МОРФОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ ВИРУСОВ

Размеры вирусов определяются косвенно на микрофотографиях, микрофильтрацией либо ультрацентрифугированием. Вирус, находящийся внутри клетки, называется вирионом.

Фотографирование осуществляется в электронном микроскопе (рис. 10.2). Но вирусы прозрачны для электронов, поэтому препараты для микроскопии готовят специальным способом. Создают подложку из чистого углерода либо коллодия, на нее наносят вирионы в испаряющейся жидкости и проводят лиофильную сушку. Методом напыления на материал на подложке под углом наносят тяжелые металлы (палладий, уран). Другим способом контрастирования является метод реплик — вируссодержащий материал, очищенный от балластных белков, заливают тонким слоем пластмассы. После высыхания образуется рельефная матрица, которую просматривают в электронном микроскопе. Негативное контрастирование можно осуществить путем помещения материала на подложку и добавлением нейтрального раствора фосфовольфрамовой кислоты или урацилацетита, затекающего во все углубления вириона и создающего для электронов непроницаемый фон, на котором видны детали строения вирусных частиц.

Вид электронного микроскопа

Рис. 10.2. Вид электронного микроскопа

Масса вирионов определяется косвенно при ультрацентрифугировании в единицах Сведберга.

Размеры вирусов колеблются от 20 нм у самых мелких до 350— 400 нм (у вирусов семейства Poxviridae). 1 нм равен 10-9 метра. Колебания размеров вирусов измеряют на микрофотографиях.

Размеры частиц можно определять при их фильтрации через заведомо известные диаметры фильтров. Крупные вирионы можно видеть и в световой микроскоп в виде мелких точек (тельца Пашена при натуральной оспе).

Морфология вирусов учитывается при их классификации. Основной компонент вириона — белковая оболочка (капсид), содержащая внутри нуклеиновую кислоту. Капсиды построены из белковых субъединиц (капсомеров). Каждый капсомер — молекула белка с определенной молекулярной массой одного вида или разных видов белков. У вируса табачной мозаики 2130 одинаковых капсомеров. Капсид включает пространство сог, у многих вирусов помимо нуклеиновой кислоты есть еще специальные ферменты. Состав белков и ферментов может быть различным: у вируса герпеса — 32 белка, есть вирусы всего с 1—2 ферментами. Ферменты играют важную роль в репродукции вирусов.

По структуре вирионов выделяют простые и сложноустроенные вирионы (рис. 10.3).

Структура вирионов

Рис. 10.3. Структура вирионов

Тип симметрии определяется только нуклеокапсидом, суперкапсид при этом не учитывают. Например, вирус гриппа снаружи выглядит как сфера, нуклеокапсид имеет спиральный тип симметрии.

Икосаэдр — многогранник, он состоит из 12 вершин и 20 ребер. К данному типу симметрии относятся аденовирусы человека и животных. Капсомеры могут иметь разное строение и содержать разные белки. У аденовирусов боковые капсомеры в виде гексонов, а вершинные — пентонов (соседствуют с пятью капсомерами). От пентамеров отходят выросты (фибры), это прикрепительные белки. Икосаэдр обеспечивает прочность капсида (зашита от внешних факторов), прочная связь между капсомерами обеспечивает минимум свободной энергии.

Многие вирусы имеют суперкапсид — дополнительную оболочку сложно устроенных вирусов, или пеплос. Структурные элементы суперкапсида — шипики, или пепломеры. У вируса гриппа их 2 типа: гемагглютинины и нейраминидаза; у парагриппа два комплекса — ге- магглютинин и нейраминидаза вместе и второй так называемый белок слияния; у вирусов иммунодефицита человека они представлены гликопротеидами (GP 120). Большинство вирусов, патогенных для человека, — сложно устроенные. Если у вируса нет суперкапсида, это просто устроенные вирусы.

