Вирусите ( – „отрова“) са безклетъчни микроскопични патогени, които могат да се възпроизвеждат единствено вътре в клетките и могат да инфектират всякакви видове организми: животни, растения, бактерии, археи.
Вирусите могат да се възпроизвеждат единствено като подчиняват и контролират други клетки, понеже самите те не притежават собствен клетъчен апарат за самовъзпроизвеждане. Те не могат да се размножават в изкуствени хранителни среди, а единствено в живи клетки.
Те са много малки, с размери 15 – 350 nm, и са видими само с електронен микроскоп. Имат разнообразна форма: сферични, пръчковидни, многостенна призма и др.
Терминът вирус обикновено обозначава тези частици, които заразяват еукариотни организми (всички многоклетъчни и много едноклетъчни организми), а терминът бактериофаг или фаг – тези заразяващи прокариотни организми (бактерии и бактериоподобни доядрени организми).
Тези частици винаги носят малко количество нуклеинова киселина (или ДНК, или РНК, но не и двете заедно). В зависимост от нуклеиновата киселина, вирусът се групира най-общо на РНК вируси и ДНК вируси, като нуклеиновата киселина може да бъде едно- или двуверижна, защитена от обвивка, съдържаща белтъци, липиди, въглехидрати или комбинация от тях. Представляват строги вътреклетъчни паразити, които използват синтезиращите системи и енергията на клетката при своето размножаване. Вирусната нуклеинова киселина носи информация, която да програмира клетката гостоприемник да синтезира вирусноспецифични макромолекули.
История на изследванията
През 1884 г. френският микробиолог Шарл Шамберлан изобретява филтър, чиито пори са по-малки от размера на бактериите. С него той успява да премахне бактериите напълно от разтвор, първоначално съдържащ бактерии. През 1892 г. руският биолог Дмитрий Ивановски използва такъв филтър, за да изследва патогена, известен днес като Вирус на тютюневата мозайка. Експериментите му показват, че раздробени извлеци от листа на инфектирани тютюневи растения остават заразни и след филтриране. Ивановски предполага, че инфекцията може да е причинена от токсин, произвеждан от бактерията, но не доразвива тази идея. По това време се смята, че всички патогени могат да бъдат задържани от филтър и отглеждани в хранителна среда.
През 1898 г. нидерландският микробиолог Мартинус Бейеринк повтаря експериментите на Ивановски и остава убеден, че филтрираният разтвор съдържа нов вид патоген. Той установява, че той се мултиплицира само в клетки, които се делят, но експериментите му не показват патогенът да е съставен от частици, поради което той го нарича contagium vivum fluidum (разтворим жив микроб) и virus, общо наименование на патогените, използвано през 18 век. Бейеринк смята, че вирусите са течни, но тази теория е отхвърлена по-късно от Уендъл Стенли, който доказва, че те са частици. По същото време, през 1899 г., германският бактериолог Фридрих Льофлер провежда подобен експеримент с инфекция на шап и също стига до извода, че става дума не за токсин, а за възпроизвеждащ се патоген.
Към края на 19 век вирусите се дефинират чрез тяхната заразност, възможността да бъдат филтрирани и нуждата им от жив гостоприемник. По това време вируси са наблюдавани само при растения и животни. В началото на 20 век английският бактериолог Фредерик Туорт открива група вируси, инфектиращи бактерии, които днес са известни като бактериофаги. Канадският микробиолог Феликс д'Ерел описва вируси, които добавени върху бактерии върху агар-агар, създават зони с мъртви бактерии. Той внимателно разтваря суспензия от тези вируси и установява, че най-разредените разтвори не унищожават всички бактерии, а създават отделни области от мъртви организми. Преброявайки тези области и умножавайки броя с коефициента на разреждане, той успява да изчисли броя на вирусите в първоначалния разтвор.
През 1906 г. американецът Рос Гранвил Харисън създава метод за отглеждане на тъкан в лимфа, а през 1913 г. по този метод е отгледан вирус на кравешка шарка в роговична тъкан на морско свинче. През 1928 г. същият вирус е отгледан в суспензия от смлени бъбреци на кокошка. Този метод намира широко приложение през 1950-те години, когато е използван за масово производство на ваксина срещу полиомиелит.
Нов пробив в изследванията на вирусите е постигнат през 1931 г., когато американският патолог Ърнест Уилям Гудпасчър отглежда грипен вирус и няколко други вируса в оплодени кокоши яйца. През 1949 г. американците Джон Ендърс, Томас Уелър и Фредерик Робинс отглеждат вирус на полиомиелит в изкуствено отгледани клетки на човешки ембрион, първият вирус, отгледан без използване на животински тъкани или яйца. Тяхната работа дава възможност на Джонас Солк да създаде първата ефективна ваксина срещу полиомиелит.
Първите изображения на вируси са получени след изобретяването на електронния микроскоп от германските инженери Ернст Руска и Макс Кнол през 1931 г. През 1935 г. Уендъл Стенли изследва вируса на тютюневата мозайка и установява, че той е изграден главно от протеини. Малко по-късно вирусът е разделен на две части – протеин и РНК. Вирусът на тютюневата мозайка става първият, който е кристализиран и чиято структура е изяснена в подробности. Първите изображения чрез рентгеноструктурен анализ са получени през 1941 г. Въз основа на такива снимки, през 1955 г. англичанката Розалинд Франклин разкрива пълната ДНК структура на вируса. През същата година американците Хайнц Франкел-Конрат и Робли Уилямс демонстрират, че отделената РНК на вируса на тютюневата мозайка и нейната протеинова обвивка могат да се съберат сами и да образуват функциониращ вирус. Те предполагат, че този прост механизъм е начинът, по който вирусите се образуват в клетките гостоприемници.
Втората половина на 20 век се превръща в златен век за откриването на вируси – по това време са открити над 2000 вида животински, растителни и бактериални вируси. През 1963 г. американецът Барух Блумбърг открива вируса на хепатит B, а през 1965 г. Хауърд Темин описва първия ретровирус. Обратната транскриптаза, ключов ензим при транслирането на РНК в ДНК от ретровирусите, е описан за пръв път през 1970 г. независимо от Хауърд Темин и Дейвид Балтимор. През 1983 г. екипът на французина Люк Монтание успява да изолира ретровируса, известен днес като ХИВ.
Морфология на вирусите Вирусите се срещат в две основни състояния: Извънклетъчна (Вирион) – представлява извънклетъчната форма на вируса, която не е активна. Тя се превръща в активна едва след като попадне в жива клетка. Вирионът не показва наличие на жизнени процеси, които протичат в него. Той е извънклетъчната форма на живот, съхраняваща вируса в природата. Той е приспособен да пренесе нуклеиновата киселина от една клетка в друга. Вътреклетъчна (Вирус-клетка) – това е вегетативната форма на вируса и представлява активна форма при размножаване в клетката.
Морфологичните параметри на вирусите са големина, форма, структура и симетрия. Те са строго специфични и се използват при класификацията на вирусите като основни таксономични белези.
Големина Според този параметър вирусите се делят на: Много дребни – вируси с големина 15 – 25 nm Дребни – вируси с големина 25 – 40 nm Средни – вируси с големина 40 – 100 nm Едри – вируси с големина 100 – 200 nm Големи – вируси с големина над 200 nm Това разделяне е сравнително условно поради факта, че различните поколения вируси в рамките на една вирусна популация могат да варират в близки граници.
Форма
Според този параметър вирусите се делят на: Сферични (мономорфни) Несферични (плеоморфни) – тези вируси имат разнообразна форма като овална, елипсовидна, пръчковидна, нишковидна, неправилна и др.
При някои вирусни болести в инфектираните клетки се наблюдават и вирусни включения, които представляват натрупване от вирусни частици или продукти от реакцията на клетката срещу инфекта или представлява съчетание от двете. Локализирани са в цитоплазмата (при шарка, бяс и др.) или в клетъчното ядро (аденовируси, шап, херпесвируси). Биват аморфни или зърнести. Те са типични за определена инфекция (например телцата на Бабеш-Негри в клетки на главния и гръбначния мозък при бяс) и имат важно диагностично значение.
Структура
Първите достоверни данни за устройството на вирусите са получени през 1956 г., когато с електронен микроскоп е направена първата снимка на вируса на мозаечната болест по тютюна (ВМБТ). Макар и малки по размери вирусите притежават сложна структура. Основните принципи, на които те са изградени, са симетричната форма и кристалографското устройство. Представляват геометрични образувания както като цяло, така и за отделните части изграждащи вируса. Кристалографската структура на вирионите се обуславя от малките по размери нуклеинова киселина и от идентичността на капсомерите изграждащи капсида.
По структура вирусите се делят на два вида: Прости вируси – изградени са от два компонента нуклеинова киселина (нуклеоид) и белтъчна обвивка (капсид). Нуклеиновата киселина е разположена във вътрешността и е обградена от белтъчната обвивка. Капсидът е изграден от еднакви по строеж и разположение белтъчни единици, наречени капсомери. Капсомерите съдържат една или повече белтъчни молекули. Осигуряват стабилността на нуклеотида извън клетката и подпомагат адсорбцията на вируса при проникването му в клетката. Сложни вируси – освен нуклеинова киселина и белтъчна обвивка имат и допълнителна, различна по състав липопротеинна или фосфолипопротеинна обвивка, наречена пеплос () или суперкапсид. Той придава формата на вируса. Върху суперкапсидът се формират гликопротеинни израстъци, наречени пепломери. Те са разположени симетрично. Суперкапсидът се образува по време на узряването на вирусната частица и преминаването ѝ през ядрената или цитоплазмена мембрана.
По своята същност вирусите се делят на: Зрели (пълни или цели) – те съдържат пълния геном и могат да се възпроизвеждат. Дефектни (незрели) – това са вируси, които не притежават специфичната за вируса морфология и не съдържат нуклеинова киселина или някои белтъчни компоненти. Те са в състояние да предизвикват инфекция, но не са способни да се размножават самостоятелно.
Симетрия Срещат се два основни типа на симетрия на капсида. Третата форма е смесена между двата типа: Кубична симетрия (изометричен тип) – при тази форма на симетрия вирусите придобиват форма на двадесетостенник (икосаедрален тип) и по-рядко осмостенник (октаедрален тип). Спирална симетрия (хеликален тип) – нуклеиновата киселина е спирално навита под спираловидно разположени белтъчни субединици. Сложна симетрия (кубично-спирален тип) – тези вируси в различните части на вириона са изградени по различна симетрия.
Геном Подобно на всички останали живи организми вирусите притежават две основни свойства – наследственост и изменчивост. Те са генетично детерминирани. Материален носител на наследствената информация на вирусите е нуклеиновата киселина – ДНК или РНК. Отсечката от нуклеиновата киселина, която кодира полипептидната верига на един белтък, се нарича цистрон. Генът може да бъде идентичен с цистрона или да включва повече от един цистрон. Всички гени в нуклеиновата киселина изграждат вирусния геном. Количеството на гените при РНК вирусите варира от 3 до 15, а при ДНК от 30 до 160 гена.
Вирусните гени притежават биологична активност и кодират образуването на структурните белтъци и ензими, включени в състава на вириона. При вирусите представата за това, че всеки ген е отговорен за синтезата на един белтък се разширява. При някои фаги и вируси един ген може да кодира едновременно синтезата на два белтъка. Геномът на всички РНК вируси и малките ДНК вируси изцяло се състои от структурни гени. Въпреки това обаче структурните белтъци при тях поемат и регулаторната функция.
Спецификата на генофона на вирусната популация зависи от няколко фактора: Висока численост – от една вирусна частица при индивидуален цикъл се образуват 102 нови, а след три генерации броят им нараства до 106. Бърза смяна на поколенията. Безполов начин на размножаване.
Класификация