Віруси та їхня біологічна роль. Пріони та віроїди.

Лекція № 3.

Розділ: Біорізноманіття.

Тема: Віруси та їхня біологічна роль. Пріони та віроїди.

Мета вивчення:

• розглянути особливості організації та функціонування вірусів, віроїдів, пріонів;
• гіпотези походження вірусів;
• навчити порівнювати віруси, віроїди та пріони, аналізувати їх схожі риси та відмінності.

Література:

1. Біологія і екологія: підруч. для 10 кл. закладів загальної середньої освіти: рівень стандарту/О. А. Андерсон, М. А. Вихренко, А. О. Чернінський. – К.: Школяр, 2018. – 216 с.: іл.

2. Біологія і екологія (рівень стандарту): підруч. для 10 кл. закл. заг. серед. освіти / В. І. Соболь. – Кам’янець-Подільський: Абетка, 2018. – 272 с.: іл.

3. Задорожний К.М. Біологія і екологія (рівень стандарту): підруч. для 10 кл. закл. загал. серед. освіти / К.М. Задорожний. — Харків: Вид-во «Ранок», 2018. — 208 с.: іл.

План

1. Особливості будови та функціонування вірусів.

2. Шляхи проникнення вірусу.

3. Походження вірусів та їх роль в екосистемах.

4. Значення вірусів у житті людини.

5. Пріони.

6. Віроїди.

Основний зміст

Особливості будови та функціонування вірусів.

Уперше існування вірусів довів видатний ботанік Дмитро Івановський 1892 року. Досліджуючи захворювання тютюну – листкову мозаїку, він за допомогою керамічних фільтрів намагався виділити збудника цієї хвороби. Але навіть фільтри з найдрібнішим діаметром пop не змогли його затримати, і відфільтрований сік хворої рослини спричинював захворювання здорових.

На підставі цього вчений висловив припущення про існування невідомого на той час науці об’єкта. Пізніше було доведено існування аналогічних збудників різних захворювань тварин.

Усі ці непомітні у світловий мікроскоп живі об’єкти дістали назву віруси. Але систематичне вивчення вірусів почалося лише в 30-ті роки XX століття після винаходу електронного мікроскопа.

Життєві цикли різних вірусів відбуваються за загальною схемою, у якій

можна виокремити такі стадії: адсорбція вірусу на клітинній мембрані і проникнення вірусу в клітину; експресія і реплікація вірусного геному; збирання вірусів та їх вихід із клітини. Проникнення вірусу в клітину може

спричинювати інфекційне захворювання. Розрізняють гострі та хронічні вірусні інфекції. Унаслідок гострої інфекції після утворення нового покоління вірусів клітина зазвичай гине. За хронічної інфекції нові покоління вірусних частинок утворюються в клітині протягом тривалого часу. Інколи материнська клітина може передавати вірусну інфекцію дочірнім. Також вірус може призвести до структурних і функціональних змін у клітині внаслідок механічного пошкодження клітинних структур. У деяких випадках віруси (наприклад, вірус папіломи людини та інші онкогенні віруси) можуть спричинити неконтрольований поділ клітин і перетворення їх на ракові.

Порівнюючи віруси з організмами, можна виявити як ознаки подібності, так і ознаки відмінності. Віруси мають у своєму складі органічні речовини – нуклеїнові кислоти та білки, здатні до розмноження, успадковування ознак, мінливості та адаптації до умов навколишнього середовища. Ознаки, за якими віруси відрізняються від організмів, такі: відсутність клітинної будови, власної білок-синтезувальної системи та обміну речовин; геном вірусу може бути утворений як дво-, так й одноланцюговою молекулою ДНК або РНК; віріон утворюється внаслідок збирання; деякі віруси можуть формувати всередині клітини кристали. Зважаючи на це, можна дати означення поняття вірусу.

Віруси – неклітинні форми життя, що є автономними генетичними системами, нездатними до самостійного існування поза клітиною хазяїна, тобто внутрішньоклітинними паразитами.

Шляхи проникнення вірусу. Більшість вірусів специфічні: вони вражають лише певні типи клітин хазяїна – багатоклітинних організмів чи

окремі види одноклітинних організмів. Існує декілька шляхів проникнення

вірусів у клітини бактерій, рослин і тварин. Проникнення в клітину-хазяїна починається із взаємодії вірусної частинки з мембраною клітини, на якій розташовані особливі рецепторні ділянки. Віруси бактерій – бактеріофаги,

проникають у клітину шляхом, зумовленим будовою капсиду. Віруси рослин проникають в організм унаслідок руйнування цілісності покривів, а в клітину – через пошкодження клітинних стінок. У багатьох складних вірусів (наприклад, вірус грипу) мембрани вірусної частинки і клітини зливаються. Часто вірусна частинка потрапляє всередину клітини в результаті піноцитозу (вірус поліомієліту). В організм тварин віруси проникають через різні системи органів. Наприклад, повітряно-крапельним шляхом через органи дихання проникають віруси грипу, віспи, кору. Статевим шляхом передаються віруси герпесу, папіломи, ВІЛ. Варто звернути увагу на те, що

проникнення вірусу в організм хазяїна можливе й за участі переносників –

комах, кліщів тощо.

Походження вірусів та їх роль в екосистемах. Існує декілька гіпотез походження вірусів. Згідно з однією з них, віруси утворилися шляхом спрощення бактерій, що перейшли до внутрішньоклітинного паразитизму.

На користь цієї гіпотези свідчать особливості будови багатьох ДНК-вмісних

вірусів. Згідно з іншою гіпотезою, віруси утворилися з мобільних генетичних елементів клітини-хазяїна та набули здатності переміщатися не лише в межах одного геному, а й поза батьківською клітиною. На користь цієї гіпотези свідчать особливості будови вірусів-сателітів.