У большинства сложноустроенных вирусов суперкапсид — это модифицированная (путем встраивания белков вируса) цитоплазматическая мембрана клеток хозяина. Модификация идет путем встраивания шипиков вируса в участки цитоплазматической мембраны (ЦПМ). Исключением являются поксвирусы, у них суперкапсид вирусоспецифический, так как имеются собственные гены, ответственные за синтез суперкапсида. Если культивировать один и тот же вирус в разных клетках, получим разные по биохимическому составу суперкапсиды. Шипы выполняют роль прикрепительных белков на поверхности чувствительных клеток. Если их удалить жирорастворителем или детергентом, вирус полностью теряет инфекционную активность.

Биохимия вирусов также хорошо изучена. В состав вириона входят белки — 70—80%; нуклеиновые кислоты — 4—6% (РНК), 20—30% — ДНК-вирусы; липиды и углеводы в незначительных количествах.

Вирусные белки — полипептиды, которые состоят из обычных левовращающих аминокислот, отличаются лишь последовательностью. Принцип субъединичности построения капсида — полипептиды небольшой величины и повторяющиеся. Это позволяет экономить генетический материал. Если бы капсид был построен из разных белков, требовался бы огромный геном. У вируса табачной мозаики масса капсила 37,2.106 дальтон, а для кодирования этого капсида вирусом используется всего 600 нуклеотидов. Весь геном вируса составляет около 6000 нуклеотидов. Некоторые гены вирусов способны кодировать несколько белков со сдвигом рамки. Например, у вируса гриппа 8 генов, а кодируют 10 вирусных белков.

Капсид за счет упорядоченности капсомеров по сравнению с простой пептидной цепью обладает меньшей свободной энергией. На уровне вирусов действует принцип саморегуляции — самосборка капсида. Принцип самосборки вирусных белков заключается в том, что при определенных условиях (pH, температура) наблюдается спонтанная сборка вирусных белков близких капсидов. При добавлении вирусных нуклеиновых кислот этот процесс упорядочивается.

В отличие от обычных у вирусных белков изменена чувствительность к протеазам. Белки вирусов несут защитную функцию, в том числе от нуклеаз, ультрафиолетового и ионизирующего излучений. Белки обладают высокой, но не абсолютной устойчивостью, поскольку при репродукции необходимо «раздевание» вируса (освобождение генома). При этом изменяется чувствительность белков к протеазам. При проникновении в чувствительную клетку белки изменяются и легко гидролизуются протеазами. Вирусы проникают внутрь клетки за счет фагоцитоза вирусных частиц — виропексиса либо слиянием с клеточной мембраной.

Вирусные белки подразделяются на структурные и неструктурные. Структурные белки составляют суперкапсид, в составе сердцевины — геномные белки. Неструктурные белки не входят в состав вирусных частиц и обнаруживаются только в зараженной клетке в процессе репродукции. Это ферменты, осуществляющие функции регуляторов, и белки-регуляторы. Аминокислотная последовательность белков вирусов иная, чем у человека, поэтому их можно определять внутри клетки.

Синтез вирусных белков на рибосомах клеток идет по общим законам и регулируется иРНК, которая образуется на матричных вирусных нуклеиновых кислотах. Белки вирусов выполняют следующие функции.

  • 1. Защитная — экранирование нуклеиновой кислоты вируса от химических факторов, нуклеаз и т.д., благодаря этому вирусы существуют тысячи лет.
  • 2. Адресная функция — проникновение только в нужную чувствительную клетку, а не в любую.
  • 3. Регулирующие функции. Их выполняют внутриклеточные белки вирусов, ферменты, ферментные комплексы.

Вирусные нуклеиновые кислоты имеют существенные отличия от нуклеиновых кислот всех других существ. Обычно генетическая информация закодирована в двуспиральной ДНК и имеется однонитевая РНК (информационная, транспортная, рибосомальная). У вирусов в качестве геномной может быть как ДНК, так и РНК. У некоторых вирусов (РНК-геномных) вирионная РНК одновременно может выполнять роль информационной. Такие вирусы называют +нитевые. Если выделить в чистом виде такую РНК и поместить в клетку, то инфекция будет протекать так же, как если бы туда проник целый вирус. У других вирусов, нитевых, РНК не может выполнять функцию информационной.

