Всероссийская олимпиада школьников по биологии

"Вирус - это, по существу, часть клетки. Мы считаем вирусами те компоненты клетки, которые достаточно независимы для того, чтобы передаваться другим клеткам, и сравниваем их с другими клеточными компонентами, более прочно связанными со всей системой."
Г. Руска.

В 1852 г. русский ботаник Д.И. Ивановский впервые получил инфекционный экстракт из растений табака, пораженных мозаичной болезнью. Когда такой экстракт пропустили через фильтр, способный задерживать бактерии, отфильтрованная жидкость все еще сохраняла инфекционные свойства.

Способы передачи вирусных заболеваний.
Капельная инфекция - самый обычный способ распространения респираторных заболеваний. При кашле и чихании в воздух выбрасываются миллионы крошечных капелек жидкости (слизи и слюны). Эти капли вместе с находящимися в них живыми вирусами могут вдохнуть другие люди, особенно в местах скопления большого количества народа, к тому же еще и плохо вентилируемых. Стандартные гигиенические приемы для защиты от капельной инфекции правильное пользование носовыми платками и проветривание комнат.
Некоторые микроорганизмы, такие, как вирус оспы, очень устойчивы к высыханию и сохраняются в пыли, содержащей высохшие остатки капель. Даже при разговоре изо рта вылетают микроскопические брызги слюны, поэтому подобного рода инфекции очень трудно предотвратить, особенно если микроорганизм очень вирулентен (заразен).
Контагиозная передача (при непосредственном физическом контакте). В результате непосредственного физического контакта с больными людьми или животными передаются сравнительно немногие болезни. Сюда прежде всего относятся венерические (т. е. передающиеся половым путем) болезни, такие, как СПИД. К контагиозным вирусным болезням относятся обычные бородавки (папилломавирус) и простой герпес - "лихорадка" на губах.
Переносчик - это любой живой организм, который разносит инфекцию. Он получает инфекционное начало от организма, называемого резервуаром или носителем. Вирус бешенства сохраняется и передается одним и тем же животным, например собакой или летучей мышью. В этих случаях переносчик выступает в качестве второго хозяина, в теле которого может размножаться патогенный микроорганизм. Насекомые могут переносить возбудителей болезней на наружных покровах тела.

Интерферон.
"Ампулы интерферона - сейчас такая же принадлежность любой семейной аптечки, как, например, активированный уголь или анальгин. И мы твердо уверены, что это надежный друг, который защитит от вездесущих вирусов, к тому же он абсолютно безвреден, и врачи дают ему только хвалебные рецензии."
М.Я. Жолондз.
В 1957 г. вирусологи - сотрудники Лондонского национального института англичанин Айзекс и швейцарец Линдеман случайно во время опытов открыли интерферон. Исследователи столкнулись с непонятным явлением: мыши, которых заражали определенными вирусами, не заболевали. Поиски причин этого явления показали, что мыши, не поддавшиеся заражению вирусами, в момент заражения уже болели другой вирусной инфекцией. Оказалось, что в организме мышей один из вирусов препятствует размножению другого. Это явление антагонизма вирусов назвали английским словом "интерференция", что означает "помеха", "препятствие". Оно отмечается при введении в организм двух вирусов одновременно или с интервалом не более 24 часов. Исследователи предположили, что в этой борьбе вирусов участвует белок. Соответствующий низкомолекулярный белок был обнаружен и назван интерфероном.
Интерферон найден у всех позвоночных животных, причем у различных видов животных интерферон различен; он максимально активен лишь в клетках того вида животных, от которых получен.
При заражении клетки вирусом события развиваются следующим образом. Вирус начинает размножаться, и одновременно клетка-хозяин начинает продуцировать интерферон. Интерферон выходит из клетки, вступает в контакт с соседними клетками и делает их невосприимчивыми к вирусу. Он действует, запуская цепь событий, приводящих к подавлению синтеза вирусных белков и (в некоторых случаях) сборки и выхода вирусных частиц. Таким образом, интерферон не обладает прямым противовирусным действием, но вызывает такие изменения в клетке, которые препятствуют размножению вируса. Интерферон вырабатывается также в ответ на внедрение в клетку любых генетически чуждых агентов (антигенов), чужеродных белков и нуклеиновых кислот. Создается впечатление, что клетка образует интерферон как бы в ответ на нанесенную ей "обиду".
Биологическая активность интерферона чрезвычайно высока: у мышиного интерферона она составляет 2 на 10 в 9-ой степени ед./мг, а одна единица снижает образование вирусов примерно на 50%. Это означает, что достаточно одной молекулы интерферона, что-бы сделать клетку резистентной к вирусной инфекции.
Интерферон неспецифичен, он универсален, действует не избирательно против какого-то вируса, а защищает организм от любых вирусов. Как известно, организм для защиты от антигенов вырабатывает высокоэффективные антитела. Антитела вырабатываются только определенными клетками иммунной системы и действуют против вирусов строго избирательно. Антитела, защищающие организм от одного вируса, в ответ на внедрение которого они образовались, оказываются бессильны против другого вируса.
Кроме того, антитела "начинают поступать в кровь лишь через несколько дней после заражения. Неисчислимые полчища новых вирусов образуются гораздо быстрее, и защитные тела могут просто-напросто не успеть" (А. А. Смородинцев, "Пограничная застава" организма). Интерферон же защищает организм уже в первые часы после заражения, "пока не подтянутся основные защитные силы - антитела, направленные уже непосредственно против вторгшихся вирусов".
Клетка, пораженная вирусом, выделяет интерферон в качестве противовирусного вещества к соседним клеткам, мобилизуя их на борьбу с размножающимся вирусом. Интерферон непосредственного воздействия на вирус не оказывает, и это не позволяет вирусу приспособиться к интерферону, выработать против него резистентность (сопротивляемость).
Установлено, что интерферон не проникает в клетку, а связывается с особыми рецепторами на мембране. Интерферон воздействует на мембраны выделившей его клетки и соседних клеток. Соединяясь с рецепторами мембраны, интерферон вызывает внутриклеточную продукцию веществ, подавляющих размножение вирусов, воздействует на аппарат клетки так, что она становится непригодной для размножения вирусов.
Пораженная вирусом клетка погибает из-за проникновения в нее вируса, но при этом усиливает защиту соседних клеток от вирусов. Выделяемый погибающей клеткой интерферон преследует вирусы, защищая соседние клетки. После контакта с интерфероном каждая клетка погибает вместе с проникшим в нее вирусом, но вирус при этом не оставляет потомства. Интерферон, выделенный пораженной клеткой, током крови разносится по всему организму и активизирует защитные реакции.
Антитела крови уничтожают вирусы вне клетки, обезвреживают вирусы путем соединения с ними. Интерферон же действует только внутриклеточно, вызывая разрушение генетического механизма воспроизводства вируса, не соединяясь с ним. Интерферон защищает организм практически от всех вирусов.
Однако интерферон существенно не увеличивает защищенность людей, например, от гриппа. Исчерпывающего объяснения этого явления пока нет. Скорее всего, причина кроется в преувеличении возможностей интерферона и недооценке возможностей вирусов. Все дело в том, что период образования многих тысяч молекул интерферона намного дольше, чем время производства вирусного потомства. А раз так, клетка не успевает опередить агрессора и построить оборонительные сооружения. В любом руководстве по микробиологии можно найти красочное описание размножения вирусов, при котором из ядра погибающей клетки, в которую внедрился вирус, через 20 минут высыпаются 100 свежих вирусов, потомков первого. В течение часа с момента внедрения в клетку первого вируса все эти 100 вирусов могут дать каждый по 100 вирусов, их станет 10000, да еще эти вирусы успеют дать по 100 потомков каждый. Таким образом, через час с небольшим в организме из одного-единственного вируса может оказаться миллион потомков!
А интерферона еще нет, он появляется только "в первые часы заражения". Еще через 40 минут количество вирусов в организме может перевалить за миллиард! Интерферон все это время еще "зреет".
Процесс образования интерферона очень сложен и еще до конца не познан. Так, до сих пор неизвестно, присутствует ли в клетке низкомолекулярный белок до проникновения в нее вируса. С уверенностью можно сказать лишь, что количество интерферона начинает нарастать сразу после нарушения вирусом границ клетки.
Исследованиями установлено, что у детей до трех лет и у пожилых людей (старше 60-65 лет) интерферон образуется медленнее и в меньших количествах. Но и в этих возрастных группах люди по-разному реагируют на контакты с вирусами.
Менее интенсивно интерферон продуцируется клетками слизистой оболочки верхних дыхательных путей и в холодное время года. Эти данные могут частично объяснить рост заболеваемости людей вирусными инфекциями в это время года и более тяжелое течение их у маленьких детей и пожилых людей.
Защитный эффект интерферона снижается, если человек ослаблен переутомлением, нервными переживаниями, хроническими заболеваниями.
Не обходится без курьезов. В печати можно встретить раздраженные отклики людей по поводу неэффективности интерферона в случаях, не связанных с вирусной инфекцией (переохлаждение и т. п.). Интерферон, рекламируемый как самое современное и самое действенное средство в борьбе с гриппом, естественно, в таких случаях не помогает.
Интерферон образуется не только в клетках организма, но и вне его, в клетках, культивируемых изолированно от организма. Это позволило организовать производство интерферона сначала для лечебных, а затем и для профилактических целей.
В специальной литературе ценность интерферона как лечебного препарата усматривается в его полной безвредности для организма даже в очень больших дозах. Однако в больших дозах интерферон не безвреден. Полную безвредность интерферона для организма опровергает А. Балаж: "...Следует упомянуть о широко известных интерферонах. Вскоре после открытия интерферона ученые поняли, что наряду с противовирусной активностью он обладает еще способностью подавлять пролиферацию (разрастание) клеток... Если приложить много усилий, можно использовать его противоопухолевую активность. Но, к сожалению, он подавляет пролиферацию клеток всех типов, без разбора".
Интерферон практически не прекращает развития вирусной инфекции, он лишь ослабляет ее развитие.
Интерферон быстро выводится из организма. При парентеральном (через кожу) введении интерферон очень быстро инактивируется (теряет активность, период полураспада около 20 минут). Поэтому для профилактики, а тем более для лечения вирусных инфекций требуется большое количество этого препарата и частое его введение.
Вне организма человека экзогенный интерферон получают из лейкоцитов донорской крови, так как эффективен только интерферон, извлеченный из человеческих клеток. В специальной литературе приводились сведения, что для получения одной дозы интерферона приходится расходовать до 1 л донорской крови. Разработаны способы очистки интерферона от балластных (ненужных) белков и получения концентрированного высокоактивного интерферона, который несколько более успешно применяется как лечебное и профилактическое средство.
Ставится задача увеличения продолжительности действия интерферона. Эффект его кратковремен, препарат приходится вводить многократно на протяжении курса лечения, и это не позволяет использовать его в достаточно широкой практике. Стимуляция выработки интерферона в организме безвредными живыми вакцинами полиомиелита, гриппа, свинки продолжается всего 5-7 дней.
Применяются также препараты-индукторы (интерфероногены), которые стимулируют выработку клетками организма человека эндогенного интерферона. Индукторы эндогенного интерферона - новый класс наиболее перспективных препаратов, самым эффективным среди которых является циклоферон, отличающийся низкой токсичностью, отсутствием аллергенного, мутагенного и эмбриотоксического действия на организм.

