Генетические и биохимические особенности вирусных заболеваний на примере гепатита

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБКИСТАН

САМАРКАНДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ АЛИШЕРА НАВОИЙ

Факультет естественных наук

Кафедра физиологии, генетики и биохимии

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

на получение степени бакалавр по направления «5420100-биология»

“Генетические и биохимические особенности вирусных заболеваний на примере гепатита”

Джуракулова Регина Алимжановна

Самарканд-2012

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Строение и генетические особенности вирусов

1.1.1 Классификация и химический состав вирусов

1.1.2 Особенности строения вирусов

1.2 Биохимические и генетические особенности вирусных заболеваний

1.2.1 Классификация и патогенез вирусных инфекций

1.2.2 Генетико-биохимические особенности вирусных инфекций

1.2.3 Классификация и генетические особенности инфекционного процесса вирусов гепатита

2. Материал и методы исследований

2.1 Место проведения исследований

2.2 Объекты исследования

2.3 Методы исследований

3. Результаты с исследований

3.1 Биохимико-генетические исследования заболеваемости гепатитом А и B

3.2 Медико-статистические показатели заболеваемости гепатитом А и В В Самаркандской области

Выводы

Рекомендации

Список используемой литературы

Введение

Актуальность работы. В результате резкого увеличения численности населения, интенсивной индустриализации и урбанизации нашей планеты происходит загрязнение биосферы антропогенными факторами, способных оказывать неблагоприятное действие на живые организмы, в первую очередь на человека. К ним относят газообразные, жидкие, твердые отходы промышленных предприятий, пестициды, тяжелые металлы, нефтепродукты, лекарственные препараты.

В зависимости от своей природы, концентрации, времени действия на организм человека, они могут вызывать неблагоприятные последствия, увеличивая число сердечнососудистых, онкологических, аллергических. вирусных заболеваний, сопровождающихся иммунологическими нарушениями и функциональными расстройствами. Особую группу заболеваний представляют вирусные инфекции: грипп, герпес, краснуха, СПИД/ВИЧ инфекция, гепатит.

Инфекционные заболевания по степени распространения занимают третье место после сердечнососудистых и онкологических. Их возбудителями являются вирусы, бактерии, грибы, простейшие. Вирусно-инфекционный процесс может проявляться на всех уровнях организации биологических систем организма. Механизм развития патологических процессов, вызванных вирусами, может определяться не только их воздействием на чувствительные клетки, но и быть следствием нарушения защитных реакций организма хозяина, изменяя иммунологические механизмы уничтожения поврежденных клеток. К ним относятся вирусы герпеса и гепатита. Вирусные гепатиты - инфекционные болезни, которые характеризуются воспалительным поражением печени, протекающих с высокой интоксикацией и в ряде случаев с желтухой. Различные виды вирусных гепатитов характеризуются специфическим клиническим развитием и в разной степени поражают функции печени. К наиболее опасным формам относят вирусные гепатиты В, С. Переход заболевания в хроническую форму предполагает ухудшение прогноза заболевания и длительное развитие воспалительных процессов в печени. Хронические формы вирусных гепатитов считают одними из самых распространенных причин цирроза печени и первичного рака.

В виду повсеместной распространенности и высокой заболеваемости вирусными гепатитами, изучение генетических и биохимических особенностей и патологических процессов является важнейшей медико-биологической и социальной проблемой во всем мире.

Целью наших исследований было изучение классификации и патогенеза вирусных инфекций, их биохимических и генетических особенностей на примере вирусных гепатитов.

Основными задачами является:

1. Изучение классификации, строения и генетических особенностей вирусов.

2.Изучение классификации и патогенеза вирусных инфекций человека.

3. Изучение биохимических и генетических особенностей вирусных инфекций на примере вирусного гепатита.

4. Проведение медико-статистического анализа заболеваемости гепатитами А и Б за 2009 -2011 гг.

Научно-практическое значение работы Изучены особенности строения вирусов и их классификация. Рассмотрены биохимические и генетические особенности вирусных инфекций на примере вирусного гепатита. Проведен медико-статистический анализ заболеваемости гепатитами А и В по Самаркандской области.

Структура и объем работы. Работа изложена на 72 страницах и состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследования, результатов исследований, выводов, рекомендаций и списка использованной литературы, 3 главы, 7 параграфов, рисунков 8, таблиц 6 схема 1. В списке использованной литературы 41 источник, из них иностранных 9, использованы материалы из Интернета.

1. Литературный обзор

1.1 Строение и генетические особенности вирусов

1.1.1 Классификация и химический состав вирусов

Вирусы (от латинского вирус - яд) представляют неклеточные формы жизни, это объекты, геном которых представлен одним типом нуклеиновой кислоты ДНК или РНК. Вирусы были открыты в 1982 году русским ботаником Д.И. Ивановским, установившим фильтруемость возбудителя мозаичной болезни табака. В 1935 году Стенли впервые выделил вирус в кристаллическом виде, в результате чего появилась возможность изучать химический состав чистых препаратов вируса. Исследование морфологии и структуры вирусов стало возможным после изобретения электронного микроскопа. Размеры вирусных частиц колеблются в относительно широких пределах. Самые мелкие просто устроенные вирусы имеют диаметр 20 нм, вирусы средних размеров 100-150 нм, наиболее крупные 170-450 нм. Длина нитевидных вирусов растений может составлять 2000 нм. В онтогенетическом цикле вируса выделены две стадии - внеклеточная и внутриклеточная, и соответственно, две формы его существования - вирион и вегетативная.[12]

Вирион - это целая вирусная частица, состоящая из белка и нуклеиновой кислоты, часто устойчивая к воздействию факторов внешней среды и приспособленная для переноса генетической информации из клетки в клетку. Вегетативная форма вируса существует в едином комплексе вирус-клетка и только в их тесном взаимодействии вирион характеризуется собственной архитектурой, биохимическими и молекулярно-генетическими особенностями. Архитектура вирионов - это ультратонкая структурная организация этих надмолекулярных образований различающихся размерами, формой и сложностью строения. Изучение строения вирионов показало, что их формирование подчиняется строгим математическим законам построения пространственных структур - от кристаллов до архитектурных сооружений - законом, основанным на образовании структур с наименьшим уровнем свободной энергии.[12]

Обязательным структурным элементом вирусов является капсид-белковая оболочка, окружающая вирусную нуклеиновую кислоту. Морфологическими субъединицами капсида являются капсомеры. Структурными единицами капсида являются белковые субъединицы, состоящие из одной или нескольких молекул белка. Существует два типа строения капсидов: спиральный и кубический. Основной чертой вирусов является то, что они могут размножаться, только паразитируя в клетках зараженного организма. Вирусы не обладают собственным аппаратом для синтеза органических молекул, поэтому для самовоспроизведения они используют ресурсы клетки хозяина.[35]

По своей структуре вирусы могут быть простыми и сложными, которые включают несколько структурных элементов. Просто организованные вирусы представляют собой нуклеопротеиды или нуклеокапсиды, и состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и нескольких белков, образующих оболочку вокруг нуклеиновой кислоты - капсид. Примером таких вирусов является вирус табачной мозаики. Сложноорганизованные вирусы имеют дополнительную оболочку, белковую или липопротеиновую. Иногда в наружных оболочках сложно организованных вирусов помимо белков содержатся углеводы. Они имеют лишь один вид нуклеиновой кислоты - РНК или ДНК, выполняющих функции генома. Вирусный геном может быть представлен как однонитчатыми, так и двунитчатыми молекулами РНК и ДНК. Двунитчатая ДНК встречается у вирусов оспы человека, оспы овец, свиней, двунитчатая РНК служит генетической матрицей у некоторых вирусов насекомых. Непременным компонентом вирусной частицы является какая-либо одна из двух нуклеиновых кислот, белок и зольные элементы. Эти три компонента являются общими для всех без исключения вирусов, тогда как остальные два липоиды и углеводы - входят в состав далеко не всех вирусов. Вирусы, состоящие только из белка нуклеиновой кислоты и зольных элементов, чаще всего принадлежат к группе простых, так называемых минимальных, вирусов, лишенных дифференциации, собственных ферментов и каких-либо специализированных структур. К таким вирусам относят вирусы растений, некоторые вирусы животных и насекомых. В то же время практически все бактериофаги, которые по химическому составу, принадлежат к группе минимальных вирусов, на самом деле являются очень сложными и высокодифференцированными структурами. Вирусы, в состав которых наряду с белком и нуклеиновой кислотой входят также липоиды и углеводы, как правило, принадлежат к группе сложно устроенных вирусов. Большая часть вирусов этой группы паразитирует на животных.[2]

Вирусы могут иметь следующий химический состав:

1. Белки. Белок всех исследованных до настоящего времени вирусов построен из обычных аминокислот, принадлежащих к естественному L-ряду. D-аминокислот в составе вирусных частиц не найдено. Соотношение аминокислот в вирусных белках достаточно близко к таковому в белках животных, бактерий и растений. В белках вирусов преобладают кислые дикарбоновые кислоты. Это справедливо как для вирусов с низким содержанием нуклеиновой кислоты, так и для вирусов с высоким содержанием РНК и ДНК.

2. Вирусная ДНК. Главной структурной особенностью большинства вирусных молекул ДНК, является наличие двух спаренных антипараллельных цепей. В ДНК-геноме вирусов молекулы вирусных ДНК могут быть линейными или кольцевыми, двухцепочечными или одноцепочечными по всей своей длине или же одноцепочечными только на концах. Кроме того, выяснилось, что большинство нуклеотидных последовательностей в вирусном геноме встречается лишь по одному разу, однако на концах могут находиться повторяющиеся, или избыточные участки. Из всех описанных до сих пор вирусных ДНК наиболее сложно организована ДНК вируса герпеса. Геном здесь, по-видимому, состоит из двух больших соединенных сегментов, каждый из которых имеет повторяющиеся концевые последовательности.

Помимо очень интересных различий в форме молекулы и в структуре концевых участков вирусных ДНК существуют также большие различия в величине генома. Среди наименьших "полных" вирусов (т.е. вирусов, способных размножаться в клетке-хозяине) можно назвать папавовирусы, паповирусы, вирусы полиомы и SV40. С другой стороны, у крупных бактериофагов и вирусов человека и животных (паповирусов, герпеса и осповирусов) геном значительно больше - от 1 до 1,5^.10⁸ дальтон, так что он мог бы кодировать более 100 белков. Действительно, у бактериофага Т 4 сейчас идентифицировано больше ста генов.[13]

3. Вирусная РНК: Размеры вирионов РНК - вирусов сильно варьируют - от 7^.10⁶ дальтон у пикорнавирусов, до >2^.10⁸ дальтон у ретровирусов; однако размеры РНК и, следовательно, объем содержащейся в ней информации различаются в значительно меньшей степени. РНК пикорнавирусов - вероятно, наименьшая из известных - содержит около 7500 нуклеотидов, а РНК парамиксовирусов - едва ли не самая крупная - почти 15000 нуклеотидов.

4. Вирусные белки. Кроме капсидных белков, образующих "футляр" для нуклеиновой кислоты, у вирусов с оболочками имеются и другие белки. Кроме белков, входящих в состав нуклеопротеидного "ядра", вирионы могут содержать еще вирус - специфические белки, которые были встроены в плазматические мембраны зараженных клеток и покрывают вирусную частицу, когда она выходит из клетки или "отпочковывается" от ее поверхности. Кроме того, у некоторых вирусов с оболочкой существует субмембранный матриксный белок между оболочкой и нуклеокапсидом. Вторую большую группу вирус специфических белков составляют некапсидные вирусные белки. Они в основном имеют отношение к синтезу нуклеиновых кислот вириона.[4]

Белок всех исследованных до настоящего времени вирусов построен из обычных аминокислот, принадлежащих к естественному L-ряду. Соотношение аминокислот в вирусных белках достаточно близко к таковому в белках животных, бактерий и растений. Вирусные белки не содержат обычно большого количества основных аминокислот (аргинина, муцина), т.е. не принадлежат к группе белков типа гистонов и протаминов с ярко выраженными щелочными свойствами. Не учитывая нейтральных аминокислот, можно сказать, что в вирусном белке преобладают кислые дикарбоновые кислоты. Это справедливо как для вирусов с низким содержанием нуклеиновой кислоты, так и для вирусов с высоким содержанием РНК и ДНК.[22]

Белковый компонент вирусов, как и все прочие белки, построен из пептидных цепочек. Единственное своеобразие полипептидной цепочки вирусного белка связано с "маскировкой" обеих или какой-либо одной С- или N - концевой аминокислоты, что, видимо, является эволюционным приспособлением, затрудняющим разрушение вирусного белка под влиянием протеаз в клетках хозяина.

