Вирусный капсид состоит из молекул

Обновлено: 07.05.2024

Природа создала множество биологических наноустройств и наномашин, элементы которых могут быть перепрограммированы для решения задач современной биологии и медицины. Одна из областей их применения — биофармацевтика. Молекулы белка, ДНК, РНК и их комплексы успешно применяются для конструирования терапевтических препаратов и вакцин. Это основа медицины будущего, которая будет базироваться на применении интеллектуальных лекарств, избирательно действующих на инфекционные агенты или на биополимеры, определяющие функционирование клеток человека.

Об авторах

Анастасия Леонидовна Алексеева — аспирантка, сотрудница лаборатории биохимии нуклеиновых кислот Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск), Автор и соавтор 4 научных работ.

Александра Ильинична Неуместова — аспирантка, сотрудница лаборатории биохимии нуклеиновых кислот Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск).

Марина Аркадьевна Зенкова — доктор биологических наук, профессор, заведующая лабораторией биохимии нуклеиновых кислот Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск). Автор и соавтор 252 научных работ и 18 патентов.

Широкое использование вирусов обусловлено их уникальным строением и образом жизни: они полностью инертны вне организма хозяина и не имеют клеточного строения. Структура их генома очень разнообразна: вирусы могут содержать одну или несколько молекул РНК или ДНК, которые могут принимать линейную, кольцевую или сегментированную форму.

Роль клеточного ядра, защищающего геном вируса, выполняет капсид, состоящий из структурных белков и ферментов. Более сложно организованные вирусные частицы могут иметь дополнительные оболочки — суперкапсиды. Эти липопротеидные структуры включают в себя гликопротеины — белки, взаимодействующие с поверхностными клеточными рецепторами, что обеспечивает проникновение вирусов внутрь заражаемой клетки. Вирус может содержать более одного типа гликопротеинов, например, у вируса гриппа их два: гемагглютинины и нейраминидаза.

На поверхности липидной оболочки вируса гриппа располагаются два типа гликопротеинов — гемагглютинины и нейраминидаза. Вирусная частица прикрепляется к клетке путем формирования комплекса между молекулами гемагглютининов и сиаловой кислоты на поверхности клетки, а затем проникает внутрь нее путем эндоцитоза — впячивания мембраны и формирования пузырьков. Высвобождение вирусной РНК из везикулы происходит при снижении pH внутри нее до значения 5.0. В результате мембрана вируса сливается с эндосомальной мембраной, и генетический материал выходит наружу и проникает в ядро клетки. По: (Рябчикова, 2009)

Природные наноконтейнеры

Так возникла идея решить эту проблему с помощью виросом — вирусных частиц, освобожденных от генетического материала, но содержащих поверхностные гликопротеины. Подобные частицы обладают важным свойством: сохраняют способность избирательно связываться с определенными клетками, доставляя в них свое содержимое.

Для получения виросом вирусные частицы разлагают на составляющие компоненты с помощью неионных детергентов, эффективно разрушающих межлипидные и липид-белковые связи и, как правило, не нарушающих структуру белков. Генетический материал вируса удаляют из раствора с помощью скоростного центрифугирования (около 100 000 g). При удалении детергента из оставшегося раствора происходит самосборка вирусной оболочки с сохранением первоначального набора белков. Для включения в виросомы лекарства его добавляют в раствор до удаления детергента. Один из подходов для включения макромолекул — проведение нескольких циклов замораживания-оттаивания виросом, при которых идет захват материала из раствора. Можно модифицировать липидную мембрану виросом (например, вводя холестерин), что повышает ее устойчивость, или присоединить к ней адресующие молекулы

Возможность доставки лекарственных средств с помощью виросом была показана на примере подавления синтеза белков вируса гепатита С в организме животных. В виросомы, сделанные на основе вируса Сендай, заключили короткие шпилечные РНК, способные ингибировать наработку белка вируса гепатита С в зараженных клетках. В результате внутривенного введения такого препарата удалось эффективно снизить количество исследуемого вирусного белка в клетках печени больных мышей (Subramanian et al., 2009).