Нечто интересное.
К серьезным вирусным заболеваниям животных можно отнести ящур крупного рогатого скота, рожистое воспаление у свиней, чуму птиц и миксоматоз кроликов. Все эти болезни вызываются вирусами. Вирусное заражение растений обычно приводит либо к появлению желтых крапинок на листьях (так называемой мозаики листьев), либо к морщинистости или карликовости листьев. Вирусы вызывают и задержку роста растений, что впоследствии приводит к снижению урожая. Ряд серьезных заболеваний вызывают вирусы желтой мозаики турнепса, табачной мозаики, карликовой кустистости томатов и бронзовости томатов. Появление полосок на цветках некоторых сортов тюльпанов также обусловлено вирусом, а ведь цветоводы продают эти тюльпаны, выдавая их за особый сорт. Вирусы растений, по-видимому, всегда относятся к РНК-содержащим вирусам.

И еще:
Ученые выяснили, что прием препарата интерферона может значительно отодвинуть начало развития рассеянного склероза, а в некоторых случаях - затормозить развитие болезни, сообщает CNN. Исследования проводились на группе из 383 пациентов в 50 клиниках. Прием препарата значительно отдалил начало заболевания у половины пациентов, начавших принимать его при первых симптомах заболевания. У некоторых прием препарата приостановил развитие болезни.
Данные исследований опубликованы в журнале "New England Journal of Medicine".

- Как же организм животного или человека защищается от вируса, с которым никогда раньше не встречался?

Первый этап, как правило, заканчивается гибелью зараженных клеток. В результате образуется несколько тысяч новых вирусов, затем миллион, миллиард, а потом организм должен погибнуть.

- Но в реальных условиях этого не происходит. Заболевший обычно выздоравливает.

Действительно, даже при тяжелейших вирусных инфекциях, как оспа или клещевой энцефалит, погибают не все заразившиеся люди, а такие болезни, как свинка, корь, грипп, для большинства оканчиваются благополучно.

Обороняясь от возбудителей заразных болезней, организм вырабатывает, как известно, высокоэффективные защитные вещества - антитела. Против каждого возбудителя, будь то бактерия или вирус, образуются свои антитела. Они соединяются только со "своим" возбудителем и нейтрализуют его активность, совершенно не действуя на все остальные.

Каждому этапу развития любой науки, в том числе и медицины, соответствует определенный уровень знаний. Поэтому многие первоначальные положения, своего рода аксиомы вирусологии основывались на знаниях, полученных ранее микробиологами, изучавшими противомикробный иммунитет. Вот почему вирусологи довольно долго считали, что выздоровление обеспечивается только специфическим иммунитетом, его антителами, которые образуются в ответ на проникший в организм и размножающийся там вирус. Однако существовало определенное противоречие, на которое долго старались не обращать внимания, хотя оно буквально бросалось в глаза.

Совершенно непонятным оказывался такой хорошо известный факт: антитела образуются и поступают в кровь через несколько дней после заражения. Именно такой срок требуется организму, чтобы ответить на агрессию и выработать необходимые количества защитных антител, способных связать вирус. Но, ведь зная необычайно высокий темп репродукции вируса в зараженных клетках, легко можно подсчитать, что в первые два-три дня болезни должны образовываться неисчислимые полчища новых вирусов. Следовательно, антитела просто-напросто опоздают и не смогут нейтрализовать инфекцию!

Кроме того, ученые показали, что антитела действуют, только когда вирус находится вне клетки: в крови, в лимфе, - и не способны проникать внутрь клеток, зараженных вирусом, хотя и препятствуют внедрению вирусов в чувствительную ткань.

Очевидно, есть какие-то еще неизвестные способы защиты, которые именно в первые часы после заражения должны, во-первых, ограничить размножение вируса внутри клетки, а затем и воспрепятствовать заражению новых клеток, как бы связать вирус по рукам и ногам до подхода основной армии защиты - антител.

Можно думать, что уже на самых ранних этапах эволюции живых существ на поверхности нашей планеты началась неравная борьба между клеточными организмами и мельчайшими их врагами - вирусами. Учитывая необычайно быстрый темп размножения вируса, такая борьба должна была бы окончиться их несомненной победой над более сложно организованными многоклеточными организмами. Чтобы как-то защитить себя от бурно размножающихся противников, позвоночные животные многие и многие тысячи лет назад выработали универсальный механизм защиты от вирусной агрессии. Эта дополнительная (но против вирусной инфекции, может быть, и основная) защита проявляется и действует на уровне клеток. Она резко подавляет темп размножения вирусов, замедляет скорость развития инфекционного процесса.

В середине 30-х годов два американских исследователя, Г. Финдлей и Ф. Маккаллум, проводили опыты на обезьянах, изучая разновидности вирусов желтой лихорадки, вызывавших или не дававших развития энцефалитов у этих животных. Вирусы нередко были причиной гибели людей, живших в Африке, и особенно приезжавших на Африканский континент европейцев: путешественников, моряков и поселенцев. Обезьяны, так же как и люди, погибали от этих вирусов, причем нередко развивались тяжелейшие параличи.

Однажды, не располагая достаточным числом обезьян, ученые заразили смертельным вирусом животных, которым несколько дней назад была введена ослабленная разновидность вируса желтой лихорадки. Произошло непонятное и поистине чудесное явление: обезьяны Не только не погибли, но даже не заболели. Опыты следовали за опытами, и результаты, повторяя друг друга, позволяли сделать вывод, что найдена совершенно новая возможность спасти животных от смертельных вирусов. Для этого нужно ввести им незадолго до заражения другой, малоопасный вирус, который даже может быть вирусом совершенно иного вида.

Таким образом, было сделано важнейшее открытие, а в медицине появился новый термин "интерференция" вирусов, происшедший от английского слова "помеха", "препятствие".

С самого начала этих работ ученым было ясно, что природа интерференции связана вовсе не с иммунитетом, а с каким-то "неспецифическим" механизмом. Однако в течение долгих 20 лет ученые объясняли защитный эффект простой конкуренцией между двумя соперниками. Думали, что первый по порядку "несмертельный" вирус отнимает у второго "злокачественного" вируса питательные ресурсы зараженного организма, а это подтверждалось плохим размножением смертельного вируса, введенного во вторую очередь.

В 1957 году английский ученый А. Айзекс и его молодая практикантка доктор Д. Линденман показали, что причина интерференции совсем другая. Исследователи изучали поглощение вируса клетками из окружающей питательной среды и ожидали увидеть снижение интерферирующей силы среды. Однако произошло обратное. Но ученые, к счастью, не прошли мимо этого непонятного поначалу факта, а стали искать вызвавшую его причину. Они установили, что если внести в культуру ткани инактивированный теплом вирус гриппа, то зараженные клетки начинают вырабатывать какое-то белковое вещество и выделять его в окружающую среду. В незараженных клетках такого белка обнаружить не удалось.

Айзеке назвал открытый им белок интерфероном и этим обессмертил свое имя.

Интерферон обладал чудесными свойствами идеального противовирусного лекарства, и его открытие явилось крупным событием в биологии и медицине. Правда, вначале оно было встречено с недоверием, но уже через два-три года вызвало широкий поток исследований во всех странах мира. Ученые пытались выяснить природу интерферона, понять механизм его действия на вирусы и постараться использовать для борьбы с вирусными болезнями у людей и животных.

Молекулы интерферона наделены весьма важными и интересными свойствами: они полностью лишены какого-либо побочного действия на организм. Защита от вирусов наблюдается в клетках только того вида животных, которые выработали интерферон. В отличие от антител он подавляет размножение практически всех известных вирусов. Активность самых лучших антибиотиков (стрептомицина, пенициллина, эритромицина и других) распространяется на многие возбудители болезней бактериальной природы, но, к сожалению, не на вирусы.

Как теперь установлено, в первые дни после заражения от смертельного воздействия любого вируса организм защищает именно интерферон. Это очень важно в тех случаях, когда организм встречается с каким-либо вирусом впервые в жизни и не имеет к нему антител. Интерферон играет роль как бы пограничной заставы, которая принимает на себя удар противника, пока не подтянутся основные защитные войска.

Особенно это ценно при таких инфекциях, как грипп и простудные заболевания, которые длятся лишь три-пять дней. Тогда именно интерферон способствует выздоровлению, поскольку антитела образуются поздно, воздействовать на вирус не успевают и играют свою защитную роль только при повторной встрече организма с тем же вирусом.

Вскоре после того, как вирус прикрепится к поверхности клеток, они "распознают" в его лице не только полезный питательный белок, но и своего смертельного врага. Вот это-то раннее "распознавание" и позволяет организму достаточно быстро подготовить эффективную оборону, чтобы подавить вирусную инфекцию или хотя бы ограничить ее уже в первые часы после начала болезни.

Исследование тончайших процессов, происходящих на молекулярном уровне внутри живых клеток, потребовало довольно длительного времени. И если интерферон был открыт в Англии, то объяснить, как он образуется, удалось в Америке.

Вирусолог С. Барон из Института аллергии и инфекционных болезней, расположенного в городе Бетесда, близ Вашингтона, много лет посвятил изучению всего двух вопросов: почему в зараженных вирусами клетках образуется интерферон и как это происходит? Вдумайтесь! Всего два вопроса, но каких важных! Если на них ответить, откроется путь к пониманию главной задачи: способу борьбы с любыми вирусными инфекциями.

Ученому удалось установить, что, как только вирус проникает в цитоплазму клетки и начинает там "раздеваться", сбрасывая белковый чехол и выделяя нуклеиновую кислоту, клетка воспринимает эти действия за сигнал тревоги, оповещающий о вторжении смертельного врага, против которого немедленно надо готовить активнейшее оружие.

С. Барон доказал также, что начало синтеза интерферона совпадает с периодом, когда в зараженной клетке вирусная РНК становится матрицей, с которой печатаются новые РНК. Формирующиеся в ходе этого процесса двунитевые РНК и служат стимулом для образования интерферона. А происходит это потому, что в здоровых клетках никогда не бывает двунитевых РНК, а только однонитевые. Двунитевая форма РНК чужеродна для клетки, а это как раз и необходимо, чтобы подать сигнал опасности. Таков был ответ на вопрос "почему".

Ответ на второй вопрос - "как" - потребовал гораздо больше времени. Оказалось, что, когда клетка получает сигнал опасности, немедленно включается специальный ген-оператор. Начинается синтез информационной РНК, а затем на ее матрице в полисомах клетки происходит сборка относительно простых и легких по весу белковых молекул, которые мы называем интерфероном. 1974 году ученые установили, что ДНК, отвечающие а образование интерферона, расположены у человека только в хромосомах № 2 и 5.

Период образования многих и многих тысяч молекул интерферона в зараженной клетке обычно занимает от двух до шести часов. Значит, он намного короче, чем период репродукции вирусного потомства. А раз так, клетка успевает опередить агрессора и построить оружие раньше, чем масса родившихся вирусов выйдет и набросится а новые беззащитные еще клетки.

Небольшая молекула интерферона может легко проходить через клеточные оболочки. Пока в зараженной летке идет размножение вируса, интерферон уже успевает образоваться, выйти из этой зараженной клетки в кровь, в лимфу, в окружающее пространство и проникнуть в другие клетки.

Хотя к синтезу интерферона способны многие группы клеток соединительной и эпителиальной ткани, особенно активно выполняют эту работу клетки белой крови (лимфоциты).

Основатель химиотерапии микробных инфекций немецкий бактериолог П. Эрлих мечтал когда-то о синтезе химических соединений, способных излечивать любые заразные болезни без вреда для больных. Интерферон, бесспорно, первое такое идеальное лекарство.

По выраженности лечебного действия с интерфероном не могут конкурировать даже лучшие антибиотики. Исследователи рассчитали, что для лечения тяжелого гриппа вполне достаточно ввести больному в несколько приемов всего один миллиграмм чистого интерферона. Для лечения же бактериальных инфекционных заболеваний применяют, как правило, ежедневно по нескольку граммов того или иного антибиотика.

Глава 4.2. Механизмы противовирусной защиты

К наиболее изученным механизмам защиты клеток млекопитающих и птиц от вирусной инфекции относят выработку клетками в большем или меньшем объеме специфических низкомолекулярных гликопротеинов, получивших название интерфероны (от лат. inter  «взаимно, между собой» и ferio  «ударяю, поражаю»).

Интерферон (IFN) был открыт в 1957 г. А. Айзексом и Ш. Линденманном при изучении явления интерференции вирусов. Вирус гриппа при размножении в культуре куриной эмбриональной ткани способствовал синтезу фактора, выделяемого клетками в питательную среду и делающего новые куски добавляемой в среду той же ткани невосприимчивыми к вирусной инфекции. По мнению авторов, выработка этого фактора и лежала в основе явления интерференции (антагонизма) вирусов, поэтому они назвали открытый ими фактор интерфероном, а потом показали, что это видоспецифичный белок, который образуется почти во всех ядерных клетках.

При заражении клетки вирусначинает размножаться. Клетка-хозяин в ответ на вирусную инфекцию начинает продуцировать интерферон, выходящий из клетки и вступающий в контакт с соседними клетками (рис. 4.10). Взаимодействие с интерфероном делает эти клетки невосприимчивыми к вирусу путем подавления синтеза вирусных белков и в некоторых случаях сборки и выхода вирусных частиц. Интерферон, не обладая прямым противовирусным действием, вызывает такие изменения в клетке, которые препятствуют размножению вируса. Конечным результатом действия интерферона

Рис. 4.10. Схема воздействия интерферонов (IFN, , ) на клетку и спектр их биологических активностей: противовирусная защита, стимуляция иммунного и воспалительного ответа и т. д. Вирусные частицы изображены шестиугольниками. Слева  аутокринное действие интерферона: клетка, подвергшаяся вирусной инфекции или антигенной стимуляции, синтезирует в ответ IFN, , , выходящие из клетки и связывающиеся с мембранными рецепторами к интерферонам той же клетки. Справа  паракринное действие интерферона на соседние клетки. Через систему проведения сигнала Jak-STAT от интерферона в ядро клетки индуцируются экспрессия IFN-зависимых генов (локализация которых у человека указана номерами хромосом  Ch) и наработка белков, ответственных за подавление репродукции вируса (cогласно )

можно рассматривать образование барьера из устойчивых к вирусу неинфицированных клеток вокруг очага инфекции для ограничения ее распространения. Интерфероны играют большую роль именно в борьбе с вирусами, а не в предотвращении вирусных инфекций. Образование интерферона могут стимулировать как интактные вирусы, так и инактивированные вирусы, двухцепочечные РНК, синтетические двухцепочечные олигонуклеотиды.

Интерферон неспецифичен, универсален, защищает организм от любых вирусов в первые же часы после заражения, пока не мобилизуются основные силы защиты, а именно антитела, направленные уже против конкретного вируса.

Интерферон не проникает в клетку, а связывается с рецепторами на мембране выделившей его клетки (аутокринное действие) или соседних клеток (паракринное действие), вызывая внутриклеточную продукцию веществ, подавляющих размножение вирусов, и воздействуя на аппарат клетки так, что она становится непригодной для размножения вирусов (см. рис. 4.10).

Пораженная вирусом клетка погибает из-за проникновения в нее вируса, но при этом, вырабатывая интерферон, усиливает защиту соседних клеток от вирусов. Интерферон, выделенный пораженной клеткой, током крови разносится по всему организму и активизирует защитные реакции.

4.2.1. Классификация интерферонов. В зависимости от антигенных и физико-химических характеристик, способа индукции, эффективности и механизмов действия интерфероны подразделяются на два типа: интерфероны I типа  IFN1 и интерфероны II типа  IFN2.

По антигенной специфичности интерфероны делятся на три класса: -лейкоцитарный, образующийся в ядерных клетках крови (гранулоцитах, лимфоцитах, моноцитах); -фибробластный, вырабатываемый клетками кожно-мышечной, соединительной и лимфоидной ткани; -иммунный, синтезируемый Т-лимфоцитами совместно с макрофагами, естественными киллерами. Первые два интерферона относятся к IFN1, последний  к IFN2. Выработка IFN1 индуцируется во всех ядерных клетках в ответ на чужеродную генетическую информацию: высокоэффективными индукторами синтеза интерферона выступают вирусы, двуцепочечные РНК (рис. 4.11), синтетические полинуклеотиды. IFN2 вырабатывается только двумя видами ядерных клеток: Т-лимфоцитами в процессе активации, т. е. при взаимодействии с антигенпредставляющим макрофагом, и естественными киллерными клетками  при взаимодействии с клетками-мишенями. Индукторами -интерферона являются также митогены Т-лимфоцитов: стафилококковый энтеротоксин, некоторые лектины.

Рис. 4.11. Активация с помощью двухцепочечной РНК 2",5"-олиго-аденилатсинтетазы (OAS) и протеинкиназы PKR. OAS катализирует синтез 2",5"-олигоаденилатов, являющихся индукторами рибонуклеазы L путем перевода ее из неактивной мономерной формы в активный димер, гидролизующий мРНК и рРНК. Активированная связыванием с двухцепочечной РНК димерная форма PKR фосфорилирует фактор инициации трансляции eIF2, который, связываясь с фактором инициации трансляции eIF2В в комплекс, ингибирует инициацию трансляции вирусной мРНК на рибосомах (согласно )

Известно около двадцати -лейкоцитарных интерферонов, различающихся первичной последовательностью, типом клеток-продуцентов и типом индуктора. Это кислотоустойчивые, в основном негликозилированные белки молекулярной массой 1825 kDa. Они синтезируются в виде предшественника, от которого отщепляется сигнальный пептид длиной 23 аминокислотных остатка с образованием зрелых интерферонов, содержащих 165166 аминокислотных остатков. У человека наиболее часто встречаются  1 -,  2 -,  3 -интерфероны, содержащие на N-конце молекулы остаток цистеина, участвующего в образовании одной из двух имеющихся в молекуле интерферона дисульфидных связей. Использование восстановителей (например -меркаптоэтанола) приводит к потере активности данного интерферона. -Интерфероны проявляют антивирусную, иммунорегуляторную и антиопухолевую активности.

-Фибробластный интерферон  кислотоустойчивый, гликозилированный белок молекулярной массой 20 kDa, содержащий 166 аминокислотных остатков, синтезируется в виде предшественника. Для образования зрелого белка необходимо отщепление сигнальной последовательности длиной 21 аминокислотных остатка. По своему биологическому действию сходен с -нтерфероном, взаимодействует с теми же клеточными рецепторами, что и последний.

-Иммунный интерферон кислотолабилен, имеет два сайта гликозилирования, поэтому встречается в трех видах: негликозированнный с молекулярной массой 15 kDa, гликозилированный по одному из сайтов (20 kDa) и по обоим сайтам (25 kDa). -Интерферон содержит 143 аминокислотных остатка, отщепление от С-конца пептидов разной длины приводит к гетерогенности препаратов -интер- ферона. После отщепления сигнального пептида, состоящего из 23 аминокислотных остатков, у-интерферона образуется блокированный (не содержит свободной NH 2 -группы) N-конец в виде пиро- глутаматного остатка. -Интерферон действует на другие клеточные рецепторы, нежели- и -интерфероны, и отличается от последних менее выраженной антивирусной и более выраженными иммунорегуляторной и антиопухолевой активностями.

Лейкоцитарный -интерферон кодируется у человека семейством генов (примерно 20), расположенных в хромосоме 9; фибробластный -интерферон  единственным геном, расположенным также в 9-й хромосоме; иммунный -интерферон кодируется единственным геном, но расположенным в хромосоме 12.

4.2.2. Механизм действия интерферона. Противовирусное действие, модуляция иммунного и воспалительного ответов, регуляция пролиферации и дифференцировки клеток осуществляется интерферонами путем стимуляции транскрипции IFN-индуцируемых генов, кодирующих различные белки. Некоторые из этих белков являются транскрипционными факторами, которые участвуют в регуляции экспрессии генов, в том числе и генов IFN. Это приводит к формированию сложной генной сети, регулирующей функционирование системы IFN, т. е. системы регуляции процессов индукции и действия IFN.

Как упоминалось выше, для проявления биологической активности выделенный пораженной вирусом клеткой интерферон должен связаться с мембранными рецепторами этой же или соседних клеток.

4.2.2.1. Янус-киназы (J ak ). В последующей внутриклеточной передаче сигнала участвуют Янус-киназы (Jak), сопряженные с рецепторами IFN/R (JAK1 и Tyk2) и IFNR (JAK1 и JAK2), и факторы транскрипции STAT (сигнальный белок-трансдуктор и активатор транскрипции), от которых сигнал поступает непосредственно к промоторам генов-мишеней в ядре без участия вторичных посредников. Янус-киназы фосфорилируют некоторые остатки тирозина факторов транскрипции, после чего активированные факторы транскрипции переносятся в ядро и индуцируют транскрипцию специфических клеточных генов. Ниже мы подробнее рассмотрим этот путь передачи сигнала от интерферона в ядро.