Вирусы отличает многообразная структура нуклеиновых кислот. Их можно получить, разрушив вирус химическими (фенолом) или физическими (ультразвуком) факторами. Выделяют ДНК-содержащие вирусы, у которых она может присутствовать в виде: классической двунитевой (аденовирусы, герпесвирусы); двунитевой линейной с замкнутыми концами (оспа); двунитевой линейной с разрывами одной цепи (Т-фаги); с несколькими разрывами одной нити (каждый фрагмент — уникальный ген); двунитевой, замкнутой в кольцо со сверхвитками, (суперспирализация) или без них (тогавирусы); двунитевой, у которой внешняя нить замкнута в кольцо (L-нить), а у внутренней Уз отсутствует (S-нить, шорт), — гепаднавирусы; уникальной линейной однонитевой ДНК (парвовирусы); однонитевой замкнутой в кольцо (фаги).

РНК-содержащие вирусы также имеют несколько типов: классическая однонитевая линейная (пикорновирусы, тоговирусы, парамик- совирусы, рабдовирусы); линейная однонитевая фрагментированная (ортомиксовирусы); однонитевая фрагментированная, но каждый фрагмент замкнут в кольцо (буньявирусы); две нити, идентичные друг другу, (ретровирусы), говорят о диплоидности этих вирусов; двуните- вая фрагментированная (реовирусы).

По химическому составу вирусные РНК и ДНК сходны с клеточными. В их составе те же нуклеотиды, но отличаются метилированным урацилом.

Липиды имеют сложно устроенные вирусы, их наличие характерно для патогенных вирусов. Данный признак используется при классификации. Содержание липидов вариабельно — от 1,5 до 54% (тогавирусы). Липидный состав вирусов не постоянен, у большинства это липиды клеточного происхождения. Липиды содержатся в суперкапсиде и зависят от клетки хозяина. По липидному составу различные чувствительные клетки при помещении в них одного и того же вируса останутся разными, тогда как одинаковые клетки при включении в них разных вирусов сохранят идентичность. Липиды играют важную роль: защитная функция укрепляет белковый скелет суперкапсида. Они содержатся в виде липопротеидного или гликопротеидного комплекса. У поксвирусов синтезируются собственные липиды под контролем самого вируса, и поэтому состав липидов у них постоянен.

Углеводы входят в суперкапсид сложно устроенных вирусов преимущественно в составе различных шипиков в виде моносахаридов, аминосахаридов (2—3 цепочки в комплексе с белковым или липидным компонентом (гликопротеид, гликолипопротеид). У вируса гриппа это гемагглютини и нейраминидаза, у парагриппа — комбинированный шип гемагглютинина и нейраминидазы, у ВИЧ — поверхностные структуры gp 41 и gp 120 — гликопротеиды, у вируса клещевого энцефалита — шипы гемагглютинина.

Количество углеводов может достигать 1—3% и более, они состоят из глюкозы, маннозы, галактозы, нейраминовой кислоты. Углеводный компонент определяется клеткой хозяина, укрепляет суперкапсидную структуру, придает ей жесткость. Удаление гликопротеидных комплексов у сложно устроенных вирусов ведет к потере способности к адсорбции на чувствительных клетках. У просто устроенных вирусов углеводный компонент отсутствует.

В составе вирусов могут быть и другие компоненты: в состав полипептидов часто включаются фосфаты (аденовирусы, ретровирусы, гер- песвирусы, поксвирусы, ортомиксовирусы), их конкретная функция пока точно не установлена. У некоторых вирусов есть микроэлементы: медь, молибден. Отдельные вирусы содержат целый набор ферментов: поксвирусы — 10, ВИЧ — 4, у вируса гриппа 3 фермента. Ферменты обеспечивают этапы вирусной репродукции: реакции полимеризации (образования иРНК), репликацию (образование новых нитей нуклеиновых кислот) по принципу комплементарности. В ряде случаев ферменты синтезируются за счет генома вируса. Вирусы также активно используют клеточные ферменты, например, у гриппа гемагглютинин находится в составе шипов в неактивном состоянии и для адсорбции на клеточном эпителии необходима протеолитическая активация ге- магглютинана за счет ферментов клеточного секрета. Только после этого достигается соответствие прикрепительного белка со структурами чувствительной клетки.