В вирусных частицах пептидные цепочки определенным образом взаимодействуют друг с другом, приобретая вторичную и третичную структуру. Именно в такой форме пептидные цепи являются структурными субъединицами вирусного белка, наблюдаемые обычно в электронном микроскопе.[22]

Механизм, благодаря которому генетическая информация ДНК "транскрибируется" в матричную РНК, а затем транслируется в белок, выяснился через несколько лет после того, как молекулярные биологи осознали, что нуклеотидные последовательности в ДНК генов прямо ответственны за аминокислотные последовательности белка. Тот факт, что некоторые вирусы растений и животных содержат в качестве генетического материала РНК и что вирусная РНК сама по себе инфекционна, уже говорит о вероятной промежуточной роли РНК в переносе генетической информации. Когда Жакоб и Моно предсказали существование короткоживущего, нестойкого посредника между генами и аппаратом белкового синтеза, поиски молекулы РНК с такими свойствами были уже начаты. Первые указания на наличие фаговой РНК, которая вновь синтезировалась после фаговой инфекции и была ассоциирована с предсуществовавшими бактериальными рибосомами.[22]

В дальнейшем м-РНК была идентифицирована и изучена как в бактериальных, так и в животных клетках. Позже было показано, что многие молекулы м РНК, и вирусные и невирусные, способны программировать синтез специфических белков в самых разных клеточных экстрактах. Это подтверждало, что специфичность синтеза белка в различных системах зависит от м РНК, а не от системы, синтезирующей белок. Во всех клетках первым этапом экспрессии генов оказалась "транскрипция" ДНК с образованием соответствующей м РНК.[23]

5. Углеводы. Четверым компонентом, обнаруживаемым иногда в очищенных вирусных препаратах, являются углеводы (в количестве, превышающем содержание сахара в нуклеиновой кислоте). Глюкоза и гентибиоза, обнаруживаемая в составе Т-четных и некоторых других фагов, - компоненты нуклеиновой кислоты и рассматриваются в разделе, посвященном составу ДНК и РНК. Помимо этих "экстра"-углеводов, в составе бактериофагов могут быть и другие полисахариды. Единственная группа вирусов, в которой наличие углеводов точно доказано, - вирусы животных, хотя различные авторы приводят весьма противоречивые данные как о количественном, так и о качественном составе их углеводного компонента. В составе элементарных телец вируса гриппа и классической чумы птиц находятся до 17 % углеводов.[15]

Было доказано, что присутствие в вирусных препаратах одного фермента представляет собой достаточно редкий феномен, установленный в настоящее время с полной достоверностью для лизоцимной и фосфатозной активностей бактериофагов и нейтраминидазной активности миксовирусов. Во всех остальных случаях либо не было получено убедительных доказательств собственно вирусного происхождения определяемого фермента, либо, наоборот, твердо доказано происхождение активности фермента от клеточных загрязнений.

Одним из компонентов вирионов является двойной слой липидов, образующий основную массу наружной оболочки у тех вирусов у которых она имеется. Полагают, что липиды оболочек просто заимствуются из плазматической мембраны клетки-хозяина и поэтому, строго говоря, не могут считаться "вирус-специфическими". Действительно, парамиксовирусы, размножающиеся в различных клетках, могут содержать и соответственно разные липиды. Поэтому специфика вирусной оболочки зависит от вирусных гликопротеидов, находящихся на ее поверхности. Высокоочищенные препараты вирионов содержат ряд низкомолекулярных компонентов, функция которых в некоторых случаях понятна. У бактериофагов и вирусов животных и растений обнаружены полиамины. Возможно, что их единственная физиологическая функция состоит в нейтрализации отрицательного заряда нуклеиновой кислоты. Например, вирус герпеса содержит достаточно спермина, чтобы нейтрализовать половинку вирусной ДНК, а в вирусной оболочке, кроме того, присутствует спермидин.[15]

Современная классификация вирусов является универсальной для вирусов позвоночных, беспозвоночных, растений и простейших. Она основана на фундаментальных свойствах вирионов, из которых ведущими являются признаки, характеризующие нуклеиновую кислоту, морфологию, стратегию генома и антигенные свойства. Важным признаком для классификации является стратегия вирусного генома, под которым понимают используемый вирусом способ репродукции, обусловленный его генетическим материалом. Для классификации вирусов в настоящее время используют следующие критерии:1. Нуклеиновая кислота: тип, число нитей, процентное содержание, молекулярная масса, содержание гуанина и цитозина. 2. Морфология: тип симметрии или псевдосимметрии, число капсомеров для вирусов с кубической симметрией, наличие внешней липопротеиновой оболочки, форма, размеры вирионов. 3. Биофизические свойства: константа седиментации, плавучая плотность. 4. Белки: количество структурных белков, их локализация, аминокислотный состав. 5. Липидный состав. 6. Размножение в тканевых культурах, особенности репликации. 7. Круг поражаемых хозяев, особенности патогенеза инфекционного процесса; онкогенные свойства. 8. Устойчивость к физическим и химическим факторам.[41]

По этим критериям группируются все вирусы независимо от круга их носителей (вирусы позвоночных, беспозвоночных, растений). Название всех вирусных родов оканчивается словом «virus», для названия семейств используется суффикс «idae», а подсемейств -- «шея». Из более чем 55 семейств вирусов, признанных Международным комитетом по таксономии вирусов, следующие 19 включают вирусы человека и животных. Из них 7- ДНК содержащих, 12 -РНК содержащих вирусов.[35].

Таблица 1.1. Классификация вирусов

1.1.2 Особенности строения вирусов

Вирусы -- особое царство ультрамикроскопических размеров организмов, обладающих только одним типом нуклеиновых кислот, лишенных собственных систем синтеза белка и мобилизации энергии и, являющихся поэтому абсолютными внутриклеточными паразитами.