Безопасные вакцины

Наиболее часто вакцинные препараты на основе виросом конструируют из вируса гриппа. Причина — способность его белков-гемагглютининов связываться с молекулами сиаловой кислоты на поверхности антигенпрезентирующих клеток иммунной системы. Главная функция этих клеток — захват и презентация чужеродных белков лимфоцитам, отвечающим за развитие иммунного ответа и последующее формирование иммунологической памяти в организме. Если виросома будет содержать такой чужеродный антиген, он также попадет в антигенпрезентирующие клетки, и в организме может сформироваться устойчивая защита от патогена. На иллюстрации — варианты размещения антигена в виросомах на основе вируса гриппа: а — внутри виросомы; б — в комплексе с гемагглютининами; в — адсорбированные на мембране; г — погруженные в липидный слой

Строение вирусов. Классификация вирусов

Вирусы классифицируют по типу генетического материала, способам репликации, строению и расположению структурных белков (капсидов), а также наличию или отсутствию оболочки.

Генетическая структура и способы репликации ДНК-вирусы. Могут быть только двунитевыми и одноните-выми. К. первым относят вирус оспы, герпес-вирусы, аденовирусы, паповавирусы и полиомавирусы. Последние два вируса вызывают развитие доброкачественных (бородавки) и злокачественных (рак шейки матки) опухолей. Вирус гепатита В частично дву- и однонитевой. К однонитевым вирусам относят парвовирусы, вызывающие инфекционную эритему.

Репликация ДНК-вирусов обычно происходит в ядре клеток хозяина и сопровождается продукцией полимераз, воспроизводящих вирусную ДНК. При этом последняя не всегда встраивается в хромосомную ДНК хозяина.

РНК-вирусы. Эти вирусы содержат однонитевую РНК, но различаются по стратегии репродукции, (вирусы, содержащие плюс-однонитевую РНК и минус-однонитевую РНК). У плюс-однонитевых вирусов РНК транслируется в структурные белки и служит матрицей (мРНК) для РНК-зависимой РНК-полимеразы.

В состав минус-однонитевых вирусов входит собственная РНК-зависимая РНК-полимераза, продуцируемая на базе генома вируса мРНК. Последняя в свою очередь может быть матрицей для продукции вирусной (минус-однонитевой) РНК.

Строение капсидов вирусов. Вирусная нуклеиновая кислота покрыта белковой оболочкой, состоящей из повторяющихся единиц (капсида) с икосаэдрическим (кубическим) или спиральным типами симметрии. Капсиды вирусов с икосаэдрическим типом симметрии имеют практически сферическую форму. Спиральный тип симметрии свойствен РНК-вирусам, капсиды которых окружают нуклеиновую кислоту, располагающуюся в виде спирали.

Капсид состоит из повторяющихся компонентов (капсомеров), количество генов, кодирующих его, снижено, тем самым облегчён процесс сборки вируса.

Оболочка вирусов. В некоторых случаях нуклеиновая кислота и капсидные белки вируса (нуклеокапсид) окружены липидной оболочкой, состоящей из компонентов клетки хозяина или ядерных мембран. Мембрана клетки хозяина изменяется под действием белков, кодируемых вирусом, или гликопротеинов, выступающих в роли рецепторов для других клеток хозяина. Покрытые оболочкой вирусы чувствительны к действию веществ, растворяющих липидную мембрану (например, эфиров).

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Капсид вируса. Функции капсида вирусов. Капсомеры. Нуклеокапсид вирусов. Спиральная симметрия нуклеокапсида. Кубическая симметрия капсида.

Генетический материал вирусов упакован в специальный симметричный футляр — капсид [от лат. capsa, футляр]. Капсид представлен белковой оболочкой, состоящей из повторяющихся субъединиц. Основные функции капсида — зашита вирусного генома от внешних воздействий, обеспечение адсорбции вириона к клетке, проникновение его в клетку путём взаимодействия с клеточными рецепторами.