Семейство Янус-киназ в клетках млекопитающих малочисленно и представлено только четырьмя JAK-белками: JAK1, JAK2, JAK3 и TYK2. Это сравнительно большие киназы, состоящие более чем из 1100 аминокислотных остатков с молекулярной массой 120−130 kDа. JAK имеют семь доменов. Cтруктурная организация Янус-киназы представлена на рис. 4.12. С-концевой тирозинкиназный JH1 домен имеет черты, объединяющие его с другими тирозинкиназными доменами. Отличительной чертой семейства Янус-киназ среди всех тирозинкиназ млекопитающих является существование тандема киназного (JH1) и псевдокиназного (JH2) доменов. Наличие последнего и определяет название Янус-киназ, поскольку только они среди всех тирозинкиназ млекопитающих имеют псевдокиназный домен. Как двуликий Янус, Янус-киназы также имеют "два лица". Функция псевдокиназного домена, по-видимому, заключается в регуляции ка- талитической активности. Мутации или делеции в этом регионе могут приводить к ингибированию или повышению каталитической функции Янус-киназ в зависимости от конкретного расположения возникшей мутации. N-концевой участок Янус-киназы отвечает за связывание JAK с соответствующим рецептором интерферона. На рис. 4.13 приведена модель пространственной структуры JAK1 в комплексе с одним из субстратов, а именно АТР. Из рисунка видно, что N-концевая часть домена состоит из -складчатых структур, в то время как С-концевая часть представлена -спиралями. Активный центр JAK1 расположен в углублении на стыке этих двух структурных областей.

Рис. 4.12. Структурная организация Янус-киназы. JH  область гомологии Янус-киназы (JAK): JH1  киназный домен, JH2  псевдокиназный домен; SH2  домен гомологии 2 src; FERM-domain  участок связывания рецептора интерферона (согласно )

Янус-киназы связываются с рецепторами интерферона после образования комплекса интерферон-рецептор (рис. 4.14). Связывание интерферонов с рецепторами I и II типов предположительно приводит к гомо- или гетеродимеризации субъединиц рецептора, которые оказываются напротив Янус-киназ. Рецептор IFN/ (IFNAR), подобно рецептору инсулина, представляет собой гетеротетрамер, состоящий из двух субъединиц IFNАR1 и двух субъединиц IFNАR2, обозначаемых так же, как - и -субъединицы. Рецептор IFN (IFNGR) является гетеродимером, состоящим из субъединицы

Рис. 4.13. Модель пространственной структуры киназного домена JAK1 в комплексе с АТР. N-конец киназного домена вверху и состоит из -складчатых структур, С-конец внизу и представлен -спиралями (согласно )

IFNGR1 (молекулярной массой 90 kDa) и субъединицы IFNGR2 (молекулярной массой 62 kDa). Янус-киназы находятся в комплексе IFN  IFNR, фосфорилируются, что приводит к повышению их каталитической активности. При гетеродимеризации рецепторов к интерферонам встречается также гетеродимеризация различных JAK, которые при этом активируют друг друга с помощью трансфосфорилирования (в случае IFNАR -субъединица связывается с TYK2; в то время как -субъединица  с JAK1, в случае IFNGR субъединица IFNGR1 связывается с JAK1; а субъединица IFNGR2  с JAK2) (см. рис. 4.14, А , Б1 ). После активации Янус-киназ они фосфорилируют субъединицы рецептора по тирозиновым остаткам, делая возможным cвязывание с фосфорилированным рецептором белков, содержащих SH2- или тирозинсвязывающие домены. В данном случае эти белки  STAT (Signal Transducer and Activator of Тranscription − сигнальный белок-трансдуктор и активатор транскрипции), фосфорилируемые Янус-киназами.

Продолжение подписи к рис. 4.14 см. стр. 25: Янус-киназы в результате образования комплекса активируются, трансфосфорилируют друг друга и фосфорилируют субъединицы рецептора; б , 1 функция IFNАR2 заключается в связывании JAK1 и STAT белков до взаимодействия с интерфероном, но неизвестно, какой остаток Tyr подвергается фосфорилированию; б, 2  с фосфорилированным Tyr466 IFNАR1 взаимодействует STAT2 через свой SH2-домен. Янус-киназа фосфорилирует STAT2 (р113) по Tyr690; б , 3  фосфорилированный STAT2 связывает SH2-домен STAT1 (р91), который также фосфорилируется Янус-киназой по Tyr701. Гетеродимерный комплекс STAT1STAT2 с одним контактом SH2-домен  фосфотирозин отщепляется от рецептора, изомеризуется в комплекс с двумя контактами SH2-домен  фосфотирозин, переносится в ядро, по пути связывает р48 (IRF9) и превращается в фактор транскрипции ISGF3. В ядре ISGF3 взаимодействует с элементом ДНК, называемым ISRE (IFN-stimulated gene response element  область узнавания IFN-зависимых генов), и активирует транскрипцию IFN/-зависимых генов. В случае IFN последовательность событий та же самая с небольшими модификациями. Субъединицы рецептора IFNGR1 и IFNGR2 взаимодействуют с Янус-киназами: JAK1 и JAK2. Последние фосфорилируют STAT1, образующий после модификации гомодимерный комплекс. После транслокации в ядро гомодимер связывается в качестве транскрипционного фактора, называемого GAF (-activation factor  фактор активации интерфероном ), с GAS (-interferon activation site), элементом ДНК, активируемым IFN (согласно )

4.2.2.2. STAT- белки . У млекопитающих имеется 7 STAT: STAT1, STAT2, STAT3, STAT4, STAT5A, STAT5B и STAT6. Отличительными чертами семейства транскрипционных факторов STAT является наличие SH2-доменов и способность к фосфорилированию входящего в их состав тирозина.

Давайте вспомним, что такое SН2-домен. SН2-домен (домен, гомологичный второму домену белка Src)  второй модулирующий участок (аминокислотные остатки 141260), который контролирует спектр белков, взаимодействующих с семейством Src (вируса саркомы Рауса). SH2-домены белков узнают короткую аминокислотную последовательность, несущую фосфотирозин. Специфичность индивидуальных SН2-доменов определяется тремя-пятью остатками, следующими за тирозином. За счет взаимодействия SH2-доменов одних молекул STAT с фосфотирозинсодержащими последовательностями других молекул STAT образуются гомо- и гетеродимеры.

Рис. 4.15. Пространственная структура димера STAT1 в комплексе с ДНК (изображена кругом посредине структуры). Спираль-спиральный домен внизу по бокам структуры белка, ДНК-связывающий домен  в центре , линкерный домен  выше над ДНК-связывающим доменом, SH2- и тирозинактивирующий домены  вверху . Буквами N и С обозначены концы димеров STAT (согласно )

Биохимическими, генетическими и рентгеноструктурными исследованиями было установлено, что молекула STAT состоит из семи консервативных доменов: N-концевого, спираль-спирального, ДНК-связывающего, линкерного, SH2-, тирозинактивирующего и активирующего транскрипцию. Пространственное строение димерной формы STAT приведено на рис. 4.15. Каждый из доменов STAT играет определенную роль в функционировании этого белка. Так, N-концевой домен участвует в димеризации неактивных мономерных форм STAT, во взаимодействии с элементом ДНК GAS, а также в транспорте STAT-димеров в ядро и из него. Спираль-спиральный домен, состоящий из четырех -спиралей и образующий протяженную гидрофильную поверхность, ответственен за связывание с регуляторными соединениями, например, с p48 (IRF9) во время образования активного транскрипционного фактора ISGF3. ДНК-связывающий домен содержит антипараллельные -складчатые слои, подобно тем, которые наблюдаются у вариабельного домена иммуноглобулина G (для сравнения см. рис. 4.3). Этот домен непосредственно связывается с GAS в промоторной части IFN-индуцируемых генов. Наиболее консервативным доменом в структуре STAT выступает SH2-домен, с помощью которого осуществляется взаимодействие с мембранным рецептором цитокинов (в данном случае рецептором интерферона), что позволяет активировать STAT путем фосфорилирования остатков тирозина с последующей димеризацией мономерных форм STAT. Тирозинактивирующий домен, содержащий остатки тирозина, также способствует ассоциации отдельных молекул STAT в активные олигомерные формы. Активирующий транскрипцию домен (TAD), расположенный на С-конце молекулы STAT, является наиболее вариабельным доменом у белков, входящих в семейство STAT, так как позволяет связывать всевозможные активаторы транскрипции (ацетилтрансферазы гистонов, СВР/р300 и т. д.). Кроме того, фосфорилирование некоторых остатков Ser в TAD увеличивает стабильность молекулы STAT, в то время как отсутствие модификации в этом домене приводит к быстрой убиквитин-зависимой деградации белка.

STAT белки находятся в цитоплазме в неактивном состоянии. После активации Янус-киназами STAT димеризуются: в случае IFN/ образуется комплекс STAT1 (р91)  STAT2 (р113) с одним контактом SH2-домен  фосфотирозин. Димер покидает рецептор, при этом происходит изомеризация в комплекс STAT1STAT2 с двумя контактами SH2-домен  фосфотирозин (ISGF3), который транслоцируется в ядро, взаимодействуя с представителем семейства IFN-регулируемых факторов р48 (ISGF3, Interferon Stimulated Gene Factor  генный фактор, стимулированный интерфероном), образует активный транскрипционный фактор ISGF3, взаимодействующий с элементом ДНК, расположенным в промоторной части IFN/-зависимых генов и получившим наименование ISRE (IFN-Stimulated gene Response Element  область узнавания IFN-зависимых генов) (см. рис. 4.14). Все три белка, принимающие участие в образовании гетеромерного комплекса ISGF3, контактируют с ДНК. ISRE представляют собой 1314-нуклеотидные последовательности c консенсусом AGTTTCNNTTTCNPy. В случае IFN из двух модифицированных молекул STAT1, как видно из рис. 4.14, образуется транскрипционный фактор GAF (-activation factor  фактор активации интерфероном ), проникающий в ядро клетки, где он связывается в промоторной области IFN-зависимых генов с GAS (-interferon Activation Site  участок активации интерфероном ), элементом ДНК, активируемым IFN. Эти элементы представляют собой палиндромную последовательность ТТ(N) n АА.

4.2.3. Продукты IFN- индуцируемых генов . Индукция интерфероном специфических генов вызывает два типа ответов: ранний (первичный) и поздний (вторичный). При раннем ответе индукция генов связана с активацией латентных транскрипционных факторов, осуществляемой несколькими путями: 1) удалением белка, маскирующего действие фактора; 2) модификацией фактора; 3) формированием гомо- или гетеромерных транскрипционных комплексов. При позднем ответе индукция генов связана с индуцированным синтезом транскрипционных факторов, отсутствующих в нестимулированной клетке.

Как уже говорилось выше, действие интерферонов приводит к активации транскрипции IFN-зависимых генов. Продуктами этих генов являются транскрипционные факторы, ферменты, нуклеотид- связывающие белки, антигены главного комплекса гистосовместимости классов I и II, регуляторные белки, лимфоцитарные антигены, некоторые цитокины и их рецепторы, Fс-рецепторы, высокоаффинные к IgG.

С помощью продуктов IFN-индуцируемых генов осуществляется весь спектр биологических активностей IFN: развитие противовирусного состояния; ингибирование клеточной пролиферации; модуляция иммунного и воспалительного ответов; стимуляция фагоцитоза и представление антигенов макрофагами; активация цитотоксичности натуральных киллеров; регулирование дифференцировки Т- и В-лимфоцитов.

С развитием противовирусного состояния связана индукция синтеза некоторых ферментов, участвующих в подавлении репродукции вируса: 2",5"-олигоаденилатсинтетазы, дцРНК-зависимой протеинки-назы PKR (протеинкиназы фактора инициации синтеза белка  еIF2), РНК-зависимой дезаминазы (ADAR), белков Мх.

4.2.3.1. 2",5"-Олигоаденилатсинтетаз а. В присутствии двухцепочечной РНК, служащей индуктором для 2",5"-олигоаденилатсин-тетазы (OAS) (в незараженных вирусом клетках фермент не активен) (cм. рис. 4.11), фермент катализирует полимеризацию АТР с образованием олигоаденилатов с необычной 2",5"-фосфодиэфирной связью (схема 1).

(1)

В клетке существует несколько изоформ OAS, различающихся размерами: малая (р40/р46), средняя (р69), большая (р100). Каждая из изоформ кодируется своим IFN-индуцируемым геном. Кроме того, в результате альтернативного сплайсинга каждого гена внутри каждого типоразмера OAS существует множество форм фермента, различающихся С-концевыми последовательностями. В нативной форме малая OAS существует как тетрамер, средняя как димер, а большая форма представляет собой мономер.

По своему пространственному строению и механизму действия OAS относится к семейству ДНК-полимеразы . Каталитическая реакция синтеза 2",5"-олигоаденилата осуществляется триадой остатков глутаминовой кислоты (D74, D76, D147), что является характерной особенностью механизма действия большинства ДНК- и РНК-полимераз. На рис. 4.16 представлена пространственная структура OAS (р40). В отличие от протеинкиназы PKR OAS не имеет отдельного домена для связывания индуктора  двухцепочечной РНК, содержащей не менее 30 пар нуклеотидов. Индуктор связывается в положительно заряженной бороздке фермента, далее после изменения конформации открывается вход в активный центр OAS.

Рис. 4.16. Пространственная структура OAS (р40). N-концевая последовательность изображена внизу , начиная с цифры 1, каталитический домен с триадой остатков глутаминовой кислоты (D74, D76, D147)  слева , линкерный домен  вверху , С-концевой домен  справа (согласно )

В зависимости от размера белка варьирует длина 2",5"-олигоаде- нилата, синтезируемого OAS: от гексамера, синтезируемого процессивно малой OAS, до 30-мера, образуемого непроцессивно средней формой. Большая форма синтезирует димерный 2",5"-олигоаденилат, который не способен быть индуктором для других ферментов, поэтому участие р100 в активации белков, ответственных за противовирусное действие интерферона, пока остается неясным.

2",5"-Олигоаденилаты, содержащие не менее трех нуклеотидных остатков, активируют латентную рибонуклеазу L, переводя ее из неактивной мономерной формы в активный димер, разрушающий одноцепочечные РНК (мРНК и рРНК) как вирусного, так и клеточного происхождения с образованием на 3"-конце последовательности UpU или UpA. Распад РНК приводит к ингибированию элонгации и снижению скорости синтеза белков, в том числе вирусных. Фермент конституционно присутствует в большинстве клеток и увеличивает свою активность в десятки раз при взаимодействии клеток с интерфероном.

Рибонуклеаза L, белок молекулярной массой 83 kDa, содержит 741 аминокислотный остаток. Белок состоит из трех доменов: N-концевого регуляторного, содержащего девять анкирин-подобных участков; протеинкиназоподобного и С-концевого РНК-азного (рис. 4.17).

Рис. 4.17. Доменная структура рибонуклеазы L. N-концевой регуляторный домен, состоящий из девяти анкирин-подобных участков (анкириновые повторы), связывает активатор  2",5"-олигоаденилат (2-5A сенсор). Центральный протеинкиназоподобный домен необходим для димеризации и активации рибонуклеазы L. Каталитический РНК-азный домен расположен на С-конце молекулы фермента (согласно )

Что же такое анкириновый повтор? Анкириновые повторы, сформировавшиеся в ходе эволюции как универсальный белковый модуль, обеспечивают взаимодействия между белками, а также между белками и нуклеиновыми кислотами и достаточно часто присутствуют в структуре различных белков. Каждый анкириновый повтор состоит из двух -спиралей, между которыми находится петля -шпильки. Множественные повторы создают структуру, в которой спираль-спиральные взаимодействия формируют центральное ядро, а концы -шпилек, экспонированные наружу, служат сайтами для взаимодействий белок-белок и белок-нуклеиновая кислота. Модельная структура анкиринового повтора и структура N-концевого регуляторного участка рибонуклеазы L, содержащего несколько анкириновых повторов, приведена на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Структура анкиринового повтора: модельная теоритическая структура анкиринового повтора (слева ); структура N-концевого регуляторного домена рибонуклеазы L, содержащего девять анкирин-подобных участков, в комплексе с 2",5"-олигоаденилатом, полученная методом рентгеноструктурного анализа (справа ). Каждый анкириновый повтор состоит из двух -спиралей, между которыми находится петля -шпильки. Спираль-спиральные взаимодействия формируют центральное ядро, изображенное слева в виде цилиндра, а концы -шпилек создают участки для взаимодействий белок-белок и белок-нуклеиновая кислота. Справа видно, что 2",5"-олигоаденилат образует контакты с -шпильками анкириновых повторов R2 и R4 (согласно )

Биохимическими, генетическими и рентгеноструктурными исследованиями было обнаружено, что второй и четвертый анкирин-подобные участки связывают активирующий РНКазу L 2",5"-олиго-аденилат (рис. 4.18). Как видно на рис. 4.19, в отсутствие активатора регуляторный домен РНК-азы L (ANK) взаимодействует с протеинкиназоподобным (РК) и РНК-азным (RN) доменами, препятствует димеризации белка и образованию активного центра на поверхности раздела двух RN доменов. Связывание 2",5"-олигоаденилата в регуляторном домене вызывает изменение конформации этого домена, его компактизацию и высвобождение протеинкиназоподобного и РНК-азного доменов, которые способны теперь к димеризации и переходу в активное состояние, так как каталитически активный РНК-азный центр формируется из аминокислотных остатков димера РНК-азы L. РНК-аза L может связывать свои субстраты в отсутствие активатора, но гидролизовать их не способна, так как для этого необходима димеризация фермента, имеющая место только в присутствии 2",5"-олигоаденилата.

ВСЕРОССИЙСКАЯ ОЛИМПИАДА ШКОЛЬНИКОВ ПО БИОЛОГИИ

МУНИЦИПАЛЬНЫЙ ЭТАП 2008 г.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ТУР

Задание 1. Задание включает 50 вопросов, к каждому из них предложено 4 варианта ответа. На каждый вопрос выберите только один ответ, который вы считаете наиболее полным и правильным. Около индекса выбранного ответа поставьте знак "+". В случае исправления знак "+" должен быть продублирован.

1. Вирусы отличаются от бактерий:
а) тем, что у вирусов нет ядра, а у бактерий оно есть;
б) тем, что они не могут синтезировать белки; +
в) наличием клеточной стенки;
г) отсутствием нуклеиновых кислот.

2. Бактериофаги впервые были описаны:
а) ;
б) М. Бейеринком;
в) Ф. Д´Эрелем; +
г) А. Флемингом.

3. Защищаясь от вирусов, клетки вырабатывают белок:
а) лизоцим; б) интерферон; +
в) кератин; г) пенициллин.

4. Образовательная ткань в корне находится:
а) в коре корня;
б) образует зону роста в корне; +
в) представлена в зоне всасывания корневыми волосками;
г) в зоне проведения.

5. Удобрение, способствующее росту корней и других подземных органов – это:
а) азотное ; б) калийное; +
в) навоз; г) фосфорное.

6. Угол между листом и расположенной выше частью стебля называется:
а) основанием побега; б) пазушной почкой;
в) междоузлием; г) пазухой листа. +

7. Роль устьиц листа заключается в следующем:
а) через них проходит внутрь листа вода;
б) через устьица осуществляется только газообмен;
в) через устьица проникают внутрь пары воды и происходит газообмен;
г) через устьица выходят из листа пары воды и происходит газообмен. +

8. Транспирация позволяет растению:
а) иметь запас питательных веществ в разных органах;
б) регулировать температуру и постоянно получать минеральные вещества; +
в) осуществлять вегетативное размножение;
г) поглощать энергию солнца.

9. Разнообразие окраски тела водорослей вызвано:
а) особенностями размножения;
б) маскировкой;
в) привлечением животных;
г) приспособлением к фотосинтезу. +

10. Для тела высших растений характерно строение:
а) одноклеточное; б) колониальное;
в) слоевищное; г) листостебельное. +

11. Тела грибов образованы:
а) мицелием; +
б) микоризой;
в) гифами;
г) конидиями.

12. Шишка хвойных – это:
а) семязачаток;
б) плод;
в) видоизмененный побег; +
г) заросток.

13. Из перечисленных организмов к классу Саркодовые относятся:
а) стрептококк;
б) хламидомонада;
в) лямблия;
г) амеба дизентерийная. +

14. Наибольшим генетическим и биохимическим сходством с человеком среди современных человекообразных обезьян обладает:
а) горилла;
б) орангутанг;
в) шимпанзе; +
г) гиббон.

16. Термин «экология» ввел в науку в 1869 г.:
а) М. Мёбиус;
б) Э. Геккель; +
в) А. Тенсли;
г) В. Сукачев.

18. Первые живые организмы, появившиеся на нашей планете, по способу дыхания и питания были:
а) анаэробными фототрофами;
б) анаэробными гетеротрофами; +
в) аэробными хемотрофами;
г) аэробными гетеротрофами.

19. Из яйца сосальщика, попавшего в воду вылупляется:
а) хвостатая личинка;
б) личинка с крючками;
в) личинка с ресничками; +
г) финна.

21. Органами прикрепления аскариды являются:
а) присоски;
б) крючки;
в) губы;
г) не имеет органов прикрепления. +

22. Изначальным источником энергии в большинстве экосистем служат:
а) солнечный свет; +
б) солнечный свет и растительная пища;
в) растительная и животная пища;
г) солнечный свет и минеральные вещества.

23. Насекомые относятся к подтипу:
а) хелицеровые;
б) жабродышащие;
в) трахейные; +
г) членистоногие.

24. Среди насекомых не имеют крыльев:
а) мухи и комары;
б) жуки и саранча;
в) бабочки и пчелы;
г) блохи и постельные клопы. +

25. Из перечисленных признаков, не является харак­терным для членистоногих:
а) членистые конечности с суставами;
б) наружный скелет;
в) дыхание всей поверхностью тела; +
г) скачкообразный рост.

26. Органы слуха и равновесия у рака расположены:
а) в основании длинных усиков;
б) в основании кротких усиков; +
в) в основании клешней;
г) на брюшке.

27. Особенностью пищеварительной системы рака является:
а) наличие печени;
б) отсутствие анального отверстия;
в) желудок, состоящий из двух отделов; +
г) замкнутая пищеварительная система.

28. Некрофагом по типу питания является:
а) жук навозник;
б) жук могильщик; +
в) жук колорадский;
г) божья коровка.

29. Согласно теории самопроизвольного зарождения жизнь:
а) занесена на нашу планету извне;
б) была создана сверхъестественным существом в определенное время;
в) возникала неоднократно из неживого вещества; +
г) возникла в результате процессов, подчиняющихся физическим и химическим законам.

30. Отпугивающую окраску имеет:
а) павлиний глаз; +
б) колорадский жук;
в) жук бомбардир;
г) бабочка осовидка.

31. Не имеет колюще-сосущего ротового аппарата:
а) комар;
б) бабочка лимонница; +
в) клоп;
г) тля.

32. Особенность пищеварительной системы паука:
а) замкнутость;
б) желудок с хитиновыми зубцами;
в) частично наружное пищеварение; +
г) наличие печени.

33. Взрослый овод питается:
а) нектаром;
б) кровью теплокровных животных;
в) другими насекомыми;
г) ничем не питается. +

34. Наиболее распространенными в живых организмах элементами являются:
а) С, О, S, N;
б) Н, С, О, N; +
в) О, P, S, С;
г) N, P, S, О.

35. В процессе фотосинтеза в листьях образуется:
а) сахар; +
б) белок;
в) жир;
г) минеральные вещества.

36. Паук дышит:
а) всей поверхностью тела;
б) жабрами;
в) трахеями и легочными мешками; +
г) трахеями.

37. Концентрация К+ и Nа+ в клетке:
а) одинаковая на внутренней и внешней ее поверхностях;
б) разная, ионов Nа+ больше внутри клетки, ионов К+ – снаружи;
в) разная, ионов К+ больше внутри клетки, ионов Nа+ снаружи; +
г) в одних случаях одинаковая, в других разная.

38. Скорость процесса фотосинтеза будет наибольшей при следующих условиях:
а) нормальное освещение, температура 15°С, концентрация углекислого газа 0,4 %;
б) нормальное освещение, температура 25°С, концентрация углекислого газа 0,4 %; +
в) нормальное освещение, температура 25°С, концентрация углекислого газа 0,04 %;
г) усиленное освещение, температура 25°С, концентрация углекислого газа 0,04 %.

39. Наиболее эффективной преградой для свободного скрещивания особей популяций является изоляция:
а) этологическая;
б) экологическая;
в) генетическая; +
г) географическая.

40. Вода обладает способностью растворять вещества, поскольку ее молекулы:
а) полярны; +
б) имеют малые размеры;
в) содержат атомы, соединенные ионной связью;
г) образуют между собой водородные связи.

41. Наиболее острая форма борьбы за существование:
а) межвидовая;
б) внутривидовая; +
в) межвидовая и внутривидовая;
г) с условиями неорганической природы.

