Чим пов'язані віруси і молекули. Тест з біології «Молекулярно-генетичний рівень
Від неживої матерії віруси відрізняються двома властивостями: здатністю відтворювати собі подібні форми (розмножуватися) і володінням спадковістю і мінливістю.
Влаштовані віруси дуже просто. Кожна вірусна частка складається з РНК або ДНК, укладеної в білкову оболонку, яку називаютькапсидом (рис. 16).
2. Життєдіяльність вірусів.
Проникнувши в клітину, вірус змінює в ній обмін речовин, направляючи всю її діяльність на виробництво вірусної нуклеїнової кислоти і вірусних білків. Усередині клітини відбувається самосборка вірусних частинок з синтезованих молекул нуклеїнової кислоти і білків. До моменту загибелі в клітці встигає синтезуватися величезне число вірусних частинок. В кінцевому підсумку клітина гине, оболонка її лопається і віруси виходять з клітини-хазяїна (рис. 17).
Поселяясь в клітинах живих організмів, Віруси викликають багато небезпечні захворювання: у людини грип, віспу, кір, поліомієліт, свинку, сказ, СНІД і багато інших; у рослин мозаїчну хворобу тютюну, томатів, огірків, скручування листя, карликовість та ін .; у тварин ящур, чуму свиней і птахів, інфекційну анемію коней і ін.
Питання до заліку по розділу «Молекулярний рівень живої природи»
Кожному варіанту буде запропоновано 10 питань
на кожне питання потрібно дати відповідь одним повним пропозицією
- Які елементи входять до складу вуглеводів? Запишіть загальну формулу вуглеводів.
- Які вуглеводи входять до складу нуклеїнових кислот (ДНК і РНК)?
- Запишіть назви найбільш важливих дисахаридов.
- Запишіть назви найбільш важливих полісахаридів.
- Які полісахариди входять до складу клітинних стінок клітин рослин і грибів?
- Які вуглеводи накопичуються в клітинах рослин і тварин в якості запасних речовин?
- Запишіть загальну формулу амінокислоти.
- Чим представлені первинна і вторинна структури білків?
- Чим представлені третинна і четвертинна структури білків?
- Що таке денатурація?
- Які молекули відносяться до биополимерам?
- Що таке ферменти?
- Як називається ділянка ферменту, який взаємодіє з молекулою субстрату?
- Де в клітці знаходяться молекули ДНК?
- Які азотисті основи входять до складу нуклеотидів ДНК? РНК?
- скільки водневих зв'язків утворюється між комплементарними азотистими підставами в ДНК?
- Які функції виконують ДНК і РНК в клітині?
- Які вуглеводи входять до складу нуклеотидів ДНК? РНК?
- Які органічні молекули, крім білків, мають каталітичну активність?
- Які види РНК розрізняють в клітці?
- Де в клітці знаходяться молекули РНК?
- Із залишків яких молекул складаються жири?
- Скільки енергії виділяється при окисленні жиру в порівнянні з вуглеводами?
- Які молекули є хранителями генетичної інформації?
- Які молекули головний будівельний матеріал клітини? Основний і запасний джерело енергії?
- Який вуглевод і яке азотистих основ входять до складу АТФ?
- Яка кількість енергії виділяється при розпаді АТФ до АМФ і 2 молекул Н3 РО 4?
- Чому для нормального обміну речовин організму необхідні вітаміни?
- Які нуклеїнові кислоти можуть зустрічатися у вірусах?
- Перерахуйте 5 захворювань людини, що викликаються вірусами.
Завдання частини А. Виберіть одну правильну відповідь з чотирьох запропонованих
А1. Нижчим рівнем організації живого є:
1) атомний
2) клітинний
3) молекулярний
4) організменний
А2. Серед пеерчісленних речовин не є біологічним полімером:
2) глюкоза
3) глікоген
4) гемоглобін
А3. неорганічними речовинами клітини є:
1) вуглеводи і жири
2) нуклеїнові кислоти і вода
3) білки і жири
4) вода і мінеральна вода
А4. Органічні речовини клітини, що забезпечують зберігання спадкової інформації і передачу її нащадкам, основа її генетичного апарату:
3) вуглеводи
4) нуклеїнові кислоти
А5. З перерахованих углеводом моносахаридом є:
2) крохмаль
3) сахароза
4) фруктоза
А6. Молекули ліпідів складаються з:
1) аміноксилот
2) моносахаридів
3) води і мінеральних речовин
4) гліцерину і вищих жирних кислот
А7. У порівнянні з окисленням 1 г вуглеводів при оксіленіі жирів такої ж маси утворюється енергії:
1) менше в два рази
2) більше в два рази
3) більше в чотири рази
4) однакова кількість
А8. Органічні речовини, які є основним будівельним матеріалом структур клітини і беруть участь в регуляції процесів її життєдіяльності, - це:
1) білки
3) вуглеводи
4) нуклеїнові кислоти
А9. Все різноманіття білків утворюється за рахунок різного поєднання в їх молекулах:
1) 4 амінокислот
2) 20 амінокислот
3) 28 амінокислот
4) 56 амінокислот
А10. Нівисшій рівень просторової структурної конфігурації молекули гемоглобіну:
1) первинний
2) вторинний
3) третинний
4) четвертинний
А11. Мономерами молекул нуклеїнових кислот є:
1) нуклеотиди
2) моносахариди
3) аміноксилот
4) вищі жирні кислоти
А12. До складу ДНК входить цукор:
2) глюкоза
3) фруктоза
4) дезоксирибоза
А13. Вкажіть пару комплементарний нуклеотидів в молекулі ДНК:
2) А-Т
А14. Для ділянки ДНК АЦЦГТААТГ вкажіть комплементариев ланцюг:
1) ААГГТЦАГТ
2) ТГГЦТААЦЦ
3) ТЦЦГТТАЦГ
4) ТГГЦАТТАЦ
А15. До складу АТФ входіьт:
1) рибоза, аденін, три залишку фосфорної кислоти
2) рибоза, аденін, один залишок фосфорної кислоти
3) рибоза, дезоксирибоза, три залишку фосфорної кислоти
4) дезоксирибоза, аденін, три залишку фосфорної кислоти
А16. АТФ відіграє важливу роль в метаболізмі організмів, так як:
1) є структурною основою нуклеотидів
2) містить мікроенергіческій зв'язку
3) зазвичай є кінцевим продуктом обміну речовин
4) її можна швидко отримати з середовища, що оточує організм
А17. До водорозчинних відноситься вітамін:
2) З
А18. за хімічним складом більшість ферментів є:
2) білками
3) вуглеводами
4) нуклеїновими кислотами
2) віруси
3) бактерії
4) одноклітинні рослини
А20. Віруси складаються з:
1) целюлозної оболонки, цитоплазми, ядра
2) білкової оболонки і цитоплазми
3) нуклеїнової кислоти і білкової оболонки
4) нескольктх мікроскопічних клітин
Завдання частини В. Виберіть три правильні відповіді з шести запропонованих
В 1. Молекула ДНК відрізняється від іРНК тим, що:
1) вона згорнута в спіраль
2) складається з двох полінуклеотидних ланцюжків
3) складається з однієї полинуклеотидной ланцюжка
4) має здатність самоудваіванія
5) не має здатності самоудваіванія
6) служить матрицею для складання поліпептидного ланцюга
В 2. Для вуглеводів характерні наступні функції:
1) сигнальна
2) структурна
3) транспортна
4) регуляторна
5) енергетична
6) ферментативна
Установіть відповідність між змістом першого і другого стовпчиків
У 3. Зіставте органічна речовина і функцію, виконувану їм в клітці і / або в організмі
а б в г д 5 1 4 2 3
Встановіть правильну послідовність біологічних процесів, явищ, практичних дій
В 4. Установіть послідовність утворення структури молекули білка гемоглобіну
а) скручування молекул білка в спіраль
б) утворення пептидних зв'язків між амінокислотами і формування пептидного ланцюга
в) об'єднання кількох глобул
г) скручування молекули білка в клубок
<Бактериофаг>
Виявлено також віруси, що вражають інші віруси (віруси-сателіти.
Багато віруси є збудниками захворювань, таких як СНІД, корова краснуха, епідемічний паротит (свинка), вітряна і натуральна віспа. Віруси мають мікроскопічні розміри, багато хто з них здатні проходити через будь-які фільтри. І відміну від бактерій, віруси не можна вирощувати на поживних середовищах, так як поза організмом вони не виявляють властивостей живого. Поза живого організму (хазяїна) віруси являють собою кристали речовин, що не мають ніяких властивостей живих систем.
Історія
Вперше існування вірусу (як нового типу збудника хвороб) довів в 1892 році російський вчений Д. І. Івановський. Після багаторічних досліджень захворювань тютюнових рослин, в роботі, датованій тисяча вісімсот дев'яносто дві роком, Д. І. Івановський приходить до висновку, що тютюнова мозаїка викликається «бактеріями, що проходять через фільтр Шамберлана, які, проте, не спроможні рости на штучних субстратах». П'ять років по тому, при вивченні захворювань великої рогатої худоби, а саме - ящура, було виділено аналогічний фільтрівний мікроорганізм. А в 1898 році, при відтворенні дослідів Д. Іванівського голландським ботаніком М. Бейеринком, він назвав такі мікроорганізми «фільтрівними вірусами». В скороченому вигляді, ця назва і стало позначати дану групу мікроорганізмів. У 1901 році було виявлено перше вірусне захворювання людини - жовта лихоманка. Це відкриття було зроблено американським військовим хірургом У. Рідом і його колегами. У 1911 році Френсіс Раус довів вірусну природу раку - саркоми Рауса (лише в 1966 році, через 55 років, йому була вручена за це відкриття Нобелівську премію з фізіології і медицині). У наступні роки вивчення вірусів відіграло важливу роль у розвитку епідеміології, імунології, молекулярної генетики та інших розділів біології. Так, експеримент Херші-Чейз став вирішальним доказом ролі ДНК у передачі спадкових властивостей. В різні роки ще як мінімум шість Нобелівських премій по фізіології і медицині і три Нобелівських премії з хімії були вручені за дослідження, безпосередньо пов'язані з вивченням вірусів. У 2002 році в Нью-Йоркському університеті був створений перший синтетичний вірус (вірус поліомієліту).
будова вірусів
Просто організовані віруси складаються з нуклеїнової кислоти та кількох білків, що утворюють навколо неї оболонку - капсид. Прикладів таких вірусів є вірус тютюнової мозаїки. Його капсид містить один вид білка з невеликою молекулярною масою. Складно організовані віруси мають додаткову оболонку - білкову або ліпопротеїнову; іноді в зовнішніх оболонках складних вірусів крім білків містяться вуглеводи. Прикладом складно організованих вірусів служать збудники грипу і герпесу. Їх зовнішня оболонка - це фрагмент ядерної або цитоплазматичної мембрани клітини-хазяїна, з якої вірус виходить в позаклітинне середовище. Зрілі вірусні частинки називаються вирионами. Фактіче¬скі вони представляють собою геном, покритий зверху білковою оболонкою. Ця оболочка- капсид. Вона побудована з білкових молекул, що захищають генетичний матеріал вірусу від воз¬действія нуклеаз - ферментів, що руйнують нуклеїнові кіс¬лоти. У деяких вірусів поверх капсида розташовується суперкапсідная оболонка, також побудована з білка. Генетичний матеріал представлений нуклеїнової кислотою. У одних вірусів це ДНК (так звані ДНК-ові віруси), у інших - РНК (РНК-ові віруси). РНК-ові віруси також називають ретровирусами, так як для синтезу вірусних білків в цьому випадку необхідна зворотна транскрипція, яка здійснюється ферментом - зворотною транскриптазою (ревертазой) і являє собою синтез ДНК на базі РНК.
Роль вірусів у біосфері
Віруси є однією з найпоширеніших форм існування органічної матерії на планеті за чисельністю: води світового океану містять колосальну кількість бактеріофагів (близько 250 мільйонів часток на мілілітр води), їх загальна чисельність в океані - близько 4 × 1030, а чисельність вірусів (бактеріофагів) в донних відкладеннях океану практично не залежить від глибини і всюди дуже висока. В океані мешкають сотні тисяч видів (штамів) вірусів, переважна більшість яких не описані і тим більше не вивчені. Віруси грають важливу роль в регуляції чисельності популяцій деяких видів живих організмів (наприклад, вірус дікованія раз в декілька років скорочує чисельність песців в кілька разів).
Положення вірусів в системі органічного світу
походження вірусів
структура
Вірусні частинки (віріони) представляють собою білкову капсулу - капсид, що містить геном вірусу, представлений однією або декількома молекулами ДНК або РНК. Капсид побудований з капсомеров - білкових комплексів, що складаються, в свою чергу, з протомеров. Нуклеїнова кислота в комплексі з білками позначається терміном нуклеокапсид. Деякі віруси мають також зовнішню ліпідну оболонку. Розміри різних вірусів коливаються від 20 (парвовіруси) до 500 (мімівіруса) і більш нанометрів. Віріони часто мають правильну геометричну форму (Ікосаедр, циліндр). Така структура капсида передбачає ідентичність зв'язків між складовими її білками, і, отже, може бути побудована з стандартних білків одного або декількох видів, що дозволяє вірусу економити місце в геномі.
механізм інфікування
Умовно процес вірусного інфікування в масштабах однієї клітини можна розбити на кілька взаімоперекривающіхся етапів:
1. Приєднання до клітинної мембрани - так звана адсорбція. Зазвичай для того, щоб віріон адсорбувався на поверхні клітини, вона повинна мати у складі своєї плазматичної мембрани білок (часто глікопротеїн) - рецептор, специфічний для даного вірусу. Наявність рецептора нерідко визначає коло господарів даного вірусу, а також його тканеспеціфічность. 2. Проникнення в клітину. На наступному етапі вірусу необхідно доставити всередину клітини свою генетичну інформацію. Деякі віруси переносять також власні білки, необхідні для її реалізації (особливо це характерно для вірусів, що містять негативні РНК). Різні віруси для проникнення в клітину використовують різні стратегії: наприклад, пікорнавіруси впорскують свою РНК через плазматичну мембрану, а віріони ортомиксовирусов захоплюються клітиною в ході ендоцитозу, потрапляють в кисле середовище лізосом, де відбувається їх остаточне дозрівання (депротеїнізація вірусної частинки), після чого РНК в комплексі з вірусними білками долає лізосомальну мембрану і потрапляє в цитоплазму. Віруси також розрізняються за локалізацією їх реплікації, частину вірусів (наприклад, ті ж пікорнавіруси) розмножується в цитоплазмі клітини, а частина (наприклад, ортоміксовіруси) в її ядрі. 3. Перепрограмування клітини. При зараженні вірусом в клітці активуються спеціальні механізми противірусного захисту. Заражені клітини починають синтезувати сигнальні молекули - інтерферони, які переводять навколишні здорові клітини в противірусну стан і активують системи імунітету. Пошкодження, що викликаються розмноженням вірусу в клітці, можуть бути виявлені системами внутрішнього клітинного контролю, і така клітина повинна буде «покінчити життя самогубством» в ході процесу, званого апоптозом або програмованої клітинної смерті. Від здатності вірусу долати системи противірусного захисту безпосередньо залежить його виживання. Не дивно, що багато вірусів (наприклад, пікорнавіруси, флавівіруси) в ході еволюції набули здатності пригнічувати синтез інтерферонів, апоптозну програму і так далі. Крім придушення противірусного захисту, віруси прагнуть створити в клітці максимально сприятливі умови для розвитку свого потомства. 4. Персистенція. Деякі віруси можуть переходити в латентний стан, слабо втручаючись в процеси, що відбуваються в клітині, і активуватися лише за певних умов. Так побудована, наприклад, стратегія розмноження деяких бактеріофагів - до тих пір, поки заражена клітина знаходиться в сприятливому середовищі, фаг не вбиває її, успадковується дочірніми клітинами і нерідко інтегрується в клітинний геном. Однак при попаданні зараженої лізогенним фагом бактерії в несприятливе середовище, збудник захоплює контроль над клітинними процесами так, що клітина починає виробляти матеріали, з яких будуються нові фаги. Клітка перетворюється на фабрику, здатну виробляти багато тисяч фагів. Зрілі частинки, виходячи з клітини, розривають клітинну мембрану, тим самим вбиваючи клітину. З персистенцією вірусів (наприклад, паповавирусов) пов'язані деякі онкологічні захворювання. 5. Дозрівання віріонів і вихід з клітини. Зрештою, новосинтезовані геномні РНК або ДНК одягаються відповідними білками і виходять з клітини. Слід сказати, що активно розмножується вірус не завжди вбиває клітину-господаря. У деяких випадках (наприклад, ортоміксовіруси) дочірні віруси відгалужуються від плазматичної мембрани, не викликаючи її розриву. Таким чином, клітина може продовжувати жити і продукувати вірус.
Згадайте!
Чим віруси відрізняються від всіх інших живих істот?
Чому існування вірусів чи не суперечить основним положенням клітинної теорії?
Складаються з органічних речовин, Що і клітини (білки, нуклеїнові кислоти)
Розмножуються за допомогою клітин
Які ви знаєте вірусні захворювання?
Грип, ВІЛ, сказ, краснуха, віспа, герпес, гепатит, кір, папілома, поліомієліт.
Питання для повторення та завдання
1. Як влаштовані віруси?
Віруси мають дуже просту будову. Кожен вірус складається з нуклеїнової кислоти (або ДНК, або РНК) і білка. Нуклеїнова кислота є генетичним матеріалом вірусу. Вона оточена захисною білковою оболонкою - капсидом. Всередині капсида можуть також знаходитися власні вірусні ферменти. Деякі віруси, наприклад вірус грипу і ВІЛ, мають додаткову оболонку, яка утворюється з клітинної мембрани клітини-хазяїна. Капсид вірусу, що складається з багатьох білкових молекул, володіє високим ступенем симетрії, маючи, як правило, спіральну або багатогранну форму. Ця особливість будови дозволяє окремих білків вірусу об'єднуватися в повну вірусну частку шляхом самосборки.
2. Який принцип взаємодії вірусу і клітини?
3. Опишіть процес проникнення вірусу в клітину.
«Голі» віруси проникають в клітку шляхом ендоцитозу - занурення ділянки клітинної мембрани в місці їх адсорбції. Інакше цей процес відомий як віропексіса [вірус + грец. pexis, прикріплення]. «Одягнені» віруси проникають в клітку шляхом злиття суперкапсиду з клітинної мембраною за участю специфічних F-білків (білків злиття). Кислі значення рН сприяють злиттю вірусної оболонки і клітинної мембрани. При проникненні «голих» вірусів в клітину утворюються вакуолі (ендосоми). Після проникнення «одягнених» вірусів в цитоплазму відбувається часткова депротеїнізація віріонів і модифікація їх нуклеопротеида (роздягання). Модифіковані частки втрачають інфекційні властивості, в ряді випадків змінюються чутливість до РНКаз, нейтралізують дію антитіл (AT) та інші ознаки, специфічні для окремих груп вірусів.
4. У чому проявляється дія вірусів на клітину?
Подумайте! Згадайте!
1. Поясніть, чому вірус може проявити властивості живого організму, тільки втілившись в живу клітину.
Вірус-некліткова форма життя, у нього немає ніяких органоїдів, що виконують в клітинах певні функції, немає обміну речовин, віруси не харчуються, не розмножуються самостійно, не синтезують ніяких речовин. У них є тільки спадковість в формі якоїсь однієї нуклеїнової кислоти-ДНК або РНК, а також капсид з білків. Тому тільки в клітці господаря, коли вірус вбудовує свою ДНК (якщо це ретро-вірус, то спочатку відбувається зворотна транскрипція і будується по РНК-ДНК) в ДНК клітини, можуть утворюватися нові віруси. При реплікації і надалі синтезі кліткою нуклеїнових кислот і білків заодно відтворюється і вся інформація вірусу, занесена їм, і збираються нові вірусні частинки.
2. Чому вірусні захворювання мають характер епідемій? Охарактеризуйте заходи боротьби з вірусними інфекціями.
Поширюються швидко, повітряно-крапельним шляхом.
3. Висловіть свою думку про час появи на Землі вірусів в історичному минулому, враховуючи, що віруси можуть розмножуватися тільки в живих клітинах.
4. Поясніть, чому в середині XX в. віруси стали одним з головних об'єктів експериментальних генетичних досліджень.
Віруси швидко розмножуються, ними легко заразитися, викликають епідемії і пандемії, можуть служити мутагенами для людини, тварин і рослин.
5. Які труднощі виникають при спробах створити вакцину проти ВІЛ-інфекції?
Так як ВІЛ знищує імунну систему людини, а вакцина виготовляється з ослаблених або вбитих мікроорганізмів, продуктів їх життєдіяльності, або з їх антигенів, отриманих генно-інженерних або хімічним шляхом. Імунна ситема не витримає цього дії.
6. Поясніть, чому перенесення вірусами генетичного матеріалу від одного організму до іншого називають горизонтальним переносом. Як тоді, на вашу думку, називають передачу генів від батьків дітям?
Горизонтальний перенос генів (ГПГ) - процес, в якому організм передає генетичний матеріал іншому організму, яка не є його нащадком. Вертикальний перенесення генів - це перенесення генетичної інформації від клітини або організму до їх потомству при допомога звичайних генетичних механізмів.
7. У різні роки як мінімум сім Нобелівських премій по фізіології і медицині і три Нобелівських премії з хімії були вручені за дослідження, безпосередньо пов'язані з вивченням вірусів. Використовуючи додаткову літературу і ресурси Інтернету, підготуйте повідомлення або презентацію про сучасні досягнення в області дослідження вірусів.
Боротьба людства з епідемією СНІДу триває. І хоча рано підводити підсумки, визначені, без сумніву, оптимістичні тенденції, все-такіпрослежіваются. Так, біологам з Америки, вдалося виростити імунні клітини, в яких вірус імунодефіциту людини розмножуватися не може. Цього вдалося домогтися за допомогою новітньої методики, що дозволяє впливати на роботу спадкового апарату клітини. Професор Колорадського університету Рамеш Аккіна і його колеги спроектували особливі молекули, які блокують роботу одного з ключових генів вірусу імунодефіциту. Потім вчені виготовили штучний ген, здатний здійснювати синтез таких молекул, і за допомогою вірусу-носітеляввелі його в ядра стовбурових клітин, які в наслідку і дають початок імунним клітинам вже захищеним від ВІЛ-інфекції. Однак наскільки ця методика виявиться ефективною в боротьбі зі СНІДом, покажуть тільки клінічні випробування.
Ще 20 років тому захворювання вважалося невиліковним. У 90-ті роки застосовувалися тільки препарати короткоживучого інтерферону-альфа. Ефективність такого лікування була дуже низька. Протягом останнього десятиліття «золотим стандартом» в терапії хронічного гепатиту С була комбінована противірусна терапія пегільованим інтерфероном-альфа і рибавірином, ефективність якої щодо елімінації вірусу, тобто лікування гепатиту С, досягає в цілому 60-70%. При цьому, серед хворих, інфікованих 2 і 3 генотипами вірусу, вона становить близько 90%. У той же час, частота лікування у хворих, інфікованих генотипом вірусу С, до останнього часу складала всього 40-50%.
1. Особливості життєдіяльності (розміри)
2. Схема будови вірусу
3. Схема проникнення в клітину, розмноження
4. Вірші та загадки про віруси
4.Загадкі і вірші
У мене сумний вигляд, -
Голова з ранку болить,
Я чхаю, я захрип.
Що таке?
Це - ... грип
Підлий вірус цей грип
Глова зараз болить
Піднялась температура
І нужнате перь мікстура
Захворіла дитинко на кір?
Це зовсім і не горе
Лікар допоможе, поспішить
Нашу дитинку вилікує
На щеплення я йду
Гордо до лікаря прийду
Шприц давайте і укол
Все готово? Я пішов
Ваша майбутня професія
1. Доведіть, що базові знання про процеси, що відбуваються на молекулярному і клітинному рівнях організації живого, необхідні не тільки біологам, а й фахівцям в інших галузях природничих наук.
Біофізики, біохіміки, не зможуть обійтися без таких знань. Фізичний і хімічний процеси протікають за однаковими законами.
2. Які професії в сучасному суспільстві вимагають знання будови і особливостей життєдіяльності прокаріотів? Підготуйте невелике (не більше 7-10 речень) повідомлення про ту професію, яка вас найбільш вразила. Поясніть свій вибір.
Системний біотехнолог. Спеціаліст по заміщенню застарілих рішень в різних галузях новими продуктами галузі біотехнологій. Наприклад, він буде допомагати транспортним компаніям перейти на біопаливо замість дизельного, а будівельним - на нові біоматеріали замість цементу і бетону. Використовувати біотехнології для очищення рідких середовищ.
3. «Ці фахівці потрібні у ветеринарних і медичних наукових інститутах, академічних інститутах, на підприємствах, пов'язаних з біотехнологіями. Вони не залишаться без роботи в лабораторіях поліклінік і лікарень, на агрономічних селекційних станціях, в ветеринарних лабораторіях і лікарнях. Часом саме вони можуть поставити найбільш вірогідний і точний діагноз. Їх дослідження незамінні для ранньої діагностики онкологічних захворювань ». Припустімо, про людей якою спеціальністю йде мова в цих пропозиціях. Доведіть свою точку зору.
Напевно генетики. Займаючись генетичним матеріалом можуть працювати в будь-яких галузях пов'язаних з живими організмами, будь то селекція або будь-яка галузь медичних знань.
Віруси - істота або речовина?
Протягом останніх 100 років вчені не раз змінювали своє уявлення про природу вірусів, мікроскопічних переносників хвороб.
Спочатку віруси вважали отруйними речовинами, потім - однією з форм життя, потім - біохімічними сполуками. Сьогодні припускають, що вони існують між живим і неживим світами і є основними учасниками еволюції.
В наприкінці XIX століття було встановлено, що деякі хвороби, в тому числі сказ і ящур, викликають частинки, схожі на бактерії, але набагато більш дрібні. Оскільки вони мали біологічну природу і передавалися від однієї жертви до іншої, викликаючи однакові симптоми, віруси стали розглядати як найдрібніші живі організми, що несуть генетичну інформацію.
Зведення вірусів до рівня неживих хімічних об'єктів відбулося після 1935 року, коли Уенделл Стенлі (Wendell Stanley) вперше закристалізуватися вірус тютюнової мозаїки. Виявилося, що кристали складаються з складних біохімічних компонентів і не володіють необхідним для біологічних систем властивістю - метаболічної активністю. У 1946 р вчений отримав за цю роботу Нобелівську премію з хімії, а не по фізіології або медицини.
Подальші дослідження Стенлі чітко показали, що будь-який вірус складається з нуклеїнової кислоти (ДНК або РНК), упакованої в білкову оболонку. Крім захисних білків у деяких з них є специфічні вірусні білки, що беруть участь в інфікуванні клітини. Якщо судити про віруси тільки з цього опису, то вони дійсно більше схожі на хімічні субстанції, ніж на живий організм. Але коли вірус проникає в клітину (після чого її називають клітиною-господарем), картина змінюється. Він скидає білкову оболонку і підпорядковує собі весь клітинний апарат, змушуючи його синтезувати вірусні ДНК або РНК і вірусні білки відповідно до інструкцій, записаними в його геном е. Далі відбувається самосборка вірусу з цих компонентів і з'являється нова вірусна частка, готова інфікувати інші клітини.
Така схема змусила багатьох вчених по-новому поглянути на віруси. Їх стали розглядати як об'єкти, що знаходяться на кордоні між живим і неживим світами. За словами вірусологів Марка ван Регенмортеля (M.H.V. van Regenmortel) з Страсбурзького університету у Франції і Брайана Махи (B.W. Mahy) з центрів по профілактиці захворювань і контролю за їх розповсюдженням, такий спосіб існування можна назвати "життям в борг". Цікавий такий факт: при тому, що довгий час біологи розглядали вірус як "білкову коробку", наповнену хімічними деталями, вони використовували його здатність до реплікації в господарській клітці для вивчення механізму кодування білків. Сучасна молекулярна біологія багато в чому зобов'язана своїми успіхами інформації, отриманої при вивченні вірусів.
Вчені кристалізувалися більшість клітинних компонентів (Рибосоми, мітохондрії, мембранні структури, ДНК, білки) і сьогодні розглядають їх або як "хімічні машини", або як матеріал, який ці машини використовують або виробляють. Подібний погляд на складні хімічні структури, що забезпечують життєдіяльність клітини, і став причиною не надто великий заклопотаності молекулярних біологів статусом вірусів. Дослідники цікавилися ними тільки як агентами, здатними використовувати клітини в своїх цілях або служити джерелом інфекції. Більш складна проблема, що стосується вкладу вірусів в еволюцію, залишається для більшості вчених несуттєвою.
Бути чи не бути?
Що означає слово "живий"? Більшість вчених сходяться на думці, що крім здатності до самовідтворення живі організми повинні володіти і іншими властивостями. Наприклад, життя будь-якої істоти завжди обмежується в часі - воно народжується і вмирає. Крім того, живі організми мають певний ступінь автономії в біохімічному сенс е, тобто в якійсь мірі покладаються на власні метаболічні процеси, що забезпечують їх речовинами і енергі їй, які і підтримують їх існування.
Камінь, так само як і крапелька рідини, в якій протікають метаболічні процеси, але яка не містить генетичного матеріалу і не здатна до самовідтворення, безсумнівно, неживий об'єкт. Бактерія ж - живий організм, і хоча вона складається всього з однієї клітини, вона може виробляти енергі ю і синтезувати речовини, що забезпечують її існування і відтворення. Що в цьому контекст е можна сказати про насіння? Не всяке насіння проявляє ознаки життя. Однак, перебуваючи в спокої, воно містить той потенціал, який отримало від безсумнівно живої субстанції і який за певних умов може реалізуватися. У той же час насіння можна необоротно зруйнувати, і тоді потенціал залишиться нереалізованим. В цьому плані вірус більше нагадує насіння, ніж живу клітину: у нього є якісь можливості, які можуть і не здійснитися, проте немає здатності до автономного існування.
Можна також розглядати живе і як стан, в яке при певних умовах переходить система, що складається з неживих компонентів, що володіють певними властивостями. Як приклад подібних складних (емерджентних) систем можна привести життя і свідомість. Щоб досягти відповідного статусу, у них повинен бути певний рівень складності. Так, нейрон (сам по собі або навіть у складі нейрон ної мережі) не володіє свідомістю, для цього необхідний мозок. Але і інтактний мозок може бути живим в біологічному сенс е і в той же час не забезпечувати свідомість. Точно так же ні клітинні, ні вірусні гени або білки самі по собі не служать живою субстанцією, а клітина, позбавлена \u200b\u200bядра, схожа з обезголовленим людиною, оскільки не має критичного рівня складності. Вірус теж не здатний досягти подібного рівня. Так що життя можна визначити як якесь складне Емерджентні стан, що включає такі ж основні "будівельні блоки", якими володіє і вірус. Якщо йти за такою логікою, то віруси, не будучи живими об'єктами в строгому сенс е цього слова, все ж не можуть бути віднесені до інертних систем: вони знаходяться на кордоні між живим і неживим.
| реплікації вірусу |
Віруси і еволюція
У вірусів є своя, дуже довга еволюційна історія, Висхідна до витоків виникнення одноклітинних організмів. Так, деякі вірусні системи репарації, які забезпечують вирізання неправильних підстав з ДНК і ліквідацію пошкоджень, що виникли під дією радикалів кисню, і т.д., є тільки у окремих вірусів і існують в незмінному вигляді мільярди років.
Дослідники не заперечують, що віруси грали якусь роль в еволюції. Але, вважаючи їх неживою матерією, вони ставлять їх в один ряд з такими факторами, як кліматичні умови. Такий фактор впливав на організми, які володіли що змінюються, генетично детермініруемих ознаками, ззовні. Організми, більш стійкі до цього впливу, успішно виживали, розмножувалися і передавали свої гени наступним поколінням.
Однак насправді віруси впливали на генетичний матеріал живих організмів не опосередковано, а самим що ні на є прямим чином - вони обмінювалися з ним своїми ДНК і РНК, тобто були гравцями на біологічному полі. Великим сюрпризом для лікарів і біологів-еволюціоністів стало те, що велика частина вірусів виявилася цілком нешкідливими створіннями, не пов'язаними ні з якими хворобами. Вони спокійно дрімають усередині клітин-господарів або використовують їх апарат для свого неспішного відтворення без жодного збитку для клітини. У таких вірусів є маса хитрощів, що дозволяють їм уникнути невсипущого ока імунної системи клітини - для кожного етапу імунної відповіді у них заготовлено ген, який цей етап контролює або видозмінює в свою користь.
Більш того, в процесі спільного проживання клітини і вірусу вірусний геном (ДНК або РНК) "колонізує" геном хазяйської клітини, забезпечуючи його все новими і новими генами, які в підсумку стають невід'ємною частиною геном а даного виду організмів. Віруси роблять більш швидке і пряму дію на живі організми, ніж зовнішні чинники, Які здійснюють відбір генетичних варіантів. Численність популяцій вірусів укупі з їх високою швидкістю реплікації і високою частотою мутацій перетворює їх на основне джерело генетичних інновацій, постійно створює нові гени. Який-небудь унікальний ген вірусного походження, подорожуючи, переходить від одного організму до іншого і вносить вклад в еволюційний процес.
Клітка, у якої знищена ядерна ДНК, - справжній "покійник": вона позбавлена \u200b\u200bгенетичного матеріалу з інструкціями про діяльність. Але вірус може використовувати для своєї реплікації що залишилися цілими компоненти клітини і цитоплазму. Він підпорядковує собі клітинний апарат і змушує його використовувати вірусні гени як джерело інструкцій для синтезу вірусних білків і реплікації вірусного геном а. Унікальна здатність вірусів розвиватися в загиблих клітинах найбільш яскраво проявляється, коли господарями служать одноклітинні організми, перш за все населяють океани. (Переважна кількість вірусів мешкає на суші. За оцінками фахівців, в Світовому океані налічується не більше 1030 вірусних частинок.)
Бактерії, фотосинтезуючі ціанобактерії і водорості, потенціал ьние господарі морських вірусів, нерідко гинуть під дією ультрафіолетового випромінювання, яке руйнує їх ДНК. При цьому деякі віруси ( "постояльці" організмів) включають механізм синтезу ферментів, які відновлюють пошкоджені молекули хазяйської клітини і повертають її до життя. Наприклад, ціанобактерії містять фермент, який бере участь у фотосинтезі, і під дією надлишкової кількості світла іноді руйнується, що призводить до загибелі клітини. І тоді віруси під назвою ціанофагі "включають" синтез аналога бактеріального фотосинтезуючого ферменту, більш стійкого до УФ-випромінювання. Якщо такий вірус інфікує тільки що загиблу клітину, Фотосинтезуючі фермент може повернути останню до життя. Таким чином, вірус грає роль "генного реаніматора".
Надлишкові дози УФ-випромінювання можуть призвести до загибелі і ціанофагов, проте іноді їм вдається повернутися до життя за допомогою множинної репарації. Зазвичай в кожній хазяйської клітині присутні кілька вірусів, і в разі їх пошкодження вони можуть зібрати вірусний геном по частинах. Різні частини геном а здатні служити постачальниками окремих генів, які спільно з іншими генами відновлять функції геном а в повному обсязі без створення цілого вірусу. Віруси - єдині з усіх живих організмів, здатні, як птах Фенікс, відроджуватися з попелу.
За даними Міжнародного консорціуму з секвенування геном а людини, від 113 до 223 генів, наявних у бактерій і людини, відсутні у таких добре вивчених організмів, як дріжджі Sacharomyces cerevisiae, плодова мушка Drosophila melanogaster та круглий хробак Caenorhabditis elegans, які знаходяться між двома крайніми лініями живих організмів. Одні вчені вважають, що дріжджі, плодова мушка і круглий хробак, що з'явилися після бактерій, але до хребетних, просто втратили відповідні гени в якийсь момент свого еволюційного розвитку. Інші ж вважають, що гени були передані людині проникли в його організм бактеріями.
Разом з колегами з Інституту вакцин та генної терапії при Орегонському університеті охорони здоров'я ми припускаємо, що існував третій шлях: від початку гени мали вірусне походження, але потім колонізували представників двох різних ліній організмів, наприклад бактерій і хребетних. Ген, яким обдарувала людство бактерія, міг бути переданий двом згаданим лініях вірусом.
Більш того, ми впевнені, що саме клітинне ядро \u200b\u200bмає вірусне походження. Поява ядра (структури, що є тільки у еукаріот, в тому числі у людини, і відсутньої у прокаріотів, наприклад у бактерій) не можна пояснити поступовою адаптацією прокаріотів до умов, що змінюються. Воно могло сформуватися на основі предсуществующей високомолекулярної вірусної ДНК, що побудувала собі постійне "житло" усередині клітини прокаріотів. Підтвердженням цьому служить факт, що ген ДНК-полімерази (ферменту, який бере участь в реплікації ДНК) фага Т4 (фагами називають віруси, які інфікують бактерії) за своєю нуклеотидної послідовності близький до генів ДНК-полімерази як еукаріот, так і заражають їх вірусів. Крім того, Патрік Фортер (Patrick Forterre) з Південного паризького університету, який досліджував ферменти, що беруть участь в реплікації ДНК, прийшов до висновку, що гени, що детермінують їх синтез у еукаріот, мають вірусне походження.
 |
| Вірус синього язика |
Віруси впливають абсолютно на всі форми життя на Землі, а часто і визначають їх долю. При цьому вони теж еволюціонують. Прямим доказом служить поява нових вірусів, таких як вірус імунодефіциту людини (ВІЛ), що викликає СНІД.
Віруси постійно видозмінюють кордон між біологічним і біохімічним світами. Чим далі ми будемо просуватися в дослідженні геном ів різних організмів, тим більше будемо виявляти свідоцтв присутності в них генів з динамічного, дуже стародавнього пулу. лауреат Нобелівської премії Сальвадор Лурія (Salvador Luria) в 1969 р так говорив про вплив вірусів на еволюцію: "Можливо, віруси з їх здатністю включатися в клітинний геном і залишати його були активними учасниками процесу оптимізації генетичного матеріалу всіх живих істот в ході еволюції. Просто ми цього не помітили ". Незалежно від того, до якого світу - живій або неживому - ми будемо відносити віруси, прийшов час розглядати їх не ізольовано, а з урахуванням постійного зв'язку з живими організмами.
ПРО АВТОРА:
Луїс Вілляреал (Luis P. Villarreal) - директор Центру з вивчення вірусів при Каліфорнійському університеті в м Ірвайн. Отримав ступінь кандидата біологічних наук в Каліфорнійському університеті в Сан-Дієго, потім працював в Стенфордському університеті в лабораторії лауреата Нобелівської премії Пола Берга. активно займається педагогічною діяльністю, В даний час бере участь в розробці програм по боротьбі із загрозою біотероризму.
