§ 20. Вирусы

Определения и обозначения

Вирус — неклеточная форма жизни, способная размножаться только внутри клетки-хозяина. Его называют внутриклеточным паразитом, потому что он использует ресурсы клетки и не может самостоятельно создавать новые вирусные частицы.

Вирион — отдельная вирусная частица вне клетки. Это форма существования вируса, которая может сохраняться в окружающей среде и заражать подходящую клетку, запуская в ней вирусный цикл.

Капсид — белковая оболочка, защищающая генетический материал вируса. Он часто собран из множества повторяющихся белковых субъединиц, что позволяет создать оболочку из сравнительно небольшого набора белков.

Бактериофаг — вирус, заражающий бактерии. У многих фагов различают головку с генетическим материалом и хвостовые структуры, помогающие прикрепиться к бактерии и ввести в неё геном; заражать они могут только подходящих хозяев.

Как это устроено

Вирусы не имеют клеточного строения: в их частицах нет цитоплазмы, рибосом и клеточных органоидов. Поэтому вирус не способен сам синтезировать белки или поддерживать обмен веществ так, как это делает клетка. Для производства белков нужны рибосомы, а вирусных рибосом нет, значит, приходится использовать рибосомы клетки-хозяина. Именно зависимость от её систем и веществ делает вирус внутриклеточным паразитом.

Основу вирусной частицы составляет генетический материал — либо ДНК, либо РНК, — заключённый в капсид. Капсид защищает нуклеиновую кислоту и помогает сформировать частицу, способную передаваться от клетки к клетке. У некоторых вирусов поверх него есть дополнительная внешняя оболочка, обычно содержащая липиды и вирусные белки. Она не заменяет капсид: это ещё один внешний слой, который присутствует не у всех вирусов.

Чтобы начать заражение, вирусу необходимо распознать подходящую клетку. Белки на поверхности вируса связываются с определёнными молекулами на поверхности клетки, словно детали, подходящие друг к другу по форме. Если нужная молекула отсутствует или отличается, прикрепление и проникновение могут не состояться. Поэтому один вирус заражает только некоторые виды организмов или типы тканей, а не любые клетки подряд.

Размножение начинается с прикрепления вируса к клетке и проникновения внутрь неё либо введения генетического материала. Затем вирусная нуклеиновая кислота направляет синтез вирусных компонентов, а клетка предоставляет для этого рибосомы, вещества и энергию. Из компонентов собираются новые вирусные частицы; при этом готовые вирусы не возникают простым делением исходной частицы. В конце цикла они выходят из клетки — иногда разрушая её, иногда покидая её другим способом.

Бактериофаг показывает, как вирус может доставлять генетический материал внутрь клетки. Его хвостовые структуры прикрепляются к определённым молекулам на поверхности бактерии, а затем геном фага проходит через оболочку клетки. Внутри бактериальные системы начинают производить компоненты фага и собирать новые частицы. Так бактерия становится клеткой-хозяином, а круг возможных хозяев фага ограничивается бактериями, которые он способен распознать и заразить.

Сравнение вируса и клеточного организма

Сравнивайте признаки по строкам: так видно, что вирусы отличаются от клеточных организмов не только размером, но и способом существования. Особенно показательны отсутствие рибосом и зависимость размножения от клетки-хозяина. Таблица помогает не называть вирус клеткой и не приписывать ему самостоятельный обмен веществ.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Дана схема вирусной частицы с генетическим материалом и белковой оболочкой. Нужно определить, какие структуры на ней обозначены. Сначала установим, что на схеме показаны две основные части вируса.

1. Найдите обозначение внутренней нуклеиновой кислоты: ею может быть ДНК или РНК, но у вируса геном представлен одним из этих типов.
2. Определите окружающий генетический материал белковый слой: это капсид, защищающий нуклеиновую кислоту.
3. Не называйте капсид внешней оболочкой: дополнительный внешний слой бывает только у некоторых вирусов.

Ответ. Внутри показана ДНК или РНК, снаружи — капсид. Если на схеме есть ещё один слой поверх капсида, он может обозначать дополнительную внешнюю оболочку.