Существует и другой взгляд на природу вирусов: «...вирусы можно рассматривать как генетические элементы, одетые в защитную оболочку и способные переходить из одной клетки в другую». Однако эти же авторы там же называют репродукцию вируса в клетке его жизненным циклом.[21]

Молекулярно-генетическая организация вирусов.

Основой таксономии вирусов является вирион, который представляет собой конечную фазу развития вируса. Вирион состоит из геномной нуклеиновой кислоты, окруженной одной или двумя оболочками. По строению вирусы можно разделить на четыре типа, которые различаются по характеру упаковки морфологических субъединиц:

1.вирусы со спиральной симметрией;

2.изометрические вирусы с кубической симметрией;

3.вирусы с бинарной симметрией, например фаги: у них головка имеет кубический тип симметрии, а хвостик -- спиральный;

4.более сложно организованные вирусы, имеющие вторую оболочку.

Оболочка, в которую упакована геномная нуклеиновая кислота, называется капсидом (греч. capsa -- ящик). Наиболее просто организованные вирусы представляют собой нуклеокапсиды: они состоят только из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки, построенной из идентичных пептидных молекул. Поскольку число аминокислотных остатков в белковой молекуле всегда меньше числа нуклеотидов в гене (код триплетный), то для того, чтобы упаковать геномную нуклеиновую кислоту, требуется большое число одинаковых белковых молекул. А многократное повторение белок-белковых взаимодействий возможно лишь при условии симметричного расположения субъединиц. Существует всего два способа упаковки одинаковых белковых молекул в капсид, при которых он обладал бы стабильностью. Полимер будет стабильным, если он соответствует наименьшему уровню свободной энергии. Процесс образования такого полимера родствен процессу кристаллизации, он протекает по типу самосборки. Один из вариантов такой самосборки происходит с использованием спиральной симметрии, другой -- кубической симметрии.[13]

Рисунок 1. Строение вируса.

При спиральной симметрии (ее имеют нитевидные вирусы) белковые субъединицы располагаются по спирали, а между ними, также по спирали, уложена геномная нуклеиновая кислота. Лучше всего этот тип молекулярной организации вириона изучен у вируса мозаичной болезни табака. Он представляет собой нуклеопротеид, имеющий длину 300 нм и диаметр 18 нм. Молекулярная масса вириона 40 МД. Капсид вириона состоит из 2130 белковых молекул, винтообразно уложенных вокруг РНК, содержащей около 6000 нуклеотидов (рис. 76, а). Каждая белковая молекула имеет м. м. 18 240 Д и состоит из 158 аминокислотных остатков. С каждой белковой субъединицей связано три нуклеогида. Белковая спираль состоит из 130 витков, на каждый из которых приходится 16 % субъединиц. Период идентичности (3 оборота спирали) равен 6,9 нм.[15]

При спиральной симметрии белковый чехол лучше защищает геномную нуклеиновую кислоту, но при этом требуется большее количество белка, чем при кубической симметрии. Большинство вирусов с замкнутым чехлом обладает кубической симметрией. В ее основе лежат различные комбинации равносторонних треугольников, образующихся из сочетания шаровидных белковых субъединиц. Сочетаясь определенным образом друг с другом, они могут формировать замкнутую сферическую поверхность. Из различных сочетаний равносторонних треугольников, которые образуют общую вершину и общую ось симметрии, могут возникать различные варианты многогранников: тетраэдры, октаэдры и икосаэдры. Икосаэдры имеют 20 граней (каждая представляет равносторонний треугольник. Икосаэдры -- самая эффективная и экономичная симметрия для формирования замкнутого чехла, так как в этом случае при его сборке используются строительные белки минимального размера и обеспечивается наибольший внутренний объем вириона. Видимо, поэтому сферические вирусы животных чаще всего имеют форму икосаэдра.[27]

К основным различиям между спиральными и сферическими вирусами относятся:

Спиральные вирусы

Самосборка происходит одним способом.

Взаимодействие между нуклеиновой кислотой (НК) и белком максимальное.

Площадь поверхности вириона большая.

Освобождение НК невозможно без разрушения вириона.

Сферические вирусы.

Возможны варианты самосборки.

Взаимодействие между НК и белком слабое.

Площадь поверхности вириона минимальна.

Освобождение НК возможно без разрушения вириона.

Упаковка по типу икосаэдра позволяет осуществлять переход от структурных единиц (белковых субъединиц) к морфологическим -- капсомерам (греч. meros - часть). Например, 60 молекул субъединиц могут быть представлены в виде 30 молекул димеров или 20 молекул тримеров, морфологически такие олигомеры будут отличаться друг от друга. Число капсомеров для вирусов данного вида является постоянным, оно имеет диагностическое значение. Например, вирион аденовирусов имеет 252 капсомера, причем группы из 9 капсомеров располагаются на поверхности 20 граней (180 капсомеров), а группы из 6 капсомеров образуют 12 вершин (72 капсомера). Число капсомеров у парвовирусов -- 32, у паповавирусов -- 72.

Молекулярная организация всех простых вирусов сводится к использованию спиральной и кубической симметрии.[28]

Более сложно устроены вирусы, у которых имеется вторая оболочка. Вначале она получила название «пеплоса» (накидка греческих солдат). Позднее ее стали называть суперкапсидом. Он представляет собой обычную биологическую мембрану, состоящую из двух слоев липидов, имеющих клеточное происхождение, и заключенных в них гликозилированных суперкапсидных вирусных белков, которые выступают над наружной поверхностью вириона в виде своеобразных шипов. Суперкапсидные вирусные белки, образующие шипы, обладают жизненно важными для вируса функциями: они распознают клеточные рецепторы и связываются с ними, обеспечивают слияние вирусной мембраны с мембраной клетки и ее лизосом, способствуют распространению вируса в организме за счет слияния клеток, многие из них обладают свойствами протективных антигенов и т. д. Многие сложные вирусы, такие как ортомиксовирусы, парамиксовирусы, коронавирусы и др., устроены таким образом, что их нуклеокапсид, имеющий палочковидную спиральную структуру, свернутую определенным образом, окружен суперкапсидной липопротеиновой оболочкой, придающей вириону сферическую форму. Вирионы рабдовирусов содержат спиральный нуклеокапсид, образующий цилиндрическую структуру, покрытую липидсодержащим суперкапсидом, который придает вириону пулевидную форму (рис. 78, 8). У других вирусов, например у тогавирусов, нуклеокапсид имеет форму икосаэдра, который окружен суперкапсидной оболочкой, придающей вириону шаровидную форму. Вирион ретровирусов имеет икосаэдрический капсид, внутри которого располагается спиральный нуклеокапсид, а сам вирион покрыт липидсодержащей оболочкой, придающей ему сферическую форму.[28]

