Заимствованная жизнь. Вирусы как неклеточная форма жизни

Цель: сформировать знания о вирусах как неклеточной форме жизни, их строении, особенностях жизнедеятельности.

Оборудование: таблица по общей биологии “Вирусы”.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка домашнего задания

Тест. “Белки. Их функции” (См. приложение 2).

III. Изучение новой темы

1. Слово учителя.

Конец XIX века. Бактериология достигла больших успехов. В этот период учеными были открыты возбудители чумы, холеры, туберкулеза, дифтерии и других наиболее часто встречающихся и широко распространенных болезней. Однако возбудителей многих других заболеваний, в том числе и очень опасных (например, натуральная оспа, корь, грипп, гепатит и др.), обнаружить не удавалось, хотя об этих болезнях знали давно.

Лишь в 1892 г. Дмитрий Иосифович Ивановский (1864—1920), занимаясь поисками возбудителя болезни табачной мозаики, установил, что он невидим в микроскоп даже при самом сильном увеличении и проходит через фильтры, которые задерживают бактериальные клетки; не растет на обычных искусственных питательных средах, применяемых в бактериологии. Ученый предположил, что возбудителем болезни табака являются либо мельчайшие бактерии, либо выделенные ими ядовитые вещества — токсины. Шесть лет спустя независимо от Ивановского такие же результаты получил нидерландский микробиолог М. Бейеринк. Правда, он сделал вывод, что мозаику табака вызывают не микробы, а “жидкое заразное начало”, или фильтрующийся вирус (от лат. “virus” — яд; такое название дал тогда еще неизвестному и невидимому в оптический микроскоп “противнику” Луи Пастер), который размножается лишь в живых организмах. Оба ученых были отчасти правы, но отчасти и ошибались. Возбудителем мозаики табака оказались не бактерии, как утверждал Ивановский, но и не жидкое заразное начало, как предполагал Бейеринк. Хотя удалось достичь значительных успехов в получении высокоочищенных проб и было установлено, что по химической природе это нуклеопротеины (нуклеиновые кислоты + белки), сами частицы все еще оставались неуловимыми и загадочными. Увидеть вирусы удалось лишь в электронный микроскоп спустя 50 лет после их открытия. И первым был сфотографирован именно вирус табачной мозаики (ВТМ), который является одним из наиболее изученных.

Но ученый мир не сразу признал особую природу вирусов. С момента их открытия возникало немало вопросов: это существа или вещества; они живые или неживые?

2. Работа с таблицей.

— На данном этапе урока нам с вами предстоит выявить черты сходства и отличия вирусов и живых организмов, заполнив таблицу “Характерные особенности вирусов”.

Организуется самостоятельная работы с учебником (А.А. Камеский, §1.9; И.Н. Пономарева, §7, с. 27).

Характерные особенности вирусов
Сходство с живыми организмами	Отличие от живых организмов	Специфические черты
1) Способность к размножению. 2) Наследственность. 3) Изменчивость. 4) Характерна приспособляемость к меняющимся условиям окружающей среды.	1) Во внешней среде имеют форму кристаллов, не проявляя никаких свойств живого. 2) Не потребляют пищи. 3) Не вырабатывают энергию. 4) Не растут. 5) Нет обмена веществ. 6) Имеют неклеточное строение.	1) Очень маленькие размеры. 2) Простота организации (нуклеиновая кислота + белки). 3) Занимают пограничное положение между неживой и живой материей. 4) Высокая скорость размножения. 5) Носитель наследственной информации или ДНК, или РНК.

В ходе обсуждения результатов заполнения таблицы учитель дополняет ее некоторыми примерами, отсутствующими в тексте учебника.

Дополнительный материал

Самые крупные вирусы (например, вирус оспы) достигают величины 400—700 нм и приближаются по размерам к небольшим бактериям; самые мелкие (возбудители полиомиелита, энцефалита, ящура) измеряются всего десятками нанометров, то есть близки к крупным белковым молекулам, в частности молекулам гемоглобина крови; в среднем они раз в пятьдесят меньше бактерий.

Вирусы имеют разнообразные формы:

1) палочковидные (ВТМ);

2) пулевидные (вирус бешенства);

3) сферические (полимиелит, ВИЧ);

4) нитевидные (филовирусы);

5) в виде многогранников.