Задача 2

Условие. Вирус заражает клетки одного вида, но не размножается в клетках другого. Нужно объяснить эту избирательность, а не просто повторить, что вирусы имеют круг хозяев. Для ответа проследим, что должно произойти в самом начале заражения.

1. Вирус должен прикрепиться к клетке; для этого его белки взаимодействуют с определёнными молекулами на клеточной поверхности.
2. Сравните клетки: если у клеток другого вида нужных молекул нет или их строение не подходит, вирус не сможет нормально распознать клетку.
3. Без успешного прикрепления и проникновения вирусный геном не запустит образование новых частиц, даже если клетка содержит питательные вещества.

Ответ. Вероятная причина — различие молекул на поверхности клеток. Вирусные белки подходят к клеткам одного вида, но не взаимодействуют с клетками другого вида.

Задача 3

Условие. Расположите этапы размножения вируса: сборка частиц, проникновение в клетку, прикрепление, синтез вирусных компонентов, выход новых частиц. Чтобы найти порядок, нужно проследить путь вируса от контакта с клеткой до появления потомства.

1. Сначала вирус прикрепляется к подходящей клетке, поскольку без распознавания хозяина заражение не начинается.
2. Затем вирус или его генетический материал проникает внутрь клетки.
3. Клеточные системы синтезируют вирусные компоненты, после чего из них собираются новые частицы.
4. Завершается цикл выходом новых вирусов из клетки; образование потомства зависит от её рибосом, веществ и энергии.

Ответ. Правильный порядок: прикрепление → проникновение в клетку → синтез вирусных компонентов → сборка частиц → выход новых частиц. Вирус не производит их самостоятельно: клетка предоставляет ресурсы и молекулярные системы для каждого этапа образования компонентов.

Типичные ошибки

Ошибка: называть вирус клеткой. Внешне вирусная частица может напоминать упакованную структуру, но у неё нет цитоплазмы и органоидов. Такую ошибку допускают, принимая наличие генетического материала за достаточный признак клетки. Проверьте себя: есть ли у объекта клеточная оболочка с цитоплазмой и рибосомами?

Ошибка: считать, что любой вирус содержит одновременно ДНК и РНК. Вирусный геном представлен одним из этих типов нуклеиновой кислоты. Путаница возникает потому, что обе молекулы встречаются в клетках и участвуют в передаче информации. Для проверки спросите, о каком именно генетическом материале вируса говорится: ДНК или РНК.

Ошибка: утверждать, что вирусы размножаются самостоятельно. Вирусная частица вне клетки не синтезирует новые частицы, поскольку у неё нет рибосом и собственного аппарата обмена веществ. Эту ошибку вызывает впечатление, что вирус просто делится на две части. Проверьте ответ по последовательности цикла: синтез и сборка происходят с использованием ресурсов клетки-хозяина.

Ошибка: путать капсид с внешней оболочкой. Капсид — белковая оболочка генетического материала, а дополнительный внешний слой есть не у всех вирусов. Их путают, потому что оба слоя могут изображаться вокруг одной частицы. Чтобы проверить себя, определите, что именно окружает геном: белковый капсид, а уже поверх него у некоторых вирусов располагается внешняя оболочка.

Связь с другими темами

Для понимания вирусов нужно знать строение клетки, функции ДНК и РНК и роль белков: эти знания объясняют, как вирус хранит информацию и использует клетку. Изучение вирусов помогает разбираться в инфекционных заболеваниях, работе иммунитета и профилактике заражения. Сравнение вирусов с клеточными организмами также связано с темами о разнообразии форм жизни и эволюции: оно показывает, насколько по-разному могут быть устроены биологические системы.

Что запомнить

• Вирусы не имеют клеточного строения.
• Генетический материал вируса представлен ДНК или РНК.
• Капсид — белковая оболочка вирусного генетического материала.
• Вирусы размножаются только внутри клеток-хозяев.
• Круг хозяев вируса зависит от способности распознавать клетки.
• Бактериофаги заражают бактерии.