Читайте также:
|
Цілі уроку: ознайомити учнів із пріонами; розглянути особливості будови та механізми виникнення пріонів; порівняти пріони з вірусами.
Обладнання й матеріали: таблиці або слайди презентації «Будова клітини тварин», «Будова віріона», «Різноманіття вірусів», «Пріони».
Базові поняття й терміни: неклітинні форми життя, віруси, віріон, капсид, нуклеїнова кислота, ДНК, РНК, білок, пріон, шаперон, конформація, а-спіраль, (і-складчаста структура.
ХІД УРОКУ
I. Організаційний етап
II. Актуалізація опорних знань і мотивація навчальної діяльності учнів
Питання для бесіди
1. Чим віруси відрізняються від прокаріотичних та еукаріотичних організмів?
2. Яку будову мають віріони?
3. Які форми життєвих циклів є у вірусів?
III. Вивчення нового матеріалу
Розповідь учителя з елементами бесіди
Одним з визначних наукових досягнень XX ст. в галузі біології та медицини стало відкриття 1982 р. американським молекулярним біологом, професором Стенлі Прузінером нового типу інфекційних агентів — пріонів. Це відкриття ознаменувало початок нової ери розвитку біології та медицини, оскільки було виявлено принципово новий тип збудників інфекційних захворювань.
Пріони (від англ. proteinaceous infectious particles, PrP — інфекційні білкові частки) є особливим класом інфекційних агентів, що викликають невиліковні захворювання ЦНС людини та тварин — губкоподібні енцефалопатії. Нині не виявлено жодної нуклеїнової кислоти, яка б була асоційована з пріонами. Інфекційний пріонний білок з аномальною тривимірною структурою здатний каталізувати структурне перетворення гомологічного йому нормального клітинного білка на подібний до себе — пріонний.
Детальне дослідження показало, що пріони, як збудники інфекційних хвороб, мають низку унікальних властивостей:
• відсутність жодної нуклеїнової кислоти;
• схильність до агрегації;
• виникають не лише в результаті зараження (відомі спорадичні та спадкові форми губчатих енцефалопатій);
• незалежно від походження захворювання воно може бути передано далі інфекційним шляхом;
• передача збудника між різними біологічними видами ускладнена через різницю в первинній структурі РrР. Проте, це не перешкоджає, а лише утруднює передачу інфекції від особин одного виду особинам іншого. Тому існує можливість зараження людини пріонними хворобами тварин. Підтвердженням цього може бути ідентичність ліній пріонів, виділених від хворих з новим варіантом хвороби Крейтцфельдта — Якоба та від корів із трансмісивною губкоподібною енцефалопатією.
На відміну від більшості інших збудників інфекційних захворювань, зокрема вірусів, пріони дуже стійкі до різноманітних фізико-хімічних факторів.
Основним компонентом фібрил, які виявляються в мозку хворих на губчаті енцефалопатії, є білок з молекулярною масою 27-30 кДа (РrР 27-30). За фізико-хімічною характеристикою це сіалопротеїн (олігосахаридовмісний мембранний білок із залишками сіалової кислоти). Він складається з 254 амінокислот, включаючи 22-членний N-кінцевий сигнальний пептид.
Пріонні білки формують стрижнеподібні частки діаметром 10-20 нм і довжиною 100-200 нм. За структурою вони нагадують амілоїд (аномальний білок, який зазвичай утворюється під час хронічних захворювань, наприклад туберкульозу легенів, кісток та ін.) та є полімерною формою пріону: кожен містить близько тисячі молекул пріону.
Клітинним аналогом інфекційного пріонного PrPSc (від англ. scrapie) є нормальний білок РrРс (від англ. cell). Різниця між ними полягає у високій резистентності PrPSc до дії протеаз, нерозчинності після екстракції, здатності накопичуватися у вторинних лізосомах і посттрансляційній модифікації.
Встановлено, що перетворення (конверсія) нормального пріонного білка на його інфекційну форму — посттрансляційний процес. Аналіз вторинної структури PrPSc показав, що цей перехід характеризується значними структурними змінами самого пріону. Незважаючи на однакову первинну-структуру (амінокислотну послідовність), клітинна форма РrРс містить 42 % α-спіралей і майже не містить β-ланцюгів (лише 3 %), а інфекційнаPrPSc — 30 % α-спіралей і 43 % β-ланцюгів.
Для пояснення перетворення білка РrРс на PrPSc запропоновано дві моделі.
«Гетеродимерна» модель. Пріонний стан притаманний мономеру білка РrР, а конформаційне перетворення молекули РrРс на форму PrPSc відбувається під час її зв’язування з мономером PrPSc. Після того як білок РгРс набуває пріонних властивостей, димер дисоціює, і дві звільнені молекули PrPSc можуть брати участь у нових конформаційних переходах. Процес нагадує ланцюгову реакцію та потенційно може забезпечувати швидке перетворення більшості молекул РrР на пріонну форму. Агрегація молекул РrРSc при цьому розглядається як вторинне явище, не пов’язане з конформаційною перебудовою як такою.
«Полімеризаційна» модель. Процеси конформаційної перебудови білка РrР та його агрегація нерозривно пов’язані, і перетворення білка РrРс на форму PrPSc відбувається під час його приєднання до олігомеру, що складається з молекул PrPSc. Отже, цей процес нагадує кристалізацію. Олігомери PrPSc є «зародками» кристалізації. Агрегація білка PrPSc(бляшки) у тканинах мозку хворих на пріонні захворювання зазвичай містять ниткоподібні чи паличкоподібні скупчення цього білка, що свідчить про його впорядковану полімеризацію. «Полімеризаційна» модель була підтверджена дослідами in vivo з перетворення РrРс на PrPSc. У цих дослідах показано, що пріоноутворюючі властивості мають лише високомолекулярні агрегати PrPSc, а не мономерні форми.
Нині ідентифіковано шість основних пріонних захворювань тварин. З них найбільше економічне значення мають скрепі та губкоподібна енцефалопатія корів.
Скрепі. Підгостре неврологічне захворювання овець, що супроводжується інвалідизацією та загибеллю тварин.
Це захворювання було відоме в Англії ще в 1732 р. 1755 р. воно настільки поширилося, що стало предметом петиції, поданої до британського парламенту фермерами-вівцеводами графства Лінкольншир.
У першій половині XX ст. хвороба розглядалася винятково як сільськогосподарська проблема, хоча ще до 1899 р. було доведено її інфекційну природу. 1936 р. французькі вчені Кюї та Шелле довели, що збудник скрепі здатний проходити крізь бактеріальні фільтри, і визначили інкубаційний період, що становить п’ять років. Ураження виявляються лише в головному мозку. Мозкова тканина при цьому нагадує губку. Саме тому скрепі віднесено до губкоподібних енцефалопатій.
Симптоми захворювання. У хворих овець з’являються ознаки різкого подразнення шкіри, вони труться об огорожу, дерева, стовбури та інші нерухомі предмети (звідси й назва хвороби від англ. to scrape — «скоблити», «чесатися»). Сильна сверблячка призводить до того, що тварини починають кусати одна одну, при цьому навіть скушують окремі ділянки шкіри. Вівці легко збуджуються — приближення до них викликає сильне тремтіння, але в інших випадках, навпаки, може розвиватися кволість і навіть сонливість. Ще однією ознакою хвороби є порушення координації руху, найбільш яскраво виражене на початку захворювання з появою ненормальної ходи (вівці спотикаються), а пізніше хвора тварина вже не може стояти.
Губчата енцефалопатія корів (синонім — губкоподібна енцефалопатія ВРХ, спонгіоморфна енцефалопатія ВРХ, хвороба сказу корів, коров’ячий сказ).
Офіційно губчата енцефалопатія корів (ГЕК) почала реєструватися в 1988 р. у Великій Британії. З жовтня 1986 р. до 1996 р. у Великій Британії було зареєстровано більш ніж 180 тис. випадків ГЕК на 33 628 фермах. Окрім того було забито близько 25 тис. корів з підозрою на захворювання. У липні 1988 р. було заборонено годування жуйних тварин білковими кормами з нутрощів тварин того самого або споріднених видів. У вересні 1991 р. остаточно заборонені білкові корми, виготовлені з бичачого потруху (мозок, спинний мозок, мигдалики, тимус, нутрощі). Відповідно до розпорядження уряду Англії, вже із серпня 1988 р. худоба з ознаками ГЕК забивалася й одночасно проводилися виплати фінансових компенсацій її власникам.
