Структурная организация вирусов кратко
Обновлено: 27.03.2024
Структура и состав вирусов. Строение вирусов и вирусных частиц.
Основным структурным компонентом вирионов (полных вирусных частиц) является нуклеокапсид, т.е. белковый чехол (капсид) в котором заключен вирусный геном (ДНК или РНК). Нуклеокапсид большинства семейств вирусов окружен липопротеиновой оболочкой. Между оболочкой и нуклеокапсидом у некоторых вирусов (орто-, парамиксо-, рабдо-, фило- и ретровирусов) находится негликозилированный матриксный белок, придающий дополнительную жесткость вирионам. Вирусы большинства семейств имеют оболочку, которая играет важную роль в инфекционности. Наружный слой оболочки вирионы приобретают, когда нуклеокапсид проникает через клеточную мембрану почкованием.
Белки оболочки кодируются вирусом, а липиды заимствуются из мембраны клетки. Гликопротеины обычно в виде димеров и тримеров образуют пепломеры (выступы) на поверхности вирионов (орто-, парамиксовирусы, рабдо-, фило-, корона-, бунья-, арена-, ретровирусы). Гликозилированные белки слияния связаны с пепломерами и выполняют ключевую роль в проникновении вируса в клетку. Капсиды и оболочки вирионов образуются множеством копий одного или нескольких видов белковых субъединиц в результате процесса самосборки. Взаимодействие в системе белок-белок, благодаря слабым химическим связям, ведет к объединению симметричных капсидов.
Различия вирусов по форме и размеру вирионов зависят от формы, размера и количества структурных белковых субъединиц и природы взаимодействия между ними.
Капсид состоит из множества морфологически выраженных субъединиц (капсомеров), собранных из вирусных полипептидов строго определенным образом, в соответствии с относительно простыми геометрическими принципами. Белковые субъединицы, соединяясь друг с другом, образуют капсиды двух видов симметрии: изометрические и спиральные. Структура нуклеокапсида оболочечных вирусов сходна со структурой нуклеокапсида безоболочечных вирусов. На поверхности оболочки вирусов различают морфологически выраженные гликопротеиновые структуры — пепломеры.
В состав суперкапсидной оболочки входят липиды (до 20—35%) и углеводы (до 7—8%), имеющие клеточное происхождение. Она состоит из двойного слоя клеточных липидов и вирусспецифических белков, расположенных снаружи и изнутри липидного биослоя. Наружный слой суперкапсидной оболочки представляют пепломеры (выступы) одного или более типов, состоящие из одной или нескольких молекул гликопротеинов. Нуклеокапсид у оболочечных вирусов часто называют сердцевиной (core), а центральную часть вирионов, содержащую нуклеиновую кислоту, называют нуклеоидом.
Капсомеры (пепломеры) состоят из структурных единиц, построенных из одной либо из нескольких гомологичных или гетерологичных полипептидных цепей (белковых субъединиц).
Изометрические капсиды представляют собой не сферы, а правильные многогранники (икосаэдры). Их линейные размеры идентичны по осям симметрии. Согласно Каспару и Клугу (1962), капсомеры в капсидах расположены в соответствии с икосаэдрической симметрией.
Такие капсиды состоят из идентичных субъединиц, образующих икосаэдр. Они имеют 12 вершин (углов), 30 граней и 20 поверхностей в виде равнобедренных треугольников. В соответствии с этим правилом капсид полиовируса и вируса ящура образован 60 белковыми структурными единицами, каждая из которых состоит из четырех полипептидных цепей.
Икосаэдр оптимально решает проблему укладки повторяющихся субъединиц в строгую компактную структуру при минимальном объеме. Только некоторые конфигурации структурных субъединиц могут сформировать поверхности, образовать вершины и грани вирусного икосаэдра. Например, структурные субъединицы аденовируса на поверхностях и гранях формируют шестигранные капсомеры (гексоны), а на вершинах - пятигранные капсомеры (пептоны). У одних вирусов оба вида капсомеров образуются одними и теми же полипептидами, у других — разными полипептидами. Так как структурные субъединицы разных вирусов различаются между собой, то одни вирусы кажутся более гексагональными, другие — более сферическими.
Все известные ДНК-содержащие вирусы позвоночных, за исключением вирусов оспы, а также многие РНК-содержащие вирусы (7 семейств) имеют кубический тип симметрии капсида.
Реовирусы, в отличие от других вирусов позвоночных, имеют двойной кап-сид (наружный и внутренний), причем каждый состоит из морфологических единиц.
Вирусы, обладающие спиральным типом симметрии, имеют вид цилиндрической нитевидной структуры, их геномная РНК имеет вид спирали и находится внутри капсида. Все вирусы животных спиральной симметрии окружены липопротеиновой оболочкой.
Спиральные нуклеокапсиды характеризуются длиной, диаметром, шагом спирали и числом капсомеров, приходящихся на один оборот спирали. Так, у вируса Сендай (парамиксовирус) нуклеокапсид представляет собой спираль длиной около 1 мкм, диаметром 20 нм и шагом спирали 5 нм. Капсид состоит примерно из 2400 структурных единиц, каждая из которых является белком с молекулярной массой 60 кД. На каждый виток спирали приходится 11—13 субъединиц.
У вирусов со спиральным типом симметрии нуклеокапсида укладка белковых молекул в спираль обеспечивает максимальное взаимодействие между нуклеиновой кислотой и белковыми субъединицами. У икосаэдрических вирусов нуклеиновая кислота находится внутри вирионов в скрученном состоянии и взаимодействует с одним или несколькими полипептидами, расположенными внутри капсида.
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.
Важные теоретические положения относительно принципов структурной организации вирусов были разработаны Ф. Криком и Д. Уотсом.
Большинство вирусов построено по одному из двух геометрических принципов׃ спирали или изометрические структуры, поэтому они имеют форму, которую в некотором приближении можно рассматривать как палочковидную или сферическую. Наиболее просто устроенные вирусы имеют вирионы палочковидной формы. Вирион вируса табачной мозаики, например, содержит около 95% белка и 5% РНК. У палочковидных вирусов белковые субъединицы, образующие оболочку вириона, уложены в виде спирали.
Детально изучено строение вируса табачной мозаики, частица которого представляет собой спираль, состоящую из 230 витков, с шагом спирали 23А. Спираль сформирована из 2130 идентичных молекул белка, содержащих по 158 аминокислотных остатков. Генетическим материалом вируса табачной мозаики является одноцепочечная РНК. Рентгеноструктурные исследования показали, что молекула РНК глубоко погружена в белок и повторяет шаг белковой спирали. Нуклеотиды РНК контактируют с белковыми субъединицами таким образом, что одна субъединица связана с тремя нуклеотидами. Внутри вирусной частицы проходит полый канал диаметром 40 А. Структура вируса табачной мозаики определяется спецефичностью взаимодействия между белковыми субъединицами.
Описаны вирусы, полностью зависящие от других неродственных им вирусов. Примером служит вирус-сателлит вируса некроза табака. Вирус-сателлит – дефектный очень мелкий вирус, содержащий в геноме по существующим взглядам только информацию, необходимую для синтеза белка его оболочки. Необходимая для инфекционности вируса-сателлита РНК-полимераза и другие компоненты индуцируются в клетках зараженного растения вирусом некроза табака – полноценной вирусной частицей. Отличие вирусов-сателлитов от ковирусов заключается в том, что вирус-сателлит и вирус некроза табака имеют разные белки оболочки, т.е. принадлежат к неродственным группам вирусов.
Представителем наиболее сложно устроенных вирусов являются вирусы группы оспы. Это самые крупные вирусы (220X220X300 нм) со своеобразным морфологическим строением (имеют форму кирпичиков с закругленными углами). Сердцевина вириона (нуклеоид) представляет собой комплекс ДНК с белком, окруженный белковой оболочкой. С обеих сторон к белковой оболочке примыкают так называемые боковые тела, функция которых пока неизвестна. Эти компоненты окружены несколькими слоями мембран, образующими наружную оболочку вириона. Кроме ДНК и белков в составе вириона осповакцины обнаружено примерно 2% липидов и 2% фосфолипидов.
Сложное строение имеют также Т-четные фаги. Частица Т-четных фагов имеет головку и отросток. Отросток состоит из следующих структурных элементов: чехла, стержня, базальной пластинки и фибрилл отростка. Каждый из структурных элементов может быть построен из нескольких типов белковых молекул. Всего в состав частицы фага Т4 входит свыше 30 различных белков. Идентифицировано около 80 генов фага Т4, которые делятся на две группы. В одну из них (меньшую) относят гены, функция которых связана с репликацией и синтезом структурных белков. Другая (большая) группа генов осуществляет контроль за сборкой субъ-единиц структурных белков и участвует в процессе формирования частицы фага из собственных структурных элементов.
Размеры вирусов варьируются в достаточно широких пределах от 10–20 до 300–350 нм.
Вирионы наиболее просто организованных вирусов состоят из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки. Оболочка вируса носит название капсида. Вирионы некоторых более сложноорганизованных вирусов на поверхности белкового капсида имеют дополнительную внешнюю оболочку – суперкапсид.
Капсид. Капсиды вирионов состоят из белковых субъединиц, уложенных строго определенным образом. Существуют лишь два типа капсидов – спиральные и изометрические.
1. Капсид вирусов прежде всего выполняет защитную функцию. Он защищает нуклеиновую кислоту вируса от различных физических и химических воздействий, в первую очередь от воздействия многочисленных нуклеаз.
2. Вторая функция капсида заключается в наличии в его составе рецептора, комплементарного рецептору заражаемой клетки. Капсид определяет хемосорбцию вируса на поверхности клетки хозяина. В процессе эволюции сложилась уникальная избирательность вирусов – поражать строго определенный круг хозяев, а в организме хозяина – определённый тип клеток.
Нуклеиновые кислоты. В отличие от других организмов, вирусы содержат всегда один тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК). В зависимости от типа нуклеиновой кислоты вирусы подразделяются на ДНК-геномные и РНК-геномные.
В царстве вирусов функцию хранителя генетического кода может выполнять не только ДНК, но и РНК. Нуклеиновые кислоты вирусов отличаются крайним разнообразием. Вирусы содержат как обычные природные формы нуклеиновых кислот – двухцепочечную ДНК и одноцепочечную РНК, так и одноцепочечную ДНК и двухцепочечную РНК (табл. 8).
Открытие вирусов Д.И.Ивановским в 1892г. положило начало развитию науки вирусологии. Более быстрому ее развитию способствовали: изобретение электронного микроскопа, разработка метода культивирования микроорганизмов в культурах клеток.
Слово “вирус” в переводе с латинского- яд (животного происхождения). Этот термин применяют для обозначения уникальных представителей живой природы, не имеющих клеточного (эукариотического или прокариотического) строения и обладающих облигатным внутриклеточным паразитизмом, т.е. которые не могут жить без клетки.
В настоящее время вирусология- бурно развивающаяся наука, что связано с рядом причин:
- ведущей ролью вирусов в инфекционной патологии человека (примеры- вирус гриппа, ВИЧ- вирус иммунодефицита человека, цитомегаловирус и другие герпесвирусы) на фоне практически полного отсутствия средств специфической химиотерапии;
- использованием вирусов для решения многих фундаментальных вопросов биологии и генетики.
Основные свойства вирусов (и плазмид), по которым они отличаются от остального живого мира.
1.Ультрамикроскопические размеры (измеряются в нанометрах). Крупные вирусы (вирус оспы) могут достигать размеров 300 нм, мелкие- от 20 до 40 нм. 1мм=1000мкм, 1мкм=1000нм.
2.Вирусы содержат нуклеиновую кислоту только одного типа- или ДНК (ДНК- вирусы) или РНК (РНК- вирусы). У всех остальных организмов геном представлен ДНК, в них содержится как ДНК, так и РНК.
3.Вирусы не способны к росту и бинарному делению.
4.Вирусы размножаются путем воспроизводства себя в инфицированной клетке хозяина за счет собственной геномной нуклеиновой кислоты.
5.У вирусов нет собственных систем мобилизации энергии и белок- синтензирующих систем, в связи с чем вирусы являются абсолютными внутриклеточными паразитами.
6.Средой обитания вирусов являются живые клетки- бактерии (это вирусы бактерий или бактериофаги), клетки растений, животных и человека.
Все вирусы существуют в двух качественно разных формах: внеклеточной- вирион и внутриклеточной- вирус. Таксономия этих представителей микромира основана на характеристике вирионов- конечной фазы развития вирусов.
Строение (морфология) вирусов.
1.Геном вирусов образуют нуклеиновые кислоты, представленные одноцепочечными молекулами РНК (у большинства РНК- вирусов) или двухцепочечными молекулами ДНК (у большинства ДНК- вирусов).
2.Капсид - белковая оболочка, в которую упакована геномная нуклеиновая кислота. Капсид состоит из идентичных белковых субъединиц- капсомеров. Существуют два способа упаковки капсомеров в капсид- спиральный (спиральные вирусы) и кубический (сферические вирусы).
При спиральной симметрии белковые субъединицы располагаются по спирали, а между ними, также по спирали, уложена геномная нуклеиновая кислота (нитевидные вирусы). При кубическом типе симметрии вирионы могут быть в виде многогранников, чаще всего- двадцатигранники - икосаэдры.
3.Просто устроенные вирусы имеют только нуклеокапсид, т.е. комплекс генома с капсидом и называются “голыми”.
4. У других вирусов поверх капсида есть дополнительная мембраноподобная оболочка, приобретаемая вирусом в момент выхода из клетки хозяина- суперкапсид. Такие вирусы называют “одетыми”.
Кроме вирусов, имеются еще более просто устроенные формы способных передаваться агентов - плазмиды, вироиды и прионы.
Основные этапы взаимодействия вируса с клеткой хозяина.
1.Адсорбция- пусковой механизм, связанный со взаимодействием специфических рецепторов вируса и хозяина (у вируса гриппа- гемагглютинин, у вируса иммунодефицита человека- гликопротеин gp 120).
2.Проникновение- путем слияния суперкапсида с мембраной клетки или путем эндоцитоза (пиноцитоза).
3.Освобождение нуклеиновых кислот- “раздевание” нуклеокапсида и активация нуклеиновой кислоты.
4.Синтез нуклеиновых кислот и вирусных белков, т.е. подчинение систем клетки хозяина и их работа на воспроизводство вируса.
5.Сборка вирионов- ассоциация реплицированных копий вирусной нуклеиновой кислоты с капсидным белком.
6.Выход вирусных частиц из клетки, приобретения суперкапсида оболочечными вирусами.
Исходы взаимодействия вирусов с клеткой хозяина.
1.Абортивный процесс- когда клетки освобождаются от вируса:
- при инфицировании дефектным вирусом, для репликации которого нужен вирус- помощник, самостоятельная репликация этих вирусов невозможна ( так называемые вирусоиды). Например, вирус дельта (D) гепатита может реплицироваться только при наличии вируса гепатита B, его Hbs - антигена, аденоассоциированный вирус- в присутствии аденовируса);
- при инфицировании вирусом генетически нечувствительных к нему клеток;
- при заражении чувствительных клеток вирусом в неразрешающих условиях.
2.Продуктивный процесс- репликация (продукция) вирусов:
- гибель (лизис) клеток (цитопатический эффект)- результат интенсивного размножения и формирования большого количества вирусных частиц - характерный результат продуктивного процесса, вызванного вирусами с высокой цитопатогенностью. Цитопатический эффект действия на клеточные культуры для многих вирусов носит достаточно узнаваемый специфический характер;
- стабильное взаимодействие, не приводящее к гибели клетки (персистирующие и латентные инфекции) - так называемая вирусная трансформация клетки.
3.Интегративный процесс- интеграция вирусного генома с геномом клетки хозяина. Это особый вариант продуктивного процесса по типу стабильного взаимодействия. Вирус реплицируется вместе с геномом клетки хозяина и может длительно находиться в латентном состоянии. Встраиваться в ДНК- геном хозяина могут только ДНК- вирусы (принцип “ДНК- в ДНК”). Единственные РНК- вирусы, способные интегрироваться в геном клетки хозяина- ретровирусы, имеют для этого специальный механизм. Особенность их репродукции- синтез ДНК провируса на основе геномной РНК с помощью фермента обратной транскриптазы с последующим встраиванием ДНК в геном хозяина.
Основные методы культивирования вирусов.
1.В организме лабораторных животных.
2.В куриных эмбрионах.
3.В клеточных культурах - основной метод.
Типы клеточных культур.
1.Первичные (трипсинизированные) культуры- фибробласты эмбриона курицы (ФЭК), человека (ФЭЧ), клетки почки различных животных и т.д. Первичные культуры получают из клеток различных тканей чаще путем их размельчения и трипсинизации, используют однократно, т.е. постоянно необходимо иметь соответствующие органы или ткани.
2.Линии диплоидных клеток пригодны к повторному диспергированию и росту, как правило не более 20 пассажей (теряют исходные свойства).
3.Перевиваемые линии (гетероплоидные культуры), способны к многократному диспергированию и перевиванию, т.е. к многократным пассажам, наиболее удобны в вирусологической работе- например, линии опухолевых клеток Hela, Hep и др.
Специальные питательные среды для культур клеток.
Используются разнообразные синтетические вирусологические питательные среды сложного состава, включающие большой набор различных факторов роста- среда 199, Игла, раствор Хэнкса, гидролизат лактальбумина. В среды добавляют стабилизаторы рН (Hepes), различные в видовом отношении сыворотки крови (наиболее эффективной считают эмбриональную телячью сыворотку), L-цистеин и L-глютамин.
В зависимости от функционального использования среды могут быть ростовые (с большим содержанием сыворотки крови) - их используют для выращивания клеточных культур до внесения вирусных проб, и поддерживающие (с меньшим содержанием сыворотки или ее отсутствием)- для содержания инфицированных вирусом клеточных культур.
Выявляемые проявления вирусной инфекции клеточных культур.
2.Выявление телец включений.
3. Выявление вирусов методом флюоресцирующих антител (МФА), электронной микроскопией, авторадиографией.
4.Цветная проба. Обычный цвет используемых культуральных сред, содержащих в качестве индикатора рН феноловый красный, при оптимальных для клеток условиях культивирования (рН около 7,2)- красный. Размножение клеток меняет рН и соответственно- цвет среды с красного на желтый за счет смещения рН в кислую сторону. При размножении в клеточных культурах вирусов происходит лизис клеток, изменения рН и цвета среды не происходит.
5.Выявление гемагглютинина вирусов- гемадсорбция, гемагглютинация.
6.Метод бляшек (бляшкообразования). В результате цитолитического действия многих вирусов на клеточные культуры образуются зоны массовой гибели клеток. Выявляют бляшки- вирусные “ клеточно- негативные” колонии.
Название семейства вирусов заканчивается на “viridae”, рода- “virus”, для вида обычно используют специальные названия, например - вирус краснухи, вирус иммунодефицита человека- ВИЧ, вирус парагриппа человека типа 1 и т.д.
Вирусы бактерий (бактериофаги).
Естественной средой обитания фагов является бактериальная клетка, поэтому фаги распространены повсеместно (например, в сточных водах). Фагам присущи биологические особенности, свойственные и другим вирусам.
Наиболее морфологически распространенный тип фагов характеризуется наличием головки- икосаэдра, отростка (хвоста) со спиральной симметрией (часто имеет полый стержень и сократительный чехол), шипов и отростков (нитей), т.е. внешне несколько напоминают сперматозоид.
Взаимодействие фагов с клеткой (бактерией) строго специфично, т.е. бактериофаги способны инфицировать только определенные виды и фаготипы бактерий.
Основные этапы взаимодействия фагов и бактерий.
1.Адсорбция (взаимодействие специфических рецепторов).
2.Внедрение вирусной ДНК (инъекция фага) осуществляется за счет лизирования веществами типа лизоцима участка клеточной стенки, сокращения чехла, вталкивания стержня хвоста через цитоплазматическую мембрану в клетку, впрыскивание ДНК в цитоплазму.
4.Выход дочерних популяций.
Основные свойства фагов.
Различают вирулентные фаги, способные вызвать продуктивную форму процесса, и умеренные фаги, вызывающие редуктивную фаговую инфекцию (редукцию фага). В последнем случае геном фага в клетке не не реплицируется, а внедряется (интегрируется) в хромосому клетки хозяина (ДНК в ДНК), фаг превращается в профаг. Этот процесс получил название лизогении. Если в результате внедрения фага в хромосому бактериальной клетки она приобретает новые наследуемые признаки, такую форму изменчивости бактерий называют лизогенной (фаговой) конверсией. Бактериальную клетку, несущую в своем геноме профаг, называют лизогенной, поскольку профаг при нарушении синтеза особого белка- репрессора может перейти в литический цикл развития, вызвать продуктивную инфекцию с лизисом бактерии.
Умеренные фаги имеют важное значение в обмене генетическим материалом между бактериями- в трансдукции (одна из форм генетического обмена). Например, способностью вырабатывать экзотоксин обладают только возбудитель дифтерии, в хромосому которого интегрирован умеренный профаг, несущий оперон tox, отвечающий за синтез дифтерийного экзотоксина. Умеренный фаг tox вызывает лизогенную конверсию нетоксигенной дифтерийной палочки в токсигенную.
По спектру действия на бактерии фаги разделяют на :
- поливалентные (лизируют близкородственные бактерии, например сальмонеллы);
- моновалентные (лизируют бактерии одного вида);
- типоспецифические (лизируют только определенные фаговары возбудителя).
На плотных средах фаги обнаруживают чаще с помощью спот (spot) - теста (образование негативного пятна при росте колоний) или методом агаровых слоев (титрования по Грациа).
Практическое использование бактериофагов.
1.Для идентификации (определение фаготипа).
2.Для фагопрофилактики (купирование вспышек).
3.Для фаготерапии (лечение дисбактериозов).
4.Для оценки санитарного состояния окружающей среды и эпидемиологического анализа.
При всем разнообразии форм и размеров вирусов структуре их капсидов присущи некоторые общие признаки (рис. 2.3).
Все вирионы содержат геномную нуклеиновую кислоту (рис. 2.4), покрытую снаружи белковой оболочкой – капсидом. По химическому составу вирусы – нуклеопротеиды, а по структуре – нуклеокапсиды. В состав многих вирусов, кроме белка и нуклеиновой кислоты, входят углеводы, липиды и некоторые другие соединения.
Рис. 2.3. Схематическое изображение структуры вирусов: а – простой, икосаэдрическая симметрия; б – сложный, икосаэдрическая симметрия; в – простой, спиральная симметрия; г – сложный, спиральная симметрия
Рис. 2.4. Геномные нуклеиновые кислоты вирусов
Остановимся на понятии полярности РНК. Одноцепочечные вирусные РНК разделяют на две группы. К одной группе относят РНК, которые способны в клетке-хозяине транслироваться рибосомами, т.е. играть роль мРНК. Такие РНК обозначают как (+)РНК, а геном, который они представляют, называют позитивным.
Таблица 2.2. Перечень вирусных геномов, которые найдены в вирионах
У другой группы РНК-содержащих вирусов РНК не узнается рибосомным аппаратом клетки, и поэтому она не способна выполнять функцию мРНК. В клетке такая РНК служит матрицей для синтеза мРНК. Данный тип РНК обозначают как (-)РНК, а соответствующий геном носит название негативного.
Капсид состоит из одинаковых по строению субъединиц – капсомеров, которые располагаются согласно двум основным типам симметрии – кубической (икосаэдрической) или спиральной.
Капсомеры – это морфологические единицы капсида, которые, в свою очередь, могут состоять из одной или нескольких молекул белка – структурных единиц. Комплекс капсида и вирусной нуклеиновой кислоты обычно обозначают термином нуклеокапсид. Он может обладать кубической (икосаэдрической) или спиральной симметрией. Вирионы простых вирусов представлены только капсидом. Вирионы сложных вирусов дополнительно имеют двухслойные липидные мембраны, в которые включены белки (почти всегда – гликопротеиды), имеющие форму шипов. Такие вирионы обычно имеют слой негликозили- рованного белка (матрикс), примыкающего к капсиду.
Сложные вирусы содержат ферменты, а также могут включать в состав вириона белки – компоненты мембраны клетки-хозяина. Это можно рассматривать как побочный эффект процесса отпочковывания вируса при выходе из клетки. Однако часто это служит вирусу своеобразным камуфляжем и позволяет уходить из-под атаки хозяйской иммунной системы.
Закономерен вопрос: почему у всех вирусов капсид имеет субъединичную структуру? Такое строение капсида, по-видимому, обусловлено необходимостью экономии генетического материала. В противном случае, как показывают расчеты, у многих вирусов его бы хватило для кодирования белков, способных покрыть не более 15% нуклеиновой кислоты. Очевидно также, что при наличии одного или немногих морфологических комцонентов значительно облегчается самосборка капсида. Иначе вероятность ошибок в процессе самосборки резко бы возросла.
Инкапсулирование генома необходимо вирусам, прежде всего, для физической защиты лабильной по своей химической природе нуклеиновой кислоты от воздействия на внеклеточной стадии существования жестких факторов окружающей среды (таких, как экстремальные значения pH и температуры, УФ-облучение и т.д.).
Другой важнейшей функцией капсида является обеспечение адсорбции вируса на клетке-хозяине через взаимодействие с клеточными рецепторами.
У некоторых вирусов геном фрагментирован, и оболочка просто необходима для того, чтобы собрать его в единое целое.
У сложных вирусов наличие внешней липидной оболочки из-за сродства ее с мембраной клетки-хозяина способствует проникновению нуклеокапсида внутрь клетки. Кроме того, за счет включения в эту оболочку белков клетки-хозяина, вирус получает возможность успешнее преодолевать хозяйский иммунологический барьер.
Принципы вирусной архитектоники
Морфология капсида. Структура вирусов чрезвычайно разнообразна, однако прослеживаются некоторые общие принципы, которые используют вирусы в построении своих капсидов. По характеру расположения капсомеров вирусы делят на три группы: с кубическим (икосаэдриче- ским), спиральным и смешанным типом симметрии. Большинство патогенных для человека вирусов обладает икосаэдрическим типом симметрии. Спиральный тип характерен для миксовирусов и некоторых арбовирусов. Смешанный тип симметрии выявлен у поксвирусов и бактериофагов.
По форме, выявляемой с помощью электронной микроскопии, вирусы можно разделить на сферические (папо- вавирусы, поксвирусы), палочкообразные (например, ВТМ) и нитевидные (вирус бешенства и др.). Палочкообразные вирусы – обычно простые со спиральным типом симметрии. Среди сложных вирусов встречаются как простые (икосаэдрическая симметрия), так и сложные, у которых могут быть любые из вышеперечисленных типов симметрии.
В 1956 г. Ф. Крик и Дж. Уотсон предложили (главным образом на основе теоретических рассуждений) принципы структуры вирусов, которые впоследствии были полностью подтверждены экспериментально и сейчас считаются общепризнанными. Эти исследователи, прежде всего, заметили, что размера нуклеиновых кислот (в первую очередь, у мелких вирусов) хватает для кодирования только нескольких сравнительно небольших белков. Отсюда единственная возможность для вируса создать прочную оболочку – построить ее из идентичных молекул структурного белка.
Вторая часть предположения касалась способа, при помощи которого капсид может быть собран из субъединиц. Из общих соображений было предположено, что субъединицы должны соединяться друг с другом так, чтобы обеспечить для каждой из них одинаковое окружение. А это возможно только в том случае, если они будут паковаться с использованием принципов симметрии. Крик и Уотсон постулировали, что единственный способ обеспечить каждой субъединице одинаковое окружение – собрать из них некую структуру с кубической симметрией. Эти предсказания вскоре были подтверждены – капсиды икосаэдрической формы найдены у огромного числа совершенно неродственных вирусов. Таким образом стало очевидным, что икосаэдрическая симметрия капсида это не случайный результат естественного отбора, а один из основополагающих принципов архитектоники вирионов.
Структура икосаэдрического капсида. Икосаэдр насчитывает 20 граней, каждая из которых является равносторонним треугольником, и 12 вершин. Икосаэдр (рис. 2.5) имеет 6 осей 5-го порядка, проходящих через вершины, 10 осей 3-го порядка, проходящих через каждую грань, и 12 осей 2-го порядка, проходящих через ребра. Крик и Уотсон указали, что вирусу с симметрией 5:3:2 требуется как минимум 60 субъединиц, чтобы полностью закрыть ими поверхность воображаемой фигуры. При этом каждая субъединица оказывается связанной идентично со своими соседями и ни одна из них не совпадает с осью симметрии.
Рис. 2.5. Простейший икосаэдр и способы получения из него икосаэдров более высокого порядка (класса Р = 1, при f = 2 и f = 3)
Число триангулирования определяется из формулы
где Р = 1, 3, 7, 13, 19, 21, 37 (класс икосаэдра); f – любое целое число (при этом f 2 – число треугольников, на которые разделяется каждая грань).
Простейший икосаэдр (см. рис. 2.5) имеет 20 граней. Более сложные икосаэдрические структуры могут содержать 20Т граней. Говоря проще, при делении граней простейшего икосаэдра на более мелкие треугольники можно получить серию многогранников более высоких классов сложности.
Икосаэдрические вирусы, содержащие 60 субъединиц, имеют совершенную симметрию. Если же в состав вирусной частицы входит более 60 субъединиц, то расположить их эквивалентно относительно друг друга на поверхности икосаэдра не представляется возможным. По этой причине в структуре таких вирусов наблюдается явление неполной пространственной эквивалентности (т.е. квазиэквивалентности) субъединиц.
Чтобы это проиллюстрировать, рассмотрим частицу со 180 субъединицами. Здесь белковые субъединицы располагаются не независимо, а кластерами, потому что это максимизирует межмолекулярные взаимодействия, которые стабилизируют частицу. Так, например, у вируса полиомиелита 3 субъединицы размещаются в центре каждого треугольника, образуя 60 морфологических единиц, т.е. капсомеров. У вируса морщинистости репы кластеры располагаются по центру ребер, образуя 90 капсомеров, являющихся димерами. В случае вируса желтой мозаики тюльпанов кластеры располагаются в вершинах треугольников, формируя 20 гексамеров и 12 пентамеров (всего 32 капсомера). Существенно, что связь между субъединицами в составе капсомера сильнее, чем связь между самими капсомерами, поэтому капсомеры могут быть изолированы для структурно-функционального изучения.
Рис. 2.6. Элемент структуры вируса табачной мозайки
Рис. 2.7. Схематическое строение ВИЧ
В других случаях палочкообразный спиральный нуклеокапсид может быть окружен матриксным белком и мембраной с шипами. Типичным примером таких вирионов являются члены сем. Рагатуxoviridae.
В качестве примера сложного вируса рассмотрим структуру вируса иммунодефицита человека (ВИЧ).
ВИЧ (рис. 2.7) содержит 2 идентичные копии (диплоидный геном) позитивной одноцепочечной РНК длиной около 9500 нуклеотидов. РНК ассоциирована с основным (положительно заряженным) нуклеокапсидным белком. Этот белок предназначен для нейтрализации отрицательных зарядов на РНК, что облегчает укладку нуклеиновой кислоты в капсиде. Нуклеопротеидный тяж (полагают, что он имеет спиральную симметрию) окружен икосаэдрическим капсидом, составленным из множества копий капсидного белка. Капсид, в свою очередь, окружен слоем матриксного белка, также имеющим икосаэдрическую симметрию. Матриксный белок контактирует с двухслойной липидной мембраной (оболочкой). Оболочка ВИЧ происходит из клеточной плазматической мембраны и приобретается в процессе выхода вируса из клетки. Считается, что оболочка содержит липидные и белковые компоненты клетки. Кроме того, она содержит вирусные белки, имеющие форму шипов. Главным из них является белок, обозначаемый gpl20/41. Этот сложный белок, состоящий из двух гликопротеидов, функционирует в качестве вирусного антирецептора (белка, соединяющегося с рецептором клетки).
На рис. 2.7 видно, что гликопротеид gp41 пронзает оболочку, a gpl20 находится на ее внешней поверхности.
Внешняя оболочка, окружающая капсид, является обычным элементом вирусов животных и человека, в то же время у вирусов растений она встречается редко. У ряда вирусов оболочка происходит из ядерной мембраны или мембраны телец Гольджи.
Вирусы – облигатные внутриклеточные паразиты, в большинстве случаев вызывающие заболевания человека, животных, растений и микроорганизмов. В прошлые века многие вирусные инфекции носили характер опустошительных эпидемий и пандемий, охватывавших обширные территории нашей планеты. Некоторые заболевания вирусной природы известны со времен глубокой древности.
Так, описание оспы в Древнем Египте мы встречаем в папирусе Эберса (3720—3710 до н. э.). В средние века оспа опустошала целые страны, поражая до 80% населения. В одной только Европе ежегодно оспой переболевало 10—12 млн. и умирало 1,5 млн. человек.
Среди детских инфекций вирусного происхождения особо следует отметить корь. До недавнего времени корью болел почти каждый ребенок нашей планеты. И на сегодняшний день от кори ежегодно погибает более 2 млн. детей.
Вирусные заболевания наносят огромный ущерб сельскому хозяйству. Так, вирус ящура, распространяясь со скоростью цепной реакции, способен разрушить животноводство в масштабе целой страны. Вирусные болезни картофеля, огурцов, томатов, ячменя, гороха и других растений существенно снижают урожаи сельскохозяйственных культур.
СПЕЦИФИЧНОСТЬ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВИРУСОВ
Каждый вирус в своем онтогенезе проходит две фазы.
Первая фаза — внеклеточная, когда вирус находится в состоянии покоя, получила название вириона (А. Львов, 1959).
Вторая фаза — внутриклеточная включает весь цикл репродукции вируса в клетке хозяина.
Первое принципиальное отличие вирусов от всех прочих живых организмов нашей планеты заключается в их строении. Вирусы лишены каких-либо клеточных структур. Каждый вирион представлен двумя компонентами — нуклеиновой кислотой и белком, что позволяет совершенно определенно назвать вирусы неклеточными формами жизни.
ОТЛИЧИЕ ОТ ПРОКАРИОТ
1) В состав любого организма обязательно входят оба типа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. В вирионах всегда присутствует только один тип нуклеиновой кислоты — либо ДНК, либо РНК- Причем обе нуклеиновые кислоты могут быть одноцепочечными и двухцепочечными.
2) Второе принципиальное отличие вирусов от других живых организмов состоит в отсутствии у них собственного метаболизма. В вирионах нет белок-синтезирующего аппарата (рибосом) и нет механизмов, обеспечивающих получение автономной энергии (АТФ). Отсутствие собственных метаболических систем определяет уникальную природу вирусного паразитизма. В отличие от паразитизма прочих организмов, паразитирующих на организменном и клеточном уровнях, вирусы являются ультрапаразитами, паразитирующими на генетическом уровне. Адсорбируясь на клетке хозяина, вирусы внедряют в нес свой геном в виде ДНК или РНК и подавляют деятельность генома клетки хозяина. В большинстве случаев с этого момента метаболический аппарат клетки начинает полностью работать на вирус под контролем вирусного генома.
СХОДСТВО С ПРОКАРИОТАМИ
1 – Существенной характеристикой любого живого организма является способность его к размножению.
2 – Наследственность. И в этом отношении вирусы не уступают остальным организмам. Достаточно вспомнить, насколько стабильными сохраняются в течение тысячелетий симптомы вирусных заболеваний оспы, полиомиелита, бешенства и др. Клиническая картина этих вирусных инфекций практически не изменилась с древнейших времен до наших дней.
3 – При наличии стойкой наследственности любому организму присуща изменчивость. И с этой точки зрения вирусы оказываются типичнейшими живыми организмами. Ярчайшим примером изменчивости вирусов может служить вирус гриппа типа А.
4 – Вирусы, как и все остальные живые организмы, характеризуются способностью к адаптации к условиям среды. Следует только помнить, что средой обитания для них является организм хозяина. Каждый вирус имеет строго определенный круг хозяев.
1. С одной стороны, вирусы являются автономными генетическими структурами, которым присущи существенные критерии живых организмов — способность к размножению, наследственность, изменчивость, адаптация к условиям среды.
2. С другой стороны, вирусы, будучи генетически автономными структурами, лишены метаболизма и не способны к самостоятельной репродукции вне клетки хозяина. Весь цикл репродукции вирусов проходит в клетке за счет ее метаболических систем.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВИРУСОВ.
СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВИРУСОВ
Происхождение
Вопрос о происхождении вирусов до сего времени остается не решенным. Предположение о том, что вирусы являются примитивными доклеточиыми формами жизни, не находит логического подтверждения. Достаточно сказать, что для репродукции вирусов необходима клетка, ее метаболические системы. Уровень организации нуклеиновых кислот и белков вирусов не уступает уровню их организации у клеточных организмов. Нуклеиновые кислоты вирусов имеют тот же нуклеотидный состав, что и нуклеиновые кислоты любой клетки. Генетический код вирусов аналогичен генетическому коду клеточных организмов.
Теории
1 – Наиболее вероятной представляется гипотеза, трактующая вирусы как результат деградации клеточных организмов. Можно предположить, что длительная эволюция последних шла по пути облигатного паразитизма, а именно утраты автономной АТФ, белок-синтезирующего аппарата и собственной цитоплазматической мембраны.
2 – Эволюция генома вирусов, вероятно, шла по двум направлениям: по пути уменьшения объема генетической информации — от двухцепочечных ДНК-геномных вирусов к одноцепочечным ДНК-геномным вирусам, а также по пути упрощения процесса репродукции с исключением этапа транскрипции с ДНК на РНК, что привело к использованию РНК в качестве генетического материала, сначала в форме двухцепочечной РНК, а в дальнейшем в упрощении ее до одноцепочечной РНК.
3 – Наконец, существует мнение, что вирусы можно рассматривать как группы генов, вышедших из-под контроля генома клетки. Получившие автономию группы генов на определенном этапе эволюции могли приобрести защитную белковую оболочку и некоторые другие вирусные специфические белки. В пользу этой гипотезы говорит родство ДНК некоторых вирусов с ДНК клетки и возможность включения ДНК вирусов в геном клетки.
4 – Если принять последнюю гипотезу, вирусы можно назвать фрагментами живых организмов, утративших способность к самостоятельной репродукции, но сохранивших некоторые существенные критерии живых организмов, такие, как наследственность, изменчивость, способность к адаптации.
СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВИРУСОВ
Форма
Форма вирионов может быть различна. У некоторых вирусов наблюдается полиморфизм. Так, в популяции вирусов гриппа встречаются сферические вирионы и нитевидные структуры.
Вирионы рабдовирусов, поражающие позвоночных животных и человека, имеют пулевидную форму, а вирионы, поражающие растения,-— бацил-ловидную.
Форма аденовирусов— икосаэдрическая. Вирионы группы вирусов оспы человека, позвоночных и насекомых представляют собой кирпичеобразные или овоидные частицы. Для вирионов группы онкогенных ретровирусов характерна сферическая форма. Бактериофаги по форме делятся на четыре группы: фаги, имеющие кубическую головку и отросток; кубические фаги; нитевидные фаги; плеоморфные фаги.
Размеры вирусов варьируют в достаточно широких пределах— от 10—20 до 300—350 им.
Вирионы наиболее просто организованных вирусов состоят из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки. Последняя носит название капсида (от греч. capsa — футляр). Вирионы некоторых более сложноорганизованных вирусов на поверхности белкового капсида имеют дополиитатьную внешнюю оболочку — суперкапсид .
Капсид.
Строение. Капсиды вирионов образованы белковыми субъединицами, уложенными строго определенным образом. Причем капсиды вирионов различных вирусов животных, растений и бактерий могут быть построены по одному плану, в основе которого лежит относительно простой геометрический принцип – спиральной или изометрической симметрии. Соответственно существуют лишь два типа капсидов — спиральные и изометрические.
Вирионы многих вирусов растений и ряда фагов имеют спиральный капсид, в котором белковые субъединицы уложены по спирали вокруг оси.
Наиболее хорошо изученным вирусом, имеющим спиральный капсид, является вирус табачной мозаики (ВТМ). Вирионы вируса табачной мозаики имеют форму палочек диаметром 15—17 нм и длиной до 300 нм. Методом рентгеноструктурного анализа было показано, что в капсиде вируса табачной мозаики на каждые три витка спирали приходится 49 белковых субъединиц. Каждая субъединица представлена молекулой белка с молекулярной массой 17 400. Капсид вируса табачной мозаики насчитывает 130 витков. Внутри капсида образуется полый канал диаметром 4 нм. Генетическим материалом вируса табачной мозаики является одноцепочечная РНК, плотно уложенная в желобке спирального капсида. Нуклеотиды РНК контериофаги по форме делятся на четыре группы: фаги, имеющие кубическую головку и отросток; кубические фаги; нитевидные фаги; плеоморфные фаги.
Для вирионов со спиральным капсидом характерно высокое содержание белка (90- 98%) по отношению к нуклеиновой кислоте.
Капсиды вирионов многих вирусов имеют форму симметричного многогранника, чаше всего икосаэдра’. Такие капсиды называют изометрическими.
Функции Капсида
1. Выполняет защитную функцию. Он защищает нуклеиновую кислоту вируса от различных физических и химических воздействий, в первую очередь от действия многочисленных нуклеаз.
Вторая функция капсида заключается в наличии в его составе рецептора, комплементарного рецептору заражаемой клетки. Иначе говоря, капсид определяет хемосорбцию вируса на поверхности клетки хозяина. В процессе эволюции сложилась уникальная избирательность вирусов — поражать строго определенный круг хозяев, а в организме хозяина — определенный тип клеток.
Нуклеиновые кислоты.
Как уже отмечалось выше, в отличие от всех других организмов, вирусы содержат всегда один тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК). В зависимости от типа нуклеиновой кислоты вирусы подразделяются на ДНК-геномные и РНК-геномные.
Нуклеиновая кислота вируса совмещает в себе функции обеих кислот — ДНК и РНК. Особо следует подчеркнуть, что в царстве вирусов функцию хранителя генетического кода может выполнять не только ДНК, но и РНК- В составе всех прочих организмов природная форма ДНК всегда представлена двухцепочечной молекулой, а РНК — одноцепочечной. Нуклеиновые кислоты вирусов отличаются крайним разнообразием. Вирусы содержат как обычные природные формы нуклеиновых кислот — двухцепочечную ДНК и одноцспочечиую РНК, так и одноцепочечную ДНК и двухцепочечную РНК.
ДНК-геномные вирусы
Типичная природная форма двухцепочечной ДНК характерна для наиболее многочисленной группы вирусов, поражающих человека, животных и бактерии.
В настоящее время одноцепочечные ДНК-геномные вирусы составили четыре семейства. Это некоторые вирусы позвоночных животных, насекомых, а также мелкие фаги. Молекулы двухцепочечных и одноцепочечных ДНК вирусов могут иметь линейное и кольцевое строение. В линейных молекулах ДНК вирусов встречается так называемая концевая избыточность, когда в концевом фрагменте ДНК повторяется ее начальный фрагмент. Практически все линейные молекулы ДНК вирусов имеют концевые повторы.
Для кольцевых молекул ДНК многих вирусов животных и бактерий характерна суперспирализация, которая обусловливает образование компактной третичной структуры и позволяет ей уложиться в небольшой объем капсида. Дополнительная спирализация молекулы ДНК сопровождается изменением ее физико-химических к биологических свойств, в частности повышением устойчивости к действию экзонуклеаз.
РНК-геномные вирусы
Большинство РНК-геномных вирусов содержат обычную природную форму одноцепочечной РНК. Двухцепочечную РНК содержат и другие РНК-геномные вирусы, поражающие организмы животных, растений, бактерий и грибов. Молекулы одноцепочечной и двухцепочечной РНК вирусов за редким исключением имеют линейное строение.
В ДНК-геномных вирусах нуклеиновые кислоты всегда представлены одной молекулой ДНК, отождествляемой с одной хромосомой. Среди РНК-геномных вирусов часть вирионов содержат одну молекулу нуклеиновой кислоты и являются однохромосомными. Однако к РНК-геномным вирусам относится и обширная группа многохромисомных вирусов, или вирусов с фрагментиро-ванным геномом. Геном многохромосомных вирусов представлен несколькими молекулами РНК, минимум двумя.
Многохромосомные вирусы, в свою очередь, могут быть подразделены на две подгруппы.
- К первой подгруппе относятся вирусы, у которых фрагменты генома распределены между несколькими вирионами. Вирусы такого типа принято называть ковирусами
- Ко второй подгруппе многохромосомных вирусов относятся вирусы, у которых полный набор фрагментов генома входит в состав одного вириона. Такие вирусы получили название моновирусов (ортомиксовирусы, буньявирусы, реовирусы и др.).
Внешняя оболочка вириона.
Многие более сложноорганизованные вирусы животных (ортомиксовирусы, парамиксовирусы, вирусы группы оспы), а также некоторые вирусы растений и бактерий на поверхности капсида имеют внешнюю оболочку, или суперкапсид.
Суперкапсид вирусов, как и любая другая мембрана, представлен двойным слоем липидов, в который погружены молекулы специфических белков. Содержание липидов в суперкапсидах крупных вирусов животных нередко достигает 20—40% от сухой массы вириона. Липиды суперкапсида, состоящие из нейтральных жиров, фосфолипидов, холестерина, сфингомиелина и других соединений, имеют клеточное происхождение и вирусный геном не кодирует их синтез. Обычно суперкапсид вируса формируется путем модификации участков цитоплазматической мембраны клетки хозяина в момент сборки вириона и выхода его из клетки. У некоторых крупных вирусов (вирус герпеса) суперкапсид формируется из ядерной мембраны при выходе вириона из ядра или в цитоплазме клетки, как у вируса группы оспы.
Помимо липидной фракции, в суперкапсидах сложноорганизованных вирусов обнаружены сахара. Это олигосахариды, состоящие из двух или четырех остатков, присоединенных к белковому или липидному компоненту с помощью клеточных глюкозилтрансфераз. В состав гликопротеидов и гликолипопротеидов суперкапсида входят такие сахарные остатки, как рамноза, глюкоза, манноза, галактоза, нейраминовая кислота или глюкозамин. Количество Сахаров может достигать 10—13% от сухой массы вириона. Подобно липидам углеводный компонент суперкапсида определяется клеткой, поэтому один и тот же вирус, выращенный в разных клетках, может отличаться по набору Сахаров.
Читайте также: