Впервые в 1957 г. американский ученый Д.К. Гайдушек при обследовании в Новой Гвинее больных куру – смертельным дегенеративным заболеванием мозга, обратил внимание на сходство с известным вирусом заболевания овец – скрепи, болезни Крейтцфельда-Якоба (БКЯ).
За исследования в этой области Д.К. Гайдушек в 1976 г. был удостоен Нобелевской премии.
Данный инфекционный агент имел важные отличия от других возбудителей, в т.ч. вирусов:
· Он не был виден в электронный микроскоп
· Не вызывал иммунных реакций
· Не инактивировался факторами, разрушающими нуклеиновые кислоты
· Имел крайне малые размеры – меньше 25 нм
Было высказано мнение, что этот агент представляет собой новый тип возбудителя –инфекционный белок.
Позднее американский ученый С. Прузинер выделив протеиновую фракцию в возбудителе, доказал, что этот белок способен вызывать спонгиформную энцефалопатию и назвал его прионом (сокращение от протеиновые инфекционные нуклеолы). В 1997 г. С. Прузинеру была присуждена Нобелевская премия.
Существуют так называемые «конформационные» болезни, которые характеризуются пространственным изменением третичной структуры внутриклеточных белков с образованием жесткой бета – структуры вместо нормальной альфа – спиральной структуры.
Бета – структуры в отличие от альфа – структур устойчивы к расщепляющим их ферментам.
В результате бета – структуры накапливаются, агрегируются и полимеризуются, формируя различные специфические и неспецифические включения (фибриллы, агрегаты, амилоиды).
Некоторые из них приобретают новые свойства – нейротоксичные, становясь причиной развития нейродегенеративных заболеваний – болезни Альцгеймера, бокового амиотрофического склероза и др.
Конформационные изменения белков в организме в определенных условиях происходят и в норме, но в условиях патологии (мутации, ошибки транскрипции и трансляции) изменение структуры белка резко ускоряется.
Среди конформационных болезней выделяют:
· инфекционные,
· наследственные,
· спорадические – очень актуальные в настоящее время прионные инфекции
Прионный белок – сиалогликопротеид (PrP) – состоит из 254 аминокислот. Входит в состав наружных клеточных мембран и является компонентом многих клеток организма, но максимальная его концентрация выявляется в нейронах.
Делеция гена PRNP не приводит к немедленной смерти подопытного животного, но через70 недель развиваются прогрессирующие симптомы атаксии и нарушается моторная координация.
Очень устойчив к различным физическим факторам и химическим веществам . Иннактивировать (разрушить) его можно только 90 % фенолом и автоклавирование при самом жестком режиме 1800 С в течение 18 минут.
Две изоформыприона:
· нормальный (неинфекционный), - PrPС
· патологический (инфекционный). - PrPSc
В основе прионных заболеваний лежит пространственное изменение третичной структуры внутриклеточных белков с образованием жесткой бета – структуры вместо нормальной альфа – спиральной структуры.
Различают 4 типа прионных белков:
С первым и вторым типом – PrPSc-связаны фамильные, спорадические и ятрогенные формы болезни Крейтцфельда-Якоба.
Четвертый тип – является возбудителем новой атипичной формы этой болезни и больных животных («бешенство» коров).
Возможные пути передачи:
· по аутосомно-доминантному типу наследования,
· заражение алиментарным путем,
· заражение парантеральным (ятрогенным) путем.
Ятрогенный путь заражения может быть связан с употреблением продуктов, инфицированными прионами.
Остается проблеммой использование субпродуктов в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности, например желатина, который изготавливается из кожи и костей, но может содержать небольшое количество костного мозга, инфицированного прионами.
Также кремов и других косметических и фармацевтических препаратов, содержащих коллаген, полученный из тканей коров.
При заражении первоначально прионы появляются в лимфоидной ткани - лимфатических узлах, селезенке, тимусе, особенно в В-клеточных зонах.
В лимфоидной ткани происходит частичная репликацияприонов, затем они по нервам достигают ближайших аксонов. После размножения в аксонах прионы продвигаются к спинному, затем к головному мозгу со скоростью 1 мм в день.
Для заболеваний, вызываемых прионами, характерен длительный инкубационный период – до 40 лет.
Характерна прогрессирующая дегенерация ЦНС с преимущественным поражением серого вещества – снижение объема мозга, уменьшение толщины его коры, вакуолизация нейронов и уменьшение их количества.
Прионные заболевания всегда смертельны.
Клинические проявления:
· амнезия, потеря и извращение чувствительности, выпадение функций органов чувств
· атрофия мышц, параличи
· нарушение психики – депрессия, сонливость, агрессивность, снижение интеллекта
Прижизненная диагностика прионных заболеваний затруднена.
ВИРУСЫ
Вирусы - это уникальные организмы. Автономные генетические структуры.
Отличительные признаки:
· обязательный паразетизм на генетическом аппарате живых клеток (растений, бактерий, насекомых, животных),
· наличие в геноме нуклеиновой кислоты только одного типа.
Вирусами поражены все формы жизни.
Способность вируса вносить новую информацию в генетический аппарат клетки-хозяина определяют их роль как важного фактора изменчивости и биологической эволюции.
С вирусами связывают возникновение:
· опухолей,
· атеросклероза,
· диабета,
· нервно-психических заболеваний,
· инфекций.
В последние 10-летия резко возрос % вирусных инфекционных заболеваний человека – до 80% всех инфекционных заболеваний.
Грипп, аденовирусные инфекции, вирусные гепатиты и др.инфекции вирусной этиологии наносят большой вред здоровью человека.
Существует много вирусов, которые используют в качестве эффективного средства биологической войны.
Основоположником вирусологии является российский ученый Дмитрий Иосифович Ивановский, открывший в 19 – 20 вв. уникальный мир вирусов.
Есть мнение, что вирусы произошли от определенных клеточных геномов, которые приобрели способность покидать клетку и легко в нее возвращаться.
Это объясняет слабость и несвоевременность иммунного ответа организма человека.
Вирусам присущи:
· Способность к самовоспроизведению,
· Способность передавать наследственность,
· Генетическая изменчивость.Мутации генов вируса гриппа происходит в миллион раз быстрее, чем в клетках, в которых они паразитируют. Иммунная система человека не успевает за этими изменениями.
· Поверхностные системы структуры ВИЧ изменяются в 100-1000 раз быстрее, чем вирус гриппа и это осложняет создание вакцин против ВИЧ-инфекции.).
· Адаптация к определенной экологической нише, к определенному хозяину.
· Способность вызывать инфекцию, размножаться в клетке хозяина и даже приводить к гибели хозяина.
· Функционирование вирусного генома по общим законам генетического кода.
Вирусы нельзя назвать организмами.
Вирусы имеют принципиальные отличия от других живых систем:
· малые размеры,
· очень простое строение – геном, состоящий из ДНК или РНК, и капсид (белковая оболочка),
· отсутствие клеточного строения (нет цитоплазмы, клеточных мембран, рибосом),
· наличие только одного вида нуклеиновых кислот – ДНК или РНК,
· отсутствие способности к росту и бинарному делению,
· паразитизм на молекулярном (генетическом уровне)- в клетку проникает только геном вируса и полностью подчиняет её своим интересам,
· способность к интеграции собственного генома с геномом клетки,
· невозможность существовать без клетки хозяина.
Вирус, находящийся вне клетки, называется вирионом.
Масса вирионов определяется косвенно при ультроцентрифугировании в единицах Сведберга.
Размеры вирусов – 20 – 400 нм.
Основной компонент вириона – белковая оболочка капсид.
Капсиды состоят из белковых субъединиц – капсомеров.
В состав вириона входят:
· белки – 70-80%, (выполняют защитную, адресную, регулирующую функции)
· нуклеиновые кислоты – 4-6% (РНК), 20-30% (ДНК-вирусы). У вирусов геномной м.б. как ДНК, так и РНК
· липиды и углеводы имеются в незначительных количествах.
- наличие липидов характерно для патогенных вирусов
- наличие углеводов только у сложно устроенных вирусов. Углеводный компонент определяется клеткой хозяина.
В составе вирусов могут быть и другие компоненты:
· фосфаты (аденовирусы, ретровирусы, герпесвирусы, поксвирусы),
· микроэлементы – медь, молибден (ВИЧ, грипп, поксвирусы).
БАКТЕРИОФАГИ
Бактериофаг – вирус бактерий, паразитирующий только на живой микробной клетке и является важным генетическим фактором микроорганизмов. (от лат. «phagos» - пожирающий), вызывающих лизис (разрушение) клеток микроорганизмов.
Открыт французским ученым д,Эррелем.
Бактериофаг представляет собой шаровидное тело (головку) с отростком. вирус покрыт белковой оболочкой. В головке фага заключены ДНК или РНК.
Размеры фага от 45 до 100 нм.
Стадии (фазы) взаимодействия бактериофага с бактериальной клеткой:
I фаза – адсорбция на клетке при соответствии фаговых рецепторов с рецепторами бактериальной клетки.
II фаза – внедрение фага в клетку, через канал фага в клетку попадает его нуклеиновая кислота. В отличие от вирусов капсидные белки головки и отростка остаются вне бактериальной клетки.
III фаза – репликация фаговой ДНК или РНК, синтез фагоспецфических ферментов транскрипции и репликации.
IV фаза – сборка фаговых частиц, которая происходит гораздо быстрее, чем при репродукции других вирусов.
V фаза – выход фага из клетки происходит по типу взрыва, во время которого зараженные бактерии лизируются.
Существуют фаги:
· Вирулентные фаги - вызывающие инфекцию, заканчивающуюся лизисом бактериальных клеток и синтезом новых фаговых частиц.
· Умеренные фаги – не лизируют зараженные ими клетки, ДНК этих фагов включаются в хромосому бактерий и передается при их делении неограниченному числу потомков. Такой тип взаимодействия фага с клеткой называется лизогенией, а бактерии, несущие в геноме фаговую ДНК (профаг), называются лизогенными. Они широко распространены в природе, обнаруживаются в воде, почве, сточных водах, испражнениях больных. Клетки приобретают новые признаки, определенные профагом и способны вырабатывать токсины, например, дифтерийный. Лизогенные клетки используются для изучения многих вопросов генетики бактерий.
Большинство фагов характеризуются видоспецифичностью в отношении бактерий.
В практической работе фаги применяют для:
· Фаготипирования бактерий, что важно для маркировки исследуемых культур при эпидемиологическом анализе заболеваний
· Дифференцировки бактериальных культур для установления их видовой принадлежности
· Фагодиагностики - выделении фага из организма больного (например из испражнений), что косвенно свидетельствует о наличии в материале соответствующих микроорганизмов
Так как фаги обладают антигенными свойствами, их используют и для иммунизации животных с целью получения диагностических антифаговых сывороток.
В отдельных случаях фаги применяют для лечения инфекционных заболеваний (фаготерапия).
ЭУКОРИАТИЧЕСКАЯ КЛЕТКА
Им свойственна более сложная организация.
Они имеют различную форму и размеры и образуют как одноклеточные, так и многоклеточные организмы.
Различают животные и растительные эукариотические клетки. Они имеют общий принцип строения, хотя им присущи и некоторые различия.
В типичной эукариотической клетке имеются:
· ядро,
· цитоплазма
· оболочка.
Характерной чертой строения эукариотических клеток является мембранный принцип.
Биологические мембраны
Биологические мембраны входят в состав клеточной оболочки многих органоидов и оболочки ядра. Они имеют общую организацию и выполняют ряд важнейших функций.
Мембраны имеют толщину около 5-10 нм и по химической организации являются липопротеидными структурами.
Основу мембран составляет липидный бислой, состоящий преимущественно из фосфолипидов.
Кроме фосфолипидов, в мембранах могут присутствовать гликолипиды и холестерол.
Все липиды обладают свойством амфипатричности, т.е. у них есть гидрофильный конец («любящий воду») и
гидрофобный конец («боящийся воды»).
Гидрофильные концы обращены кнаружи от бислоя в виде двух противоположных рядовполярных «головок»,
Гидрофобные – внутрь друг к другу и имеют вид разветвленных неполярных «хвостов».
Большинство фосфолипидов и гликолипидов в водной среде самопроизвольно образуют бислой и смыкаются свободными концами, что лежит в основе восстановления структуры мембран при повреждении.
Липидный бислой определяет основные структурные особенности мембран
1 — молекула липида;
2 — липидный бислой;
3 — интегральные белки;
4 — периферические белки;
5 — полуинтегральные белки;
Липидный бислой может находиться в состоянии жидкого и твердого кристалла.
Молекулы липидов высокоподвижны и способны перемешаться в пределах своего монослоя и очень редко из одного монослоя в другой.