Для количественной оценки излучения используется достаточно широкий круг величин, который условно можно разделить на две системы единиц: энергетическую и световую. При этом энергетические величины характеризуют излучение, относящееся ко всей оптической области спектра, а светотехнические величины – к видимому излучению. Энергетические величины пропорциональны соответствующим светотехническим величинам.

Основной величиной в энергетической системе, позволяющей судить о количестве излучения, являетсяпоток излучения Фэ , или мощность излучения , т.е. количество энергии W , излучаемой, переносимой или поглощаемой в единицу времени:

Величину Фэ выражают в ваттах (Вт). – энергетическая единица

В большинстве случаев не учитывают квантовую природу возникновения излучения и считают его непрерывным.

Качественной характеристикой излучения является распределение потока излучения по спектру .

Для излучений, имеющих сплошной спектр, вводится понятие спектральной плотности потока излучения ( ) – отношение мощности излучения, приходящейся на определенный узкий участок спектра, к ширине этого участка (рис. 2.2). Для узкого спектрального диапазона d поток излучения равен dФ . По оси ординат отложены спектральные плотности потока излучения = dФ /d , поэтому поток представляется площадью элементарного участка графика, т.е.

Рисунок 2.2 – Зависимость спектральной плотности потока излучения от длины волны

Если спектр излучения лежит в границах от 1 до 2 , то величина потока излучения

Под световым потоком F , в общем случае, понимают мощность излучения, оцененную по его действию на человеческий глаз. Единицей измерения светового потока является люмен (лм) . – светотехническая единица

Действие светового потока на глаз вызывает его определенную реакцию. В зависимости от уровня действия светового потока работает тот или иной вид светочувствительных приемников глаза, называемых палочками или колбочками. В условиях низкого уровня освещенности (например, при свете Луны) глаз видит окружающие предметы за счет палочек. При высоких уровнях освещенности начинает работать аппарат дневного зрения, за который ответственны колбочки.

Кроме того, колбочки по своему светочувствительному веществу делятся на три группы с разной чувствительностью в различных областях спектра. Поэтому в отличие от палочек они реагируют не только на световой поток, но и на его спектральный состав.

В связи с этим можно сказать, что световое действие двумерно .

Количественная характеристика реакции глаза, связанная с уровнем освещения, называется светлотой. Качественная характеристика, связанная с различным уровнем реакции трех групп колбочек, называется цветностью .

Сила света (I ). В светотехнике эта величина принята за основную . Такой выбор не имеет принципиальной основы, а сделан из соображений удобства, так как сила света не зависит от расстояния.

Понятие силы света относится лишь к точечным источникам, т.е. к источникам, размеры которых малы по сравнению с расстоянием от них до освещаемой поверхности.

Сила света точечного источника в некотором направлении есть приходящийся на единицу телесного угла световой поток Ф , излучаемый этим источником в данном направлении:

I = Ф / Ω

Энергетическая сила света выражается в ваттах на стерадиан (Вт/ср ).

За светотехническую единицу силы света принята кандела (кд) – сила света точечного источника, который испускает световой поток в 1 лм, распределенный равномерно внутри телесного угла в 1 стерадиан (ср).

Телесным углом называется часть пространства, ограниченная конической поверхностью и замкнутым криволинейным контуром, не проходящим через вершину угла (рис. 2.3). При сжатии конической поверхности размеры сферической площади о становятся бесконечно малыми. Телесный угол в этом случае также становится бесконечно малым:


Рисунок 2.3 – К определению понятия «телесный угол»

Освещенность (Е). Под энергетической освещенностью Е э понимают поток излучения на единицу площади освещаемой поверхности Q :

Энергетическая освещенность выражается в Вт/м 2 .

Световая освещенность Е выражается плотностью светового потока F на освещаемой им поверхности (рис. 2.4):

За единицу световой освещенности принят люкс , т.е. освещенность поверхности, получающей равномерно распределенный по ней световой поток в 1 лм на площади в 1 м 2 .

Среди других величин, используемых в светотехнике, важными являются энергия излучения W э или световая энергия W , а также энергетическая Нэ или световая Н экспозиция.

Величины Wэ и W определяются выражениями

где – соответственно функции изменения потока излучения и светового потока во времени. Wэ измеряется в джоулях или Вт с, a W – в лм с.

Под энергетической Н э или световой экспозицией понимают поверхностную плотность энергии излучения W э или световой энергии W соответственно на освещаемой поверхности.

То есть светов ая экспозиция H это произведение освещенности E , создаваемой источником излучения, на время t действия этого излучения.

Общая вирусология изучает природу вирусов, их строение, размножение, биохимию, генетику. Медицинская, ветеринарная и сельскохозяйственная вирусология исследует патогенные вирусы, их инфекционные свойства, разрабатывает меры предупреждения, диагностики и лечения вызываемых ими заболеваний.

Вирусология решает фундаментальные и прикладные задачи и тесно связана с другими науками. Открытие и изучение вирусов, в частности бактериофагов, внесло огромный вклад в становление и развитие молекулярной биологии. Раздел вирусологии, изучающий наследственные свойства вирусов, тесно связан с молекулярной генетикой. Вирусы не только предмет изучения, но и инструмент молекулярно-генетических исследований, что связывает вирусологию с генетической инженерией. Вирусы - возбудители большого количества инфекционных заболеваний человека, животных, растений, насекомых. С этой точки зрения вирусология тесно связана с медициной, ветеринарией, фитопатологией и другими науками.

Возникнув в конце XIX века как ветвь патологии человека и животных, с одной стороны, и фитопатологии - с другой, вирусология стала самостоятельной наукой, по праву занимающей одно из основных мест среди биологических наук.

Вирусология - молодая наука, ее история насчитывает немногим более 100 лет. Начав свой путь как наука о вирусах, вызывающих болезни человека, животных и растений, в настоящее время вирусология развивается в направлениях изучения основных законов современной биологии на молекулярном уровне, основываясь на том, что вирусы являются частью биосферы и важным фактором эволюции органического мира.

ИСТОРИЯ ВИРУСОЛОГИИ

История вирусологии необычна тем, что один из ее предметов - вирусные болезни - стал изучаться задолго до того, как были открыты собственно вирусы. Начало истории вирусологии - это борьба с инфекционными заболеваниями и только впоследствии - постепенное раскрытие источников этих болезней. Подтверждением тому служат работы Эдуарда Дженнера гг.) по предупреждению оспы и работы Луи Пастера гг.) с возбудителем бешенства.

К концу XIX-го столетия выяснилось, что целый ряд заболеваний человека, таких как бешенство, оспа, грипп, желтая лихорадка являются инфекционными, однако их возбудители не обнаруживались бактериологическими методами.

Благодаря работам Роберта Коха гг.), который впервые использовал технику чистых бактериальных культур, появилась возможность различать бактериальные и небактериальные заболевания. В 1890 г. на X конгрессе гигиенистов Кох вынужден был заявить, что «…при перечисленных болезнях мы имеем дело не с бактериями, а с организованными возбудителями, которые принадлежат к совсем другой группе микроорганизмов». Это высказывание Коха свидетельствует, что открытие вирусов не было случайным событием. Не только опыт работы с непонятными по своей природе возбудителями, но и понимание сущности происходящего способствовали тому, что была сформулирована мысль о существовании оригинальной группы возбудителей инфекционных заболеваний небактериальной природы. Оставалось экспериментально доказать ее существование.

Определенный период времени в зарубежных публикациях открытие вирусов связывали с именем голландского ученого Бейеринка гг.) который также занимался изучением мозаичной болезни табака и опубликовал свои опыты в 1898 г. Профильтрованный сок зараженного растения Бейеринк поместил на поверхность агара, проинкубировал и получил на его поверхности бактериальные колонии. После этого верхний слой агара с колониями бактерий был удален, а внутренний слой был использован для заражения здорового растения. Растение заболело. Из этого Бейеринк сделал вывод, что причиной заболевания являются не бактерии, а некая жидкая субстанция, которая могла проникнуть внутрь агара, и назвал возбудителя «жидкий живой контагий». В связи с тем, что Ивановский только подробно описал свои опыты, но не уделил должного внимания небактериальной природе возбудителя, возникло недопонимание ситуации. Известность работы Ивановского приобрели только после того, как Бейеринк повторил и расширил его опыты и подчеркнул, что Ивановский впервые доказал именно небактериальный характер возбудителя самой типичной вирусной болезни табака. Сам Бейеринк признал первенство Ивановского и в настоящее время приоритет открытия вирусов Д.И. Ивановским признан во всем мире.

Слово ВИРУС означает яд. Этот термин применял еще Пастер для обозначения заразного начала. Следует отметить, что в начале 19 века все болезнетворные агенты назывались словом вирус. Только после того, как стала понятна природа бактерий, ядов и токсинов терминами «ультравирус», а затем просто «вирус» стали обозначать «новый тип фильтрующегося возбудителя». Широко термин «вирус» укоренился в 30-е годы нашего столетия.

Вирусы − уникальный класс, мельчайший класс инфекционных агентов, которые проходят через бактериальные фильтры и отличаются от бактерий по своей морфологии, физиологии и способу размножения.

Вирусы − внеклеточные формы жизни, надцарство Безядерных (аккариоты), царство Вира.

В настоящее время ясно, что вирусы характеризуются убиквитарностью, то есть повсеместностью распространения. Вирусы поражают представителей всех царств живого: человека, позвоночных и беспозвоночных животных, растения, грибы, бактерии.

ПРИРОДА ВИРУСОВ

Вирусы – внеклеточная форма жизни.

Вирусы − мельчайшие инфекционные агенты

Способ размножения. Вирусы не размножаются делением, размножение вирусов – репродукция – сборка отдельных вирусных компонент в вирусную частицу.

Вирусы встречаются в природе в двух состояниях: вне клетки вирусная частица находится в форме вириона – структуры вируса, в которой можно обнаружить все основные вирусные компоненты; внутри клетки вирус находится в вегетативной форме – это реплецирующаяся вирусная нуклеиновая кислота.

Вирусы не могут размножаться на обычных питательных средах, а только - в клетках, тканях или организмах.

Химический состав. Вирусная частица имеет белковую оболочку – белок, один тип нуклеиновой кислоты, либо РНК, либо ДНК, а также – зольный компонент. Сложно устроенные вирусы имеют ещё капсиды и углеводы.

Структура нуклеиновой кислоты (НК). НК вирусов (РНК или ДНК) являются хранителями генетической информации. У вирусов встречаются атипичные формы НК – двухцепочечные РНК и одноцепочечные ДНК.

Вирусные частицы не растут.

РАЗМЕРЫ ВИРУСОВ

Вирусы – мельчайшие агенты,нм (0,01-0,35 мкм). Они не видны в обычный световой микроскоп, и для определения размера вирусов используют различные методы:

1. фильтрация через фильтры с известной величиной пор;

2. определение скорости осаждения частиц при центрифугировании;

3. фотографирование в электронном микроскопе.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВИРУСОВ

Вирусы имеют три основных компонента: белок, НК, зольный компонент.

Белки построены из аминокислот (а/к) L-ряда. Все а/к тривиальной природы, как правило, в структуре преобладают нейтральные и кислые дикарбоновые кислоты. В составе сложных вирусов имеются основные гистоноподобные белки, связанные с НК, для стабилизации структуры и для увеличения антигенной активности.

Все вирусные белки делятся на: структурные – формируют белковую оболочку – капсид; функциональные – белки ферменты, часть белков ферментов находятся в структуре капсида, этими белками связана ферментативная активность и способность вируса проникать внутрь клетки (например, АТФаза, сиалаза – неиромеидаза, которые встречаются в структуре вируса человека и животных, а также лизоцим).

Капсид состоит из длинных полипептидных цепей, что могут состоять из одного или нескольких белков с маленькой молекулярной массой. В структуре полипептидной цепи различают химическую, структурную и морфологическую единицы.

Химическая единица – это отдельный белок, формирующий полипептидную цепь.

Структурная единица – это повторяющаяся единица в структуре полипептидной цепи.

Морфологическая единица – это капсомер, который наблюдается в структуре вируса, что видна в электронном микроскопе.

Белки вирусного капсида имеют ряд свойств: они устойчивы к протеазам и причина устойчивости в том, что белок организован так, что пептидная связь, на которую действует протеаза, спрятана внутрь. В такой устойчивости большой биологический смысл: так как вирусная частица собирается внутри клетки, где высока концентрация протеолитических ферментов. Такая устойчивость предохраняет вирусную частицу от разрушения внутри клетки. Вместе с тем, эта устойчивость вирусной оболочки к протеолитическим ферментам теряется в момент прохождения вирусной частицы через клеточные покровы, в частности через ЦПМ.

Предполагают, что в процесс транспортировки вирусной частицы через ЦПМ, происходят изменения конформационной структуры и пептидная связь становится доступной для ферментов.

Функции структурных белков:

Защитная (предохраняют НК, которая расположена внутри капсида);

Некоторые белки капсиды несут адресную функцию, что рассматривается как рецепторы вирусов, с помощью которых вирусная частица прикрепляется на поверхности специфических клеток;

В составе вирионов обнаружен внутренний гистоноподобный белок связанный с НК, который обладает антигенной функцией и ещё участвует в стабилизации НК.

Функциональные белки-ферменты связанные с капсодом:

Сиалаза-неиромиедаза. Обнаружен в вирусах животных и человека, облегчает выход вирусной частицы из клетки и делает дырку (плешь) в вирусных структурах;

Лизоцим. Структурно связан с вирусной частицей, разрушает β-1,4-гликозидную часть в муреиновом каркасе и облегчает проникновение НК бактериофага внутрь бактериальной клетки.

АТФаза. Встроен в структуру бактериофага и некоторых вирусов человека и животных клеточного происхождения. Функции изучены на примере бактериофагов, с помощью АТФазы происходит гидролиз АТФ, которые интеркалированы в структуру вируса и имеют клеточное происхождение, выделяющаяся энергия расходуется сокращение хвостового отростка, это облегчает транспортировку НК внутрь бактериальной клетки.

Молекулярная масса вирусной ДНК колеблетсяД, а РНК – меньшеД.

НК вирусов в 10 раз меньше, чем НК самых мелких клеток.

Количество нуклеотидов в ДНК варьирует от нескольких тысяч до 250 тысяч нуклеотидов. 1 ген – 1000 нуклеотидов, это означает, что в структуре вирусов встречается от 10 до 250 генов.

В состав НК наряду с пятью азотистыми основаниями, имеют место и аномальные основания – основания, которые полностью способны замещать стандартные: 5-оксиметилцитозин – полностью замещает цитозин, 5-оксиметилурацил − замещает тимин.

Аномальные основания встречаются только у бактериофагов, у остальных – классические основания.

Функции аномальных оснований: блокируют клеточную ДНК, не дают возможность реализовать информацию заложенную в ДНК, в момент, когда вирусная частица попадает в клетку.

Помимо аномальных, обнаружены и минорные основания: малое количество 5-метилцитозина, 6-метиламино пурин.

У некоторых вирусов могут встречаться метилированые производные цитозина и аденина.

НК вирусов как РНК, так и ДНК, могут встречаться в двух видах:

В виде кольцевых цепей;

В виде линейных молекул.

Ковалентно-замкнутые цепи (не имеют 3’ – 5’ свободных концов, на них не действуют экзонуклеазы);

Релаксированая форма, когда одна цепь ковалентно замкнутая, а вторая имеет один или несколько разрывов в своей структуре.

Линейные молекулы делятся на две группы:

Линейная структура с фиксированной последовательностью нуклеотидов (начинается всегда одним нуклеотидам);

Линейная структура с пермитированной последовательностью (определенный набор нуклеотидов, но последовательность разлмчная).

В структуре РНК встречаются одноцепочечные +РНК и −РНК цепи.

РНК – с одной стороны хранитель генетической информации, а с другой стороны – выполнять функцию иРНК и узнается рибосомами клетки как иРНК.

−РНК − выполняют только функцию хранителя генетической информации, а иРНК синтезируется на её основе.

В вирусных частицах встречаются катионы металлов: калия, натрия, кальция, мангана, магния, железа, меди, и их содержанием может достигать несколько мг на 1 г вирусной массы.

Функции Ме2+: играют важную роль в стабилизации вирусной НК, формируют упорядоченную четвертичную структуру вирусной частицы. Состав металлов непостоянный и определяется составом окружающей среды. У некоторых вирусов имеются поликатионы связанные с полиаминами, которые играют огромную роль в физической стабильности вирусных частиц. Также ионы металлов обеспечивают нейтрализацию отрицательного заряда НК, которые формируют фосфорно-кислые (фосфатные группы) НК.

Первоначально вирусология развивалась в рамках микробиологии и лишь в середине 20 века выделилась в самостоятельную дисциплину. Вирусология занимает важное место среди медико-биологических наук, так как вирусные болезни широко распространены у человека; кроме того, вирусы служат моделями, на которых изучаются основные проблемы генетики и молекулярной биологии. Первые в России лаборатории по вирусным болезням человека были организованы в 1932 году в ряде институтов медицинской микробиологии. Институт вирусологии имени Д. И. Ивановского был создан в Москве в 1946 году. С 1956 года в Москве выходит журнал «Вопросы вирусологии». В 1966 году на Девятом международном конгрессе по микробиологии был образован Международный комитет по номенклатуре вирусов; в 1968 состоялся Первый международный конгресс по вирусологии в Хельсинки.

В методическом отношении вирусология существенно отличается от микробиологии, так как вирусы не удается культивировать на искусственных питательных средах. Для опытов с вирусами приходится использовать чувствительных к ним животных и растения, куриные эмбрионы (1932) и изолированные ткани. Успехи вирусологии зависели от разработки удобного метода культивирования вирусов. Изучение вируса гриппа продвинулось вперёд, когда определили, что к этому вирусу чувствительны хорьки (1933) и белые мыши (1934). В изучении вирусов полиомиелита и кори , а также в создании предохранительных вакцин против этих болезней решающее значение имело культивирование вирусов в изолированных тканях обезьян и человека.

Для количественного учета вируса и динамики его размножения применяют различные методы титрования. Эти методы основаны на том, что вирус, размножаясь в клетках, вызывает видимые поражения. Бактериальные вирусы (бактериофаги) титруют по числу стерильных пятен (Ф. Д"Эрелль, 1917), вирусы животных и человека - на однослойных культурах тканей (Р. Дульбекко, 1952). Создание ультрацентрифуг облегчило концентрацию вирусов и определение массы вирусных частиц. Градиентное (фракционированное) центрифугирование в растворах сахарозы или солей металлов дало возможность рассортировать вирусные частицы, так как даже при незначительном различии их веса они распределяются слоями на разных уровнях раствора. Этот метод сыграл большую роль в изучении стадий размножения вирусов.

Для изучения физиологических условий размножения вирусов В. Л. Рыжковым в 1938 году был предложен метод метаболитов и антиметаболитов, которым стали определять, как влияют на размножение вируса вещества, стимулирующие или подавляющие отдельные биохимические процессы. Радиоактивные изотопы позволяют выявить, откуда вирус берет вещества для построения своего тела. Отдельные этапы размножения вируса изучают в бесклеточных препаратах, содержащих, кроме вируса, рибосомы, ферменты клетки и вещества, нужные для построения белков и нуклеиновых кислот. Электронная микроскопия с 1938 года позволила увидеть вирусные частицы. С 1945 года возможность приготовлять ультратонкие срезы позволила изучать развитие вируса в тканях. Вирусология связана с морфологией и физиологией клеток, так как для вирусов клетки являются средой обитания. Размеры вирусных частиц близки к размерам крупных молекул, что дает возможность изучать их методами, применяемыми к молекулам (рентгеноструктурный анализ).