«Гомельский государственный университет

имени Франциска Скорины»

Л. В. Шевцова

В 2 частях

Часть 1

Гомель 2010

УДК 578 (075.8)

ББК 28.3я73

Ш 378
Рецензенты: Н. М. Дайнеко, кандидат биологических наук, заведующий кафедрой ботаники и физиологии растений; Л. А. Евтухова, кандидат биологических наук, заведующая кафедрой физиологии человека и животных

Рекомендовано к изданию научно-методическим советом учреждения образования «Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»

Шевцова, Л. В.

Ш 378 Вирусология: практическое пособие для студентов 3 курса специальности 1―31 01 01 02 «Биология» (научно-педагогическая деятельность): в 2 частях. Ч. 1 / Л. В. Шевцова; Мн-во образования РБ. ― Гомель: ГГУ им. Ф. Скорины, 2010. ― с.

ISBN

УДК 578. (075.8)

ББК 28.3я73

ISBN © Шевцова Л.В., 2010

Содержание

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

отдельных их структур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Лабораторное занятие 1 Морфология и ультраструктура вирусов . . . . 12

Тема 2 Принципы классификации вирусов животных,

человека и растений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

и растений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Лабораторное занятие 3 Методы выделения, культивирования

и идентификации вирусов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40

Лабораторное занятие 4 Организация геномов вирусов и

выражение вирусного генома при репродукции вирусов . . . . . . . . . . . . . . 51

Тема 4 Взаимодействие вирусов с клеткой -хозяином . . . . . . . . . . . . . . . 52

Лабораторное занятие 5 Взаимодействие вирусов

с клеткой -хозяином . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Введение

Вирусология занимает одно из центральных мест среди медико-биологических наук. Бурное развитие ее в последние два десятилетия обусловлено следующими факторами. Во-первых, вирусные болезни имеют ведущее значение в инфекцион­ной патологии человека. Во-вторых, в настоящее время получила признание вирусная теория этиологии рака, лейкозов и других злокачественных новообразований. В-третьих, на основании изучения природы вирусов и взаимодействия их с клетками хозяев в настоящее время решаются фундаменталь­ные проблемы биологии: раскрытие природы генетического кода, механизмов синтеза нуклеиновых кислот и бел­ков, химического мутагенеза. В-четвертых, вирусы являются особой категорией органической материи, отличающейся от животного и растительного цар­ства. Поэтому в настоящее время изучение разных форм органического мира немыслимо без изучения вирусов.

В переводе с латинского virus означает «яд, ядовитое начало». До конца 19 в. термин «вирус» использовался для обозначения любого инфекционного агента, вызывающего заболевание. Открытое Д. И. Ивановским (1892) «фильтрующееся ядовитое начало», вызывающее табачную мозаику, М. Бейеринк назвал «фильтрующимся вирусом». Этот термин постепенно сократился до одного слова – «вирус».

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

• 
  имеют ультрамикроскопические размеры;
  
• 
  они не имеют клеточного строения;
  
• 
  содержат нуклеиновую кислоту только одного типа – или ДНК, или РНК. Все другие организмы содержат нуклеиновые кислоты обоих типов, геном у них представлен только ДНК;
  
• 
  геном у подавляющего большинства вирусов гаплоидный;
  
• 
  у вирусов отсутствуют собственные системы мобилизации энергии;
  
• 
  у вирусов нет собственных белоксинтезирующих систем;
  
• 
  вирусы не способны к росту и бинарному делению. Они размножаются путем воспроизведения себя из собственной геномной нуклеиновой кислоты, т. е. вирусы образуются в виде зрелых форм (вирионов) путем самосборки из готовых (преформированных) компонентов. Размножение всех прочих организмов включает стадии бинарного деления клеток;
  
• 
  репликация вирусов происходит в клетках хозяина с использованием белоксинтезирующих и энергетических систем последних. Поэтому вирусы – абсолютные (облигатные) внутриклеточные паразиты.
  

Вирусология изучает морфологию, строение, экологию, генетику, молекулярную биологию вирусов, процессы их репликации, направление и механизмы эволюции; эпидемиологию, методы лабораторной диагностики, профилактики и лечения вызываемых ими заболеваний.

Если в прошлое столетие наблюдался прогресс в контроле за вирусными инфекциями (ликвидировано одно из наиболее опасных заболеваний – оспа, получены вакцины против полиомиелита, кори и др.), то настоящее время в развитии вирусологии может рассматриваться как постгеномный период. Ряд новых направлений постгеномного периода получили дополнительный суффикс «-омика», например, геномика, транскриптомика, протеомика.

Геномика изучает структурно-функциональные межгенные взаимосвязи в процессах физиологической и патологической экспрессии генома. Она используется для идентификации, таксономии, изучения процессов эволюции генов и микроорганизмов.

Транскриптомика изучает способы, механизмы и закономерности транскрипции генов, разрабатывает методы и препараты для ее регуляции и практического использования.

Протеомика изучает структурно-функциональные взаимосвязи и проводит анализ закономерностей биосинтеза отдельных вирусных и клеточных белков, белок-белковых взаимодействий и изменений в процессах инфекции или лечения.

Тема 1 Строение вирусных частиц и функции их отдельных структур

1.1 Структура вирусных частиц

1.2 Оболочки вирионов

1.3 Типы симметрии

1.4 Функции структурных компонентов вирусных частиц
1.1 Структура вирусных частиц

Вирусы – это мельчайшие живые организмы:

• 
  их размеры варьируют в пределах примерно от 20 до 300 мм (в среднем они в пятьдесят раз меньше бактерий);
  
• 
  вирусы нельзя увидеть с помощью светового микроскопа, так как их размеры меньше полудлины световой волны. Для изучения морфологии и структуры вирусов используют электронные микроскопы;
  
• 
  вирусы проходят через фильтры, которые задерживают бактериальные клетки.
  

По морфо­логии выделяют вирусы палочковидные (возбудитель лихорадки Эбола), пулевидные (вирус бешенства), сферические (герпесвирусы), овальные (вирус оспы), а также бактериофаги, имеющие сложную форму (имеют головку и хвостик).

Различают две формы существования вирусов. Внеклеточная форма – вирион – включает в себя все составные элементы (капсид, нуклеиновую кислоту, структурные белки, ферменты и др.). Внутриклеточная форма – вирус – может быть представлена лишь одной молекулой нуклеиновой кислоты, так как, попадая в клетку, вирион распадается на составные элементы.

По строению различают два типа вирусных частиц: простые и сложные. Простые («голые») вирусы состоят из сердцевины и белковой оболочки – капсида. Сложные («одетые») вирусы имеют дополнительную липопротеидную оболочку – суперкапсид или пеплос.

Внутренняя структура простых и сложных вирусов сходна.

Сердцевина вируса – вирусная нуклеиновая кислота (ДНК либо РНК) – вирусный геном. Наи­более простой вирусный геном кодирует 3-4 белка, наиболее сложный − более 50 полипепти­дов.

Снаружи нуклеиновая кислота покрыта белковым чехлом – капсидом, образуя комплекс – нуклеокапсид, по химической природе представляющий собой нуклеопротеид.

Рисунок 1 – Форма и относительные размеры вирионов некоторых семейств ДНК-содержащих вирусов животных

Рисунок 2 – Форма и относительные размеры вирионов некоторых семейств РНК-содержащих вирусов животных:

1 – Paramyxoviridae; 2 – Orthomyxoviridae; 3 – Coronaviridae; 4 – Arena-viridae; 5 – Retroviridae; 6 – Reoviridae; 7 – Picornaviridae; 8 – Rhabdoviridae; 9 – Orbiviridae; 10 – Togaviridae; 11 – Bunyaviridae

1.2 Оболочки вирионов

Капсид (лат. capsa, ящик) часто построен из повторяющихся субъединиц – капсомеров. Капсомеры являются морфологическими единицами вирусов (рисунок 3). Число капсомеров строго специфично для каждого вида и зависит от размеров и морфологии вирионов. Например, вирус полиомиелита содержит 32 капсомера, а аденовирус – 252.

Рисунок 3 − Модели вирусных частиц. Часть палочки вируса мозаичной болезни табака; видны капсомеры и инкрустированные в них витки нуклеиновой кислоты.

Основные функции капсида – защита вирусного генома от внешних воздействий, обеспечение адсорбции вириона к клетке, проникновение его в клетку путём вза­имодействия с клеточными рецепторами. Белки капсида обладают антигенными свойствами.

Комплекс капсида и вирусного генома называют нуклеокапсидом.

Дополнительная оболочка сложных вирусов – суперкапсид образован из плазматической мембраны клетки-хозяина. Суперкапсид встречается только у сравнительно крупных вирусов (грипп, герпес) и выполняет защитную функцию. В составе суперкапсида выделяют внутренний белковый слой (М-белок), внешний объемный слой липидов и углеводов (компонентов мембран клетки-хозяина) и поверхностные гликопротеиды. Вирусспецифические гликопротеиды встраиваются в липидный бислой, образуя разные по форме выпячивания, например, шипы.

Капсомеры вириона организованы в один или два слоя по двум типам симметрии – кубичес­кому или спиральному (рисунок 4). Симметричность капсида связана с тем, что для упаковки генома требу­ется большое количество капсомеров, а компактное их соединение возможно лишь при условии симметричного расположения субъединиц. Формирование капсида напоминает процесс крис­таллизации и протекает по принципу самосборки.

Рисунок 4 – Основные типы симмет­рии вирусов:

А – куби­ческий («голый» вирион); Б – кубический («одетый» вирион); В – спиральный («го­лый» вирион); Г – спиральный («одетый» вирион)
Спиральная симметрия. В нуклеокапсиде взаимодействие нуклеиновой кислоты и белка осуществляется по одной оси вращения. Каждый вирус со спиральной симметрией обладает характерной длиной, шириной и периодичностью нуклеокапсида. Нуклеокапсиды большин­ства патогенных для человека вирусов имеют спиральную симметрию. К этой группе отно­сят и вирус табачной мозаики (рисунок 5), капсид которого образован 2130 одинаковыми белковыми субъединицами. Организация по принципу спиральной симметрии придаёт вирусам палочковидную форму. При спиральной симметрии белковый чехол лучше защищает наследственную информацию, но требует большого количества белка, так как покрытие со­стоит из сравнительно крупных блоков.

Рисунок 7 – Бактериофаг

(смешанный тип симметрии)


Кубическая симметрия. У подобных вирусов нуклеиновая кислота окружена капсомерами, образующими фигуру икосаэдра – многогранника с 12 вершинами, 20 треугольными граня­ми и 30 углами (рисунок 6). Организация по принципу кубической симметрии при­даёт вирусам сферическую форму. Принцип кубической симметрии – самый экономичный для формирования замкнутого капсида, так как для его организации используются сравни­тельно небольшие белковые блоки, образующие большое внутреннее пространство, в которое свободно укладывается нуклеиновая кислота.

Двойная (смешанная) симметрия. Некоторые бактериофаги (вирусы бактерий) имеют двойную симмет­рию: головка организована по принципу кубической симметрии, отросток – по принципу спиральной симметрии (рисунок 7).

Отсутствие постоянной симметрии. Для вирусов больших размеров (для поксвирусов) характерно отсутствие постоянной симметрии.
1.4 Функции структурных компонентов вирусных частиц

Белки. В состав нуклеокапсидов входят внутренние белки, обеспечивающие правильную упаковку генома, а также выполняют структурную и ферментативную функции.

Вирусные ферменты разделяют на вирионные и вирусиндуцированные. В капсидах могут присутствовать ферменты обеих групп.

– ферменты, обеспечивающие проникновение вирусных нуклеиновых кислот в клетку и выход дочерних популяций;

– ферменты, участвующие в транскрипции и репликации вирусного генома (например, обратная транскриптаза).

Вирусиндуцированные ферменты закодированы в вирусном геноме.

Поверхност­ные белки «голых» вирусов обеспечивают взаимодействие вирусов с клеточными рецептора­ми и последующее проникновение в клетку путём эндоцитоза. Суперкапсидные гликопротеиды, образующие шипы, распознают клеточные рецепторы и связываются с ними, обеспечивают слияние вирусной мембраны с мембраной клетки.

1. 
   Дайте определение понятию «вирусы».
   
2. 
   Какие формы существования различают у вирусов?
   
3. 
   Какие свойства характеризуют вирусы как особое царство ультрамикроскопических организмов?
   
4. 
   Какие размеры и форму имеют вирусные частицы?
   
5. 
   Приведите примеры разных по морфологии вирусов.
   
6. 
   Назовите структурные элементы простых и сложных вирусов?
   
7. 
   Какую химическую природу имеют сердцевина, капсид и нуклеокапсид вириона?
   
8. 
   Что является морфологической и структурной единицами капсида?
   
9. 
   Что определяет способ укладки капсомеров в капсиде?
   
10. 
    Какое происхождение имеет суперкапсид сложных вирусов?
    
11. 
    Дайте характеристику кубическому, спиральному и смешанному типам симметрии и приведите примеры вирусов с этими типами симметрии.
    
12. 
    Какие слои различают в ультраструктуре суперкапсида?
    
13. 
    Какие функции выполняют капсид и суперкапсид?
    
14. 
    Где в вирусной частице расположены М- и F-белки и какие функции они выполняют?
    
15. 
    Дайте определение понятиям «вирионные» и «вирусиндуцированные» ферменты.
    
16. 
    Назовите белковые структуры вирусной частицы и их функции.
    
17. 
    Какая группа органических соединений образует поверхностные структуры суперкапсида?
    
18. 
    Какие функции выполняют липиды вирусной частицы?