Вирусы и их геометрические формы

XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2021

Вирусы и их геометрические формы

Исмагилова Р.Р. 1
1МБОУ "СОШ№14"
Семенина Г.В. 1
1МБОУ "СОШ№14"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Тема «Вирусы» очень актуальна в наши дни, потому что при всем многообразии борьбы с вирусами отсутствует универсальное средство для борьбы с ними.

Мы решили выбрать эту тему, так как в связи с современной ситуацией вирусных инфекций в нашей стране и в нашем городе. Нам захотелось подробно изучить особенности вирусов, как биологических организмов, понять в чем причина постоянного изменения формы вирусов.

Известные знания о вирусах, их строении, классификации, о форме положены в основу данной работы. Мы попробуем заняться моделированием и создадим основные формы вирусов из имеющихся материалов.

Объект: вирусы

Предмет: геометрические формы вирусов

Гипотеза: на основе данной темы предполагаем, что вирусы имеют разные геометрические формы и обладают способностью их изменять.

Цель исследовательской работы: изучение и моделирование основных геометрических форм вирусов.

Задачи:

1. Изучить теоретическую информацию о геометрических формах вирусов.

2. Изготовить модели основных геометрических форм вирусов;

3. Показать на моделях процесс изменения структуры вирусов.

Методы проведенных исследований:

анализ литературы;

классификация;

моделирование.

1. Вирусы и их геометрия

1.1 История открытия и методы исследования вирусов

Вирусы - это наименьшие структуры, обладающие свойствами живого организма. Их размер составляет от 20 до 300 нм в длину. Они невидимы в оптический микроскоп и легко проходят через фильтры.

Открытие вирусов произошло в 1892 году, когда русский ботаник Д. И. Ивановский работал с растениями табака, поражёнными мозаичным заболеванием. Инфекционная вытяжка была пропущена через фильтр, который задерживает бактерии. Этот образец сохранял свои инфекционные свойства. Новый термин «вирус» предложил голландец М. Бейеринк в 1898 году, (в переводе с латинского «яд»), чтобы объяснить инфекционный характер вытяжки растений. В результате кропотливых исследований учёных было установлено, что вирусы – это нуклеопротеины - нуклеиновые кислоты, связанные с белками. А наука, изучающая вирусы, стала называться вирусологией.

Предполагается, что некоторые вирусы могли образоваться из небольших молекул ДНК, которые могли передаваться между клетками. Есть ещё вариант того, что вирусы произошли от бактерий. При этом благодаря своей эволюции, они являются важным элементом при горизонтальном переносе генов и обеспечивают генетическое разнообразие. Некоторые учёные считают такие образования отличительной формой жизни по некоторым признакам. Во-первых, есть генетический материал, способность воспроизводиться и эволюционировать естественным путем. Но при этом у вирусов нет очень важных характеристик живых организмов, например, клеточного строения, которое является основным свойством всего живого. Из-за того, что вирусы обладают только частью характеристик живого, их относят к формам, существующим на краю жизни.

1.2 Особенности строения и размножения вирусов

Вирусы состоят из следующих основных компонентов:

1. Сердцевина - генетический материал (ДНК либо РНК), который несет информацию о нескольких типах белков, необходимых для образования нового вируса.

2. Белковая оболочка, которую называют капсидом (от латинского капса - ящик). Она часто построена из идентичных повторяющихся субъединиц - капсомеров. Капсомеры образуют структуры с высокой степенью симметрии.

3. Дополнительная липопротеидная оболочка. Она образована из плазматической мембраны клетки-хозяина и встречается только у сравнительно больших вирусов (грипп, герпес).

Капсид и дополнительная оболочка несут защитные функции, как бы оберегая нуклеиновую кислоту. Кроме того, они способствуют проникновению вируса в клетку. Полностью сформированный вирус называется вирионом.

Вирусы способны размножаться только в клетках других организмов. Вне клеток организмов они не проявляют никаких признаков жизни. Многие из них во внешней среде имеют форму кристаллов. Размеры вирусов колеблются в пределах от 20 до 300 м в диаметре.

Условия для размножения

Для размножения вирусу обязательно нужна живая клетка. Репликация одних микроорганизмов протекает в цитоплазме, других — в ядре, третьих — в обеих структурах одновременно.

Типы размножения вирусов

Для большинства вирусов характерен дизъюнктивный тип размножения, при котором их НК и белки сначала синтезируются отдельно, а потом комплектуются в вирионы.

