Биология и биохимия вирусов. Изучение неклеточной формы жизни в школьном курсе биологии

Изучение вирусов актуально в наше время, поскольку многие заболевания связаны именно с ними. Вирусы поражают не только организм человека, но и животных, растения, бактерии. В структуре современной медицины число вирусных заболеваний достигает более 85% [6].

В настоящее время программа изучения биологии в школе, на наш взгляд, демонстрирует недостаток отведенных часов для изучения вирусов и заболеваний, которые они вызывают. Таким образом, цель настоящей работы – систематизация сведений о вирусах как неклеточных формах жизни, разработка дополнительного учебно-методического материала для внеклассной работы учащихся по биологии и биохимии вирусов.

Вирусы (от лат. virus – яд) – мельчайшие неклеточные частицы, состоящие из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки (капсида). Они распространены повсеместно, имеют различную форму, а их размер колеблется от 15 до 350 нм и более. Открыты вирусы Д.И. Ивановским в 1892 г. Вирусы – внутриклеточные паразиты: размножаясь только в живых клетках, они используют их ферментативный аппарат и переключают клетку на синтез зрелых вирусных частиц – вирионов.

Вирусы представляют собой простейшую форму жизни и занимают пограничное положение между живой и неживой природой. Вне организма вирус существует в окружающей среде в виде вириона, который самостоятельно не способен к жизнедеятельности и размножению. Структурная организация вирусов очень проста. Они состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и нескольких кодируемых ею белков, формирующих вирусную оболочку вокруг нуклеиновой кислоты – капсид. Некоторые вирусы содержат липиды и углеводы в составе наружных оболочек в виде липопротеидов и гликопротеидов (суперкапсид). Вирусная нуклеиновая кислота (ДНК или РНК) может быть однонитчатой, двунитчатой, фрагментированной, нефрагментированной, линейной или кольцевой. Вирусы с одноцепочечными РНК делятся на 2 группы. У вирусов первой группы геном обладает функциями иРНК (информационной РНК), т. е. переносит закодированную информацию на рибосому. Вирусы, содержащие такой геном, обозначают как (+) РНК. Вторая группа вирусов не обладает функциями иРНК и в сво- ем составе имеют фермент – транскриптазу, осуществляющую транскрипцию геномной РНК и синтез иРНК. Вирусы, содержащие такой геном, обозначают как (–) РНК [12].

Жизненный цикл вирусов включает в себя 6 стадий, которые могут перекрываться во времени. Эти стадии следующие.

Прикрепление (адсорбция) – образование связи между белками вирусного капсида и рецепторами на поверхности клетки хозяина. Эта связь определяет круг хозяев вируса, т. е. те организмы, которые могут быть инфицированы вирусом и способны осуществить его репликацию.

Проникновение в клетку . На этой стадии вирус доставляет внутрь клетки свой генетический материал (иногда собственные белки). Проникновение в клетку происходит двумя путями: 1) слиянием вирусной оболочки с клеточной мембраной; 2) с помощью пиноцитоза.

Лишение оболочек (депротеинизация). Это процесс потери каспида при помощи вирусных ферментов или ферментов клетки хозяина, либо в результате обычной диссоциации.

Синтетическая фаза. Эта стадия состоит из следующих этапов.

• 1.    Транскрипция – переписывание информации с ДНК или РНК вируса на иРНК в соответствии со стратегией генома.

• 2.    Трансляция – перевод генетической информации, содержащейся в иРНК, на специфическую последовательность аминокислот и синтез вирусных белков или их предшественников.

• 3.    Репликация – синтез молекул нуклеиновых кислот, гомологичных вирусному геному.

Сборка вирусных частиц. Стадия сборки наступает после наработки клеткой достаточного количества копий компонентов вирусных частиц.

Выход из клетки. Выход вирионов осуществляется двумя путями: 1) выход из клеток путем от-почковывания, что присуще вирусам, содержащим суперкапсид; 2) путем «взрыва» клетки, в результате чего она погибает.

Вирусы поражают бактерии, вызывают заболевания у человека, животных, растений [8].

Бактериофаги являются специфическими паразитами бактериальных клеток и не способны размножаться в клетках эукариот. Распространены бактериофаги в природе там, где присутствуют бактерии, т. е. повсеместно. Их можно обнаружить в почве, воде, выделениях человека и животных и т. д. В настоящее время открыто и изучено большое количество бактериофагов, которые различают по типу нуклеиновой кислоты, химической структуре, морфологии и характеру взаимодействия с бактериальной клеткой.

Довольно часто вирусы поражают и растения. Вирион проникает в их ткани через повреждения и при этом растение остается носителем патогена практически в течение всей жизни. Наиболее часто встречаемые вирусные заболевания у растений – мозаичная болезнь табака, огурцов, томатов, карликовость и др.

Попадая в организм человека, вирусы вызывают многие опасные заболевания. Так, вирусы семейства Poxviridae вызывают оспу, семейства Herpesviridae – герпес, семейства Hepadnaviridae – гепатит В, семейства Togaviridae – краснуху, семейства Orthomyxoviridae – грипп и др. В XXI в. человечество столкнулось с несколькими более опасными вирусными заболеваниями, например, птичий грипп (H5N1), атипичная пневмония (SARS), свиной грипп (H1N1), коронавирус COVID-19. Эти заболевания приводят к тяжелым осложнениям и серьезным последствиям. Чтобы себя обезопасить нужно, прежде всего, соблюдать требования гигиены и санитарии и меры профилактики [11].

Вирусы широко применяются в научных работах по генной инженерии, канцерогенезу. Вирусы бактерий (бактериофаги) – классический объект молекулярной биологии [16, 17].

Нами были проанализированы программы и учебники по биологии разных авторов [2, 3, 4, 5, 7, 9, 14], при этом выяснено, что в них на изучение биологических особенностей вирусов отводится:

‒ 9 класс – 1 час учебного времени, тема: «Вирусы» [2, 9, 14];

• ‒    10 класс, базовый уровень – 1 час учебного времени, тема: «Вирусы – неклеточная форма жизни. Меры профилактики вирусных заболеваний» [3];

• ‒    10 класс, профильный уровень – 2 часа учебного времени, темы: «Вирусы – неклеточная форма жизни. Строение вирусов. Размножение вирусов» (1 час); «Болезнетворные вирусы, ВИЧ. Вирусы – факторы изменения генетической информации организмов» (1 час) [4, 5, 7].

Отметим, что рассматриваемой проблеме уделяется определенное внимания в методической науке. В этой связи следует упомянуть работу, посвященную вирусам как инфекционным агентам живых клеток [1].

Мы предлагаем методические разработки для проведения внеклассных мероприятий по теме «Вирусы – неклеточные формы жизни». В качестве таких мероприятий по биологии могут быть: игры, конкурсы, викторины, работы «круглых столов» и др. Эти формы внеклассной работы в последние годы хорошо зарекомендовали себя в процессе обучения биологии [10, 13, 15].

Цель таких разработок: в игровой форме систематизировать и обобщить знания учащихся по теме «Вирусы», повысить их интерес к рассматриваемой проблеме, активизировать познавательную деятельность школьников в отношении этой темы.

Задачи:

Образовательные: систематизировать и закрепить представления учащихся об особенностях строения вирусов, истории открытия, их значении в природе и жизни человека.

Развивающие: развивать познавательный интерес школьников к биологии, их внимательность и способность анализировать различную информацию и делать правильные выводы.

Воспитательные: формировать умения учащихся работать в команде, непредвзято оценивать свою работу и работу других членов команды.

Проведение любого мероприятия требует большой подготовительной работы. Сюда можно отнести: формирование команды (или нескольких команд) участников; формулировка названий и лозунгов команд; выбор капитанов команд и, если необходимо, разработка домашнего задания для команд.

Ниже приводим перечень внеклассных мероприятий по теме «Вирусы – неклеточные формы жизни».

• 1.    Игра «Крути барабан».

От каждой команды выбирают по 1-му игроку. Каждый игрок по очереди крутит барабан 4 раза и отвечает на вопросы. За каждый правильный ответ 1 балл.

Барабан (его можно изготовить из твердого картона) разделен на 12 секций: 9 цифр от 1 до 9 соответствуют номеру вопроса, на который надо будет отвечать, и 3 секции с обозначениями: « 0 » – переход хода другому участнику, « Д » – подсказка друга, « П » – помощь преподавателя.

Вопросы к игре:

• 1.    Кто впервые обнаружил вирусы? Ответ: Д.И. Ивановский.

• 2.    Как размножаются вирусы? Ответ: Только в клетке хозяина.

• 3.    Какие живые организмы поражают вирусы? Ответ: Человека, животных, растения, бактерии.

• 4.    Какая наука изучает неклеточные формы жизни? Ответ: Вирусология.

• 5.    Как называется вирусная частица? Ответ: Вирион.

• 6.    Из чего состоит вирус? Ответ: Белковая оболочка, нуклеиновая кислота.

• 7.    Как называется вирус, поражающий бактерии? Ответ: Бактериофаг.

• 8.    Что такое капсид? Ответ: оболочка вируса.

• 9.    В каком году были открыты вирусы? Ответ: в 1892 г.

• 2.    Викторина «Правда или ложь».

Каждой команде предлагаются утверждения, нужно определить: верное оно или нет. Если утверждение неверное, то нужно объяснить почему. За каждый правильный ответ 1 балл.

• 1.    Вирусы занимают промежуточное положение между телами живой и неживой природы. Ответ: Правда.

• 2.    В составе вирусов содержатся только ДНК. Ответ: Ложь. Вирусы могут содержать РНК.

• 3.    ВИЧ передается через средства личной гигиены: мыло, салфетки, полотенце. Ответ: Ложь. ВИЧ передается половым путем, при переливании крови, от ВИЧ положительной матери к ребенку, при использовании нестерильного инструмента для татуировок и пирсинга.

• 4.    Вирусы размножаются только в клетке хозяина. Ответ: Правда.

• 5.    Синтез вирусного белка осуществляется на собственных рибосомах вируса. Ответ: Ложь. Синтез происходит на рибосомах клетки-хозяина.

• 6.    Вирусы являются облигательными паразитами, потому что не способны функционировать вне клетки. Ответ: Правда.

• 3.    Игра «Расшифруй ребус».

• 4.    Игра «Разгадай кроссворд».

• 5.    Конкурс «Осторожно, инфекция!».

• 6.    Конкурс капитанов.

Предварительно учитель из числа учеников назначает жюри. В этой игре предлагаются ребусы, посвященные вирусам. Участниками игры являются школьники. Кто первый расшифрует ребус, поднимает руку и члены жюри выслушивают ответ: если ответ правильный, школьник получает 1 балл, если ответ неправильный, игра продолжается. Количество ребусов может быть любым.

В этой игре участвуют 2 команды школьников, каждая из которых получает одинаковый кроссворд. В течение определенного времени команды работают над разгадыванием кроссворда и затем представляют свою работу жюри. Жюри под руководством учителя определяет победителя.

В игре участвуют 2 команды, каждая из которых получает аналогичное задание: создать плакат, посвященный определенному вирусному заболеванию. В этом плакате необходимо отобразить: название заболевания, пути передачи инфекции, симптомы, лечение, меры профилактики. Победителя определяет жюри под руководством учителя биологии.

В данном конкурсе принимают участие капитаны команд. На доске появляется таблица. В левом столбце представлены категории вопросов, в правом – баллы за правильный ответ. На обдумывание дается 1 минута. При правильном ответе капитан получает баллы в соответствии с ценой вопроса. Если капитан затрудняется ответить, то его дают члены команды. Если правильного ответа нет, то его озвучивает преподаватель.

Таблица

Выбор капитана

Категория вопросов	Баллы за правильный ответ
Строение вирусов	10	20	30
История вирусов	10	20	30
Вирусные болезни	10	20	30

Вопросы категории «Строение вирусов»:

• «10 баллов»: Назовите функции капсида. Ответ: защита генома от внешних воздействий и обеспечение адсорбции вириона к клетке.

«20 баллов»: Назовите стадии жизненного цикла вируса. Ответ: адсорбция, проникновение вируса в клетку, синтетическая стадия, сборка вирусных частиц, выход дочерних вирионов.

«30 баллов»: Вирусная нуклеиновая кислота имеет разные структуры. Назовите их. Ответ: однонитчатая, двунитчатая, линейная, кольцевая, фрагментированная, нефрагментированная.

Вопросы категории «История вирусов»:

«10 баллов»: Кто впервые обнаружил вирусы? Ответ: Д.И. Ивановский.

«20 баллов»: Ученые XIX в., работы которых стали началом изучения вирусных заболеваний. Ответ: Роберт Кох, Луи Пастер.

«30 баллов»: От какого заболевания Джонас Солк разработал первую вакцину в Питтсбургском университете? Ответ: от полиомиелита.

Вопросы категории «Вирусные болезни»:

«10 баллов»: Какие клетки поражает вирус иммунодефицита человека? Ответ: лимфоциты.

«20 баллов»: Какой вирус передается человеку через укус животного и вызывает такие симптомы, как аэрофобия, чувство страха, галлюцинации, высокая чувствительность к яркому свету? Ответ: вирус бешенства.

«30 баллов»: До XXI в. считалось, что у людей представители вирусов данного семейства вызывают легкие по течению болезни, длящиеся несколько дней и завершающиеся полным выздоровлением. Что это за семейство? Ответ: корона вирусы.

В заключение каждого мероприятия – подведение итогов . Это очень важная процедура, позволяющая ученикам объективно оценить свои знания, а учителю – наметить правильную траекторию дальнейшего обучения биологии.