Viiruste struktuuri ja funktsiooni struktuuri tunnused. Viirustel on rakuline struktuur

Viiruste struktuur

1) Viirustel puudub rakuline struktuur. Iga viirusosake koosneb tsentraalselt paiknevast geneetilise informatsiooni kandjast ja kestast, mille geneetiliseks materjaliks on lühike nukleiinhappemolekul, mis moodustab viiruse tuuma. Nukleiinhapet erinevates viirustes võib esindada DNA või RNA-ga ning nendel molekulidel võib olla ebatavaline struktuur: leitakse üheahelalist DNA-d ja kaheahelalist RNA-d.

2) Kest nimetatakse kapsiid.

Kapsiid täidab mitmeid funktsioone.

Viiruse geneetilise materjali (DNA või RNA) kaitse mehaaniliste ja keemiliste kahjustuste eest.

Rakkude nakatamise potentsiaali kindlaksmääramine.

Rakuinfektsiooni algstaadiumis: kinnitumine rakumembraanile, membraani rebend ja viiruse geneetilise materjali viimine rakku.

tubaka mosaiikviiruse, tüügast põhjustava viiruse ja adenoviiruse osakesed

Selle moodustavad subühikud – kapsomeerid, millest igaüks koosneb ühest või kahest valgumolekulist. Iga viiruse kapsomeeride arv on konstantne (neid on poliomüeliidi viiruse kapsiidis 60 ja tubaka mosaiikviiruses 2130). Mõnikord nimetatakse nukleiinhapet koos kapsiidiga nukleokapsiidiks. Kui viiruseosakel pole lisaks kapsiidile enam ümbrist, nimetatakse seda lihtsaks viiruseks, kui on veel üks - väliseks, nimetatakse viirust kompleksseks.

3) Väliskestaks nimetatakse ka superkapsiid, geneetiliselt ei kuulu see viirusesse, vaid pärineb peremeesraku plasmamembraanist ja tekib siis, kui kokkupandud viirusosake lahkub nakatunud rakust. organiseeritud lipiidide ja spetsiifiliste viirusvalkude topeltkihiga, moodustades kõige sagedamini lipiidide kaksikkihti tungivaid piikikasvu. Selliseid viiruseid nimetatakse "riidetud". Nad täidavad virionis kaitsefunktsioone, vastuvõtliku raku külge kinnitumise ja selle tsütoplasmasse tungimise funktsiooni, määravad viiruse paljud omadused (antigeensed omadused, tundlikkus kahjustavate tegurite suhtes jne) .- gripi- ja herpesviirused

4) Iga viiruse puhul on kapsiidi kapsomeerid paigutatud rangelt määratletud järjekorras, mille tõttu tekib teatud tüüpi sümmeetria. Spiraalse sümmeetriaga omandab kapsiid torukujulise (tubaka mosaiikviirus) või kerakujulise (RNA-d sisaldavad loomaviirused). Kuupsümmeetriaga on kapsiid ikosaeedri kujuga (kahekümnetahuline), isomeetrilistel viirustel on selline sümmeetria. Kombineeritud sümmeetria korral on kapsiid kuubikukujuline ja sees asuv nukleiinhape on virnastatud spiraalselt. Kapsiidi õige geomeetria võimaldab isegi viirusosakestel koos kristallilisi struktuure moodustada.

Looduses eksisteerivad viirused kahes vormis: rakuväline ja rakusisene.

Viiruse ekstratsellulaarne vorm helistas Virion - see on inertne nakkav osake, mis koosneb nukleiinhappest ja valgukestast - kapsiid . Nukleiinhape virioni koostises - geneetilises aparaadis või genoomis - võib olla ainult ühte tüüpi - kas DNA või RNA. Genoom võib olla esindatud ühe ahelaga (ühekomponendiline või terviklik genoom) või neid on mitu (fragmenteeritud genoom). Enamik taimeviirustest on RNA-d.

kapsiid koosneb valgu subühikutest Kapsomeerid. Kapsiidid on erineva kujuga:

1). Isomeetriline: sfääriline (joon.17 AGA) või mitmetahuline (“polühedron” tähendab hulktahukat) kuupkujulise sümmeetriaga (joon. 17 B).

2). Anisomeetriline spiraalset tüüpi sümmeetriaga - vardakujuline, filiaalne (joon. 17 G). On viirusi kombineeritud sümmeetriaga, näiteks kullesena või Bacillus(joon.17 D).

Erinevate viiruste suurused jäävad enamasti vahemikku 20–300 nm, kuid on ka suurema pikkusega filamentseid viiruseid - kuni 2000 nm.

Tänu nukleiinhapet sisaldava taimeviiruste valgukesta olemasolule on viirustel antigeenne aktiivsus ehk immunogeensus, see tähendab, et nad on võimelised looma organismi sattudes tekitama antikehade teket.

Viiruse ilmingud.

Viirused paljunevad ainult elusrakkudes. Paljud viirused on võimelised nakatama ühte peremeesorganismi. Nii et hingamisteede viirused paljunevad ainult limaskestade rakkudes hingamisteed. Teistel, näiteks tubaka mosaiikviirusel (TMV), on palju peremehi. Mõned taimeviirused on võimelised paljunema putukate vektorite kehas.

a )sfääriline B) mitmetahuline

G ) vardakujuline D) batsill

Joonis 17. Viiruse kapsiidide morfoloogia tüübid

Viiruste rakusisene aktiivsus , koosneb tõenäoliselt mitmest järgmistest sammudest:

1. Viirus siseneb rakku täielikult - täielikult kogu NC kapsiidi kestas - läbi membraani kahjustuse.

2. Kapsiidi maha laskmine . TMV-ga nakatumisel ilmnevad esimesed sümptomid mitu tundi hiljem kui selle viiruse vaba RNA-ga nakatumisel. See on fakt, mis toetab väidet, et rakku sattunud viirus "riietub lahti" - heidab kapsiidi.

3. Viiruste paljunemine . Viiruse RNA viiakse sagedamini taimeraku tuuma, kus sünteesitakse komplementaarne RNA-(¾)-ahel ja Kaheahelaline RNA – replikatiivne vorm (RF). Seejärel toimub tuumades tõenäoliselt viiruse RNA mitmekordne replikatsioon.

4. Viiruse struktuurvalgu biosüntees . Pärast viiruse RNA suurenenud replikatsiooni rakus suureneb kapsiidivalgu hulk. Nende valkude süntees toimub peremeesraku ribosoomidel.

5. Viiruse RNA ja kapsiidi agregatsioon . Küpsete viirusosakeste välimus.

6. Viiruste vabanemine rakust taimedes esineb plasmodesmaati, loomadel membraani kahjustuse kaudu.

Meie planeedi sajanditepikkuses ajaloos sekkusid nähtamatud sissetungijad pidevalt kogu taimestiku ja loomastiku arengusse -viirused(lat. viirus – mürk).
Oma mikroskoopilise suuruse tõttu ei ole viirustel nii keerukat sisemist mitmerakulist struktuuri kui elusorganismidel, kuna need on mitu korda väiksemad kui mis tahes elusrakk ja isegi palju väiksemad kui kõik bakterid. Kõik teadaolevad elusorganismid on viirustest mõjutatud, mitte ainult inimesed, loomad, roomajad ja kalad, vaid ka kõikvõimalikud taimed.
Alles 20. sajandi alguses, pärast elektronmikroskoobi leiutamist, suutsid teadlased oma silmaga näha neid tillukesi patogeene, mille kohta kuni selle hetkeni oli avaldatud juba väga palju teooriaid. Teatud inimese viirused erinesid kuju ja suuruse poolest. Sõltuvalt haiguse tüübist, sümptomitest mitmesugused haigused avalduvad erineval viisil: nahk muutub põletikuliseks, siseorganid või liigesed.

Viirusnakkus

1852. aastal õnnestus Dmitri Iosifovitš Ivanovskil (Vene botaanik) saada mosaiikhaigusega nakatunud tubakataimedest nakkusekstrakt. Seda struktuuri nimetatakse tubaka mosaiikviiruseks.

Viiruse struktuur

Viirusosakese keskmes on genoom (pärilik teave, mida esindab DNA või RNA struktuur - positsioon 1). Genoomi ümber on kapsiid (positsioon 2), mida esindab valgukest. Kapsiidi valgukesta pinnal on lipoproteiini kest (positsioon 3). Kesta sees on kapsomeerid (positsioon 4). Iga kapsomeer koosneb ühest või kahest valgufilamendist. Iga viiruse kapsomeeride arv on rangelt konstantne. Iga viirus sisaldab teatud arvu kapsomeere, seega nende arv erinevad tüübid viirus
on oluliselt erinev. Mõnede viiruste struktuuris ei ole valgukest (kapsiid). Selliseid viiruseid nimetatakse lihtsateks. Seevastu viirusi, mille struktuuris on veel üks välimine (lisa lipoproteiin), nimetatakse kompleksiks. Viirustel on kaks eluvormi. Viiruse rakuvälist eluvormi nimetatakse variatsioon(puhkeseisund, ootamine). Viiruse rakusisest eluvormi, mis aktiivselt paljuneb, nimetatakse vegetatiivseks.

Viiruste omadused

Viirustel puudub rakuline struktuur, nad on liigitatud väikseimateks elusorganismideks, paljunevad rakkude sees, on lihtsa ehitusega, enamik neist põhjustavad erinevaid haigusi, iga viirustüüp tunneb ära ja nakatab ainult teatud tüüpi rakke, sisaldab ainult ühte tüüpi nukleiinhape (DNA või RNA).

Viiruste klassifikatsioon

Kuidas keharakud absorbeerivad aineid

Erinevalt teistest elusorganismidest vajab viirus paljunemiseks elusrakke. Iseenesest ta ei tea, kuidas paljuneda. Näiteks inimkeha rakud koosnevad tuumast (sisaldab DNA-d – geneetilist kaarti, tegevusplaani raku elutegevuse säilitamiseks). Rakkutuum on ümbritsetud tsütoplasmaga, milles paiknevad mitokondrid (need toodavad energiat keemilisteks reaktsioonideks, lüsosoomid (lagundavad väljastpoolt tulevaid materjale), polüsoomid ja ribosoomid (need toodavad valke ja ensüüme, et viia läbi keemilisi reaktsioone, mis toimuvad rakk). raku tsütoplasma või õigemini selle ruum on läbi imbunud tuubulite võrgustikuga, mille kaudu imenduvad vajalikud ained, aga ka eemaldatakse mittevajalikud. Samuti on rakku ümbritsetud membraaniga, mis kaitseb ja toimib kahesuunalise filtrina.Rakumembraan vibreerib pidevalt.Kui membraani pinnal on valgukorpus, siis see paindub ja sulgeb selle seedepõiekesse, mis tõmbab selle rakku.Järgmisena raku ajukeskus (tuum) tunneb ära väljast tulnud aine ja annab rea käske tsütoplasmas asuvatele keskustele.Nad lagundavad sissetuleva aine lihtsamateks ühenditeks.Mõnda kasulikku ühendit kasutatakse elu ja teovõime säilitamiseks. programmeeritud funktsioonid ja lahtrist tuuakse välja mittevajalikud ühendused. Nii toimub rakus olevate ainete imendumise, seedimise, assimilatsiooni ja mittevajaliku väljapoole eemaldamise protsess.

Viiruste paljunemine

Nagu eespool märgitud, vajab viirus oma tüüpi paljunemiseks elusrakke, kuna ta ei saa iseenesest paljuneda. Viiruse rakku tungimise protsess koosneb mitmest etapist.

Viiruse rakku tungimise esimene etapp on selle ladestumine (adsorptsioon elektrilise interaktsiooni kaudu) sihtraku pinnale. Sihtrakus peab omakorda omama vastavaid pinna retseptoreid. Ilma sobivate pinnaretseptoriteta ei saa viirus end raku külge kinnituda. Seetõttu saab sellist elektrilise interaktsiooni tulemusena rakku liitunud viirust loksutades eemaldada. Viiruse rakku tungimise teist etappi nimetatakse pöördumatuks. Sobivate retseptorite juuresolekul kinnitub viirus raku külge ja valgu piigid või niidid hakkavad raku retseptoritega suhtlema. Valk või glükoproteiin, mis on tavaliselt iga viiruse jaoks spetsiifiline, toimib rakuretseptorina.

Kolmanda etapi jooksul imendub (liigub) viirus rakusiseste membraani vesiikulite abil rakumembraanis.

Neljandas etapis lõhustavad rakuensüümid viirusvalke ja vabanevad seega viiruse genoomi "vangist", mis sisaldab pärilikku teavet, mida esindab DNA või RNA struktuur. Seejärel rullub RNA spiraal kiiresti lahti ja tormab rakutuuma. Raku tuumas muudab viiruse genoom raku geneetilist teavet ja rakendab oma. Selliste muutuste tulemusel on raku töö täielikult disorganiseeritud ning vajalike valkude ja ensüümide asemel hakkab rakk sünteesima viiruslikke (modifitseeritud) valke ja ensüüme.

Aega, mis kulus hetkest, mil viirus siseneb rakku kuni uute variantide vabanemiseni, nimetatakse varjatud või varjatud perioodiks. See võib varieeruda mitmest tunnist (rõuged, gripp) kuni mitme päevani (leetrid, adenoviirus).

2.4.1. Avamine

1852. aastal avaldas vene botaanik D.I. Ivanovski oli esimene, kes sai mosaiikhaigusest mõjutatud tubakataimedest nakkusekstrakti. Kui selline ekstrakt lasti läbi säilitusfiltri, säilitas filtreeritud vedelik endiselt nakkavaid omadusi. 1898. aastal võttis hollandlane Beijerinck kasutusele uue sõna "viirus" (ladinakeelsest sõnast "mürk"), mis tähistab teatud filtreeritud taimevedelike nakkavat olemust. Kuigi kõrgelt puhastatud viirusproovide saamisel on tehtud märkimisväärseid edusamme ja leiti, et need on keemiliselt nukleoproteiinid (nukleiinhapetest koosnevad kompleksühendid), olid osakesed ise siiski tabamatud ja salapärased, kuna need olid tuvastamiseks liiga väikesed. oli näha valguse abil. Seetõttu olid viirused üks esimesi bioloogilisi struktuure, mida uuriti elektronmikroskoobis vahetult pärast selle leiutamist XX sajandi kolmekümnendatel aastatel.

2.4.2. Viiruste omadused

Viirustel on järgmised omadused.

Vaatleme neid omadusi allpool üksikasjalikumalt.

Mõõtmed

Viirused on väikseimad elusorganismid, mille suurus varieerub vahemikus 20–300 nm; keskmiselt on need viiskümmend korda väiksemad. Neid ei saa valgusmikroskoobiga näha ja nad läbivad filtreid, mis hoiavad baktereid eemal.

Päritolu

Teadlased mõtlevad sageli, kas viirused on elus? Kui pidada elusaks mis tahes struktuuri, millel on geneetiline materjal (DNA või RNA) ja mis on võimeline isepaljunema, siis peaks vastus olema jaatav: jah, viirused on elus. Kui aga rakulise struktuuri olemasolu peetakse elava tunnuseks, siis on vastus eitav: viirused ei ole elus. Sellele tuleks lisada, et väljaspool peremeesrakku ei ole viirused isepaljunemisvõimelised.

Viiruste täielikumaks mõistmiseks on vaja teada nende päritolu evolutsiooniprotsessis. On oletatud, kuigi pole tõestatud, et viirused on geneetiline materjal, mis kunagi "põgenes" prokarüootsetest ja eukarüootsetest rakkudest ning säilitas rakukeskkonda naasmisel võime paljuneda. Väljaspool rakku on viirused täiesti inertses olekus, kuid neil on juhiste kogum (geneetiline kood), mis on vajalikud rakku uuesti sisenemiseks ja pärast selle allutamist nende juhistele teevad paljud iseendaga (viirusega) identsed koopiad. . Seetõttu on loogiline eeldada, et evolutsiooni käigus tekkisid viirused hiljem kui rakud.

Struktuur

Viiruste struktuur on väga lihtne. Need koosnevad järgmistest struktuuridest:

1. tuum- geneetiline materjal, mida esindab kas DNA või RNA; DNA või RNA võib olla ühe- või kaheahelaline;
2. kapsiid- südamikku ümbritsev kaitsev valgukest;
3. nukleokapsiid- südamikust ja kapsiidist moodustatud kompleksne struktuur;
4. kestad- mõnedel viirustel, nagu HIV ja gripiviirused, on täiendav lipoproteiinikiht, mis pärineb peremeesraku plasmamembraanist;
5. kapsomeerid- identsed korduvad subühikud, millest sageli ehitatakse kapsiidid.