У ДНК-геномных вирусов есть ДНК-зависимая полимераза, которая обеспечивает синтез иРНК. Ферменты обеспечивают модификации синтезированной цепочки НК: удлинение цепи, укорочение, «подчищение» или процессинг нуклеиновых кислот — разрезание и удаление из определенных участков 1—2 нуклеотидов, а затем сшивание этого участка лигазой. Ферменты концевого присоединения включают добавочные нуклеотиды. Эндонуклеазы и экзонуклеазы обеспечивают разрезание (деградацию) НК.

Вирусы неспособны к росту и бинарному делению, их размножение тесно связано с клеткой-хозяином. Процесс взаимодействия вирусов с чувствительной клеткой называется репродукцией. Выделяют раннюю и позднюю ее фазы. Ранняя фаза включает:

  • 1) адсорбцию вириона на чувствительной клетке;
  • 2) проникновение в клетку (пенетрация);
  • 3) раздевание вириона.

Начальные процессы адсорбции имеют неспецифический характер, в их основе может лежать электрическое взаимодействие положительно и отрицательно заряженных группировок на поверхности вируса и клетки. На адсорбцию влияет также pH, буферность среды, температура. При 4 °С адсорбция носит синхронный характер, с повышением температуры скорость адсорбции увеличивается, но она приобретает асинхронный характер. Дальнейшее взаимодействие клеточных рецепторов и вирусных прикрепительных белков носит специфический характер.

Вирусы используют рецепторы, предназначенные для проникновения в клетку необходимых для ее жизнедеятельности веществ: гормонов, ферментов, факторов роста, других питательных веществ. Клеточные рецепторы имеют разную химическую природу. Так, для вируса гриппа и парагриппа рецепторами являются структуры, содержащие сиаловую (нейраминовую) кислоту.

Прикрепление вириона к клеточной поверхности. Вначале происходит образование единичной связи прикрепительного белка с рецептором — обратимая адсорбция. В этот момент, изменяя pH среды, воздействуя ультразвуком, антителами, можно удалить вирион с поверхности клетки. Для того чтобы наступила необратимая адсорбция, должны появиться множественные связи между вирионами и клеточными рецепторами. Число молекул клеточных рецепторов, участвующих в адсорбции, может доходить до 3000.

Прикрепительные белки вирусов могут находиться в составе уникальных образований, таких как фибры у аденовирусов, у сложно организованных вирусов эти белки входят в состав шипов на поверхности суперкапсиды, например, у вируса гриппа имеется 300—450 шипов гемагглютинина. Просто организованные вирусы содержат прикрепительные белки в составе капсида.

Проникновение (пенетрация) вирусов в клетку осуществляется за счет двух механизмов, взаимодополняющих друг друга, — путем ви- ропексиса (эндоцитоза) и путем слияния вирусной и клеточной мембраны.

Термин «виропексис», предложенный в 1948 г. Фазекасом де Сан Гро, означает, что вирион попадает в цитоплазму в результате инвагинации участка плазматической мембраны и образования вакуоли. Виропексис является частным случаем рецепторного эндоцитоза, который является механизмом, обеспечивающим поступление в клетку аминокислот, нуклеотидов, гормонов и других веществ из межклеточной жидкости. Большинство вирусов проникает в клетку путем рецептороного эндоцитоза. Некоторые проникают в клетку за счет механизма слияния. Функцию белка слияния у вируса гриппа выполняет малая гемагглютинирующая субъединица НА2, у вирусов парагриппа белок слияния — fusion protein (англ, fusion — слияние)

Раздевание вируса происходит параллельно с его проникновением. В результате раздевания освобождается внутренний компонент вируса, способный вызвать инфекционный процесс. Раздевание ви- риона осуществляют ферменты клетки: липазы и протеазы. Оно сопровождается рядом характерных особенностей: вирион теряет инфекционную активность, появляется чувствительность кнуклеазам, возникает устойчивость к нейтрализующему действию антител и др. Раздевание вириона осуществляется постепенно. Так, вирус гриппа вначале теряет липопротеиновую оболочку, на втором этапе удаляется М-белок и освобождается нуклеокапсид.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >