Урок-лекция для учащихся 10-го класса химико-биологического профиля по теме Вирусы


Цели урока:

  1. освоение знаний о роли биологической науки в формировании современной естественнонаучной картине мира (появление неклеточных форм жизни)
  2. продолжить развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей в процессе изучения выдающихся достижений биологии
  3. воспитание необходимости бережного отношения к собственному здоровью
  4. использование приобретенных знаний и умений в повседневной жизни для обоснования и соблюдения мер профилактики заболеваний.

Задача: Рассмотреть особенности строения, жизнедеятельности вирусов и их значение в природе для человека.

Оборудование: таблицы по общей биологии, мультимедиа.

План лекции:

  1. История вирусологии
  2. Основные свойства вирусов
  3. Формы существования вирусов

Литература

  1. С.Лурия, Дж. Дарнелл. Общая вирусология. М., 1970
  2. А.Г.Букринская. Вирусология. М., 1986
  3. А.И.Коротяев, С.А.Бабичев. Мед. микробиол., иммунол.  и вирусология. СПб., 1998. 2000, 2001

Интернет ресурсы



  1. www.bio.nature.ru- Научные новости биологии.
  2. www.km.ru/education — Учебные материалы и словари на сайте «Кирилл и Мефодий»

История вирусологии

Приоритет открытия вирусов принадлежит выдающемуся русскому ученому Д. И. Ивановскому. Еще, будучи студентом Петербургского университета, в 1887 г. по предложению своих учителей А. Н. Бекетова и А. С. Фаминцына Д. И. Ивановский вместе со студентом В. В. Половцевым приступил к изучению мозаичной болезни табака, наносившей большой вред сельскому хозяйству.



Ими было установлено, что описанная в Голландии А. Мейером мозаичная болезнь табака представляет собой не одно, а два совершенно различных заболевания одного и того же растения, одно из которых — рябуха (ее возбудитель — грибок), а другое — собственно мозаичная болезнь табака неизвестного происхождения. Изучение природы этого заболевания Д. И. Ивановский проводил самостоятельно, оно и привело его к открытию первого вируса. Капелькой сока, взятого от больного растения, Д. И. Ивановский заражал здоровое растение и вызывал его заболевание. Это убедило его в том, что инфекционное начало находится в соке. Однако при микроскопии сока он не обнаружил в нем никаких бактерий, а посевы сока на питательные среды не давали никакого роста. Тогда Д. И. Ивановский решил профильтровать такой странный сок через фарфоровые фильтры, через которые бактерии не проходят. Однако профильтрованный сок вызывал мозаичную болезнь у здоровых растений спустя 15 дней после заражения. Еще более любопытным был тот факт, что профильтрованный сок, нагретый до 60-70°С, утрачивал инфекционные свойства. К тому же, при последовательном заражении соком больных растений болезнь проявлялась всегда, т. е. заразное начало не разбавлялось, а будучи введенным в растение, в нем размножалось, значит, являлось живым существом, которое Д. И. Ивановский назвал фильтрующимся вирусом. Результаты своих работ он опубликовал в журнале «Сельское хозяйство и лесоводство» в статье «О двух болезнях табака» и доложил на заседании Российской Академии наук.

12 февраля 1892 г. является официальным днем рождения новой науки — вирусологии, а Д. И. Ивановский — ее основоположником.

Очень скоро после работ Д. И. Ивановского было установлено, что вирусы широко распространены в природе и вызывают заболевания не только у растений, но и у животных и человека. Открытия вирусов следовали одно за другим: 1897 г. — вирус ящура; 1901 г. — вирус желтой лихорадки; 1903 г. — вирус бешенства; 1908 г. — вирус оспы человека; 1909 г. — вирус полиомиелита. Эти открытия не прекращаются и в наше время: 1970 г. — вирус гепатита В; 1973 г. — вирус гепатита А; 1977 г. — вирус дельта-гепатита; 1983 г. — вирус СПИДа.

Основные свойства вирусов

Основные свойства вирусов, по которым они отличаются от всех остальных живых существ следующие:

  • ультрамикроскопические размеры;
  • содержат нуклеиновую кислоту только одного типа — или ДНК, или РНК (все другие организмы содержат нуклеиновые кислоты обоих типов, а геном у них представлен только ДНК);
  • вирусы не способны к росту и бинарному делению;
  • вирусы размножаются путем воспроизводства себя из собственной геномной нуклеиновой кислоты;
  • у вирусов отсутствуют собственные системы мобилизации энергии;
  • у вирусов нет собственных белоксинтезирующих систем.
  • вирусы – абсолютные внутриклеточные паразиты, их средой обитания являются бактерии, клетки растений, животных и человека.

С учетом перечисленных особенностей вирусам можно дать следующее определение: Вирусы – это особое царство ультрамикроскопических размеров организмов, обладающих только одним типом нуклеиновых кислот, лишенных собственных систем синтеза белка и мобилизации энергии и являющихся, поэтому абсолютными внутриклеточными паразитами (А. И. Коротяев).



Существует и другой взгляд на природу вирусов: «…вирусы можно рассматривать как генетические элементы, одетые в защитную оболочку и способные переходить из одной клетки в другую» (Б. Альберте с соавт., 1986).

Молекулярно-генетическая организация вирусов

Основой таксономии вирусов является вирион, который представляет собой конечную фазу развития вируса. Вирион состоит из геномной нуклеиновой кислоты, окруженной одной или двумя оболочками. По строению вирусы можно разделить на 4 типа, которые различаются по характеру упаковки морфологических субъединиц:

а) вирусы со спиральной симметрией; б) изометрические вирусы с кубической симметрией; в) вирусы с бинарной симметрией, например фаги: у них головка имеет кубический тип симметрии, а хвостик — спиральный; г) более сложно организованные вирусы, имеющие вторую оболочку.

Оболочка, в которую упакована геномная нуклеиновая кислота, называется капсидом (от греч. capsa — ящик). Наиболее просто организованные вирусы представляют собой нуклеокапсиды: они состоят только из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки, построенной из идентичных пептидных молекул. Поскольку число аминокислотных остатков в белковой молекуле всегда меньше числа нуклеотидов в гене (код триплетный), то для того, чтобы упаковать геномную нуклеиновую кислот требуется большое число одинаковых белковых молекул. А многократное повторение белок-белковых взаимодействий возможно лишь при условии симметричного расположения субъединиц. Существует всего два способа упаковки одинаковых белковых молекул в капсид, при которых он обладал бы стабильностью. Процесс образования такого полимера родствен процессу кристаллизации, он протекает по типу самосборки. Один из вариантов такой самосборки происходит с использованием спиральной симметрии, другой — кубической симметрии.

При спиральной симметрии (ее имеют нитевидные вирусы) белковые субъединицы располагают по спирали, а между ними, также по спирали, уложена геномная нуклеиновая кислота. Лучше все этот тип молекулярной организации вириона изучен у вируса мозаичной болезни табака, капсид вириона которого состоит из 2130 белковых молекул, винтообразно уложенных вокруг РНК, содержащей около 6000 нуклеотидов. С каждой белковой субъединицей связано три нуклеотида. Белковая спираль состоит из 130 витков. При спиральной симметрии белковый чехол лучше защищает геномную нуклеиновую кислоту, но при этом требуется большее количество белка, чем при кубической симметрии.

Большинство вирусов с замкнутым чехлом обладает кубической симметрией. В ее основе лежат различные комбинации равносторонних треугольников, образующихся из сочетания шаровидных белковых субъединиц. Сочетаясь определенным образом друг с другом, они могут формировать замкнутую сферическую поверхность. Из различных сочетаний равносторонних треугольников, которые образуют общую вершину и общую ось симметрии, могут возникать различные варианты многогранников: тетраэдры, октаэдры и икосаэдры. Икосаэдры имеют 20 граней (каждая представляет равносторонний треугольник), 12 вершин и пятикратную тройную и двойную оси вращательной симметрии. Это самая эффективная и экономичная симметрия для формирования замкнутого чехла, так как в этом случае при его сборке используются строительные белки минимального размера и обеспечивается наибольший внутренний объем вириона. Видимо, поэтому сферические вирусы животных чаще всего имеют форму икосаэдра.

Число капсомеров для вирусов данного вида является постоянным, оно имеет диагностическое значение. Например, вирион аденовирусов имеет 252 капсомера, у парвовирусов — 32, у паповавирусов — 72. Молекулярная организация всех простых вирусов сводится к использованию спиральной и кубической симметрии.

Более сложно устроены вирусы, у которых имеется вторая оболочка. Вначале она получила название «пеплоса» (накидка греческих солдат). Позднее ее стали называть суперкапсидом. Он представляет собой обычную биологическую мембрану, состоящую из двух слоев липидов, имеющих клеточное происхождение, и заключенных в них гликозилированных суперкапсидных вирусных белков, которые выступают над наружной поверхностью вириона в виде своеобразных шипов. Суперкапсидные вирусные белки, образующие шипы, обладают жизненно важными для вируса функциями: они распознают клеточные рецепторы и связываются с ними; обеспечивают слияние вирусной мембраны с мембраной клетки и ее лизосом; способствуют распространению вируса организме за счет слияния клеток; многие из них обладают свойствами протективных антигенов т. д. Многие сложные вирусы, такие как ортомиксовирусы, парамиксовирусы, коронавирусы и другие устроены таким образом, что их нуклеокапсид, имеющий палочковидную спиральную структуру, свернутую определенным образом, окружен суперкапсидной липопротеиновой оболочкой, придающей вириону сферическую форму. Вирионы рабдовирусов содержат спиральный нуклеокапсид, образующий цилиндрическую структуру, покрытую липидсодержащим суперкапсидом, который придает вириону пулевидную форму. У других вирусов, например у тогавирусов, нуклеокапсид имеет форму икосаэдра, который окружен суперкапсидной оболочкой, придающей вириону шаровидную форму. Вирион ретровирусов имеет икосаэдрический капсид, внутри которого располагается спиральный нуклеокапсид, а сам вирион покрыт липидсодержащей оболочкой, придающей ему сферическую форму.

Наиболее сложное строение имеют самые крупные вирусы, относящиеся к семейству поксвирусов. Их вирионы имеют форму параллелепипеда (или овоидную), размером 300-450 х 170-260 нм. Вирионы покрыты внешней оболочкой, под которой располагаются сложное образование из тубулярных структур и внутреннее ядро, состоящее из ДНК-содержащей сердцевины и одного или двух боковых телец. Вирион содержит более 30 структурных белков и несколько ферментов. Таким образом, структура вириона у каждого семейства вирусов имеет отличительные особенности. Форма и относительные размеры ДНК — и РНК — содержащих вирусов представлены на рисунках.

Презентация




Следующий: