Chuyên đề Virut Campell
Nội dung tài liệu
Tải xuống
Link tài liệu:
Các tài liệu liên quan
Có thể bạn quan tâm
Thông tin tài liệu
Chuyên đề: VIRUT
PHẦN 1. MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn chuyên đề:
- Cấu trúc sống (dạng sống) chưa có cấu trúc tế bào, nhưng virut có tầm quan
trọng trong tự nhiên, nhất là trong đời sống con người. Hiểu biết về virut giúp con
người, giảm được các tổn thất trong ngành công nghiệp vi sinh, trong nông nghiệp
và nhất là trong việc phòng chống các bệnh truyền nhiễm nguy hiểm của con
người do virut gây ra.
- Hiện nay có nhiều sách viết về virut, nhưng có tài liệu viết quá sâu, có tài liệu
viết chưa đầy đủ, đặc biệt là các dạng bài tập về virut dùng để nâng cao khả năng
tư duy của HS THPT chuyên còn rất ít, vì vậy chúng tôi muốn hệ thống lại kiến
thức lí thuyết cơ bản và chuyên sâu về virut ở mức phổ thông chuyên, để có một
tài liệu đầy đủ và cập nhật về virut, phục vụ giảng dạy và bồi dưỡng HSGQG.
- Virut là phần kiến thức khó, nhiều câu hỏi trong đề thi liên quan đến kiến thức
này HS còn gặp khó khăn, hiểu biết sâu sắc về virut, giúp HS tiếp cận các kiến
thức khác trong Sinh học dễ dàng hơn.
Chính vì những lí do trên, tôi chọn chuyên đề “ Virut ” để nghiên cứu.
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc của virut.
- Nghiên cứu hoạt động sống của virut ở các tế bào chủ khác nhau.
- Đưa ra một số bài tập vận dụng về cấu trúc và hoạt động của virut để phát
triển tư duy cho HS.
3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
3.1. Phạm vi nghiên cứu và áp dụng:
- Nghiên cứu đặc điểm cấu trúc và hoạt động sống của virut ở các tế bào chủ
khác nhau.
- Dùng giảng dạy HS chuyên Sinh lớp 10, bồi dưỡng đội tuyển HSG cấp tỉnh
và HSGQG.
3.2. Đối tượng nghiên cứu
Hệ thống lí thuyết và bài tập phần virut
1
PHẦN 2. NỘI DUNG
A. Lí thuyết:
1. Sự phát hiện ra virut
Virut từ lâu đã được dùng để chỉ tác nhân gây nhiều bệnh dịch cho người và
gia súc như đậu mùa, bại liệt, bệnh dại ở người; dịch lở mồm, long móng ở trâu
bò.
Đến năm 1892, Dimitrei Ivanowski nhà khoa học Nga lần đầu tiên chỉ ra
rằng nguyên nhân gây bệnh đốm thuốc lá là do những vật thể rất nhỏ, khi thực
hiện thí nghiệm ép dịch của lá cây thuốc lá bị nhiễm bệnh khảm, cho lọc qua nến
lọc vi khuẩn rồi lấy dịch ép này nhiễm vào lá cây thuốc lá không bị bệnh thì thấy
cây cũng bị mắc bệnh.
Năm 1898, Beijerinck thực hiện thí nghiệm cho thấy: không giống các vi
khuẩn đã biết, tác nhân gây bệnh khảm không thể nuôi cấy được trong ống
nghiệm hay đĩa petri chứa các môi trường dinh dưỡng. Beijerinck tưởng tượng ra
một cấu trúc hạt có khả năng sinh sản nhỏ hơn và đơn giản hơn vi khuẩn; có lẽ
chính ông là người đầu tiên đưa ra khái niệm về virut. Tưởng tượng của
Beijerinck được khẳng định vào năm 1935 khi nhà khoa học người Mỹ Wendell.
M. Stanley đã tạo ra được cấu trúc tinh thể của hạt lây nhiễm, lúc này được gọi là
virut khảm thuốc lá.
Đến năm 1939 khi kính hiển vi điện tử ra đời thì người ta mới thấy được
hình ảnh của virut gây bệnh đốm thuốc lá.
2. Một số đặc điểm đặc trưng ở virut
2.1. Kích thước:
Virut có kích thước rất nhỏ, đường kính trung bình 10 - 300 nm chỉ bằng
1/10 đến 1/100 vi khuẩn E. coli (2 x 0,5 µm) (đơn vị: 1nm = 1/1000 µm; 1 µm =
1/1000mm), do đó chỉ có thể quan sát dưới kính hiển vi điện tử.
2.2. Cấu tạo:
Virut chưa có cấu tạo tế bào, chỉ gồm 2 phần chính là vỏ prôtêin và lõi axit
nuclêic tạo thành hạt virut hay virion.
2.3. Virut chỉ sinh sản trong tế bào chủ (kí sinh nội bào bắt buộc)
2
Virut thiếu các enzim chuyển hóa, không có ribôxôm để tổng hợp prôtêin,
không có các con đường chuyển hóa vật chất để tạo ATP, nên chúng phải sống kí
sinh bắt buộc trong tế bào chủ và chỉ có thể sinh sản trong tế bào chủ.
2.4. Tính đa dạng về vật chất di truyền:
Virut có vật chất di truyền là axit nuclêic (bộ gen) rất đa dạng. Bộ gen của
virut chỉ chứa ADN hoặc ARN. ADN có thể mạch kép, ADN mạch đơn, ARN
mạch kép hay ARN mạch đơn. Các mạch ADN và ARN có thể mạch thẳng hoặc
mạch vòng tùy từng loại virut.
2.5. Tính đặc hiệu về vật chủ:
Mỗi loại virut có thể lây nhiễm hạn chế ở một số tế bào chủ. Tính đặc hiệu
này có được là kết quả của quá trình tiến hóa hệ thống nhận diện của mỗi loại
virut. Các virut nhận biết tế bào chủ theo nguyên tắc “ổ khóa và chìa khóa” giữa
các protein bề ngoài của virion với các thụ thể đặc hiệu trên bề mặt ngoài của các
tế bào chủ.
3. Cấu tạo của virut
Virut chỉ gồm 2 phần chính là vỏ prôtêin và lõi axit nuclêic.
3.1. Vỏ prôtêin hay vỏ capsit: Vỏ capsit được cấu tạo từ các phân tử
prôtêin giống nhau gọi là capsôme. Số lượng capsôme cấu tạo vỏ capsit nhiều
hay ít phụ thuộc vào kích thước của từng loại virut.
- Chức năng của phần vỏ:
Vỏ bao bọc bên ngoài giúp bảo vệ phần lõi, giúp virut gắn vào vị trí đặc
hiệu trên tế bào chủ nhờ các thụ thể, tạo hình thái và kích thước cho từng loại
virut. Vỏ capsit quyết định tính kháng nguyên đặc hiệu cho virut.
3.2. Lõi axit nuclêic
- Lõi axit nuclêic chính là bộ gen của virut chỉ chứa ADN hoặc ARN,
không bao giờ chứa cả hai. Bộ gen của virut rất đa dạng như đã nói ở tính đặc
trưng.
- ADN hoặc ARN sợi đơn: phân biệt sợi dương và sợi âm căn cứ vào trình
tự nuclêôtit của mARN. Nếu trình tự nuclêôtit của gen virut trùng với trình tự
nuclêôtit của mARN thì quy ước là sợi dương(+) còn nếu bổ sung thì sợi âm (-).
3
Chú ý: virut ARN sợi kép luôn có genom phân đoạn. Virut ARN sợi đơn không
có gen phân đoạn, trừ virut cúm (lõi là 8 đoạn ARN (-) gọi là gen phân đoạn, mỗi
đoạn mã hóa cho 1 loại protein khác nhau). Hầu hết virut thực vật đều có genom
ARN
Genom phân đoạn là gì? Là bộ gen của virut chứa nhiều đoạn phân tử axit nuleic,
tất cả các đoạn ấy tạo thành hệ gen của virut.
Virut nhỏ nhất có khoảng 4 gen, virut lớn có khoảng vài trăm gen.
- Chức năng của phần lõi: Mang thông tin di truyền đặc trưng cho từng virut;
quyết định khả năng gây nhiễm của virut với tế bào chủ; quyết định chu kỳ
nhân lên và tính kháng nguyên đặc hiệu của virut.
3.3. Một số thành phần riêng
3.3.1. Vỏ ngoài: Một số virut có vỏ ngoài bao bọc xung quanh capsit.
- Nguồn gốc: từ màng sinh chất của tế bào (HIV), màng nhân (virut hespes vỏ
ngoài có nguồn gốc từ màng nhân vì virut này lắp ráp trong nhân), lưới nội chất
hạt (virut viêm đường hô hấp cấp SARS), bộ máy gôngi (virut bunya gây sốt xuất
huyết ở Hàn Quốc).
- Bản chất: chứa photpholipit (của tế bào chủ) và protein (do gen của virut mã
hóa), protein gắn với glucôzơ tạo gai glicôprôtêin.
- Hình thành: bằng cách cuốn theo khi virut nảy chồi.
- Chức năng: Giúp bảo vệ phần vỏ; giúp virut bám vào vị trí đặc hiệu trên bề mặt
tế bào chủ; tạo nên các kháng nguyên đặc hiệu trên bề mặt tế bào chủ nhờ các gai
glicoprôtêin.
3.3.2. Enzim: Một số virut chứa enzim phiên mã ngược (reverse
transcriptaza) như HIV, virut viêm gan B (HBV) giúp virut nhân lên trong tế bào
chủ. Các virion gây nhiễm vi khuẩn có enzim lyzôzim thủy phân thành tế bào
4. Hình thái của virut
Cách sắp xếp của các capsôme tạo cho virut có 3 kiểu cấu trúc chính
4.1. Cấu trúc xoắn
Capsôme sắp xếp theo chiều xoắn của axit nuclêic, tạo thành một ống giống như
cầu thang xoắn. Chiều dài của capsit phụ thuộc vào chiều dài của axit nuclêic.
Nếu chiều dài của capsit ngắn thì virut có dạng hình que (virut đốm thuốc lá), còn
4
nếu dài thì có dạng hình sợi (virut Ebola gây bệnh sốt xuất huyết), nhưng cũng có
loại virut hình cầu (virut cúm, virut sởi).
Hình 1: Virut đốm thuốc lá
Hình 2: Virut Ebola
4.2. Cấu trúc khối
Capsôme sắp xếp theo hình khối đa diện 20 mặt tam giác đều, tạo cho virut có cấu trúc k
Hình 3: Virut bại liệt
4.3. Cấu trúc hỗn hợp:
Loại virut có cấu trúc hỗn hợp điển hình là bacteriophagơ (phagơ), kí sinh ở vi khuẩn, đầu
Hình 4: Phagơ T2
5. Sự sinh sản của virut trong tế bào chủ
5.1. Đặc điểm chung trong chu kỳ sinh sản của virut
5
Chu kỳ sinh sản của mỗi loại virut khác nhau tùy thuộc vào từng loại tế bào chủ,
nhưng đều có chung một số đặc điểm sau:
- Qúa trình nhân lên của virut bắt đầu khi 1 virut bám vào tế bào chủ và hệ gen
của chúng được truyền vào trong tế bào chủ.
- Cơ chế truyền gen của virut vào tế bào chủ có nhiều cách khác nhau, phụ thuộc
vào loại virut và loại tế bào chủ: Virut có vỏ ngoài xâm nhập vào tế bào động vật
bằng cơ chế dung hợp hay nhập bào; virut trần hoặc có vỏ ngoài xâm nhập vào tế
bào chủ có thành bằng cơ chế cởi bỏ vỏ chỉ đưa lõi vào trong (phagơ) hoặc nhờ
vật chủ trung gian hay xâm nhập trực tiếp qua các vết xây xác (virut thực vật).
- Khi hệ gen virut vào trong tế bào chủ, thì các enzim của tế bào chủ sao chép hệ
gen của virut, đồng thời sản xuất ra các prôtêin của virut. Tế bào chủ cung cấp
toàn bộ nguyên vật liệu để tổng hợp như: nuclêôtit, a.a, ATP, ribôxôm, tARN.
- Khi vỏ và lõi được tổng hợp xong, chúng lắp ráp tạo các virut con và được giải
phóng ra khỏi tế bào chủ, các virut con có khả năng lây nhiễm các tế bào chủ mới.
5.2. Chu kỳ nhân lên của virut vi khuẩn (phagơ)
Gồm 5 giai đoạn: hấp phụ, xâm nhập, sinh tổng hợp, lắp ráp và giải phóng. Chu
kỳ nhân lên của virut vi khuẩn gồm 2 cơ chế chu trình tan và chu trình tiềm tan.
5.2.1. Chu trình tan: Chu kỳ nhân lên của virut kết thúc bằng cách làm tan tế bào
chủ gọi là chu trình tan.
Hình 5: Chu trình sinh tan
6
* Hấp phụ: Đầu mút của sợi lông đuôi gắn vào những vị trí nhất định trên bề mặt
tế bào vi khuẩn gọi là thụ thể nhờ các liên kết hoá học.
* Xâm nhập: theo Cơ chế cởi áo: Khi sự hấp phụ hoàn thành đĩa gốc được cố
định, lizozim được tiết ra phân giải peptidoglican của thành. Ca 2+ kích hoạt ATP ở
phần sát đuôi, làm bao đuôi co lại và đâm thủng màng nguyên sinh chất, DNA của
virut được đưa vào tế bào chất của vi khuẩn.