Капсид образуют одинаковые по строению субъединицы — капсомеры, организованные в один или два слоя по двум типам симметрии — кубическому или спиральному. Симметричность капсида связана с тем, что для упаковки генома требуется большое количество капсомеров, а компактное их соединение возможно лишь при условии симметричного расположения субъединиц. Формирование капсида напоминает процесс кристаллизации и протекает по принципу самосборки. Число капсомеров строго специфично для каждого вида и зависит от размеров и морфологии вирионов. Капсомеры (морфологические единицы вирусов) образуют молекулы белка— протомеры (структурные единицы). Протомеры могут быть мономерными (содержать один полипептид) либо полимерными (включать несколько полипептидов).

Нуклеокапсид вирусов

Комплекс капсида и вирусного генома называют нуклеокапсидом. Он повторяет симметрию капсида, то есть обладает спиральной либо кубической симметрией соответственно (рис. 2-2).

Спиральная симметрия. В нуклеокапсиде взаимодействие нуклеиновой кислоты и белка осуществляется по одной оси вращения. Каждый вирус со спиральной симметрией обладает характерной длиной, шириной и периодичностью нуклеокапсида. Нуклеокапсиды большинства патогенных для человека вирусов имеют спиральную симметрию (например, коронавирусы, рабдовирусы, пара- и ортомиксовирусы, буньявирусы и ареновирусы). К этой группе относят и вирус табачной мозаики. Организация по принципу спиральной симметрии придаёт вирусам палочковидную форму. При спиральной симметрии белковый чехол лучше защищает наследственную информацию, но требует большого количества белка, так как покрытие состоит из сравнительно крупных блоков.

Кубическая симметрия. У подобных вирусов нуклеиновая кислота окружена капсомерами, образующими фигуру икосаэдра— многогранника с 12 вершинами, 20 треугольными гранями и 30 углами. К вирусам с подобной структурой относят аденовирусы, реовирусы, иридови-русы, герпесвирусы и пикорнавирусы. Организация по принципу кубической симметрии придаёт вирусам сферическую форму. Принцип кубической симметрии — самый экономичный для формирования замкнутого капсида, так как для его организации используются сравнительно небольшие белковые блоки, образующие большое внутреннее пространство, в которое свободно укладывается нуклеиновая кислота.

Двойная симметрия. Некоторые бактериофаги (вирусы бактерий) имеют двойную симметрию: головка организована по принципу кубической симметрии, отросток — по принципу спиральной симметрии. Отсутствие постоянной симметрии. Для вирусов больших размеров (например, для поксвирусов) характерно отсутствие постоянной симметрии.

В состав нуклеокапсидов также входят внутренние белки, обеспечивающие правильную упаковку генома, а также выполняют структурную и ферментативную функции. Вирусные ферменты разделяют на вирионные и вирусиндуцированные. Первые входят в состав вирионов и участвуют в транскрипции и репликации (например, обратная транскриптаза), вторые закодированы в вирусном геноме (например, РНК-полимераза орто- и парамиксовирусов или ДНК-полимераза герпесвирусов). Вирионные ферменты также подразделяют на две функциональные группы: ферменты первой группы обеспечивают проникновение вирусных нуклеиновых кислот в клетку и выход дочерних популяций; ферменты второй группы участвуют в процессах репликации и транскрипции вирусного генома. В капсидах могут присутствовать ферменты обеих групп.

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.

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.

Капсид – белковая оболочка вириона, окружающая нуклеиновую кислоту [3] .

Капсид выполняет ряд специфических функций, необходимых для успешного функционирования вируса. У некоторых вирионов капсиды окружены дополнительной мембраной – суперкапсидом [1] .

Функции капсида

Капсид выполняет следующие функции:

защищает нуклеиновую кислоту от внешних воздействий (химических, механических или физических);
определяет величину антигенной активности;
в самом начале заражения – прикрепляется к оболочке клетки, разрывает ее и способствует внедрению в клетку генного материала [3] .

Строение капсида

Капсид состоит из отдельных субъединиц – капсомеров, расположенных в определенной симметричной последовательности, определяющей форму вириона [2] .

Выделяют две основных последовательности: спиральная симметрия и кубическая (икосаэндрическая) симметрия. Третья последовательность расположения капсомеров – комбинированная [2] .

Вирион с капсидом кубической симметрии

Спиральная симметрия

Вирионы со спиральной симметрией характеризуются палочковидной или нитевидной формой. Все они имеют довольно высокое отношение содержания белка к нуклеиновой кислоте [2] .

При спиральной симметрии капсида вирусная нуклеиновая кислота располагается в виде спиральной или винтообразной фигуры, полой внутри. Капсомеры укладываются вокруг нее так же по спирали, образуя трубчатый капсид [3] .

Наиболее изучены в структурном отношении вирионы со спиральной симметрией у вируса табачной мозаики. Длина его вириона, определенная на основании электронной микрофотографии, составляет 300 нм, диаметр 15 нм. В составе вирусной частицы имеется одна молекула РНК, размером около 6 тысяч нуклеотидов. Капсид состоит из двух тысяч идентичных субъединиц белка, уложенных по спирали [2] .

Вирионы других палочковидных вирусов имеют сходную с вирусом табачной мозаики структуру. Отличает их размер шага спирали и период идентичности субъединиц. В частности вирионы штриховатой мозаики ячменя (род Hordeivirus) представлены частицами трех различных длин: от 110 до 150 нм. Шаг спирали – 2,6 нм. Период идентичности структуры вдоль продольной оси равен пяти оборотам основной спирали [3] .

Нитевидные вирионы (род Potexvirus, род Potyvirus, род Closterovirus) имеют спираль с шагом от 3,3 до 3,6 нм [2] .

Вирион с капсидом спиральной симметрии

Кубическая симметрия

При кубическом типе симметрии вирусная нуклеиновая кислота уложена плотно (свернута в клубок), белковые молекулы окружают ее, формируя многогранник (икосаэдр).Отметим, что икосаэнд – это правильный многогранник с 12 вершинами, 20 гранями и 30 ребрами, с кубической симметрией и приблизительно сферической формой [3] [2] . Именно так выглядит в электронном микроскопе капсид изомерических (сферических) вирионов. Он представлен агрегатами капсомеров, стоящих из 2–6 субъединиц. Обычно это пентамеры и гексамеры [3] [2] .

Примером икосаэдрического вируса служит вирус огуречной мозаики (род Cucumovirus). Белковая оболочка этого вируса составлена из 180 субъединиц, сгруппированных в 32 капсомера (12 пентамеров и 20 гексамеров). Диаметр вириона – 30 нм. Значительная доля РНК глубоко погружена в белковую оболочку [2] .

Из числа зоопатогенных вирусов кубической симметрией капсида характеризуется вирус герпеса и реовирусы [3] .

Комбинированная симметрия

Некоторые вирусы характеризуются вирионами с комбинированной симметрией. В этом случае их форму определяют как бацилловидную (удлиненные вирионы с закруглением на обоих концах) или пулевидную (вирионы закруглены только на одном конце) [2] .

Такие вирионы состоят из икосаэдрической головки и хвоста со спиральной симметрией [3] . Примером фитовируса с комбинированной симметрией служит вирус мозаики люцерны с бациловидной формой вирионов. Их толщина равна 18 нм, длина – 58 нм,48 нм, 36 нм,28нм. Содержание РНК около 18% [2] .

К этой же группе относятся вирусы с бацилловидными и пулевидными вирионами, имеющими сложное строение. Это вирус желтой карликовости картофеля (род Nucleorhadovirus), его капсид состоит из трех слоев. Вирус некротического пожелтения салата-латука (род Cytorhabdovirus), вирус мозаики кукурузы (род Nucleorhabdovirus) [2] .

Кроме того комбинированную симметрию имеют колифаги Т2 и Т4 – это бактериофаги, инфицирующие клетки кишечной палочки. [3] .

Читайте также: