Основно съдържание

Курс: Биологична библиотека > Раздел 24

Урок 1: Вируси

Въведение във вируси

Класна стая на Google

Какво е вирус. Структурата на вируса и как той заразява клетката.

Ключови точки:

Вирусите са инфекциозни частици. Te се възпроизвеждат благодарение на клетки гостоприемници, които "превземат" и използват за създаването на нови вируси.
Един вирус е изграден от ДНК или РНК геном в протеинова обвивка, наречена капсид. Някои вируси имат външна мембранна обвивка.
Вирусите са много разнообразни. Те могат да имат различна форма, структура, различен вид геноми и могат да инфектират различни видове гостоприемници.
Вирусите се възпроизвеждат като инфектират клетки гостоприемници и ги превърщат във "фабрики" за производство на нови вируси.

Въведение

Учените са установили, че във всеки един момент съществуват около

10^{31}

вируси. Това е единица, след която има

31

нули! Ако някак си успееш да уловиш всички тези

10^{31}

вируси и да ги наредиш един върху друг, получената колона ще се разпростре на

200

светлинни години в космоса. Или казано по друг начин, вирусите на Земята са над десет милиона пъти повече, отколкото са звездите в цялата Вселена

^{2}

Това означава ли, че около нас има

10^{31}

вируса, които чакат да ни заразят? Всъщност повечето от тези вируси се намират в океана, където атакуват бактерии и други микроби

^{3}

. Може да изглежда странно, че бактериите могат да се заразят с вируси, но според учените вероятно всеки вид организъм е гостоприемник на поне един вирус!

Какво е вирус?

Вирусът е малка инфекциозна частица, която може да се възпроизведе само чрез инфектиране на гостоприемническа клетка. Вирусите "командват" гостоприемническата клетка и използват нейните ресурси, за да произведат повече вируси, препрограмирайки я да стане вирусна фабрика. Понеже не могат да се възпроизвеждат самостоятелно (без гостоприемник), вирусите не се смятат за живи организми. Нито пък вирусите имат клетки: те са много малки, много по-малки от клетките на живите организми, и по същество са само опаковки нуклеинова киселина и протеин.

Въпреки това вирусите споделят някои от важните характеристики на клетъчните форми на живот. Те имат геном, изграден от нуклеинови киселини, основан на същия генетичен код, който използват твоите клетки и клетките на всички живи същества. Също като клетъчните форми на живот, вирусите имат голямо генетично разнообразие и могат да еволюират. И дори да не отговарят на определението за жив организъм, изглежда че вирусите се намират в "сива" зона. (А може би вирусите са немъртви като зомбитата или вампирите!)

По какво вирусите се различават от бактериите?

Въпреки че и бактериите, и вирусите могат да ни разболеят, на биологично ниво те са много различни. Бактериите са малки и едноклетъчни, но те са живи организми, които не зависят от гостоприемник, за да се възпроизведат. Заради тези разлики бактериалните и вирусните инфекции се лекуват по много различен начин. Например антибиотиците помагат при бактериални, но не и при вирусни инфекции.

Бактериите са много по-големи от вирусите. Диаметърът на вирусите е около

20

-

300

нанометра

(

1

nm

=

10^{-9}

m

)

^{4}

. Това е значително по-малък размер от този на бактериите, диаметърът на бактериите E. coli е около

1000

nm

! Десетки милиони вируси могат да се поберат върху главата на карфица.

Отговорът зависи от това кога е зададен въпросът! През последните години се откриват все по-големи и по-големи вируси. В момента най-големият вирус, който ни е познат, се казва питовирус (Pithovirus). Той е пръчковиден и инфектира амеби, дължината му е

1, 5

µm

, а диаметърът -

0, 5

µm

^{5}

Този вирус е по-голям дори от някои клетки!

Но трябва да стане ясно, че питовирусът определено е изключение от правилото. Размерите на повечето вируси са около

20

-

300

nm

в диаметър и са много по-малки от клетките.

Структура на вирусите

На света има много различни вируси. Те се различават изключително много по своите размери, форма и жизнен цикъл. Ако ти е любопитно точно колко много се различават, можеш да си поиграеш със сайта ViralZone. Кликни на няколко случайни имена на вируси и виж на какви странни форми и характеристики ще попаднеш!

Но въпреки това вирусите споделят помежду си някои ключови белези. Тези белези включват:

Защитна протеинова обвивка или капсид
Геном, изграден от нуклеинови киселини - ДНК или РНК, който се крие в капсида
Мембранен слой, наречен суперкапсид (при някои, но не при всички вируси)

Нека разгледаме тези характеристики по-отблизо.

Изображението е модифицирано от "Схема на цитомегаловирус." от Еманюел Буте, CC BY-SA 2.5. Модифицираното изображение е под лиценз CC BY-SA 2.5.

Капсидите на вирусите

Капсидът или белтъчната обвивка на вируса е изграден от множество белтъчни молекули, а не само от една. Белтъците се свързват, за да изградят единици - капсомери, които заедно изграждат капсида. Белтъците на капсида винаги се кодират от вирусния геном. Това означава, че вирусът, а не клетката гостоприменик, дава инструкции за синтезирането им.

Можеш да си представиш капсида като футболна топка, в нея белите шестоъгълници и черните петоъгълници са капсомерите.

Ляв панел: модифицирано от "Parvoviridae virion" от ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4.0. Десен панел: "Soccer ball" от Pumbaa80, CC BY-SA 3.0.

Капсидите на някои вируси са сравнително прости и са изградени от много копия на един и същ белтък. Кучешкият парвовирус - много малък вирус, който инфектира кучета, има капсид, направен от

60

копия на един и същ протеин. Капсидът се състои от

12

капсомера, всеки от които съдържа по

5

капсидни белтъка. Капсидите на други вируси са по-сложни и се състоят от множество копия на няколко различни белтъка.

Капсидите могат да имат много различни форми, но формата им най-често е една от следните:

Икосаедрална
- икосаедралните капсиди имат 20 стени и името им идва от името на фигурата с 20 стени - икосаедър.
Пръчковидна
- пръчковидните капсиди се наричат така, тъй като са тънки и приличат на нишки. Белтъците, които изграждат пръчковидния касид, могат да са подредени в прави редици или спираловидно.
Глава и опашка
- тези капсиди са като смесица между икосаедралната и пръчковидната форма. Те се състоят от икосаедрална глава и пръчковидна опашка.
Диаграма на капсиди с икосаедрална (приблизително сферична), пръчковидна форма и капсид с глава и опашка (икосаедрална глава и пръчковидна опашка).
Изображението е модифицирано от "Икосаедрални вируси без суперкапсиди," "Спираловидни вируси без суперкапсиди," и "Фаг с глава и опашка" от Андерсън Брито, CC BY-SA 3.0. Модифицираното изображение е под лиценз CC BY-SA 3.0.

Суперкапсидите на вирусите

В допълнение към капсида някои вируси също имат външна липидна мембрана, позната като обвивка, която огражда целия капсид.

Вирусите не дават инструкции за производство на липидите, които изграждат суперкапсида. Вместо това те "взимат назаем" част от мембрана от клетката гостоприемник, когато я напускат. Но суперкапсидите могат да съдържат и белтъци, които са зададени от вируса, тези белтъци често помагат на вирусите да се свържат с клетката гостоприемник.

Въпреки че суперкапсидите са често срещани, особено сред животинските вируси, те не се откриват при всеки вирус (т.е. не са универсален белег на вирусите).

Вирусните геноми

Всички вируси имат генетичен материал (геном), изграден от нуклеинови киселини. Ти, също като всички други клетъчни форми на живот, използваш ДНК като генетичен материал. Но вирусите могат да използват ДНК или РНК, и двете молекули са нуклеинови киселини.

Често мислим за ДНК като за двойноверижна, а за РНК като за едноверижна, тъй като те често са такива в нашите собствени клетки. Но при вирусите може да има най-различни комбинации от вид верижност и вид нуклеинова киселина (двойноверижна ДНК, двойноверижна РНК, едноверижна ДНК или едноверижна РНК). Вирусните геноми имат разнообразни форми, размери и видове, въпреки че са много по-малки от геномите на клетъчните организми.

Вирусните геноми са доста малки! Те обикновено са с дължина от около

2

000

до няколко стотици хиляди нуклеотида.

^{6}

. (Нуклеотид е градивната единица на ДНК или РНК).

За сравнение, бактерията E. coli има геном, който е изграден от

4, 6

милиона

нуклеотида, а твоят геном има

6, 6

милиарда

нуклеотида!

Важно е, че и ДНК, и РНК вирусите винаги използват същия генетичен код като живите клетки. Ако не беше така, те нямаше да могат да програмират клетките гостоприемници да произвеждат нови вируси!

Какво е вирусна инфекция?

В ежедневието сме склонни да мислим за вирусната инфекция като неприятна съвкупност от симптоми, които получаваме, когато се заразим с вирус като този на грипа или на варицелата. Но какво точно се случва в тялото ни, когато се заразим с вирус?