42. Молекула крахмала состоит из остатков:
а) глюкозы; +
б) фруктозы;
в) фруктозы и глюкозы;
г) глюкозы и галактозы.

43. Электронный микроскоп появился в:
а) 90-е годы XIX в.;
б) начале XX в.;
в) 30-е годы XX в.; +
г) 60-е годы XX в.

44. Пищеварительные ферменты, содержащиеся в лизосомах, син­тезируют:
а) каналы гладкой ЭПС;
б) рибосомы шероховатой ЭПС; +
в) цистерны комплекса Гольджи;
г) сами лизосомы.

45. Пластиды растительных клеток могут содержать:
а) пигменты;
б) белки и крахмал;
в) пигменты, крахмал, белки и масла; +
г) пигменты и вредные продукты метаболизма.

46. Организмы, живущие за счет органического источника углеро­да:
а) автотрофы;
б) гетеротрофы; +
в) хемотрофы;
г) фототрофы.

47. Хлорофилл поглощает из солнечного спектра преимуществен­но лучи:
а) красные;
б) сине-фиолетовые;
в) красные и сине-фиолетовые; +
г) сине-фиолетовые и зеленые.

48. Количество триплетов генетического кода, кодирующих аминокислоты, составляет:
а) 16;
б) 20;
в) 61; +
г) 64.

49. Из приведенных примеров, к анализирующему скрещиванию относится:
а) Аа х Аа;
б) АА х Аа;
в) Аа х аа; +
г) аа х аа.

50. Матрицей для синтеза молекулы иРНК при транскрипции служит:
а) вся молекула ДНК;
б) полностью одна из цепей молекулы ДНК;
в) участок одной из цепей ДНК; +
г) в одних случаях одна из цепей молекулы ДНК, в других – вся молекула ДНК.

Задание 2. Задание включает 20 вопросов, с несколькими вариантами ответа (от 0 до 5-ти). Около индексов выбранных ответов поставьте знаки "+". В случае исправлений знак "+" должен быть продублирован.

1. Из перечисленных признаков выберите те, которые характерны для грибов и животных:
а) отсутствие хлорофилла в клетках; +
б) хитинизированная клеточная стенка;
в) запасное вещество – крахмал;
г) запасное вещество – гликоген; +
д) способность к вегетативному размножению участками тела. +

3. В 1900 г. закономерности наследования признаков в потомстве гибридов независимо друг от друга подтвердили:
а) Де-Фриз; +
б) К. Корренс; +
в) К. Чермак; +
г) Т. Морган;
д) Н. Войтонис.

4. На число и разнообразие видов, появляющихся на определенной территории, влияют:
а) географические барьеры; +
б) расстояние на которое осуществляется расселение;
в) воздушные и водные течения; +
г) размеры и характер заселяемой территории;
д) антропогенные факторы. +

5. На формирование фенотипа человека наибольшее влияние оказывает:
а) набор генов полученных от родителей; +
б) условия внешней среды; +
в) случайно стечение обстоятельств;
г) силы неживой природы;
д) экологическая ситуация в месте проживания.

6. Древо жизни человека обычно рисуют для того, чтобы помочь семье:
а) вычислить вероятность рождения здоровых потомков; +
б) оценить, реально ли долгожительство у представителей данного семейства; +
в) понять, можно ли ожидать появления близнецов у представителей данного рода; +
г) оценить преобладание «технарей» или «гуманитариев» в каждом из породнившихся семейств; +
д) изящно оформить каминный зал в особняке.

7. Признаки характерные для голосеменных:
а) в цикле развития преобладает спорофит; +
б) хорошо размножаются вегетативным способом;
в) эндосперм гаплоидный; +
г) эндосперм диплоидный;
д) деревья, кустарники и травянистые растения.

8. Кроссинговер обычно происходит в мейозе при конъюгации у:
а) мужчин и женщин в любой из 22 пар аутосом; +
б) женщин в паре половых хромосом; +
в) мужчин в паре половых хромосом;
г) кур в паре половых хромосом;
д) петухов в паре половых хромосом. +

9. Представителей типа хордовые характеризуют:
а) трехслойность; +
б) вторичная полость тела; +
в) вторичный рот; +
г) двусторонняя симметрия; +
д) отсутствие внутреннего скелета.

10. На рисунке изображены варианты положения завязи в цветке. Нижняя завязь представлена под номерами:
а) 1;
б) 2; + +
в) 3; + +
г) 4;
д) 5.

11. При плазмолизе в растительной клетке:
а) тургорное давление равно нулю; +
б) цитоплазма сжалась и отошла от клеточной стенки; +
в) объем клетки уменьшился;
г) объем клетки увеличился;
д) клеточная стенка не может больше растягиваться.

12. Мутагенный фактор, воздействующий на живой организм и вызывающий возникновение мутаций, может быть:
а) физической природы; +
б) химической природы; +
в) биологической природы (возраст родителей); +
г) биологической природы (микробы и их токсины); +
д) стресс.

13. Известны следующие типы мутаций:
а) генные; +
б) хромосомные; +
в) инбридинговые;
г) полиплоидия; +
д) изменение числа хромосом. +

14. При спокойном выдохе воздух «покидает» легкие, потому что:
а) уменьшается объем грудной клетки; +
б) сокращаются мышечные волокна в стенках легких;
в) диафрагма расслабляется и выпячивается в грудную полость; +
г) расслабляются мышцы грудной клетки;
д) сокращаются мышцы грудной клетки. +

15. Скрещивания, в которых признаки в одном случае вводятся со стороны материнской формы, а в другом – со стороны отцовской, называются:

а) анализирующими;
б) возвратными;
в) насыщающими;
г) реципрокными; +
д) прямыми и обратными. +

Задание 3. Задание на определение правильности суждений (поставьте знак "+" около номеров правильных суждений). (15 суждений).

1. Околоцветник не может состоять только из чашелистиков.

2. Для простейших характерна только водная среда жизни.

3. Клеточный сок – это раствор ферментов, запасных веществ, пигментов. +

4. Водорослями называют любые растения, обитающие в воде.

5. Николай Иванович Вавилов создал в Санкт-Петербурге мировую коллекцию культурных растений. +

6. Луб – это древесина.

7. Предметом исследования биологии являются общие и частные закономерности организации, развития, обмена веществ, передачи наследственной информации. +

8. Свойство воды, поддерживающее тепловой баланс в организме, проявляется благодаря наличию водородных связей между ее молекулами. +

9. В результате процессов фотосинтеза и дыхания (окисления глюкозы) образуется АТФ.

10. Мейоз является основой мутационной изменчивости организмов.

11. Партеногенез – один из видов полового размножения. +

12. Принципиальное различие между половым и бесполым размножением заключается в том, что половое размножение является приспособлением к неблагоприятным условиям.

13. Геномные мутации связаны с перестройкой структуры хромосом.

14. Идею естественного отбора на основе борьбы за существование обосновал Альфред Уоллес. +

15. Совокупность рецессивных мутаций в генотипах особей популяции образует резерв наследственной изменчивости. +

Задание 4. Из предложенной информации выберите сведения о ракообразных и насекомых.

Ракообразные – _________________________ (01, 02, 04, 07, 09, 11, 12);

Насекомые – ____________________________ (01, 03, 04, 06, 09, 12, 14).

01. тело животных снаружи имеет хитиновый покров.

02. тело состоит из двух отделов: головогруди и брюшка

03. тело состоит из трех отделов: головы, груди и брюшка.

04. брюшко членистое.

05. брюшко нечленистое

06. усиков одна пара.

07. усиков две пары – длинные и короткие.

08. животные имеют простые глаза или совсем не имеют их.

09. у большинства животных по два сложных фасеточных глаза.

10. дыхание трахейно-легочное.

11. органы дыхания – жабры.

12. кровеносная система незамкнутая.

13. кровеносная система замкнутая.

14. большинство животных имеют крылья.

15. не имеют крыльев.

Задание 5. Решите генетическую задачу.

Растение гомозиготное по двум парам рецессивных генов, имеет высоту 32 см, а гомозиготное по доминантным аллелям этих генов имеет высоту 60 см. Влияние отдельных доминантных генов на рост во всех случаях одинаково и их действие суммируется. В F2 от скрещивания этих растений получено 208 потомков. Сколько из них будут иметь генетически обусловленный рост в 46 см?

Ответ: 78 растений.