єднань, за певних умов, утворюються згустки об'ємом від 10^-8 до 10^-6 см³. Навколо крапель є межа розділу, добре видима в мікроскоп (рис. 3) Коацервати здатні адсорбувати різні речовини. У них осмотически можуть поступати з довкілля хімічні сполуки і йти синтез нових з'єднань. Під дією механічних сил коацерватные краплі дробляться..

 

Рис.3. Краплини коацерватів

 

У 1953 році Стенлі Миллером експериментально здійснений абіогенний синтез амінокислот і інших органічних речовин в умовах, відтворюючих умови первісної Землі.

Подальші формування коацерватів, про- і еукаріот надало можливість попередникам РНК-геномних вірусів перейти до внутрішньоклітинного існування, використовуя як "бульйон" вміст клітини.

Таким чином, очевидно, правильно казати про можливість походження вірусів поліфілетичним шляхом. На правомірність такої точки зору вказує вражаюча різноманітність вірусів, що розрізняються по типах і будові нуклеїнових кислот, формам запису і прочитування генетичної інформації. На це вказує існування і двуцепочечных ДНК-геномних вірусів віспи що мають десятки ферментів (вірусів - формування яких в ході регресивної еволюції і пристосування до паразитизму усередині клітини пред-ставить досить просто), і представників сімейств вірусів з негативним РНК-геномом, нездібним до копіювання в клітині без внесення в клітину вірусної РНК-полімерази і представників сімейств вірусів з фактично диплоїдним "-" РНК-геномом (ретровіруси), аналогів яким в клітинах не існує.

З розвитком вірусології виявляється все більше прикладів вірусів, яким не вдається підібрати роль "внутрішньоклітинного лиходія" - збудника якого-небудь захворювання. Враховуючи здатність багатьох вірусів активно індукувати перенесення і рекомбінацію клітинного генетичного матеріалу стає ясною точка зору В. М. Жданова (1990), який вважав, що віруси слід вважати як переносники "передового досвіду в біосфері".

Історичний нарис

 

Х1Х століття ознаменовано бурхливим розвитком мікробіології. Однак до кінця сторіччя з'ясувалося, що збудників багатьох захворювань (сказу, грипу, жовтої лихоманки і інш.) бактеріологічними методами досліджень виявити не вдається.

У 1892 році Д.І. Івановський (рис. 1) довів, що існує група збудників - дрібніших, ніж бактерії (що зберігають інфекційні властивості після пропускання через бактеріальний фільтр і необмежено довго розмножуються при пасажах у живій рослині).

Опублікована в 1892 році робота Д.І. Івановського, присвячена опису основних властивостей вірусу тютюнової мозаїки (ВТМ) більшістю учених визнається як народження нової біологічної науки - вірусології.

 

Рис. 3. Д.І. Івановський (1864 – 1920)

 

 

Не дивлячись на те, що вірусологія, як гілка біології, сформувалася відносно нещодавно, перші "контакти" людства з вірусами були пов'язані з інфекційними захворюваннями вірусного походження (натуральною віспою, кором, жовтою лихоманкою і ін.). Ще в давньокитайських хроніках, написаних більше тисячі років назад, згадуються як характерні симптоми при натуральній віспі, що являється, разом з чумою і холерою, причиною поголовної смертності населення але і пропонувалися перші (дуже небезпечні, з сучасної точки зору, методи профілактики. Суть методу, який отримав в середньовічній Європі назву варіоляція (від variola латів. - віспа), зводилася до вдування в ніздрі немовляти (в Китаї) або втирання в подряпину на шкірі передпліччя (Туреччина) подрібнених в порошок кірочок, що формуються на місці віспяних бульбашок (пустул), що покривають шкіру хворого натуральною віспою. У ряді випадків це своєрідне "щеплення" збудником захворювання призводила до формування тривалого імунітету і формувала у прищепленого стійкість до збудника, при тих, що часто повторюються, спустошливих епідеміях. Зрозуміло, що кінцевий ефект варіоляції залежав як від міри вірулентності збудника, так і від активності систем імунного захисту у внаслідок проведеної варіоляції наставала смерть прищепленого.

У 1796 році англійський лікар що займається і ветеринарією, Едвард Дженнер (рис. 2) звернув увагу на захворювання корів, що мало назву "коров'яча віспа". Захворювання тварин, як і натуральна віспа людини, супроводжувалося появою численних, заповнених рідиною, бульбашок, що з'являються як на шкірі тварини, так і людини часто контактуючої з хворими тваринами.

прищепленого. Нерідкими були випадки,

Рис. 4. Едвард Дженер

 

На відміну від натуральної віспи, захворювання не було смертельно небезпечним для людини, але, як помітив Дженнер, люди ті, що перехворіли віспою корів не захворювали натуральною віспою.

Клінічні ознаки сказу були уперше описані давньогрецьким ученим Гіпократом. Але лише в 1885 році Луї Пастер (рис. 5) винайшов вакцину проти сказу на основі ослабленого (що втратив вірулентність) збудника. Отриманню вакцини передували розроблені Пастером методи культивування збудника у нервових тканинах собак і кроликів і послаблення вірулентних властивостей збудника.

Незважаючи на серйозні успіхи в боротьбі із сказом і віспою, аж до кінця 19 століття не були сформульовані чіткі уявлення про біологічні властивості збудників цих захворювань.

 

Рис. 5. Луі Пастер