* Sinh tổng hợp: VR tiết enzim dezoxyribonucleaza để: Phân huỷ axit nucleic,
giải phóng các nucleotit tự do làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp, đình chỉ
quá trình tổng hợp Prôtêin.
- Qúa trình tổng hợp vật vật di truyền của phagơ: Bản chất genome của virut
xác định kiểu sao chép.
+ Ở phage T4 phân tử ADN là sợi đơn dạng thẳng: Quá trình sao chép như
sau:
Sau khi ADN là sợi đơn dạng thẳng của virut vào trong tế bào chủ, nó dùng làm
mạch khuôn để tạo dạng trung gian (RF), sau đó dùng sợi ADN vừa được tổng
hợp làm khuôn để tổng hợp lõi của phage T4.
+ Ở virut ϕ 174 gồm phân tử ADN mạch đơn dạng vòng, có quá trình sao
chép đặc biệt là lăn đai thùng (vòng lăn). Trải qua 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Tạo dạng trung gian (RF):
Từ ADN(+) 1 sợi vòng của virut, enzim xúc tác tổng hợp đoạn mồi (việc tổng
hợp đoạn mồi xuất hiện ở vị trí ngẫu nhiên), enzim ADN polymeraza xúc tác tổng
hợp theo kiểu gián đoạn tạo thành ADN (±)kép (RF) một sợi ADN(+) phía ngoài
và 1 sợi ADN(-) phía trong.
Giai đoạn 2: Sao chép ADN (±) RF mẹ thành RF con:
Nhờ enzim ADN helicase làm giãn xoắn thành 2 mạch đơn và proteein SSB giữ 2
mạch ở trạng thái 2 mạch đơn. Sau đó enzim gpA cắt ADN(+) tạo khe và đầu 5, bị
đẩy ra cấu trúc đôi, enzim ADN polymeraza sử dụng ADN(-) làm mạch khuôn,
lắp các nucleotit vào đầu 3, của mạch ADN(+) bị đứt ra, quá trình tổng hợp sợi
ADN(+) cứ tiếp tục diễn ra xung quanh sợi ADN(-) theo kiểu vòng lăn. Sau khi
tổng hợp sợi đơn ADN(+) mới kết thúc thì ADN(+) cũ tách ra khỏi cấu trúc sợi
7
kép (RF) và ADN(+) cũ lại được làm khuôn để tổng hợp 1 RF như giai đoạn 1.
Kết thúc giai đoạn 2 từ 1 RF đã tạo 2 RF và cứ tăng RF như vậy.
Giai đoạn 3: Từ dạng RF tạo ADN(+) của virut.
Protein gpA gắn vào sợi kép RF, cắt mạch ADN(+) tạo đầu 3, - 5,, sau đó
gpA gắn vào đầu 5, và quá trình tổng hợp ADN(+) của virut giống ở giai đoạn 2
theo kiểu vòng lăn và tạo lõi virut, được protein vỏ đóng gói tạo hạt virut. (1)
+ Phagơ T2 có ADN hai mạch dạng thẳng, quá trình tổng hợp ADN giống
với tế bào.
+ Phagơ λ có ADN sợi kép, mạch thẳng, nhưng vào trong tế bào chủ lại
chuyển thành ADN sợi kép, mạch vòng khép kín. Quá trình sao chép diễn ra hư
sau: sau khi ADN sợi kép, mạch thẳng của virut vào trong tế bào chủ, dưới tác
dụng của enzim ADN ligase, nối ADN sợi kép, mạch thẳng thành mạch vòng
khép kín. Lúc đầu quá trình sao chép giống E. coli, để tăng số phân tử
ADN dùng làm khuôn, sau đó sử dụng kiểu sao chép vòng lăn giống như ϕ
174 để tạo lõi ADN sợi kép, mạch thẳng của virut.
* Lắp ráp: Các thành phần đầu, đuôi được tổng hợp riêng, sau có sự lắp ráp với
nhau. Vật chất di truyền được sao chép theo các kiểu nêu trên sẽ chui vào đầu tạo
thành phagơ hoàn chỉnh.
* Giải phóng: Sau khi lắp ráp, nhờ enzim lizôzim do phagơ mã hóa, phá vỡ tế
bào để ồ ạt chui ra ngoài. Một số phagơ không giết chết ngay tế bào mà cùng
chung sống với tế bào gọi chu trình tiềm tan.
5.2.2. Chu trình tiềm tan.
Chu trình lây nhiễm không tạo ra virut mới, hệ gen của virut gắn vào hệ gen
của tế bào chủ gọi là chu trình tiềm tan. Sau khi hệ gen của phagơ vào trong tế bào
chủ, nó được cài xen vào bộ gen của tế bào chủ gọi là prôphagơ, chúng được
nhân lên theo hệ gen của tế bào chủ và được di truyền cho các thế hệ tiếp theo.