Наиболее сложное строение имеют самые крупные вирусы, относящиеся к семейству поксвирусов. Их вирионы имеют форму параллелепипеда (или овоидную), размером 300--450х170--260 нм. Вирионы покрыты внешней оболочкой, под которой располагаются сложное образование из тубулярных структур и внутреннее ядро, состоящее из ДНК-содержащей сердцевины и одного или двух боковых телец. Вирион содержит более 30 структурных белков и несколько ферментов. Таким образом, структура вириона у каждого семейства вирусов имеет отличительные особенности. В природе помимо вирусов обнаружены другие очень мелкие загадочные инфекционные агенты с необычными свойствами. К ним относятся вироиды и прионы.[40]

Вироиды. Название «вироид» было предложено в 1971 г. Т. Динером. Оно свидетельствует о том, что симптомы заболеваний, которые вызывают эти агенты у различных растений, похожи на симптомы заболеваний, вызываемых у них вирусами. Однако вироиды отличаются от вирусов по крайней мере по следующим четырем признакам. Вироиды, в отличие от вирусов, не имеют белковой оболочки и состоят только из инфекционной молекулы РНК. Они не обладают антигенными свойствами и поэтому не могут быть обнаружены серологическими методами[12].

Вироиды имеют очень малые размеры: длина молекулы РНК вироидов равна 1 * 106 мм, она состоит из 300--400 нуклеотидов. Вироиды -- самые маленькие способные к размножению единицы, известные в природе.

Молекулы вироидов представляют собой одноцепочечные кольцевые РНК. Такую кольцевую структуру имеет еще только один вирус -- вирус дельта-гепатита.

Молекулы РНК вироидов не кодируют собственных белков, поэтому их размножение может происходить либо аутокаталитически, либо с участием клетки-хозяина.Вопрос о природе, происхождении вироидов и о том, каким способом они распространяются, остается открытым. Существует предположение, что вироиды образуются из нормальных клеточных РНК, однако убедительных подтверждений этому не было представлено.[12]

Название «прионы» предложил открывший их в 1982 г. С. Прузинер. Прионы -- низкомолекулярные, не содержащие нуклеиновых кислот белки, которые вызывают так называемые трансмиссивные губкообразные энцефалопатии. Последние выделены в особую группу медленных летальных прионных инфекций, для которых характерны очень длительный инкубационный период, медленно прогрессирующее течение, дегенеративные изменения в ЦНС, отсутствие признаков воспаления и выраженного иммунного ответа и летальный исход.[35]

Синтез прионов контролирует ген ргпР, который несет у человека 20-я хромосома. Установлено 18 различных мутаций этого гена, которые связаны с различными прионовыми болезнями. [2]

Прионы состоят из особого белка, который существует в виде двух изомеров. Один из них -- нормальный клеточный прионовый протеин -- изоформа РгРс. Он состоит из 254 аминокислотных остатков и имеет м. м. 33--35 кД. PrPL растворим в детергентах, чувствителен к действию протеинкиназы К. Он, как полагают, участвует в регуляции суточных циклов многих гормонов. У здоровых животных содержание его составляет 1 мкг/г ткани мозга (больше всего его в нейронах).[35]

Другой изомер прионового протеина PrPSc --аномальный, имеет такую же м. м. Он отличается от РгРс вторичной структурой, устойчив к протеолизу, не растворяется детергентами, способен к самоагрегации / олигомеризации. Конверсия prpc в prpsc происходит очень медленно, но ускоряется в присутствии экзогенного приона. Прионы PrPSc -- возбудители прионных медленных инфекций. Содержание PrPSc в ткани мозга больных животных в 10 раз больше, чем у здоровых.[2]

Известны 12 нозологических единиц прионных болезней, из них 6 наблюдаются у животных (скрепи у овец, губкообразные энцефалопатии крупного рогатого скота, экзотических копытных и кошачьих, хроническое истощение у лосей и трансмиссивная энцефалопатия норок). Шесть болезней прионной этиологии описаны у человека. [35]

Таким образом, изучена классификация, химический состав и строение вирусов, структурная организация которых характеризуется наличием или отсутствием липопротеиновых оболочек и типом симметрии капсиды. В связи с этим выделяют две большие группы вирусов ДНК содержащие и РНК содержащие вирусы.

1.2 Биохимические и генетические особенности вирусных заболеваний

1.2.1 Классификация и патогенез вирусных инфекций

В основу классификации вирусных инфекций положены четыре фактора: 1) генерализация вируса; 2) продолжительность инфекции; 3) проявление клинических симптомов; 4) выделение вируса в окружающую среду. Основанная на этих признаках классификация инфекций, как и любая другая, в известной мере условна, поскольку одна форма может перейти в другую, например, очаговая инфекция -- в генерализованную, острая инфекция -- в хроническую, латентная -- в хроническую и т. д.[33]

Вирусные инфекции можно разделить на две большие группы: 1) очаговые, когда действие вируса проявляется у входных ворот инфекции в связи с его локальной репродукцией, и 2) генерализованные, при которых после ограниченного периода репродукции вируса в первичных очагах происходит генерализация инфекции, и вирус достигает чувствительных тканей, формируя вторичные очаги инфекции. Очаговые инфекции имеют более короткий инкубационный период, чем генерализованные, защитными факторами организма при этих инфекциях являются скорее секреторные антитела класса IgA, чем антитела гуморальные, а эффективными вакцинами -- те, которые стимулируют образование секреторных антител. При генерализованных инфекциях большее значение в защите организма имеют гуморальные антитела. Примером очаговых инфекций являются респираторные и кишечные вирусные инфекции, примером генерализованных -- оспа, корь, полиомиелит. Примером генерализованной инфекции является корь, а очаговой -- заболевания, вызываемые респираторно-синцитиальным вирусом, и другие острые респираторные вирусные инфекции.[32]