Віруси мають еволюційне значення. По-перше, вони можуть викликати

захворювання, а отже впливати на чисельність видів. По-друге, вони здатні

переносити генетичний матеріал між особинами навіть різних видів, що має

значення насамперед у прокаріотів. Проте, і в хордових тварин геном містить істотну кількість залишків вірусної ДНК, що також мало еволюційне значення.

Значення вірусів у житті людини. Деякі віруси спричинюють різноманітні, часто масові (епідемічні) та дуже небезпечні захворювання людини, уражаючи органи дихання (грип, аденоінфекції), травну (гастроентерити, гепатити) та нервову (поліомієліт, енцефаліти) системи, шкіру та слизові оболонки (кір, герпес, папіломи, вітряна віспа), пригнічують імунні реакції організму (СНІД), призводять до ракових захворювань. Негативний вплив вірусів на життя людини зумовлений і тим, що вони викликають захворювання свійських тварин та сільськогосподарських рослин.

Проте існує і позитивний ефект від існування вірусів. Так, людина використовує їх у біологічних методах боротьби зі шкідливими видами (личинками кровосисних комарів, шовкопряда-недопарки тощо). Зокрема, за допомогою вірусу вдалося розв’язати проблему масового розмноження кролів в Австралії, що загрожувало виснаженням пасовищ.

Віруси використовують і в генетичній інженерії: за їх допомогою певний ген, виділений з іншого організму або синтезований штучно, можна переносити в клітини бактерій. Так забезпечується синтез речовин, необхідних людині (наприклад, гормону інсуліну для лікування цукрового діабету, захисних білків-інтерферонів).

Пріони та віроїди.

Протягом багатьох років американський вірусолог Деніел Карлтон Гайдушек вивчав загадкову хворобу куру і встановив її інфекційну природу. За це відкриття у 1976 році вчений отримав Нобелівську премію в галузі фізіології або медицини. Але протягом довгого часу не було встановлено конкретну причину смертельних захворювань нервової системи людини і тварин, які нині об’єднують у групу трансмісивних енцефалопатій.

Пріони. У 1982 році американський біохімік Стенлі Прузінер довів, що

так званий «невстановлений трансмісивний агент» є патологічною формою

клітинного білка, який запропонував назвати «prion» (від англ. proteinaceous

infectious particles — «протеїнові інфекційні частки»). За відкриття пріонів

у 1997 році вчений отримав Нобелівську премію.

Пріоновий білок (позначається PrP) у людини кодується геном PRNP,

локус якого розташований у короткому плечі хромосоми 20, та в результаті

дозрівання містить 208 амінокислотних залишків. У нормальній формі, яка

називається клітинною (PrPС), цей білок є компонентом клітинних мембран.

Остаточно його роль не з’ясована, але важливо, що найвищу концентрацію

він має в нервових клітинах. Патологічна форма пріонового білка (PrPSC)

утворюється внаслідок посттрансляційних перетворень і, як правило, харак-

теризується переходом α-спіралей білка в β-складчатість. Уражена патологічною формою цього білка ділянка мозку має характерну губчасту

структуру внаслідок руйнування.

Пріони характеризуються високою стійкістю: не гинуть під час кип’ятіння, можуть витримувати холод до –40°C, не виявляють чутливість до ультрафіолетового випромінювання тощо. Патологічні форми мають ту саму амінокислотну послідовність, що й нормальні білки, а тому організм не продукує проти нього антитіла та не атакує їх лімфоцитами. Наразі вченими вивчено кілька шляхів поширення пріонових захворювань. Пріони можуть передаватися від інфікованої тварини або людини. Проникаючи в організм, вони провокують перетворення нормальних пріонів у патологічні, тим самим збільшуючи свою кількість.

Виникнення пріонових захворювань у такий спосіб зумовлене вживанням у їжу м’яса або молока зараженої тварини, використанням інфікованого біологічного матеріалу (препаратів крові, гормональних препаратів, трансплантів, наприклад, рогівки, твердої мозкової оболонки тощо). Захворювання може також розвиватися внаслідок генної мутації або спонтанного виникнення патологічного білка. Отже, пріонові захворювання можуть мати як спадковий, так і інфекційний характер. У людини описані такі пріонові захворювання, як губчаста енцефалопатія, хвороба Кройтцфельдта-Якоба, куру, синдром Альперса тощо.

Віроїди. Назва «віроїд» була запропонована в 1971 р. Теодором Дінером. Віроїди – найменші здатні до розмноження частинки, які відомі у природі. Від вірусів віроїди відрізняються певними ознаками: відсутня білкова оболонка, складаються лише з короткої (246–467 нуклеотидів) одноланцюгової кільцевої молекули РНК. Молекули РНК віроїдів не кодують власних білків. Наразі виявлено близько 10 різновидів віроїдів, які відрізняються за структурою, хазяїнами, яких вони вражають, симптомами хвороб. Наразі відкриті лише віроїди, які вражають рослинні організми. Функціонування цих неклітинних форм життя остаточно не з’ясоване, тому, можливо, нові відкриття чекають саме на вас.

Питання для самостійної роботи:

1. Дайте означення поняття вірус. Схарактеризуйте будову вірусів.

2. Які існують гіпотези походження вірусів?

3. Поясніть роль вірусів в еволюції організмів.

4. Сформулюйте означення термінів пріон, віроїд.

5. Опишіть особливості будови та функціонування пріонів.

6. Поясніть значення пріонів у житті людини.

7. Опишіть особливості будови віроїдів.