Nếu bị tác động của các yếu tố ngoại cảnh (tia UV, hóa chất) thì prôphagơ dễ tách
khỏi hệ gen của tế bào chủ để bắt đầu chu trình tan. Khi tách khỏi NST của tế bào,
prôphagơ có thể mang theo 1 số gen liền kề, rồi các phagơ mới sinh ra lại mang
các gen đó vào tế bào khác. Hiện tượng này gọi là tải nạp.
8
Chu trình sinh tan
Chu trình tan
Hình 6: Mối quan hệ giữa chu trình tan và sinh tan
5.3. Chu kỳ nhân lên của virut động vật: Các bước tương tự như ở phagơ, cũng
trải qua 5 giai đoạn.
5.3.1. Hấp phụ: virut nhận diện tế bào chủ qua thụ thể đặc hiệu trên bề mặt tế
bào. Vị trí gắn của virut là protêin vỏ capsit đối với virut trần, còn virut có vỏ
ngoài thì nằm ở gai glicôprôtêin.
5.3.2. Xâm nhập: Sau khi hấp phụ virut phải vượt qua hàng rào màng sinh chất
vào trong tế bào chất để nhân lên. Virut có thể xâm nhập theo cơ chế dung hợp
hoặc nhập bào.
+ Dung hợp (virut HIV): nhờ vỏ ngoài cấu tạo giống màng sinh chất (MSC)
nên vỏ ngoài dung hợp với MSC đẩy nuclêôcapsit vào trong, nhờ enzim trong
lizôxôm phá hủy vỏ capsit giải phóng hệ gen virut (không đưa màng ngoài mà chỉ
đưa vỏ và lõi vào trong).
+ Nhập bào (virut cúm): có cả virut trần và virut có vỏ ngoài, virion ấn sâu
vào MSC của tế bào tạo túi nội bào (endosom), endosom dung hợp với lizoxôm.
Kênh prôtêin của màng endosom vận chuyển H+ vào trong làm giảm pH xuống
4,5-5, pH thấp làm hoạt hóa enzim trong lizôxôm phá hủy vỏ capsit, giải phóng hệ
gen virut (đưa cả màng ngoài và nuclêôcapsit vào trong).
5.3.3. Sinh tổng hợp:
Bước 1: Phiên mã sớm tạo mARN sớm
Bước 2: Dịch mã sớm tạo protein không cấu trúc (enzim).
Tổng hợp các enzim đặc hiệu (ADN-ARN polymeraza) để tổng hợp axit nucleic
của virut.
9
Bước 3: Sao chép để tạo hệ gen của virut.
Bước 4: Phiên mã muộn tạo mARN muộn.
Bước 5: Dịch mã muộn tạo protein cấu trúc.
Tổng hợp protein vỏ, protein enzim nối các phần của VR, protein màng ngoài.
* Vị trí phiên mã và quá trình tổng hợp lõi của virut xảy ra trong tế bào chất hay
trong nhân hầu hết là do đặc điểm cấu trúc vật chất di truyền của virut quyết định
- Tất cả virut có lõi ADN đều tiến hành phiên mã và sao chép trong nhân tế bào vì
chúng không có enzim ADN polymeraza (ADN pol) riêng trừ virut pox gây bệnh
đậu mùa, quá trình phiên mã và sao chép ngoài tế bào chất.
- Tất cả virut có lõi ARN đều tiến hành phiên mã và sao chép ngoài tế bào chất vì
chúng mang theo enzim ARN polymeraza (ARN pol) riêng trừ virut cúm phiên
mã và sao chép trong nhân.
Phiên mã
Lõi
ADN (±) kép
Vị trí
Trong nhân
ADN(+,-) đơn
Tổng hợp lõi
Enzym
ARN pol
Của tế bào
ARN (+,-) kép
Tự tổng
phân đoạn
hợp, tế bào
ARN(+) đơn
không có
Vị trí
Enzym ARN pol
hoặc ADN pol
Trong
ADN pol của tế bào
nhân
ADN pol của tế bào
Trong tế
enzim dùng
Trong tế
bào chất
cho nó
bào chất
ARN pol tự tổng hợp
ARN(-) đơn
ARN(+) 2 sợi
giống
nhau(HIV)
ARN(-) phân 8
Trong
đoạn (cúm)
nhân
Lõi
Do virut
ARN pol II của tế
điều khiển
bào
tổng hợp
Trong
nhân
Cơ chế tổng hợp lõi
10
ARN pol mang theo