Цикл размножения вирусов может заканчиваться лизисом клетки (литический путь) или встраиванием нуклеиновой кислоты в хромосому хозяина (интегративный путь), с последующей репликацией и функционированием в качестве составного участка ее генома.

Как происходит размножение вирусов: этапы

Продуктивный способ размножения вирусов. Заканчивается он формированием новых вирусных частиц и разрушением (лизисом) пораженной клетки. Этот способ проходит в несколько этапов. Именно так большинство патогенных микроорганизмов взаимодействует с клеткой. Но выделяют еще два способа размножения вирусов, когда не происходит нарушение целостности клеточной оболочки:

абортивный тип: процесс репликации прекращается на одной из фаз и не заканчивается появлением новых вирионов;

интегративный тип: интеграция молекулы ДНК вируса в хромосому хозяина с последующей совместной репликацией.

Схема продуктивного размножения вирусов начинается с их распада на НК и белок. Далее нуклеиновая кислота лишается защитной оболочки (капсида) и начинает воспроизводить себе подобные структуры, согласно заложенной в ней информации. При этом в инфицированной клетке запускается синтез ферментов, необходимых для репликации НК и белков.

После прохождения последовательности стадий размножения ДНК-содержащих вирусов их геном увеличивается вдвое и больше, соединяется с белками и образует дочерние вирионы.

Установлено, что полный цикл последовательности стадий размножения ДНК-содержащих микроорганизмов включает в себя 6 фаз.

1.3 Жизненный цикл вируса

Поскольку вирусы не имеют клеточного строения, они не размножаются клеточным делением. Они используют ресурсы клетки-хозяина для образования множественных копий самих себя, и их сборка происходит внутри клетки.

Жизненный цикл вируса условно можно разбить на 6 основных этапов, которые могут перекрываться во времени:

1.Прикрепление — образование связи между белками вирусного капсида и рецепторами на поверхности клетки-хозяина. Эта связь определяет круг хозяев вируса, то есть инфицирование вирусом только тех клеток, которые способны осуществить его репликацию. Изменения белка оболочки служит сигналом к проникновению вируса в клетку.

2.Проникновение в клетку. Вирус доставляет внутрь клетки свой генетический материал (иногда собственные белки). Разные вирусы используют разные стратегии.

3.Лишение оболочек. Процесс потери каспида при помощи вирусных ферментов или клетки-хозяина, либо результат обычной диссоциации.

4.Репликация. Репликация вируса - включает синтез мРНК ранних генов вируса. Синтез вирусных белков, сборка сложных белков и репликацию вирусного генома.

5.Сборка. Сборка вирусных частиц, затем модификация белков.

6.Выход из клетки. Вирусы могут покинуть клетку после лизиса, процесса, в ходе которого клетка погибает из-за разрыва мембраны и клеточной стенки.

1.4 Геометрические формы и их изменения

Величина вирусов очень мала. Величина вирусов варьирует от 20 до 300 нм (1 нм = 10-9 м).

Вирусы нельзя отнести ни к животным, ни к растениям. Они исключительно малы, поэтому могут быть изучены только с помощью электронного микроскопа.

Формы вирусов и бактерий в системе часто обозначают не звучными латинскими буквами, а сочетаниями букв и цифр.

Многие ученые борются с опасными, смертельными вирусами с того времени, как только они были обнаружены.

С нашей точки зрения, борьба с вирусами будет всегда, пока ученые не найдут средство, которое уничтожит эти опасные для жизни человека организмы имеющие неклеточную форму строения.

Бороться с этими организмами очень тяжело, так как, они имеют свойство изменять состав своего строения при попадании в благоприятные условия.

Поэтому отличительными чертами вирусов по сравнению с другими микроскопическими возбудителями инфекций служат не размеры или обязательный паразитизм, а особенности строения и уникальные механизмы репликации т. е. (воспроизведения самих себя).

По форме они могут быть:

звездчатыми

тетраэдрическими

кубическими

C- или O-образными

Вирусы, патогенные для животных, отличаются кубический симметрией и представляют собой многогранники (тетраэдр, октаэдр, икосаэдр).

Октаэдр - одна из форм организации вирусов

Октаэдр произошло от греческого(от греч. οκτώ, «восемь» и греч. έδρα — «основание») — один из пяти выпуклых правильных многогранников, так называемых Платоновых тел.

Октаэдр имеет 8 треугольных граней, 12 рёбер, 6 вершин, в каждой его вершине сходится 4 ребра.

Икосаэдр – это правильный многогранник выпуклой формы, который состоит из 12 вершин и 30 рёбер, основой которых являются 20 правильных треугольников - граней

При икосаэдрическом типе симметрии, показанной на схеме строения аденовируса, образуется изометрический белковый чехол, состоящий из 20 правильных треугольников.

Классифицируют четыре типа вирусов: спиральный, икосаэдрический, продолговатый и комплексный.

Примером спирального вируса может служить вирус табачной мозаики.

В случае спиральной симметрии, показанной на схеме строения вируса табачной мозаики, формируется спираль вокруг полой трубчатой сердцевины.

Большинство вирусов животных имеют икосаэдрическую или почти шарообразную форму с икосаэдрической симметрией. Правильный икосаэдр является оптимальной формой. Многие вирусы, такие как ротавирус, имеют икосаэдрическую симметрию.

Мы часто видим схематическое изображения разноцветных вирусов с ножками и рожками. Глядя же в микроскоп, созерцаем совсем иное зрелище: в природе бактерии все прозрачны и почти бесцветны.

Английский скульптор Люк Джеррем и группа стеклодувов сделали небольшую коллекцию экспонатов различных вирусов. Получилось очень вдохновенно и изящно.

От них исходит некое величие, холодное величие, как от Снежной Королевы, прекрасной, но в то же время безжалостной.

По законам математики для построения наиболее экономичным способом замкнутой оболочки из одинаковых элементов нужно сложить из них икосаэдр, который мы наблюдаем у вирусов.

Так «решают» вирусы сложнейшую задачу: найти тело наименьшей поверхности при заданном объеме и притом состоящее из одинаковых и тоже простейших фигур.

Вирусы, мельчайшие из организмов, настолько простые, что до сих пор неясно — относить их к живой или неживой природе, — эти самые вирусы справились с геометрической проблемой, потребовавшей у людей более двух тысячелетий!

Все так называемые «сферические вирусы», в том числе такой страшный, как вирус полиомиелита, представляют собой икосаэдры, а не сферы, как думали раньше.

Вирусы могут обладать разнообразными формами: шаровидные, овальные, палочковидные, нитевидные, цилиндры, тетраэдры, октаэдры и др. (Приложение 1).

Мы выделили 4 наиболее распространенные формы вирусов.

1.Спиралевидная

Спиральные капсиды устроены несколько проще. Капсомеры, составляющие капсид, покрывают спиральную нуклеиновую кислоту и формируют тоже достаточно стабильную белковую оболочку этих вирусов. И при использовании высокоразрешающих электронных микроскопов и соответствующих методов приготовления препарата можно видеть спирализованные структуры на вирусах. При спиральной симметрии капсида вирусная нуклеиновая кислота образует спиральную (или винтообразную) фигуру, полую внутри, и субъединицы белка (капсомеры) укладываются вокруг нее тоже по спирали (трубчатый капсид) Примером вируса со спиральной симметрией капсида является вирус табачной мозаики, который имеет палочковидную форму, а его длина составляет 300 нм с диаметром 15 нм. В состав вирусной частицы входит одна молекула РНК размером около 6000 нуклеотидов. Капсид состоит из 2000 идентичных субъединиц белка, уложенных по спирали.

Цепочки (самоподобие)

2.Икосаэдрическая

У вирусов с икосаэдрической симметрии субъединицы расположены в виде правильного икосаэдра вокруг ДНК или РНК, скрученной в клубок.

Большинство вирусов животных имеют икосаэдрическую или почти шарообразную форму с икосаэдрической симметрией. Правильный икосаэдр является оптимальной формой для закрытого капсида, сложенного из одинаковых субъединиц. Минимальное необходимое число одинаковых капсомеров — 12, каждый капсомер состоит из пяти идентичных субъединиц.

3.Сегментированная

Сегментированный геном – восемь одноцепочечных молекул РНК, которые как правило кодируют 11 или 12 вирусных белков.

4.Сферическая

Сферическая структура вирионов определяется капсидом, построенном по принципам кубической симметрии, в основе которой лежит фигура икосаэдра - двадцатигранника. Капсид состоит из асимметричных субъединиц (полипептидных молекул), которые объединены в морфологические субъединицы - капсомеры.

2. Технология изготовления геометрических форм вирусов

1. Выбор формы вируса.

Существует четыре основных формы вируса:

спиралевидная

икосаэдрическая

сегментированная

сферическая

2. Изучение структуры этих форм.

После выбора четырех основных форм вируса, мы начали изучать структуры этих форм. Структура каждого вируса уникальна по-своему.

3. Процесс создания форм вирусов.

Первым мы решили сделать вирус сферической формы. Для этого приобрели пластиковые стаканчики. Затем по кругу начали соединять степлером. В итоге получился вирус шаровидной формы (сферической). Ну а когда макет вируса был готов, мы покрасили его в желтый цвет.

Второй вирус мы начали делать икосаэдрической формы. Для этого вируса нам понадобились только бумага и клей. Мы вырезали развернутый икосаэдр и потом склеили его. Ну а в самом конце покрасили в серый цвет.

Третий вирус мы делали спиралевидной формы. Для изготовления этого вируса нам понадобились: проволока, бумага, клей-кристалл. Сначала мы скрутили проволоку как спираль. Затем мы начали делать из бумаги лепесточки и приклеивали их на проволоку. Ну а когда макет вируса получился, мы также как и все покрасили его.

Ну и четвертый вирус был сегментированной формы. Он сделан из бумаги и покрашен в красный цвет (Приложение 2).

Заключение

Подводя итоги, можно сказать, что неклеточные формы жизни очень интересные объекты изучения, хотя и представляют некоторую сложность.

Вирусы представляют собой некоторые геометрические формы, поверхности которых используют с наибольшей выгодой для проникновения в клетки человека; вирусы принимают сферическую, спиралевидную, икосаэдрическую, сегментированную формы.

Отношение поверхности к объёму вирусов очень велико. Это позволяет предположить, что в имеющемся объёме имеется довольно большое количество «строительного материала» для образования новых вирусных частиц.

Также можно с уверенностью сказать, что скорость распространения болезней зависит и от того, что размножение вирусов подчиняется законам геометрической прогрессии.

Изучением данных форм жизни занимались с давних времен, каждый раз обнаруживая нечто новое, удивительное. Каждый год появляются новые формы вирусов, что со значительной серьезностью заставляет лучших специалистов мира все тщательней рассматривать эту давно открытую форму жизни.

В процессе работы над проектом, наша гипотеза полностью подтвердилась. Вирусы имеют разные геометрические формы и обладают способностью их изменять. Это позволяет им активно размножаться и выживать, занимая новые территории.

Смоделированные формы вирусов найдут свое применение на уроках биологии.

Цель нашего проекта полностью достигнута.

Список литературы и источников:

1. Биология [Электронный ресурс]: - Режим доступа -http://biologylib.ru/books/ 31.03.2021

2. Википедия [Электронный ресурс]: - Режим доступа -https://ru.wikipedia.org/wiki/ 28.03.2021

3. Микробиология [Электронный ресурс]: - Режим доступа -https://meduniver.com/Medical/Microbiology 01.05.2021

4. MEGABOOK [Электронный ресурс]: - Режим доступа -https://megabook.ru/article/ 24.03.2021

5. СПИД. Центр [Электронный ресурс]: - Режим доступа -https://spid.center/ru/articles 08.01.2021

6. Справочные таблицы [Электронный ресурс]: - Режим доступа -https://infotables.ru/biologiya/75-obshchaya-biologiya/ 26.03.2021

Приложение 1

Классификация вирусов

Дезоксивирусы

Рибовирусы

ДНК двухнитчатая

ДНК однонитчатая

РНК двухнитчатая

РНК однонитчатая

Кубический тип симметрии:

1. Без внешних оболочек:

аденовирусы

2. С внешними оболочками:

герпес-вирусы

Смешанный тип симметрии:

Т-четные бактериофаги

Без определенного типа симметрии:

оспенные вирусы

Кубический тип симметрии:

Без внешних оболочек:

крысиный вирус Килхама, аденосателлиты

Кубический тип симметрии:

Без внешних оболочек:

реовирусы, вирусы раневых опухолей растений

Кубический тип симметрии:

1. Без внешних оболочек:

вирус полиомиелита, энтеровирусы, риновирусы

Спиральный тип симметрии:

1. Без внешних оболочек:

вирус табачной мозаики

2. С внешними оболочками:

в ирусы гриппа, бешенства, онкогенные РНК-содержащие вирусы

Приложение 2

М одели вирусов

Просмотров работы: 42