На микроскопско ниво вирусната инфекция означава, че много вируси използват клетките ни, за да се възпроизведат. Вирусният жизнен цикъл се състои от стъпки, в които вирусът разпознава и навлиза в клетката гостоприемник. "Програмира" я, като ѝ дава инструкции под формата на вирусна ДНК или РНК, и използва ресурсите ѝ, за да създаде нови вирусни частици, които са резултатът от вирусното програмиране.

Жизненият цикъл на типичния вирус може да се раздели на пет големи стъпки (но подробностите за тези стъпки са различни за всеки вирус):

Прикрепяне. Вирусите разпознават и се свързват с клетката гостоприемник благодарение на рецептори на клетъчната повърхност.
Вирус, свързващ се към рецептора върху клетъчната повърхност.
Изображение, модифицирано от "Viral attachment to host cell" от ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4.0.
При адсорбцията специфичен протеин от капсида на вируса физически се "залепва" за специфична молекула от мембраната на клетката гостоприемник.
Тази молекула, наречена рецептор, обикновено е белтък. Вирусът разпознава клетките си гостоприемници благодарение на рецепторите, които носят. Клетка без рецептори за даден вирус не може да бъде заразена от него.
Проникване (пенетрация). Вирусът или неговият генетичен материал навлиза в клетката.
Типичен начин за навлизане на вирусите в клетките е чрез сливане с клетъчната мембрана. Този начин е най-често срещан при вирусите със суперкапсиди. Вирусите могат да подмамят клетките да ги приемат и чрез транспортния процес ендоцитоза. А някои вируси дори могат да инжектират своята ДНК в клетката!
Пътища на навлизане включват ендоцитоза (при която мембраната се сгъва навътре, за да вкара вируса в клетката в балонче) и директно сливане на вирусната частица с мембраната, освобождавайки съдържанието си в клетката.
Изображение, модифицирано от "Virus entry" от ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4.0.
Репликация на вирусните нуклеинови киселини и експресия на гени. Вирусният геном се копира и гените му се експресират, за да се произведат нови вирусни белтъци.
Вирусният геном е копиран и гените му също са експресирани, за да изградят вирусни протеини.
Изображение, модифицирано от "Positive stranded RNA virus replication от ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4.0.
Тази стъпка включва копиране на вирусния геном и производство на нови вирусни протеини, от които се сглобяват нови вирусни частици.
Материалите за тези процеси, като нуклеотидите за новата ДНК или РНК, идват от клетката гостоприемник, а не от вируса. Повечето от ресурсите за репликацията и генната експресия се доставят от клетката. Например информационната РНК (иРНК), която кодира вирусните гени, се транслира до вирусни белтъци благодарение на клетъчните рибозоми. Въпреки това някои стъпки като копирането на РНК на вирусния геном не могат да се извършат от ензимите на клетката гостоприемник. В тези случаи вирусите трябва да кодират собствените си ензими.
Различните вируси синтезират различни белтъци. Но всички вируси трябва да кодират белтъци на капсида, а вирусите, които имат суперкапсид, също кодират и белтъци, които са част от суперкапсида и обикновено служат за разпознаване на гостоприемника. Вирусите могат да кодират и протеини, които манипулират генома на гостоприемника (например като блокират защитните процеси на клетката или активират експресията на гени, които ще са полезни на вируса), помагат на вирусния геном да се реплицира или имат важна роля за други части от жизнения цикъл на вируса.

Формиране. Нови вирусни частици се формират от копията на генома и вирусните протеини.
По време на формирането новосинтезираните капсидни белтъци се събират и формират капсомери, които взаимодействат с други капсомери и формират завършения капсид.
Някои вируси като тези, които имат глава и опашка, първо формират "празен" капсид и след това го запълват с вирусния геном. Други вируси изграждат капсида около вирусния геном, както е показано по-долу.
Протеините на капсида се събират около вирусния геном, образувайки нова вирусна частица с генома във вътрешността (оградена от капсида).
Изображение, модифицирано от "Cytoplasmic capsid assembly/packaging от ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4.0.
Излизане. Зрелите вирусни частици излизат от клетката и са готови да инфектират други клетки.
Вирусите могат да излязат чрез лизиране на клетката, екзоцитоза или пъпкуване от плазмената мембрана.
Изображение, модифицирано от "Virus exit" от ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4.0.
Последната стъпка от жизнения цикъл на вируса е излизането на новите вирусни частици от клетката гостоприемник. Различните видове вируси излизат от гостоприемниците си по различни начини: някои карат клетката да се пръсне (процес, наречен лизиране), други вируси излизат чрез клетъчната системата за експорт (екзоцитоза), а трети се откъсват от плазмената мембрана на клетката, взимайки част от мембраната със себе си.
В някои случаи излизането на новите вирусни частици убива клетката гостоприменик. Например клетка гостоприемник, която се пръсне, няма да оцелее. В други случаи излизането на вирусите оставя гостоприемника здрав, така че да продължи да произвежда още нови вирусни частици.

Диаграмата по-горе показва как тези стъпки могат да протекат при вирус, който има геном от едноверижна РНК. Можеш да видиш истински примери за жизнения цикъл на вирусите в статиите за бактериофагите (bacteria-infecting viruses) или за животинските вируси.

Тази статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове:

Вайц, Дж. С. и Вилхелм, С. В. (1-ви юли 2013 г.). Океан от вируси. В Ученият. Достъп от http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/36120/title/An-Ocean-of-Viruses/.
Цимер, К. (20-ти февруари 2013 г.). Безкрайност от вируси. В The loom: блог на Карл Цимер. Достъп от http://phenomena.nationalgeographic.com/2013/02/20/an-infinity-of-viruses/.
Сътъл, К. С. (2007). Морски вируси - главни действащи лица в глобалната екосистема. Nat. Rev. Microbiol.. 5(10) 801-12.
Вирус. (4-ти май 2016 г.). Достъп на 10-ти май 2016 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Virus.
Питовирус. (26-ти май 2016 г.). Достъп на 10-ти май 2016 г. от Уикипедия: https://en.wikipedia.org/wiki/Pithovirus.
Колко големи са геномите? (няма дата). Достъп от http://www.weizmann.ac.il/plants/Milo/images/How%20big%20is%20на%20genome120112Clean.pdf.
Пиърсън, Т. К. (2-ри ноември 2012 г.) Жизненият цикъл на флавивирусите. В Лаборатории на NIAID. Достъп от https://www.niaid.nih.gov/research/ted-c-pierson-phd

Допълнителни източници:

Ачесън, Н. Х. (2007). Въведение във вирусологията. В Основи на молекулярната вирусология. (1-во издание, стр. 1-17). Хобокен, Ню Джърси: Уайли.

Болати, М., Алварес, К., Асенберг, Р., Баронти, К., Канар, Б., Кук, С., Кутар, Б., Декроли Е., де Лабалери К., Гулд, Е. А., Грард, Г., Граймс, Дж. М., Хилгенфелд, Р., Янсон, А. М., Мале, Х., Манчини, Е. Дж., Мастранджело Е., Матеви, А., Милани, М., Муро Г., Тейтс Дж., Оуенс, Р. Дж., Рен, Дж., Селиско, Б., Сперони, С., Щойбер, Х., Стюарт, Д. И., Унг, Т. и Болонези, М. (2010). Структура и функция на NS-протеините във флавивирусите: перспективи за дизайн на лекарства. Antiviral Res., 87(2) 125-148. http://dx.doi.org/10.1016/j.antiviral.2009.11.009.

Бортман, Х. (6-ти септември 2010 г.). Проследяване на вируси назад във времето. В Списание за астробиология. Достъп от http://www.astrobio.net/topic/origins/extreme-life/tracking-viruses-back-in-time/.

Първс, У. К., Садава, Д. И., Орианс, Г. Х. и Хелър, Х. К. (2004). Вируси: възпроизвеждане и рекомбинация. В Живот: Науката биология (7-мо издание, стр. 258-263). Съндърланд, Масачузетс: Sinauer Associates.

Раканиело, В. (6-ти септември 2013г.). Колко вируси има на Земята? В Блог за вирусология: вируси и вирусни заболявания. Достъп от http://www.virology.ws/2013/09/06/how-many-viruses-on-earth/.

Рейвън, П. Х. и Джонсън, Г. Б. (2002). Природата на вирусите. В Биология (6-то издание., стр. 667). Бостън, Масачузетс: McGraw-Hill.

Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В. и Джаксън, Р. Б. (2011). Живот назаем. В Биология на Кембъл (10-то издание, стр. 392-393). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.

Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В. и Джаксън, Р. Б. (2011). Структура на вирусите. В Биология на Кембъл (10-то издание, стр. 394-395). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.

Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В. и Джаксън, Р. Б. (2011). Вирусите се възпроизвеждат само в клетки. В Биология на Кембъл (10-то издание, стр. 395-403). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.

Травис, Дж. (2009). Целият свят е бактериофаг. Научни новини, 2(164) 26-27. http://www.jstor.org/stable/3982016.

Вирусът Зика (щам MR-766). (няма дата) Във ViralZone. Достъп от http://viralzone.expasy.org/all_by_protein/6756.html.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.