НЕКЛЕТОЧНЫЕ ФОРМЫ ЖИЗНИ
УРОК 33. ПРИОНЫ, ИХ СТРОЕНИЕ,
РАСПРОСТРАНЕНИЕ
Цели урока: ознакомить учащихся с
прионами; рассмотреть особенности строения и механизмы возникновения прионов;
сравнить прионы с вирусами.
Оборудование и материалы: таблицы или
слайды из презентации «Строение клетки животных», «Строение вириона», «Многообразие
вирусов», «Прионы».
Базовые понятия и термины: неклеточные
формы жизни, вирусы, вирион, капсид, нуклеиновая кислота, ДНК, РНК, белок,
прион, шаперон, конформация, а-спираль, (и-складчатая структура.
ХОД УРОКА
I. Организационный
этап
II. Актуализация
опорных знаний и мотивация учебной деятельности учащихся
Вопросы для беседы
1. Чем вирусы отличаются от
прокаріотичних и еукаріотичних организмов?
2. Какое строение имеют вирионы?
3. Какие формы жизненных циклов является в
вирусов?
III. Изучение нового материала
Рассказ учителя с элементами
беседы
Одним из выдающихся научных достижений
XX в. в области биологии и медицины стало открытие в 1982 г. американским
молекулярным биологом, профессором Стэнли Прузінером нового типа инфекционных
агентов - прионов. Это открытие ознаменовало начало новой эры развития
биологии и медицины, поскольку был обнаружен принципиально новый тип возбудителей
инфекционных заболеваний.
Прионы (от англ. proteinaceous infectious particles, PrP - инфекционные
белковые частицы) являются особым классом инфекционных агентов, вызывающих
неизлечимые заболевания ЦНС человека и животных - губкоподібні энцефалопатии.
Ныне не обнаружено ни одной нуклеиновой кислоты, которая была ассоциирована с прионами.
Инфекционный пріонний белок с аномальной трехмерной структурой, способен
катализировать структурное превращение гомологического ему нормального клеточного
белка на подобное к себе - пріонний.
Детальное исследование показало, что
прионы, как возбудители инфекционных болезней, имеют ряд уникальных свойств:
• отсутствие одной нуклеиновой
кислоты;
• склонность к агрегации;
• возникают не только в результате
заражение (известны спорадические и наследственные формы губчатых энцефалопатий);
• независимо от происхождения
заболевания оно может быть передано далее инфекционным путем;
• передача возбудителя между различными
биологическими видами затруднена из-за различия в первичной структуре ГrГ. Однако, это не препятствует, а лишь
затрудняет передачу инфекции от особей одного вида особям другого. Поэтому существует
возможность заражения человека пріонними болезнями животных. Подтверждением этого
может быть идентичность линий прионов, выделенных от больных с новым вариантом
болезни Крейтцфельдта - Якоба и от коров с трансмісивною губкоподібною
энцефалопатией.
В отличие от большинства других
возбудителей инфекционных заболеваний, в частности вирусов, прионы очень устойчивы к
различных физико-химических факторов.
Основным компонентом фибрилл, которые
обнаруживаются в мозге больных губчаті энцефалопатии, является белок с молекулярной
массой 27-30 кДа (РrР 27-30). По физико-химическим
характеристикой это сіалопротеїн (олігосахаридовмісний мембранный белок с остатками
сіалової кислоты). Он состоит из 254 аминокислот, включая 22-членный N-концевой сигнальный пептид.
Прионные белки формируют
стрижнеподібні частицы диаметром 10-20 нм и длиной 100-200 нм. По структуре
они напоминают амилоид (аномальный белок, который обычно образуется во время
хронических заболеваний, например туберкулеза легких, костей и др.) и есть
полимерной форме пріону: каждый содержит около тысячи молекул пріону.
Клеточным аналогом инфекционного
пріонного PrPSc (от англ. scrapie) есть нормальный белок ГrГс (от англ. cell). Разница
между ними заключается в высокой резистентности PrPSc к действию протеаз, нерастворимость после
экстракции, способности накапливаться во вторичных лизосомах и посттрансляційній
модификации.
Установлено, что преобразование
(конверсия) нормального пріонного белка в его инфекционную форму -
посттрансляційний процесс. Анализ вторичной структуры PrPSc показал, что этот переход
характеризуется значительными структурными изменениями самого пріону. Несмотря на
одинаковую первичную-структуру (амінокислотну последовательность), клеточная форма ГrГс содержит 42 % α-спиралей и почти не содержит β-цепей (лишь 3 %), а инфекционная PrPSc - 30 % α-спиралей и 43 % β-цепей.
Для объяснения превращения белка ГrГс на PrPSc предложено две модели.
«Гетеродимерна» модель. Пріонний
состояние присуще мономера белка ГrГ,
а конформаційне превращения молекулы ГrГс на форму PrPSc происходит во время ее связывания
с мономером PrPSc. После того как белок РгРс
приобретает прионных свойств, димер диссоциирует, и две освобожденные молекулы PrPSc могут участвовать в новых
конформационных переходах. Процесс напоминает цепную реакцию и потенциально может
обеспечивать быстрое преобразование большинства молекул ГrГ на пріонну форму. Агрегация молекул ГrГSc при этом рассматривается как вторичное
явление, не связанное с конформаційною перестройкой как таковой.
«Полимеризационная» модель. Процессы
конформационное перестройки белка ГrГ
и его агрегация неразрывно связаны, и превращение белка ГrГс на форму PrPSc происходит во время его присоединения
к олигомера, состоящего из молекул PrPSc. Следовательно, этот процесс напоминает кристаллизацию. Олигомеры PrPSc являются «зародышами» кристаллизации.
Агрегация белка PrPSc (бляшки) в тканях мозга больных
прионные заболевания обычно содержат нитевидные или палочковидные скопления
этого белка, что свидетельствует о его упорядоченную полимеризацию. «Полимеризационная»
модель была подтверждена опытами in
vivo по превращению ГrГс на PrPSc. В этих опытах показано, что
пріоноутворюючі свойства имеют только высокомолекулярные агрегаты PrPSc, а не мономерные формы.
В настоящее время идентифицировано шесть основных
прионных заболеваний животных. Из них наибольшее экономическое значение имеют скрепи
и губкоподібна энцефалопатия коров.
Скрепи. Підгостре неврологическое
заболевание овец, что сопровождается инвалидизацией и гибелью животных.
Это заболевание было известно в Англии
еще в 1732 г. 1755 г. оно настолько распространилось, что стало предметом петиции,
поданной в британского парламента фермерами-вівцеводами графства Линкольншир.
В первой половине XX в. болезнь
рассматривалась исключительно как сельскохозяйственная проблема, хотя еще в 1899 г.
было доказано ее инфекционную природу. 1936 г. французские ученые Кюи и Шелле доказали,
что возбудитель скрепи способен проходить через бактериальные фильтры, и определили
инкубационный период, который составляет пять лет. Поражения проявляются лишь в
головном мозге. Мозговая ткань при этом напоминает губку. Именно поэтому скрепи
отнесено к губкоподібних энцефалопатий.
Симптомы заболевания. У больных
овец появляются признаки резкого раздражения кожи, они трутся об забор,
деревья, стволы и другие неподвижные предметы (отсюда и название болезни от англ. to scrape - «скоблить», «чесаться»). Сильный зуд приводит
к тому, что животные начинают кусать друг друга, при этом даже скушують
отдельные участки кожи. Овцы легко возбуждаются - приближение к ним вызывает
сильное дрожание, но в других случаях, наоборот, может развиваться слабость и
даже сонливость. Еще одним признаком болезни является нарушение координации движения, наиболее
ярко выраженное в начале заболевания с появлением ненормальной походки (овцы
спотыкаются), а позже больное животное уже не может стоять.
Губчатая энцефалопатия коров (синоним
- губкоподібна энцефалопатия КРС, спонгіоморфна энцефалопатия КРС, болезнь
бешенства коров, коровье бешенство).
Официально губчатая энцефалопатия коров
(ГЕК) начала регистрироваться в 1988 г. в Великобритании. С октября 1986 г. до
1996 г. в Великобритании было зарегистрировано более 180 тыс. случаев ГЕК
на 33 628 фермах. Кроме того было забито около 25 тыс. коров с подозрением на
заболевания. В июле 1988 г. было запрещено кормления жвачных животных белковыми
кормами из внутренностей животных того же или родственных видов. В сентябре 1991 г.
окончательно запрещены белковые корма, изготовленные из бычьего потрохов (мозг,
спинной мозг, миндалины, тимус, внутренности). В соответствии с распоряжением правительства
Англии, уже с августа 1988 г. скот с признаками ГЕК
забивалась и одновременно производились выплаты финансовых компенсаций его владельцам.
Кроме Великобритании, по данным
Международного эпизоотического бюро, заболевания были обнаружены в Ирландии,
Франции, Португалии, Нидерландах, Германии, Италии, Дании, а также Канаде и на
Фолклендских островах.
1986 г. в СЕЛА принят ряд жестких
мероприятий как в животноводстве, так и в использовании медицинских препаратов. Именно поэтому
удалось предотвратить распространение инфекции в связи с использованием бычьего и
человеческого гормонов роста. В октябре 1998 г. Европейское Сообщество признало
нужным снять эмбарго с экспорта британской говядины при условии соблюдения
ограничений. 2001 г. эмбарго вновь было введено, однако уже на экспорт КРС из
Испании и Германии.
На ГЕК болеет взрослый рогатый скот,
а также домашние коты (72 случая в Англии и один в Норвегии), пумы, оцелоты,
антилопы, чорнохвості олени, гепарды, в лабораторных условиях - белые мыши.
Основной причиной возникновения болезни является использование для кормления
мясо-костной муки, изготовленной из погибших от скрепи овец. Контактно
от животного к животному болезнь не передается.
Диагностика прионных заболеваний
осуществляется специфическими иммунологическими тестами. Большинство диагностических
тестов для выявления прионов базируется на относительной устойчивости PrPSc к действию протеиназы К, что позволяет
отличить его от РгРс в сочетании с такими методами:
імунофлуоресцентним, иммуноферментным и імуноблотингом. Ряд таких тестов
утвержден к применению Европейским Сообществом.
Надежных методов лечения прионных
заболеваний пока не существует, хотя их поиск проводится достаточно эффективно.
Открытие прионов в низших
эукариот расширило представления об их природе. Оказалось, что прионы являются не только
инфекционными агентами, но и загальнобіологічним явлением. В соответствии с современными
представлениями, прионы являются носителями биологической информации нового типа, зашифрованной в
конформации белковой молекулы.
IV. Обобщение,
систематизация и контроль
знаний и умений учащихся
Дать ответы на вопросы:
1. Кто такие прионы?
2. Когда были открыты прионы?
3. Как образуются прионы?
4. Можно ли считать живыми прионы
организмами?
V. Домашнее
задача
Подготовить доклады «Вирус
табачной мозаики», «Вирус бешенства», «Вирус гриппа».