Окрім Великої Британії, за даними Міжнародного епізоотичного бюро, захворювання були виявлені в Ірландії, Франції, Португалії, Нідерландах, Німеччині, Італії, Данії, а також Канаді й на Фолклендських островах.
1986 р. в СІЛА вжито ряд жорстких заходів як у тваринництві, так і у використанні медичних препаратів. Саме тому вдалося запобігти поширенню інфекції у зв’язку з використанням бичачого та людського гормонів росту. У жовтні 1998 р. Європейське Співтовариство визнало потрібним зняти ембарго з експорту британської яловичини за умови дотримання обмежень. 2001 р. ембарго знову було введено, проте вже на експорт ВРХ з Іспанії та Німеччини.
На ГЕК хворіє доросла рогата худоба, а також домашні коти (72 випадки в Англії й один у Норвегії), пуми, оцелоти, антилопи, чорнохвості олені, гепарди, у лабораторних умовах — білі миші. Основною причиною виникнення хвороби є використання для годівлі м’ясо-кісткового борошна, виготовленого із загиблих від скрепі овець. Контактно від тварини до тварини хвороба не передається.
Діагностика пріонних захворювань здійснюється специфічними імунологічними тестами. Більшість діагностичних тестів для виявлення пріонів базується на відносній стійкості PrPScдо дії протеїнази К, що дозволяє відрізнити його від РгРс у поєднанні з такими методами: імунофлуоресцентним, імуноферментним та імуноблотингом. Ряд таких тестів затверджено до застосування Європейським Співтовариством.
Надійних методів лікування пріонних захворювань поки що не існує, хоча їх пошук проводиться досить ефективно.
Відкриття пріонів у нижчих еукаріотів розширило уявлення про їх природу. Виявилося, що пріони є не лише інфекційними агентами, але й загальнобіологічним явищем. Згідно із сучасними уявленнями, пріони є носіями біологічної інформації нового типу, зашифрованої в конформації білкової молекули.
IV. Узагальнення, систематизація й контроль знань і вмінь учнів
Дати відповіді на питання:
1. Хто такі пріони?
2. Коли були відкриті пріони?
3. Як утворюються пріони?
4. Чи можна вважати пріони живими організмами?
V. Домашнє завдання
Підготувати доповіді «Вірус тютюнової мозаїки», «Вірус сказу», «Вірус грипу».
УРОК 3. РОЛЬ ВІРУСІВ І ПРІОНІВ У ПРИРОДІ Й ЖИТТІ ЛЮДИНИ
Цілі уроку: розглянути роль вірусів і пріонів у природі й житті людини; ознайомити учнів із прикладами захворювань, збудниками яких є віруси і пріони; обговорити їх значення для процесів еволюції; звернути увагу на значення вірусів як інструментів сучасних біотехнологій.
Обладнання й матеріали: таблиці або слайди презентації «Будова клітини рослин», «Будова клітини тварин», «Будова клітини прокаріотів», «Будова віріона», «Різноманіття вірусів», «Пріони», «Вірусні захворювання рослин», «Вірусні захворювання тварин», «Вірусні захворювання людини».
Базові поняття й терміни: клітина, неклітинні форми життя, віруси, віріон, капсид, ДНК, РНК, білок, пріон, шаперон, конформація, α-спіраль, β-складчаста структура, біотехнологія, молекулярна біологія, вектори.
ХІД УРОКУ
І. Організаційний етап
ІІ. Актуалізація опорних знань і мотивація навчальної діяльності учнів
Питання для бесіди
1. Хто такі пріони?
2. Як утворюються пріони?
3. Які форми життєвих циклів є у вірусів?
4. Яку будову мають віріони?
III. Вивчення нового матеріалу
Розповідь учителя з елементами бесіди
Пріони
Пріонні хвороби належать до групи нейродегенеративних захворювань. У загальній популяції трапляються дуже рідко та реєструються у вигляді спорадичних, інфекційних і спадкових форм. У людини відомо чотири хвороби, які викликаються пріонами: куру, хвороба Крейтцфельдта — Якоба, синдром Герстмана — Шрауслера — Шейнкера та смертельне родинне безсоння.
Людина може заразитися пріонами, що містяться в їжі, оскільки вони не руйнуються ферментами травної системи. Безперешкодно проникаючи крізь стінку тонкого кишечнику, вони потрапляють у центральну нервову систему. Так переноситься новий варіант хвороби Крейтцфельдта — Якоба (nvCJD, нвХКЯ), якою люди заражаються після вживання в їжу яловичини, що містить нервову тканину з голів худоби, хворих на губчату енцефалопатію корів (BSE, коров’ячий сказ).
Пріони можуть проникати в організм і парентеральним шляхом. Були описані випадки зараження після внутрішньом’язового введення препаратів, виготовлених з гіпофізу людини (головним чином гормони росту для лікування карликовості), а також зараження мозку інструментами під час нейрохірургічних операцій, оскільки пріони стійкі до застосовуваних у цей час термічних і хімічних методів стерилізації. До такої форми належить ятрогенна хвороба Крейтцфельдта — Якоба (1CJD, яХКЯ).
За поки що невідомих умов у організмі людини може відбутися спонтанна трансформація пріонного протеїну в інфекційний пріон. Так виникає спорадична хвороба Крейтцфельдта — Якоба (sCJD, сХКЯ), уперше описана 1920 р. незалежно Крейтцфельдтом і Якобом. Припускається, що спонтанне виникнення цієї хвороби пов’язане з фактом постійного виникнення в нормі в людському організмі невеликої кількості пріонів, які ефективно ліквідуються клітинним апаратом Гольджи. Порушення цієї здатності до «самоочищення» клітин може призвести до підвищення рівня пріонів вище гранично припустимої норми й до їхнього подальшого неконтрольованого поширення. Причиною виникнення спорадичної хвороби Крейтцфельдта — Якоба, згідно із цією теорією, є порушення функції апарата Гольджи в клітинах.
Особливу групу пріонних захворювань становлять спадкові хвороби, спричинені мутацією гена пріонного білка. Ці мутації призводять до зростання схильності клітинного білка до спонтанної зміни просторової конфігурації й перетворення його на інфекційний пріон. До цієї групи захворювань належить і спадкова форма хвороби Крейтцфельдта — Якоба (fCJD, сХКЯ), яка спостерігається в ряді країн світу.
Куру. У 1957 р. американський учений Карлтон Гайдушек описав нове захворювання — куру, що було виявлене в мешканців Нової Ґвінеї, папуасів-канібалів мовної групи форе. Хвороба носила масовий характер. Вона виникала в результаті вживання в їжу мозку загиблих одноплемінників під час ритуального канібалізму. Характерною особливістю хвороби є підвищена збудженість, безпричинний сміх, тривала посмішка й напади буйного весілля. Саме тому цю хворобу місцеві мешканці й назвали куру — «смерть, що сміється». З припиненням канібалізму захворювання зникло.
Хвороба Крейтцфельдта — Якоба отримала назву за прізвищами німецьких лікарів Ганса Герхарда Крейтцфельдта й Альфонса Марії Якоба; синоніми: несправжній склероз спастичний, синдром кортико-стріоспінальної дегенерації. Це прогресуюче дистрофічне захворювання кори великих півкуль, базальних гангліїв і спинного мозку. Вважається найбільш поширеною серед губчатих енцефалопатій у людей. Захворювання було вперше описане 1920 р. Гансом Крейтцфельдтом. Альфонс Якоб 1921 р. відзначив поєднання в цьому захворюванні психічних порушень із симптомами ураження передніх рогів спинного мозку, екстрапірамідальної та пірамідальної систем, і визначив захворювання як спастичний псевдосклероз або енцефалопатію з дисемінованими вогнищами.
Синдром Герстмана — Шрауслера — Шейнкера — аутосомно-домінантне захворювання, що виникає в разі мутацій у гені пріонового протеїну й прогресує дуже повільно. Синдром уперше виявив 1928 р. Я. Герстман, а повний клінічний опис цього явища він опублікував пізніше, 1936 p., разом з Е. Штраусслером і Я. Шейнкером. У популяції реєструється з частотою один випадок на 10 млн. населення. Хвороба починається в 30-40 років і триває в середньому п’ять років. Інкубаційний період становить від 5 до 30 років. У пацієнтів спостерігаються розлади координації рухів, часто розвивається тяжке слабоумство.
Смертельне родинне безсоння — рідкісне невиліковне спадкове захворювання, за якого хворий гине від безсоння. Нині відомо близько 28 родин, що уражені цією хворобою.
Хвороба відкрита італійським лікарем Ігнаціо Ройтером 1979 p., який спостерігав смерть від безсоння двох родичок дружини. В архівах психіатричної клініки Сан Серволо Ройтер зумів виявити історії хвороби інших членів родини з подібною клінічною картиною. Коли ще один родич дружини занедужав 1984 p., хід хвороби документувався, а після смерті його мозок був відправлений у СІЛА для подальших досліджень.
Наприкінці 1990-х pp. удалося ідентифікувати мутацію, що викликала хворобу. Виявилося, що в кодоні 178-го гена PRNP аспарагін замінений на аспарагінову кислоту. У результаті форма білкової модекули змінюється, і вона перетворюється на пріон. Під дією пріону інші, нормальні, білкові молекули теж перетворюються на пріони. Це призводить до накопичення амілоїдних бляшок у таламусі (відділі мозку, відповідальному за сон). На початку захворювання виникає безсоння, яке з часом прогресує й завершується смертю.
Хвороба починається у віці від 30 до 60 років, у середньому в 50 років, і триває від 7 до 36 місяців, після чого хворий гине.
Віруси
Нараховують більше двадцяти родів вірусів, які здатні уражати вищі рослини. Характерною особливістю багатьох з них є наявність роз’єднаного геному, фрагменти якого розміщаються в різних віріонах. Для нормального відтворення таких вірусів необхідно, щоб у клітині знаходилися всі частини вірусу. Віруси рослин поширюються з допомогою біологічних або механічних посередників, через насіння або контактним шляхом через ґрунт або сік хворих рослин.
Найбільш поширеними вірусами рослин є вірус тютюнової мозаїки, вірус жовтої карликовості картоплі, вірус смугастої мозаїки американської пшениці, вірус мозаїки ячменю, вірус жовтої смугастості ячменю, жовтуха цукрового буряка тощо.
Поряд із вірусами рослин існують небезпечні збудники хвороб тварин і людини. Це — віспа, поліомієліт, сказ, вірусний гепатит, грип, СНІД тощо. Багато вірусів серед тих, що уражають людину, уражає тварин, і навпаки. Крім того деякі тварини є переносниками вірусів людини, при цьому самі вони не хворіють.
Доповіді учнів
• «Вірус тютюнової мозаїки»;
• «Вірус сказу»;
• «Вірус грипу».
Значення вірусів
Значення вірусів для еволюції життя на Землі є дуже великим. Вони здійснюють процес горизонтального перенесення генів. Суть цього процесу в тому, що вірус, який уражає кілька видів організмів, може захоплювати у свої вібріони деякі гени одного виду й переносити їх у геном іншого. Наприклад, віруси рослин, які переносяться з допомогою попелиць, можуть здійснювати обмін генами між рослинами й комахами.
Цю властивість вірусів широко використовують у сучасних біотехнологічних дослідженнях. З них роблять так звані «вектори», які здатні доставляти та вбудовувати в геном ті гени, які вибирають дослідники.
Віруси відіграють і дуже важливу екологічну роль. Як збудники захворювань вони є добрими регуляторами чисельності популяцій і не допускають надмірного зростання в них кількості особин.
IV. Узагальнення, систематизація й контроль знань і вмінь учнів
Дати відповіді на питання:
1. Збудниками яких захворювань людини є віруси?
2. Збудниками яких захворювань людини є пріони?
3. Яке значення мають віруси і пріони для сільського господарства?
4. Яке значення для еволюції живих організмів мають віруси?
5. Як використовують віруси в галузі біотехнології?
V. Домашнє завдання
Підготувати доповіді «Боротьба з віспою», «Боротьба з поліомієлітом».
Дата добавления: 2014-11-24; просмотров: 199 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |