Kas ir vīruss? Definīcija, uzbūve, vairošanās un inficēšanās
Uzzini, kas ir vīruss: definīcija, uzbūve, vairošanās un inficēšanās. Skaidri skaidrojumi, piemēri un aizsardzības iespējas ikvienam lasītājam.
Vīruss ir mikroskopisks parazīts, kas var inficēt dzīvus organismus un izraisīt slimības. Vīruss pats par sevi nespēj vairoties ārpus šūnas; tas izmanto saimnieka šūnas vielmaiņas mehānismus, lai izveidotu savas kopijas. Vīrusu genomu veido nukleīnskābes — parasti RNS; dažos vīrusos tā ir DNS. Vīrusus sedz olbaltumvielu apvalks (kapsīds), un daudziem vīrusiem šo apvalku papildina ārējais lipīdu slānis (apvalks). Vīrusi var izraisīt dažādas slimības, piemēram, poliomielītu, ebolas vīrusu infekcijas un hepatītu. Viroloģija ir zinātne par vīrusiem un to ietekmi uz organismiem.
Vīrusu uzbūve un izmēri
Vīrusi ir daudz mazāki par baktērijām un nebija redzami līdz elektronmikroskopa izgudrošanai. Tipiskā vīrusa pamatkomponentes ir:
- Genoms: viena vai divu ķēžu RNS vai DNS molekula, kas satur informāciju par vīrusa proteīniem;
- Kapsīds: olbaltumvielu apvalks, kas aizsargā genomu un palīdz sasaistīties ar saimniekšūnu;
- Apvalks (ne visiem vīrusiem): daži vīrusi ir apvalkoti — tie iegūst ārēju lipīdu slāni no saimnieka šūnas membrānas, kas var palīdzēt iekļūt citās šūnās (sk. lipīdu saiti).
Vīrusiem nav iekšējas šūnu struktūras — nav organellu, šūnas sienas vai neatkarīgas vielmaiņas sistēmas. Tie pastāv kā infekciozas daļiņas (virioni), kas var būt ļoti dažādu formu un izmēru.
Kā vīrusi vairojas — reprodukcijas cikls
Vīrusu vairošanās parasti ietver vairākus posmus:
- Piesaistīšanās (adsorbcija): vīruss atpazīst un saistās ar saimniekšūnas receptoriem uz šūnu membrānas;
- Iekļūšana: apvalkoti vīrusi bieži iekļūst ar membrānu saplūšanu vai endocitozi; neapvalkoti vīrusi var tieši izgūt genomu šūnā. Prokariotu baktēriju šūnās dažkārt darbojas bakteriofāgs, kas fiziski injicē nukleīnskābes pavedienu saimnieka šūnā;
- Unkoating (apvalka noņemšana): vīrusa kapsīds tiek sagremots vai izjaukts, lai atbrīvotu genomu;
- Replikācija un ekspresija: vīrusu ģenētiskais materiāls piesaista saimniekšūnas aparātu, lai sintezētu vīrusa olbaltumvielas un dublikātu genomu;
- Montāža: jaunie genomu kopijas un proteīni tiek salikti kopā, veidojot jaunus virionus;
- Atbrīvošana: daļa vīrusu izraisa saimniekšūnas sabrukumu (līzi), bet citi izdalās, iegūstot ārējo membrānu ar ziedēšanu (budding), kas raksturīgi apvalkotiem vīrusiem (piem., gripa, HIV).
Pēc produkcijas pabeigšanas saimniekšūna var tikt izlizejota jeb sadalīties, un jaunie vīrusi atbrīvojas, lai inficētu citas šūnas. Visi vīrusi ir obligāti intracelulāri parazīti — tie nespēj patstāvīgi vairoties ārpus saimniekšūnas.