Комментарии учителя. На основании всего сказанного можно сделать вывод о том, что вирусы, хотя и не имеют клеточного строения, относятся к живым организмам. В связи с этим все живое делится на две империи — доклеточных, которая объединяет вирусы и бактериофаги, и клеточных (царства растений, животных, грибов и прокариот).

Число видов вирусов, выявленных на сегодня, превышает тысячу. Все они объединены в царство Vira. Для них типичен сравнительно простой состав: нуклеиновая кислота (ДНК или РНК) и защищающая ее белковая оболочка, которая носит название “капсид” (от лат. “capsa” — вместилище).

Если у всех клеточных организмов имеется обязательно два типа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК, то вирусы содержат только одну из них. На этом основании их делят на две группы — ДНК- содержащие и РНК-содержащие вирусы.

Дополнительный материал

Простоорганизованные вирусы представляют собой нуклепротеиды, то есть состоят из нуклеиновой кислоты и нескольких белков, образующих оболочку вокруг нее — капсид. Пример такого строения — вирус табачной мозаики; его капсид содержит всего один белок с небольшой молекулярной массой.

Сложноорганизованные вирусы имеют дополнительную оболочку — белковую или литопротеиновую, которая иногда может содержать еще и углеводы, например, у возбудителей гриппа и герпеса. Их наружная оболочка является фрагментом ядерной или цитоплазматической мембраны клетки-хозяина, из которой вирус выходит во внеклеточную среду.

Геном вирусов может быть представлен как однонитчатыми, так и двунитчатыми молекулами ДНК и РНК. Так, двунитчатая ДНК встречается у вирусов оспы человека, овец, свиней, аденовирусов человека; двунитчатая РНК служит генетической матрицей у некоторых вирусов насекомых. Широко распространены вирусы, содержащие однонитчатую РНК. Это вирусы энцефалита, краснухи, кори, бешенства, гриппа и другие.

3. Продолжение изучения материала.

В отличие от клеточных организмов у вирусов отсутствует собственная система, синтезирующая белки. Вирусы вносят в клетку только свою генетическую информацию. С матрицы — вирусной ДНК или РНК — синтезируется информационная РНК, которая и служит основой для синтеза вирусных белков рибосомами клетки- хозяина. Молекула ДНК вирусов, ИЛИ ИХ геном, может встраиваться в геном клетки хозяина и существовать в таком виде неопределенно долгое время. Таким образом, вирусы являются внутриклеточными паразитами на генетическом уровне, не что иное, как комплект генов, странствующий набор информации, бездействующий, пока не найдет себе пристанища в живой клетке.

Жизненный цикл вируса имеет две фазы — внеклеточную или покоящуюся (вирусные частицы или вирионы) и внутриклеточную (размножающуюся). Существующие вне клеток вирионы не обнаруживают никаких признаков жизни. Во время внутриклеточной фазы вирус существует в виде реплицирующейся (делящейся) молекулы нуклеиновой кислоты — ДНК или РНК, и его генетический материал служит для синтеза клеткой хозяина специфичных вирусных белков.

Итак, рассмотрим процесс размножения вирусов, гак как это совершенно особый в органическом мире процесс, который характеризуется огромной скоростью. Так, например, в среднем за один цикл размножения в клетке легкого куриного эмбриона воспроизводится до 10 тысяч вирионов вируса чумы птиц, а в клетке почки теленка — до 200 тысяч частиц вируса ящура. Подобная способность размножаться в сочетании с другими условиями обеспечила вирусам надежное существование.

Что приводит в действие покоящуюся генетическую программу вирусной частицы? Ответ прост: успешный контакт с подходящей живой клеткой и вторжение в нее вирусной нуклеиновой кислоты.

Стадия взаимодействия вируса и клетки отличается специфичностью: каждый вирус способен прикрепляться лишь к определенным клеткам, имеющим на своей поверхности специальные рецепторы. К одной клетке могут прикрепляться десятки и даже сотни вирусных частиц. Затем начинается проникновение в клетку хозяина, причем механизм этой стадии оказался специфичным в различных ситуациях. Бактерии и растения имеют помимо цитоплазматической мембраны плотную и прочную клеточную стенку. Вирусам растений пройти сквозь стенку часто помогают механические повреждения, наносимые насекомыми или сельскохозяйственными орудиями. Вирусы бактерий (бактериофаги) имеют специальное приспособление, несколько напоминающее шприц. Фаг частично растворяет клеточную стенку и мембрану бактерии и за счет сократительной реакции хвостика впрыскивает свою ДНК в ее клетку. Многие вирусы проникают в клетку тем же путем, что и пища. При этом используются естественные для клетки процессы фагоцитоза и пиноцитоза. Далее ферменты лизосом клетки разрушают вирусные белки, освобождая его инфекционное начало — нуклеиновую кислоту. Некоторые вирусы проникают в клетку путем слияния мембран клеток и липопротеиновых оболочек вирусов.