Riis. 2.16. Viiruse skemaatiline esitus jaotises.

Kapsiidi üldist kuju iseloomustab suur sümmeetria, mis määrab viiruste kristalliseerumisvõime. See võimaldab neid uurida nii röntgenkristallograafia kui ka elektronmikroskoopia abil. Niipea, kui viiruse subühikud on peremeesrakus moodustunud, saavad nad kohe ise koguneda terviklikuks viiruseosakeseks. Viiruse struktuuri lihtsustatud diagramm on näidatud joonisel fig. 2.16.



Riis. 2.17. A. Ikosaeeder. B. Herpes simplex viiruse elektronmikroskoopia, mis on saadud negatiivse kontrasti meetodil (värvitud ei ole preparaat ise, vaid selle taust). Pöörake tähelepanu sellele, kui selgelt on näha viiruse struktuuri üksikasjad. Üksikud kapsomeerid on nähtavad just seal, kus värvaine on nende vahele tunginud.

Kapsiidi struktuuri iseloomustab teatud tüüpi sümmeetria, eriti mitmetahuline ja spiraalne. Hulktahukas on hulktahukas. Viiruste kõige levinum hulktahuline kuju on ikosaeeder, millel on 20 kolmnurkset tahku, 12 nurka ja 30 serva. Joonisel fig. 2.17, Ja me näeme korrapärast ikosaeedrit ja joonisel fig. 2.17, B - herpesviirus, mille osakeses 162 kapsomeeri on organiseeritud ikosaeedriks.



Riis. 2.18. A. Tubaka mosaiikviiruse (TMV) struktuur; on näha kapsiidi spiraalne sümmeetria. Näidatud on ainult osa pulgakujulisest viirusest. Joonis on üles ehitatud röntgenstruktuurianalüüsi, biokeemiliste andmete ja elektronmikroskoopiliste uuringute tulemuste põhjal. B. Tubaka mosaiikviiruse elektronmikroskoopia, mis on saadud negatiivse kontrasti meetodil (x 800 000). Kapsiidi (kest) moodustavad 2130 identset valgukapsomeeri. B. TMV-ga nakatunud tubakataim. Pöörake tähelepanu iseloomulikele täppidele nendes kohtades, kus lehekude sureb.

Spiraalse sümmeetria selget illustratsiooni võib näha joonisel fig. 2.18, B RNA-d sisaldav tubaka mosaiikviirus (TMV). Selle viiruse kapsiidi moodustavad 2130 identset valgukapsomeeri. TMV oli esimene puhtal kujul eraldatud viirus. Selle viirusega nakatumisel ilmuvad haige taime lehtedele kollased täpid - nn lehemosaiik (joon. 2.18, B). Viirused levivad väga kiiresti, kas mehaaniliselt, kui haiged taimed või taimeosad puutuvad kokku tervete taimedega, või õhu kaudu nakatunud lehtedest valmistatud sigaretisuitsu kaudu.



Riis. 2.19. A. Bakteriofaagi T2 struktuur. B. Negatiivse kontrasteerimisega saadud bakteriofaagi elektronmikrograaf.

Baktereid ründavad viirused moodustavad rühma nimega bakteriofaagid või lihtsalt faagid. Mõnel bakteriofaagil on spiraalse sümmeetriaga selgelt eristatav ikosaeedriline pea ja saba (joonis 2.19). Joonisel fig. 2.20 ja 2.21 on mõnede viiruste skemaatilised kujutised, mis illustreerivad nende suhtelist suurust ja üldist struktuuri.



Riis. 2.20. Mitmed viiruste lihtsustatud skemaatilised kujutised, mis peegeldavad nende sümmeetria ja suuruse erinevust. T2 faag on näidatud sabafilamentidega, mille faag vabastab enne raku nakatamist; faagis? sabaprotsessi niidid puuduvad.



Riis. 2.21. Inimese immuunpuudulikkuse viiruse (HIV) struktuur, mis on retroviirus. Koonusekujuline kapsiid koosneb kapsomeeridest, mis on paigutatud spiraalselt. Kapsiid on eest ära lõigatud, et näidata RNA genoomide kahte koopiat. Ensüümi, mida nimetatakse pöördtranskriptaasiks, toimel transkribeeritakse nendes üheahelalistes RNA ahelates kodeeritud teave vastavateks kaheahelalisteks DNA ahelateks. Kapsiidi ümbritseb lipiidide kaksikkihti ankurdatud valgukate, mis on pärit peremeesraku plasmamembraanist. See ümbris sisaldab sellesse põimitud viiruse glükoproteiine, mis spetsiifiliselt T-raku retseptoritega seondudes tagavad viiruse tungimise peremeesrakku.

Viirused koosnevad erinevatest komponentidest:

• a) põhiline geneetiline materjal (DNA või RNA). Viiruse geneetiline aparaat kannab teavet mitut tüüpi valkude kohta, mis on vajalikud uue viiruse tekkeks: pöördtranskriptaasi kodeeriv geen ja teised.
• b) valgukest, mida nimetatakse kapsiidiks. Kest on sageli ehitatud identsetest korduvatest allüksustest – kapsomeeridest. Kapsomeerid moodustavad kõrge sümmeetriaga struktuure.
• c) täiendav lipoproteiini kest. See moodustub peremeesraku plasmamembraanist. Seda esineb ainult suhteliselt suurtes viirustes (gripp, herpes).

Täielikult moodustunud nakkusosakest nimetatakse virioniks.

Viiruse skemaatiline struktuur: 1 - tuum (üheahelaline RNA); 2 - valgukate (kapsiid); 3 - täiendav lipoproteiini membraan; 4 - kapsomeerid (kapsiidi struktuursed osad).

Viirusi ei saa optilise mikroskoobiga näha, kuna need on valguse lainepikkusest väiksemad. Neid saab näha ainult elektronmikroskoobiga. Viirustel puudub rakuline struktuur. Igal viirusosakesel on väga lihtne struktuur – see koosneb keskel paiknevast geneetilise informatsiooni kandjast ja kestast. Geneetiline materjal on lühike nukleiinhappemolekul, see moodustub tuum viirus. Nukleiinhapet erinevates viirustes võib esindada DNA või RNA-ga ning nendel molekulidel võib olla ebatavaline struktuur: leitakse üheahelalist DNA-d ja kaheahelalist RNA-d. Kest on nn kapsiid. See koosneb allüksustest kapsomeerid, millest igaüks koosneb ühest või kahest valgu molekulist. Iga viiruse kapsomeeride arv on rangelt konstantne (näiteks poliomüeliidi viiruse kapsiidis on neid 60 - ei rohkem ega vähem ning tubaka mosaiikviiruse puhul - 2130, mitte 2129 ja mitte 2131). Mõnikord nimetatakse nukleiinhapet koos kapsiidiga nukleokapsiid. Kui viiruseosakel, välja arvatud kapsiidil, ei ole enam ümbrist, nimetatakse seda lihtsaks viirus, kui on veel üks - väline, nimetatakse viirust kompleksseks . Väliskest nimetatakse ka superkapsiid , geneetiliselt ei kuulu see viirusesse, vaid pärineb peremeesraku plasmamembraanist ja tekib siis, kui kokkupandud viirusosake lahkub nakatunud rakust. Seega koosneb viiruseosake ainult kahest biopolümeeride klassist: nukleiinhapetest ja valkudest, samas kui igas rakus peavad olema ka polüsahhariidid ja lipiidid.

Igas viiruses on kapsiidi kapsomeerid paigutatud rangelt määratletud järjekorras, mille tõttu tekib teatud tüüpi sümmeetria. Spiraaliga sümmeetria kapsiid omandab toruja (tubaka mosaiikviirus) või kerakujulise (RNA-d sisaldavad loomaviirused) kuju. Kuupsümmeetriaga kapsiid on ikosaeedri kujuga (kahekümnetahuline), isomeetrilistel viirustel on selline sümmeetria. Kombineeritud sümmeetria korral on kapsiid kuubikukujuline ja sees asuv nukleiinhape on virnastatud spiraalselt. Kapsiidi õige geomeetria võimaldab isegi viirusosakestel koos kristallilisi struktuure moodustada.