Vīrusu dažādība un īpašības
Vīrusi ļoti atšķiras pēc ģenētiskā materiāla (RNS vai DNS), formas, apvalka klātbūtnes un saimnieku spektra. Galvenās īpašības:
- Infekciozas daļiņas, kas var izraisīt dažādas slimības;
- Satur nukleīnskābes kodolu — RNS vai DNS;
- Parasti ap šo kodolu ir olbaltumvielu apvalks; daļai vīrusu ir ārējais lipīdu slānis (apvalks), kas ietekmē izturību ārējā vidē;
- Vīrusi var ilgi saglabāties neskarti ārējā vidē vai uz virsmām, īpaši neapvalkoti vīrusi, kuri ir pretīgāki pret sausumu un ķīmiskām vielām;
- Specifiskums — daudzi vīrusi inficē tikai noteiktu sugu vai pat konkrētus audus un šūnu tipus (tropisms), jo tie atkarīgi no šūnu receptoru pieejamības.
Bakteriofāgi, apvalka vīrusi un īpašie gadījumi
Bakteriofāgi ir vīrusi, kas specializējušies baktēriju inficēšanā; tie bieži injicē savu genomu caur stingru kapsīdu struktūru. Apvalka vīrusi iegūst membrānu no saimniekšūnas, kas var palīdzēt iekļūt nākamajās šūnās, bet arī padara vīrusu jutīgāku pret izžūšanu un ziepēm. Šo metodi izmanto vairāki klīniskie nozīmīgi patogēni, piemēram, gripas vīruss un HIV.
Inficēšanās, slimības gaita un imūnās reakcijas
Dzīvnieku vīrusu infekcijas parasti izraisa imūno reakciju, kuras mērķis ir likvidēt inficētās šūnas un novērst infekcijas izplatīšanos. Imūnā atbilde ietver gan speciālas (humorālās) antivielas, gan šūnu imunitāti (T‑limfocīti). Vakcīnas izmanto šo spēju — tās mākslīgi stimulē imunitāti un nodrošina aizsardzību pret konkrētiem vīrusiem.
Tas teju ne vienmēr noved pie pilnīgas vīrusa izskaušanas: daži vīrusi spēj izvairīties no imūnās sistēmas un izraisīt hroniskas infekcijas (piemēram, daži vīrushepatīti)).
Antibiotikas neietekmē vīrusus, jo tās mērķē uz baktēriju specifiskām funkcijām. Ir attīstītas konkrētas pretvīrusu zāles (antivirotikas), vaksīnas un imūnterapijas, kas ierobežo vīrusu replikāciju vai palīdz imūnsistēmai efektīvāk atbildēt.
Diagnostika, profilakse un ārstēšana
Vīrusu noteikšanai izmanto laboratorijas metodes:
- Molekulārās metodes (piem., PCR) vīrusu ģenoma noteikšanai;
- Seroloģija — antivielu noteikšana asinīs;
- Vīrusu kultivēšana šūnu līnijās un, retāk, elektronmikroskopa attēlošana klīniskajos pētījumos.
Profilakses pasākumi ietver vakcināciju, rokudrošības higiēnu, izolāciju infekcijas uzliesmojumu gadījumā, drošas transfūzijas praksi un sēklu/ādas dezinfekciju. Apvalkotu vīrusu gadījumā vienkāršas ziepes un alkohols efektīvi noārda ārējo lipīdu slāni un samazina piesārņojumu.
Praktiskais pielietojums un pētniecība
Vīrusi nav tikai slimību avots — tie ir svarīgs rīks molekulārajā bioloģijā un ģenētiskajā inženierijā (piem., vektori gēnu pārnesei). Bakteriofāgi tiek pētīti kā alternatīva antibiotikām (fāgu terapija) un biotehnoloģijas rīki.
Vīrusi ir plaši izplatīti gan dabā, gan cilvēku vidē, un ar tiem var inficēties visi organismu veidi. Zināšanas par vīrusu uzbūvi, reprodukciju, pārnešanas ceļiem un imūnreakcijām palīdz izstrādāt efektīvas profilakses un ārstēšanas stratēģijas.
Genoms
| Vīrusu genomu daudzveidība | |
| Īpašums | Parametri |
| Nukleīnskābe |
|
| Forma |
|
| Strandedness |
|
| Sense |
|
Vīrusos ir daudz genoma struktūru. Kā grupai tiem ir lielāka strukturālā genomu daudzveidība nekā augiem, dzīvniekiem, arhejām vai baktērijām. Ir miljoniem dažādu vīrusu tipu, bet tikai aptuveni 5000 no tiem ir detalizēti aprakstīti. 49
Vīrusam ir RNS vai DNS gēni, un to sauc attiecīgi par RNS vai DNS vīrusu. Lielākajai daļai vīrusu ir RNS genomi. Augu vīrusiem parasti ir vienšķiedru RNS genomi, bet bakteriofāgiem - divšķiedru DNS genomi. 96/99
Vīrusa replikācijas cikls: 1-pievienošanās, 2-piefiltrēšanās, 3-apvalināšana, 4-sintēze (4a-transkripcija, 4b-translācija, 4c-genoma replikācija), 5-samontāža, 6-atbrīvošana.
Replikācijas cikls
Vīrusu populācijas neaug šūnu dalīšanās procesā, jo tām nav šūnu. Tā vietā tās izmanto saimnieka šūnas mehānismu un metabolismu, lai radītu daudzas savas kopijas, un tās montējas (saliekas kopā) šūnā.
Vīrusu dzīves cikls dažādās sugās ir ļoti atšķirīgs, taču vīrusu dzīves ciklā ir seši galvenie posmi:75/91
- Piestiprināšanās ir specifiska vīrusa kapsīdas proteīnu saistīšanās ar īpašiem receptoriem uz saimnieka šūnas virsmas.
- Pēc piestiprināšanas seko iekļūšana: Vīrusi (atsevišķas vīrusa daļiņas) iekļūst saimnieka šūnā, izmantojot receptoru mediētu endocitozi vai membrānas saplūšanu. To bieži sauc par vīrusa iekļūšanu.
Augu un sēnīšu šūnu inficēšanās atšķiras no dzīvnieku šūnu inficēšanās. Augiem ir stingra šūnas sieniņa no celulozes, bet sēnēm - no hitīna. Tas nozīmē, ka lielākā daļa vīrusu šūnās var iekļūt tikai ar spēku. 70 Piemērs: vīruss ceļo ar kukaiņu pārnēsātāju, kas barojas ar augu sulām. Šūnu sieniņu bojājumi ļautu vīrusam iekļūt iekšā.
Baktērijām, tāpat kā augiem, ir spēcīgas šūnu sieniņas, kurām vīrusam ir jāizlaužas cauri, lai inficētu šūnu. Tomēr baktēriju šūnu sieniņas ir daudz plānākas nekā augu šūnu sieniņas, un dažiem vīrusiem ir mehānismi, kas ievada savu genomu baktērijas šūnā pāri šūnas sieniņai, bet vīrusa kapsīda paliek ārpus tās. 71 - Pārklājuma noņemšana ir process, kurā tiek noņemta vīrusa kapsīda: Tas var notikt, vīrusu enzīmu vai saimnieka enzīmu iedarbībā vai vienkārši disociējot; galarezultāts ir vīrusa nukleīnskābes atbrīvošanās.
- Vīrusu replikācija ietver genoma pavairošanu. Tam parasti ir nepieciešama vīrusu vēstnešu RNS (mRNS) ražošana no "agrīnajiem" gēniem. Sarežģītiem vīrusiem ar lielākiem genomiem tam var sekot viens vai vairāki turpmāki mRNS sintēzes cikli: "vēlo" gēnu ekspresija ir strukturālo vai viriona proteīnu ekspresija.
- Pēc vīrusa daļiņu strukturālās pašsaliktības bieži vien notiek proteīnu modifikācija. Vīrusiem, piemēram, HIV, šī modifikācija (dažkārt saukta par nobriešanu) notiek pēc tam, kad vīruss ir atbrīvojies no saimnieka šūnas.
- Vīrusus var atbrīvot no saimnieka šūnas, veicot līzi - procesu, kurā šūna iet bojā, pārraujot tās membrānu un šūnas sieniņu. Tā ir raksturīga daudziem baktēriju un dažu dzīvnieku vīrusiem.
Dažos vīrusos vīrusa genoms, izmantojot ģenētisko rekombināciju
, tiek ievietots noteiktā vietā saimnieka hromosomā. Vīrusa genomu tad sauc par "provirusu" vai bakteriofāgu gadījumā - par "profāgu". 60
Ikreiz, kad saimnieks dalās, replicējas arī vīrusa genoms. Vīrusa genoms saimniekorganismā lielākoties ir kluss; tomēr kādā brīdī provīruss vai profāgs var radīt aktīvu vīrusu, kas var izārdīt saimnieka šūnas. 15. nodaļa
Apvalka vīrusi (piemēram, HIV) parasti atbrīvojas no saimnieka šūnas pēc tam, kad vīruss iegūst savu apvalku. Apvalks ir pārveidots saimnieka plazmas membrānas gabals. 185/7
Ģenētiskais materiāls un replikācija
Ģenētiskais materiāls vīrusa daļiņās un metode, ar kādu šis materiāls tiek replicēts, ievērojami atšķiras starp dažādiem vīrusu tipiem.
RNS vīrusi
Replikācija parasti notiek citoplazmā. RNS vīrusus var iedalīt četrās dažādās grupās atkarībā no to replikācijas veida. Visi RNS vīrusi izmanto savus RNS replikāzes enzīmus, lai izveidotu savu genomu kopijas. 79
DNS vīrusi
Vairuma DNS vīrusu genoma replikācija notiek šūnas kodolā. Lielākā daļa DNS vīrusu ir pilnībā atkarīgi no saimnieka šūnas DNS un RNS sintēzes un RNS apstrādes mehānismiem. Vīrusi ar lielākiem genomiem var paši kodēt lielu daļu no šiem mehānismiem. Eikariontos vīrusa genomam ir jāpārvar šūnas kodola membrāna, lai piekļūtu šim mehānismam, bet baktērijās tam ir tikai jāiekļūst šūnā. 5478
Vīrusu apgrieztā transkribēšana
Reversās transkribēšanas vīrusi ar RNS genomu (retrovīrusi) replikācijai izmanto DNS starpposmu. Tie, kam ir DNS genomi (pararetrovīrusi), genoma replikācijas laikā izmanto RNS starpposmu. Tie ir jutīgi pret pretvīrusu zālēm, kas inhibē enzīmu reverso transkriptāzi. Pirmā tipa piemērs ir HIV, kas ir retrovīruss. Otrā tipa piemēri ir Hepadnaviridae dzimtas vīrusi, kas ietver B hepatīta vīrusu. 88/9
Šajā viltus krāsu transmisijas elektronu mikroattēlā attēlotas gripas vīrusa daļiņas jeb "viriona" ultrastrukturālās detaļas. Gripas vīruss ir vienšķiedru RNS organisms.
Saimnieka aizsardzības mehānismi
Iedzimtā imūnsistēma
Organisma pirmā aizsardzības līnija pret vīrusiem ir iedzimtā imūnsistēma. Tajā ir šūnas un citi mehānismi, kas aizsargā saimnieku no jebkuras infekcijas. Iedzimtas sistēmas šūnas atpazīst patogēnus un reaģē uz tiem vispārīgā veidā.
RNS interference ir svarīga iedzimta aizsardzība pret vīrusiem. Daudzu vīrusu replikācijas stratēģijā ir izmantota divdzīslu RNS (dsRNS). Kad šāds vīruss inficē šūnu, tas atbrīvo savu RNS molekulu. Pie tās pielīp olbaltumvielu komplekss, ko sauc par dicer, un sagriež RNS gabaliņos. Tad sākas bioķīmisks ceļš, ko sauc par RISC kompleksu. Tas uzbrūk vīrusa mRNS, un šūna izdzīvo infekciju.
Rotavīrusi no tā izvairās, pilnībā neatbrīvojoties no apvalka šūnā un atbrīvojot jaunizveidoto mRNS caur porām daļiņas iekšējā kapsīdā. Genomiskā dsRNS paliek aizsargāta viriona kodolā.
Interferona ražošana ir svarīgs saimnieka aizsardzības mehānisms. Tas ir hormons, ko organisms ražo vīrusu klātbūtnes gadījumā. Tā loma imunitātē ir sarežģīta; galu galā tas aptur vīrusu vairošanos, nogalinot inficēto šūnu un tās tuvos kaimiņus.
Adaptīvā imūnsistēma
Krustkaulniekiem ir otra, specifiskāka imūnsistēma. To sauc par adaptīvo imūnsistēmu. Kad tā saskaras ar vīrusu, tā ražo specifiskas antivielas, kas saistās ar vīrusu un padara to neinfekciozu. Svarīgi ir divu veidu antivielas.
Pirmais no tiem, ko sauc par IgM, ir ļoti efektīvs vīrusu neitralizēšanā, bet imūnsistēmas šūnas to ražo tikai dažas nedēļas. Otrais, ko sauc par IgG, tiek ražots neierobežotu laiku. IgM klātbūtni saimnieka asinīs izmanto, lai pārbaudītu akūtu infekciju, savukārt IgG norāda uz infekciju, kas notikusi kādreiz pagātnē. IgG antivielas mēra, veicot imunitātes testus.
Vēl viena mugurkaulnieku aizsardzība pret vīrusiem ir šūnu mediētā imunitāte. Tā ietver imūnšūnas, ko sauc par T-šūnām. Ķermeņa šūnas uz šūnas virsmas pastāvīgi izvieto īsus savu olbaltumvielu fragmentus, un, ja T šūna tur atpazīst aizdomīgu vīrusa fragmentu, T šūnas nogalinātājas iznīcina saimnieka šūnu, un vīrusam specifiskās T šūnas vairojas. Tādas šūnas kā makrofāgi ir antigēna prezentācijas speciālisti.
Izvairīšanās no imūnsistēmas
Ne visas vīrusu infekcijas izraisa aizsargreakciju. Šie noturīgie vīrusi izvairās no imūnsistēmas kontroles, veicot sekvestrāciju (slēpšanos), bloķējot antigēna prezentāciju, veidojot rezistenci pret citokīniem, izvairoties no dabisko nāvējošo šūnu aktivitātes, izvairoties no apoptozes (šūnu nāves) un antigēnu maiņas (mainot virsmas olbaltumvielas). HIV izvairās no imūnsistēmas, pastāvīgi mainot viriona virsmas olbaltumvielu aminoskābju secību. Citi vīrusi, ko sauc par neirotropiskiem vīrusiem, pārvietojas pa nerviem uz vietām, kuras imūnsistēma nevar sasniegt.
Divi rotavīrusi: labajā pusē redzamais ir pārklāts ar antivielām, kas neļauj tam pieķerties šūnām un inficēt tās.
Evolūcija
Vīrusi nepieder nevienai no sešām valstībām. Tie neatbilst visām prasībām, lai tos klasificētu kā dzīvus organismus, jo tie nav aktīvi līdz inficēšanās brīdim. Tomēr tas ir tikai vārdisks punkts.
Acīmredzot to uzbūve un darbības veids nozīmē, ka tie ir attīstījušies no citām dzīvām būtnēm, un daudzu endoparazītu normālās uzbūves zudums ir vērojams. Vīrusu izcelsme dzīvības evolūcijas vēsturē ir neskaidra: daži no tiem, iespējams, ir attīstījušies no plazmīdēm - DNS gabaliņiem, kas var pārvietoties starp šūnām, bet citi, iespējams, ir attīstījušies no baktērijām. Evolūcijas gaitā vīrusi ir svarīgs horizontālās gēnu pārneses līdzeklis, kas palielina ģenētisko daudzveidību.
Nesenie atklājumi
Nesenā projektā, ņemot paraugus no vairāk nekā 200 bezmugurkaulnieku sugām, tika atklāti gandrīz 1500 jaunu RNS vīrusu. "Pētnieku komanda... ieguva to RNS un, izmantojot nākamās paaudzes sekvenēšanu, atšifrēja bezmugurkaulnieku RNS bibliotēkās esošo 6 triljonu burtu secību". Pētījums parādīja, ka vīrusi ar dažādu ģenētisko mehānismu palīdzību mainīja savas RNS bitus un gabaliņus. "Bezmugurkaulnieku viroms [piemīt] ievērojama genoma elastība, kas ietver biežu rekombināciju, laterālu gēnu pārnesi starp vīrusiem un saimniekiem, gēnu iegūšanu un zaudēšanu, kā arī sarežģītus genomu pārkārtojumus".
Lielākais vīruss
Lielu vīrusu grupa inficē amebas. Lielākais no tiem ir pithovirus. Pārējie pēc lieluma ir Pandoravīruss, tad Megavīruss, tad Mimivīruss. Tie ir lielāki par dažām baktērijām un ir redzami gaismas mikroskopā.
Izmanto
Vīrusus plaši izmanto šūnu bioloģijā. Ģenētiķi bieži izmanto vīrusus kā vektorus, lai ieviestu gēnus pētāmajās šūnās. Tas ir noderīgi, lai liktu šūnai ražot svešas vielas vai lai pētītu jauna gēna ieviešanas ietekmi uz genomu. Austrumeiropas zinātnieki jau kādu laiku izmanto fāgu terapiju kā alternatīvu antibiotikām, un interese par šo pieeju pieaug, jo dažām patogēnām baktērijām ir augsta rezistence pret antibiotikām.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir vīruss?
A: Vīruss ir sīks parazīts, ko var redzēt tikai elektronu mikroskopā. Tas sastāv no olbaltumvielu apvalka, kas pārklāj nukleīnskābes virkni, parasti RNS vai DNS.
J: Ko pēta virusoloģija?
A: Viroloģija pēta vīrusus un to ietekmi uz dzīviem organismiem.
J: Kā vīrusi vairojas?
A: Vīrusi vairojas, ievadot savu nukleīnskābes virkni prokariotu vai eikariotu šūnā. Pēc tam RNS vai DNS pavediens pārņem šūnas mehānismu, lai pavairotu savas kopijas un olbaltumvielu apvalku, pirms tas plīst un izplata jaunizveidotos vīrusus.
Vai ir kādi brīvi dzīvojoši vīrusi?
A: Nē, visi vīrusi ir parazīti, kuriem, lai vairotos, ir jādzīvo citās dzīvās būtnēs.
J: Kāda veida slimības var izraisīt vīrusi?
A: Vīrusi var izraisīt daudzu veidu slimības, piemēram, poliomielītu, ebolas vīrusu un hepatītu.
J: Kā vakcīnas darbojas pret vīrusu infekcijām?
A: Vakcīnas nodrošina mākslīgi iegūtu imunitāti pret konkrēto vīrusu infekciju, tomēr daži vīrusi (tostarp tie, kas izraisa AIDS un vīrushepatītu) izvairās no šīm imūnreakcijām un izraisa hroniskas infekcijas.
J: Vai pret vīrusiem var lietot antibiotikas?
A: Nē, antibiotikas neietekmē vīrusus, bet ir dažas citas zāles, ko var lietot pret tiem.
Meklēt