Начало инфекционного процесса связано с размножением проникшего в клетку вируса, т.е. происходит редупликация вирусного генома и самосборка капсида, которые также осуществляются в несколько этапов.

Первый этап — подготовительный. На этом этапе происходит подавление функционирования генетического аппарата клетки- хозяина, белоксинтезирующий аппарат клетки переводится под контроль генома вируса, начинается синтез ферментов, необходимых для синтеза и репликации нуклеиновых кислот вируса.

На следующем этапе происходит репликация нуклеиновых кислот, механизмы которой различны из-за разнообразия генетического аппарата вирусных частиц, и синтез белков капсида.

Следующая стадия — созревание вирусных частиц — включает процессы, когда отдельные компоненты складываются в самостоятельно функционирующие вирионы, точно соответствующие родительским оригиналам.

На последней стадии размножившиеся частицы вируса выходят из инфицированной клетки. Чаще всего выход вирусов сопровождается разрушением клети и ее гибелью. Такой выход характерен для бактерифагов, вирусов оспы, полиомиелита, энцефалита. Другие вирусы, например, вирусы герпеса, свинки, реовирусы выходят из клетки путем почкования по мере их созревания. До момента гибели клеток они успевают проделать несколько циклов размножения, постепенно истощая и разрушая клетки- хозяев. Иногда вирус мирно живет в хозяйской клетке, размножаясь вместе с ней. Иногда такое “перемирие” длится десятилетиями. Однако в любой момент оно может быть нарушено. Тогда встроившийся фрагмент вирусной частицы выщепляется, и события начинают разворачиваться по сценарию, ведущему к гибели клетки.

Наука, изучающая размножение, строение и происхождение вирусов называется вирусологией. Многие ее успехи достигнуты в борьбе с конкретными болезнями — оспой, клещевым энцефалитом,бешенством, желтой лихорадкой и др. Но перед человечеством стоит еще множество сложных вирусологических проблем. Экспериментально доказано вирусное происхождение большого числа опухолей у животных.

Связь между злокачественными опухолями и вирусами у человека менее очевидна, хотя в последние годы такие данные получены. К числу вирусных заболеваний относится СПИД, возбудителем которого является вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). ВИЧ относится к ретровирусам, имеет сферическую форму диаметром от 100— 150 нм. Наружная оболочка вируса состоит из мембраны, образованной из клеточной мембраны клетки-хозяина, в которую встроены рецепторные образования, напоминающие по внешнему виду грибы.

Под наружной оболочкой располагается капсид вируса, образованный особыми белками, внутри которого находятся две молекулы вирусной РНК. Каждая молекула РНК содержит 9 генов ВИЧ и фермент, осуществляющий синтез ДНК с молекулы вирусной РНК. Основными клетками-мишенями ВИЧ являются Т-лимфоциты (хелперы), так как на их поверхности содержатся рецепторы, способные связываться с поверхностным белком ВИЧ. Кроме того, ВИЧ проникает в ЦНС, поражает нервные клетки и клетки нейроны, клетки кишечника.

IV. Закрепление

Решите кроссворд (см. приложение 4).

Ответы на кроссворд:

По горизонтали: 1. Бактериофаги; 5. Интерферон; 6. Эукариоты; X. Самовоспроизводство; 10. Герпес; 11. Паразит; 14. Иммунитет;

15. Вирогения; 16. Вироиды; 17. Вирион; 18. Профаг; 20. Бейеринк;

21. Провирус; 24. Эритроциты; 27. Вирусотерапия; 28. Инфекция.

По вертикали: 2. Аденовирусы; 3. Вирусология; 4. Ивановский;7. Клон; 9. Гепатит; 10. Грипп; 11. Антибиотики; 13. Вирусы; 16. Прокариоты; 19. Иммуноциты; 22. Свинка; 23. СПИД; 25. Оспа.

Домашнее задание

Учебник А.А. Каменского, §1.9.

Учебник И.Н. Пономаревой, §7, с. 27, записи в тетради. Подготовить сообщение “Вирусные заболевания”.