Острая инфекция длится относительно непродолжительный период времени и протекает с выделением вирусов в окружающую среду. Окончание инфекции сопровождается элиминацией вирусов благодаря иммунным механизмам. Инфекция может протекать как в клинической, так и в инаппарантной форме. Острая инфекция может завершиться выздоровлением или гибелью организма. Она соответствует продуктивной инфекции на уровне клетки. При продолжительном взаимодействии вируса с организмом возникает персистентная форма инфекции (от лат. регзйтеп-па -- упорство, постоянство).[31]

Один и тот же вирус может вызвать как острую, так и персистентную инфекцию в зависимости от состояния организма и в первую очередь его иммунной системы. Например, вирус кори может вызвать как острую инфекцию, так и медленную (длительно текущую) -- подострый склерозирующий панэнцефалит. Вирусы герпеса, гепатита В и аденовирусы могут вызвать острую и персистентную инфекции и т. д.[35]

Персистентные инфекции могут быть латентными, хроническими или медленными в зависимости от выделения вируса в среду и проявления симптомов заболевания. Латентная инфекция -- это скрытая инфекция, не сопровождающаяся выделением вирусов в окружающую среду. При латентных инфекциях вирус не всегда удается обнаружить либо в связи с его дефектным состоянием, либо в связи с персистенцией субвирусных компонентов, либо в связи с интеграцией клеточным геномом. При воздействии ряда активирующих инфекцию факторов может произойти активация вируса, и латентная инфекция может перейти в острую или хроническую. Латентные инфекции могут вызывать аденовирусы, вирусы герпеса, онкогенные вирусы, вирус СПИД и др.[35]

Хронической инфекцией называется длительно текущий патологический процесс, характеризующийся периодами ремиссий, перемежающимися с периодами обострения, когда вирус выделяется в окружающую среду. Примерами хронической инфекции являются герпетическая, аденовирусная инфекции, хроническая форма вирусных гепатитов и т. д.[35]

Медленные инфекции -- это своеобразное взаимодействие определенных вирусов с организмом, характеризующееся длительным инкубационным периодом, тянущимся многие месяцы и даже годы, и последующим медленным, но неуклонным развитием симптомов заболевания, ведущим к тяжелому нарушению функций органов и летальному исходу. К медленным инфекциям относятся медленно прогрессирующие заболевания, в частности, заболевания ЦНС со спонгиоформными энцефалопатиями у человека -- куру, болезнь Крейтцфельдта -- Якоба (пресенильная деменция), а у животных -- трансмиссивная энцефалопатия норок и скрепи у овец.[29]

К медленным инфекциям относят также подострый склерозирующий панэнцефалит, который вызывается вирусом кори, рассеянный склероз, амиотрофический боковой склероз и некоторые другие заболевания человека и животных.

При некоторых медленных инфекциях существенную роль играют генетические механизмы (скрепи, куру, амиотрофический боковой склероз), при других -- иммунопатологические механизмы (подострый склерозирующий панэнцефалит, алеутская болезнь норок, лимфоцитарный хориоменингйт). [29]

Персистентные инфекции являются серьезной проблемой современной вирусологии и медицины. Большинство вирусов человека и животных способны персистировать в организме и вызывать латентные и хронические инфекции, и удельный вес персистентных инфекций намного превышает таковой острых инфекций. При персистентных инфекциях постоянно или периодически происходит выделение вирусов в окружающую среду, и персистентные инфекции являются основным фактором «проэпиде-мичивания» населения. Персистенция вирусов обусловливает их сохранение как биологического вида и является причиной изменчивости свойств вирусов и их эволюции. Большую роль персистенция вирусов играет в перинатальной патологии. Вертикальная передача персистирующего вируса от инфицированной матери плоду и активная репродукция вируса в его тканях особенно опасны в первые месяцы беременности, так как приводят к аномалиям развития плода или его гибели. К числу таких вирусов относятся вирусы краснухи, простого герпеса, ветряной оспы, цитомегалии, Коксаки В и ряд других.[30]

На клеточном уровне вирусные инфекции делят на автономные интеграционные.

При автономной инфекции вирусный геном реплицируется независимо от клеточного генома. При интеграционной инфекции вирусный геном включается в состав клеточного генома, интегрирует с клеточным геномом и реплицируется вместе с ним. При интеграционной форме инфекции вирусный геном реплицируется и функционирует как основная часть клеточного генома. Интегрировать могут как полный геном, так и часть генома. Интегрировать могут как полный геном, так и часть генома. При гепатите В возможна интеграция полного генома, при аденовирусных и герпесвирусных инфекциях обычно интегрирует часть генома, при инфекции онковирусами может интегрировать как полный геном, так и часть его. Вирусные последовательности в составе клеточного генома называются провирусом или провирусной ДНК.[30]

При интеграционных инфекциях клетка может сохранить нормальные функции. При ее делении вирусные последовательности могут переходить в геном дочерних клеток. Это наблюдается при инфекции, вызванной онкогенными вирусами. Интеграция может привести к неопластической трансформации клетки. Трансформированная клетка приобретает способность к неограниченному делению в результате нарушения регуляторных механизмов, контролирующих деление. Интеграционный тип инфекции характерен для ДНК-содержащих вирусов (аденовирусов, паповавирусов, вирусов герпеса, вируса гепатита В) и РНК-содержащих вирусов (ретро-вирусов).[31]

Клеточные инфекции делят на продуктивную и абортивную. Продуктивная инфекция завершается образованием инфекционного потомства. В результате абортивной инфекции не происходит образования инфекционных вирусных частиц или они образуются в значительно меньшем количестве, чем при продуктивной инфекции. Абортивная инфекция возникает в результате следующих причин: 1) Заражение чувствительных клеток дефектным вирусом; 2)заражение чувствительных клеток в не разрешающих условиях; 3) заражение нечувствительных клеток стандартным вирусом.

Продуктивная и абортивная инфекции могут протекать в виде острой или хронической инфекции. Острой называется инфекция, при которой после образования вирусного потомства клетка либо погибает, либо выздоравливает и не содержит вирусных компонентов. Хроническая инфекция- форма инфекции, при которой клетка продолжает продуцировать вирусные частицы или вирусные компоненты в течение длительного времени и передает эту способность дочерним клеткам.[36]

Под патогенезом следует понимать совокупность процессов, вызывающих заболевание и определяющих его развитие и исход. Патогенез вирусного заболевания определяется следующими факторами: 1) тропизмом вируса; 2) скоростью репродукции вируса и количеством инфекционных частиц в потомстве; 3) реакцией клетки на инфекцию; 4) реакцией организма на вызванные инфекцией изменения клеток и тканей.[36]

Тропизм вируса к определенным клеткам и органам характерен для большинства вирусных инфекций. В зависимости от поражения тех или иных органов и тканей различают нейроинфекции, инфекции дыхательных путей, кишечные и др.

В основе тропизма вирусов лежит чувствительность к вирусу определенных клеток, а, следовательно, тканей и органов. Это свойство вирусов заражать лишь определенные клетки называется зависимым от хозяина ограничением. Патогенность вируса является генетическим признаком, обусловленным соотношением (констелляцией) вирусных генов. Фенотипическим проявлением патогенности является вирулентность. Этот признак значительно варьирует в разных системах. Вирулентность не идентична зависимому от хозяина ограничению, однако 116 при некоторых инфекциях причины, обусловливающие вирулентность вируса, могут определить и возникновение инфекции. Например, вирулентность вируса гриппа в разных клеточных системах, обусловлена степенью нарезания гемагглютинина-предшественника на две субъединицы -- большую и малую, которые осуществляют клеточные протеазы. Нарезание зависит как от величины, структуры и конформации участка белка, так и от наличия и концентрации специфических клеточных протеаз. При отсутствии нарезания инфекция не возникает, а разная степень его определит вирулентность вируса в данной клеточной системе.[24]

Вирулентность вируса определяется многими факторами организма: конституция, возраст, питание, наличие стресса, естественный и приобретенный иммунитет, интерферон могут определить течение инфекции и ее исход.

Вирус проникает в организм разными путями, которые определяются локализацией чувствительных клеток в организме и механизмом передачи вирусов от одного хозяина к другому.[15]

Одни вирусы используют строго определенный путь проникновения в организм. Например, ортомиксовирусы, ряд парамиксовирусов, коронавирусов, аденовирусов, риновирусы способны репродуцироваться только в клетках слизистых оболочек дыхательных путей человека и животных, и, следовательно, единственным путем проникновения в организм является воздушно-капельный. Другие вирусы способны к репродукции в разных клеточных системах. Например, вирусы герпеса и оспы способны вызвать заболевание при внутрикожном, внутривенном, интраназальном, внутримозговом введении.

В естественных условиях возможны следующие пути проникновения вируса в организм.

Воздушно-капельный. Вирус проникает в дыхательные пути в составе капель, попавших - в воздух из дыхательных путей больного. Чем меньше капли, тем легче и глубже они туда проникают. Вирусные частицы могут попадать также с частицами пыли. Крупные частицы пыли оседают на слизистой оболочке носа, а мелкие (не более 2 мкм) могут проникнуть глубоко в дыхательные пути и достичь альвеол.[7]

Воздушно-капельным путем в организм попадают две группы вирусов: 1) респираторные вирусы, которые репродуцируются в эпителии слизистых оболочек дыхательных путей, вызывают местную (реже генерализованную) инфекцию и затем выводятся из организма; 2) вирусы, для которых дыхательные пути являются только входными воротами инфекции. Не вызывая местных поражений ткани, эти вирусы обусловливают генерализованную инфекцию, часто со вторичным поражением дыхательных путей. К таким вирусам относятся вирусы натуральной и ветряной оспы, кори, свинки.[7]

Пищевой. Этим путем в пищеварительный тракт попадают энтеровирусы, реовирусы, многие альфа-вирусы, аденовирусы, некоторые парвовирусы и др.

Трансмиссивный. Вирус проникает в организм при укусе кровососущего насекомого (возбудители трансмиссивных инфекций -- арбовирусы и некоторые вирусы семейства рабдовирусов).

Некоторые вирусы проникают в организм через поврежденную или даже неповрежденную кожу, например, вирусы бешенства (при укусе животных), коровьей оспы, папилломы.Половым путем в организм проникают вирусы герпеса, бородавок человека (семейство паповавирусов). Парентеральный путем в организм попадает вирус гепатита В. Заражение вирусом может произойти при всякого рода парентеральных манипуляциях -- хирургических вмешательствах, переливании крови, стоматологических операциях, при маникюре и педикюре и т. д. [12]

Вертикальный. Этот путь передачи встречается, в частности, при интеграционных инфекциях, когда в дочерние клетки попадает клеточный геном с интегрированными последовательностями вирусного генома, и при инфекциях с внутриутробным заражением плода, что характерно для вируса краснухи при заболевании женщин, особенно в первые 3 месяца беременности. Поражения плода могут вызывать вирусы цитомегалии, простого герпеса, Коксаки и др.[14]

В организм вирусы распространяются лимфатическим системам. Лимфатические сосуды являются одним из основных путей, по которым вирус распространяется от места первоначальной локализации 118 (кожа, слизистая оболочка дыхательных путей и пищеварительный аппарат). Примером распространения вирусов по лимфатической системе является поражение 1 лимфатических узлов после подкожной противооспенной I вакцинации, при кори и краснухе, инфицирование миндалин и аденоидной ткани при аденовирусной инфекции. Инфицированные лимфатические узлы могут быть вторичным очагом инфекции.[35]

Гематогенный путь является основным путем распространения вируса в организме, и вирусемия является обычным симптомом при большинстве вирусных инфекций. В кровь вирусы могут поступать из лимфатической системы, переноситься с помощью лейкоцитов, проникать в кровеносные капилляры из первично инфицированных тканей. Вирусемия поддерживается путем постоянного поступления вирусов в кровь или же при нарушении механизмов элиминации вирусов из крови. Длительность нахождения вируса в токе крови может определяться размером вирусной частицы: более крупные вирусные частицы быстрее устраняются из тока крови, чем мелкие, поэтому вирусемия обычно имеет место при энтеровирусных инфекциях. Однако даже, такие относительно мелкие вирусы, как тогавирусы менее чем за один час на 90% выводятся из крови. Поэтому ряд вирусов использует специальные механизмы g для длительной вирусемии. Некоторые вирусы (например, вирусы оспы) обладают способностью репродуцироваться в клетках сосудистого эндотелия, откуда непосредственно попадают в кровь; многие вирусы фагоцитируются макрофагами, которые разносят их по организму и защищают от иммунных факторов. Доставка вируса макрофагами в лимфоузлы может лишь благоприятствовать инфекции, если вирус размножается в клетках лимфоцитов, поступая оттуда в кровь. Помимо макрофагов, вирус может связываться с другими клетками крови.[22]

Распространение вирусов герпеса в организме при опоясывающем герпесе происходит не только гематогенным, но и нейрогенным путем, при этом вирус может персистировать в дорсальных ганглиях и при определенных условиях может активироваться и распространяться по чувствительному нерву в обратном направлении. Рецепторы для вирусов герпеса обнаружены в синапсах нервных клеток. Скорость распространения вирусов в организме и достижения чувствительных тканей определяет длительность инкубационного периода. Короткий инкубационный период имеют очаговые инфекции (грипп и другие респираторные инфекции, вирусные гастроэнтериты и др.), длительный -- инфекции, возбудители которых попадают в чувствительные ткани после генерализации процесса (вирусные гепатиты). Виновниками острых респираторных заболеваний, помимо вирусов гриппа типов А, В и С, являются более 200 вирусов (включая их разные серотипы) и более 50 различных микроорганизмов -- стафилококки, стрептококки, микоплазмы, хламидии и др. Заболевания дыхательных путей, так называемые острые респираторные заболевания (ОРЗ), вызывают парагриппозные, респираторно-синцитиальные вирусы (семейство парамиксовирусов), риновирусы, вирусы Коксаки и ECHO (семейство пикорна-вирусов), коронавирусы, аденовирусы. Наибольший удельный вес среди этих вирусов занимают риновирусы, которые не вызывают никаких других заболеваний, и коронавирусы; наиболее тяжелые заболевания с вовлечением нижних дыхательных путей вызывают респираторно-синцитиальный вирус и вирус парагриппа типа 3.[35]

Вирусы, вызывающие гастроэнтериты. Большинство вирусов не вызывают первичной инфекции желудочно-кишечного тракта, поскольку они гибнут при контакте с кислой средой желудка и желчью двенадцатиперстной кишки. Однако есть вирусы, которые не разрушаются при этих условиях и вызывают первичные поражения слизистой оболочки пищеварительного тракта.[33]

К вирусам, вызывающим гастроэнтериты у человека, относятся ротавирусы (семейство реовирусов), вирус Норфолка, кишечные аденовирусы, калицивирусы, астро-вирусы, коронавирусы и неидентифицированные мелкие сферические вирусные частицы.

Энтеровирусы, включая вирусы полиомиелита, Коксаки и ECHO, обычно не являются возбудителями гастроэнтеритов. После первоначальной репродукции в пищеварительном тракте они вызывают генерализованную инфекцию с поражением ЦНС.[5]

Острые вирусные гастроэнтериты являются широко распространенной инфекцией, которая встречается как в эпидемической, так и эндемической форме. Эти инфекции поражают разные возрастные группы и занимают второе место по частоте заболеваемости после респираторных вирусных инфекций. Болезнь имеет острое начало и сопровождается поносом, тошнотой, рвотой, падением температуры, болями в желудке, головной болью, недомоганием, миалгией.[26]

Основной трудностью в изучении этих вирусов является отсутствие адекватных методов их накопления и пассирования в лабораторных условиях. Для культивирования ротавируса человека требуются специальные условия, хотя ротавирусы животных сравнительно легко культивируются в культурах клеток. Вирус Норфолка, калицивирусы, астровирусы, коронавирусы, серотипы 40 и 41 аденовирусов не культивируются в обычных условиях. Даже кишечные аденовирусы отличаются отсутствием способности репродуцироваться в обычных культурах клеток. Поэтому основным методом изучения этих вирусов является ЭМ экстрактов фекалий больных гастроэнтеритами, а основным способом изучения их патогенеза -- заражение добровольцев (в США и других странах). Возникла новая область вирусологии, изучающая эти вирусы,-- фекальная вирусология, основанная на методах ЭМ и ИЭМ. В последнее время разработаны ИФА и РИА, позволяющие выявлять антигены кишечных вирусов в фекалиях. Наибольшее значение имеют ротавирусы, вирус Норфолка и аденовирусы.[41]

Таким образом, вирусные инфекции разделяют на клеточном и организменном уровнях. На уровне клетки их можно разделить на автономные и интеграционные: на уровне организма их делят на очаговую и генерализованную, из которых наибольшую опасность представляют медленные инфекции.



Рисунок 2

1.2.2 Генетико-биохимические особенности вирусных инфекций

В настоящее время вирусные инфекции вносят значительный вклад в общую картину инфекционной патологии. Большой интерес представляет изучение молекулярных механизмов трансформации клеток разными онкогенными вирусами, к числу которых можно отнести вирусы герпеса и гепатита. К особенностям опухолеродных вирусов относят простоту их генетической структуры, что позволяет изучать механизмы клеточной трансформации и малигнизации. Онкогенные вирусы внедряют в инфицированную клетку свой геном, трансформирующие гены которых вызывают изменения в клетках. В настоящее время известно около 40 вирусов, вызывающих лейкозы, рак и саркому у хладнокровных (лягушки), пресмыкающихся (змеи), птиц (куры) и млекопитающие (мыши, крысы, хомяки, обезьяны). При введении таких вирусов здоровым животным закономерно наблюдается развитие злокачественного процесса. В случае с трудностями подбора подходящего лабораторного животного для работы с вирусами - кандидатами на роль возбудителей рака и лейкоза человека. Онкогенные вирусы малоактивны. Они не способны разрушать клетку, но могут вызвать в ней наследственные изменения, причем опухолевые клетки не нуждаются в вирусах. В уже возникших опухолях вирусы часто не обнаруживаются. После заражения клеток онкогенными вирусами такие клетки сохраняют нормальный вид и признаков болезни обнаружить не удается. При этом вирусы в клетках словно исчезают. В составе онкогенных РНК-содержащих вирусов обнаружен специальный фермент - обратная транскриптаза, осуществляющая синтез ДНК-копий на РНК-матрицах. После возникновения ДНК-копий они объединяются с ДНК клеток и передаются их потомству. Эти провирусы можно обнаружить в составе ДНК клеток животных, зараженных опухолевыми вирусами. Поэтому они должны быть и в организме человека.[35]