Оглавление

Введение

     Вирусы — это организмы, не способные существовать и размножаться самостоятельно. Они относятся к царству Vira.

     В определении вируса подчеркивается особая природа их паразитизма, который  можно назвать паразитизмом на генетическом уровне. Тот факт, что вирусы способны выживать и размножаться только внутри других клеток, объясняется не отсутствием собственной клеточной организации, а их потребностью в поступлении готовых источников питания. Если бактерии обладают способностью расти и размножаться на искусственных питательных средах, то вирусы, напротив, как настоящие клеточные паразиты, полностью зависят от обмена веществ в клетке-хозяине. Сейчас уже доказано, что отношение вирус—хозяин не ограничивается лишь питанием, а носит более сложный характер¹.

     Когда стали возможны современные методы исследования, с помощью электронного микроскопа удалось выявить детали структуры вирусов.

     От  бактерий вирусы отличаются простотой  строения. Они состоят из нуклеиновой  кислоты и белковой оболочки, которая  называется «капсид».

     Изучение вирусов началось в 1892 году, когда Д.И. Ивановский открыл вирус табачной мозаики. Вскоре, в 1898 году, была доказана вирусная природа ящура, а в 1917 году - были открыты бактериофаги. Вирусы сначала считали микроорганизмами, а бактериофаги - и вовсе разновидностью ферментов. В 60-х годах благодаря развивающейся молекулярной биологии, было введено понятие вириона - единицы вируса, и стало понятно, что вирусы не являются организмами. В 1962 году на 1-м Международном симпозиуме было сформулировано основное отличие вирусов от других живых организмов: генетический материал вирусов - или ДНК, или РНК, а организмы имеют оба типа нуклеиновых кислот. Другое главное отличие - отсутствие у вирусов собственных систем синтеза белка².   

       Представители царства Вира не только не являются организмами, к ним неприменимы основные таксонометрические единицы биологии: особь, популяция, вид. Сначала казалось, что единица вируса - вирион - белковый кокон, с заключенной внутри вирусной ДНК или РНК. Но выяснилось, что один вирион содержит не все гены вируса, а лишь их фрагменты. Синтез новых вирусов начинается в зараженной клетке, когда в нее проникнут вирионы со всеми фрагментами генотипа - их может быть от 2 до 28. Потому нельзя сказать, что вирион - "вирусная особь". Но даже множество вирионов не образуют вирусную популяцию. Рядом с ними всегда будут так называемые дефектные вирусы и вирусы-саттелиты, - вирусы паразитирующие на другом вирусе. Дефектные вирусы размножаются в клетке только при наличии полноценного вируса-помощника (используя его гены, если дефект самого вируса - дефект гена полимеразы, или используя его белки - если у него дефект гена внутренних или оболочечных белков). При смешанных инфекциях генотип одного вируса находится в оболочке другого. Другой тип паразитирующих вирусов - саттелиты. Они используют полноценный неродственный вирус, и при репликации новый саттелит всегда имеет дефект в генотипе, не позволяющий ему самостоятельно размножаться³.   

       Есть разновидности вирусов, которые  всегда находятся в клетке - плазмиды, они часто выполняют полезные функции в клетках бактерий (например, синтезируют токсины, убивающие насекомых, или ферменты, разрушающие антибиотики), их репликация обеспечивается клеткой, а их гены не кодируют синтез белков. Прионы - возбудители спогиформных энцефалопатий (болезнь куру, болезнь Крейтцфельда-Якоби) - это результат выхода из-под контроля генов, кодирующих белки, в результате чего поражаются нервные клетки.   

       Целью данной работы является изучение биохимической структуры вирусов.

     Для достижения поставленной цели в работе рассмотрим следующие задачи:

1. изучим  общее строение вирусов;

2. на  основе общего строения вирусов  рассмотрим более детально нуклеиновый  состав вирусов; строение белков, липидов и углеводов.

1. Особенности строения вирусов

     Вирусы  – это мельчайшие микробы (их размеры колеблются от 12 до 500 нанометров), не имеющие клеточного строения, белок-синтезирующей системы, содержащие только один тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК).

     Важнейшими  отличительными особенностями вирусов являются следующие⁴:

     1. Они содержат в своем составе  только один из типов нуклеиновых  кислот: либо рибонуклеиновую кислоту  (РНК), либо дезоксирибонуклеиновую (ДНК), - а все клеточные организмы,  в том числе и самые примитивные  бактерии, содержат и ДНК, и РНК одновременно.

     2. Не обладают собственным обменом  веществ, имеют очень ограниченное  число ферментов. Для размножения  используют обмен веществ клетки-хозяина,  ее ферменты и энергию.

     3. Могут существовать только как  внутриклеточные паразиты и не  размножаются вне клеток тех организмов, в которых паразитируют.

     Вирусы  состоят из следующих основных компонентов:

     1. Сердцевина - генетический материал (ДНК либо РНК), который несет  информацию о нескольких типах  белков, необходимых для образования  нового вируса.

     2. Белковая оболочка, которую называют  капсидом (от латинского капса  - ящик). Она часто построена из  идентичных повторяющихся субъединиц - капсомеров. Капсомеры образуют  структуры с высокой степенью  симметрии.

     3. Дополнительная липопротеидная  оболочка. Она образована из плазматической мембраны клетки-хозяина и встречается только у сравнительно больших вирусов (грипп, герпес).

     Капсид  и дополнительная оболочка несут  защитные функции, как бы оберегая нуклеиновую  кислоту. Кроме того, они способствуют проникновению вируса в клетку. Полностью сформированный вирус называется вирионом.

     Вирусы  способны размножаться только в клетках  других организмов. Вне клеток организмов они не проявляют никаких признаков  жизни. Многие из них во внешней среде  имеют форму кристаллов. Размеры вирусов колеблются в пределах от 20 до 300 нм в диаметре⁵.

     Хорошо  изучен вирус табачной мозаики, имеющий  палочковидную форму и представляющий собой полый цилиндр. Стенка цилиндра образована молекулами белка, а в  его полости расположена спираль РНК (рис. 1). Белковая оболочка защищает нуклеиновую кислоту от неблагоприятных условий внешней среды, а также препятствует проникновению ферментов клеток к РНК и ее расщеплению.

     Рис. 1. Схема строения вируса (а) и бактериофага (б); 1— нуклеиновая кислота; 2 — белковая оболочка; 3 — полый стержень; 4 — базальная пластинка; 5 — отростки (нити). 

     Молекулы  вирусной РНК могут самовоспроизводиться. Это означает, что вирусная РНК  является источником генетической информации и одновременно иРНК. Поэтому в пораженной клетке в соответствии с программой нуклеиновой кислоты вируса на рибосомах клетки хозяина синтезируются специфические вирусные белки и осуществляется процесс самосборки этих белков с нуклеиновой кислотой в новые вирусные частицы. Клетка при этом истощается и погибает. При поражении некоторыми вирусами клетки не разрушаются, а начинают усиленно делиться, часто образуя у животных, в том числе и человека, злокачественные опухоли.

     Поскольку основу всего живого составляют генетические структуры, то и вирусы классифицируют сейчас по характеристике их наследственного  вещества - нуклеиновых кислот. Все  вирусы подразделяют на две большие  группы: ДНК-содержащие вирусы (дезоксивирусы) и РНК-содержащие вирусы (рибовирусы). Затем каждую из этих групп подразделяют на вирусы с двухнитчатой и однонитчатой нуклеиновыми кислотами. Следующий критерий - тип симметрии вирионов (зависит от способа укладки капсомеров), наличие или отсутствие внешних оболочек и т.п.

     Ниже  в таблице 1 представлена современная классификация вирусов и в качестве примера приведены наиболее известные вирусы.

     Таблица 1.

     Приведенная таблица имеет некоторое сходство с таблицей Менделеева. В ней тоже есть незаполненные места. Так, например, до сих пор неизвестны дезоксивирусы  со свойствами 2.2 (однонитчатая ДНК, спиральный тип симметрии) или рибовирусы со свойствами 1.2 (РНК двухнитчатая, смешанный тип симметрии). Может быть, что таких вирусов и нет в природе, а может, их еще не открыли. Совсем недавно рибовирусы со свойствами 1.1.1 не были известны, но затем оказалось, что к ним относятся реовирусы и сходные с ними вирусы раневых опухолей растений. То же самое относится и к дезоксивирусам со свойствами 2.1.1.

     Ближайшие годы покажут, реализовала ли природа  все возможные схемы строения вирусов, или некоторые из них  оказались нежизненными и потому нереализованными.

     Рис. 2. Схематичное изображение расположения капсомеров в капсиде вирусов. Спиральный тип симметрии имеет вирус гриппа - а. Кубический тип симметрии у вирусов: герпеса - б, аденовируса - в, полиомиелита - г. 

     Из  таблицы классификации вирусов  видно, что разнообразие в царстве  вирусов значительно более выражено, нежели в растительном и животном мире, если за основу взять характеристику генетических структур. В самом деле, все животные и растения - от амебы до человека и от бактерии до цветкового растения - имеют генетический материал в виде двухнитчатой ДНК. У вирусов же генетическим материалом могут быть однонитчатые и двухнитчатые формы обеих нуклеиновых кислот.

2. Нуклеиновые кислоты вирусов

     В отличие от клеток вирусы содержат лишь один вид нуклеиновой кислоты  – либо РНК, либо ДНК. И та, и другая может быть хранителем наследственной информации, выполняя таким образом функции генома.

     Вирусные  нуклеиновые кислоты характеризуются  поразительным разнообразием форм. Вирусный геном может быть представлен как однонитчатым, так и двунитчатыми молекулами РНК и ДНК. ДНК может быть как линейной, так и кольцевой молекулой, РНК – как непрерывной, так и фрагментированной и кольцевой молекулой (рис.3).

Рис.3. типы молекул вирусных ДНК и РНК. 

ДНК: 1 – парвовирусов; 2 – фага XI74; 3 – аденовирусов, вирусов герпеса; 4 – фага Т5; 5 – вирусов оспы; 6 – паповавирусов; 7 – вируса гепатита В.

РНК: 1 – пикорнавирусов, тогавирусов, парамиксовирусов, рабдовирусов; 2 –  ортомиксовирусов, аренавирусов; 3 – буньявирусов; 4 – реовирусов; 5 –  ретровирусов. 
 
 

     Геном вирусов включает⁶:

• Структурные гены, которые кодируют белки. Занимают примерно 95 % вирусной хромосомы. Белки вирусов можно разделить на несколько групп: структурные, ферменты, регуляторы.
• Регуляторные последовательности, которые не кодируют белки: промоторы, операторы и терминаторы.
• Прочие некодирующие участки (сайты), в том числе:

• участок attP, обеспечивающий интеграцию вирусной хромосомы в хромосому клетки–хозяина;
• участки cos – липкие концевые участки линейных вирусных хромосом, обеспечивающие замыкание линейной хромосомы в кольцевую форму.

     Гены, кодирующие рРНК и тРНК, в геноме вирусов обычно отсутствуют. Однако в геноме крупного фага Т4 имеются гены, кодирующие несколько тРНК.

     Геном вирусов отличается высокой плотности  упаковки информации. Например, у фага φ Х174 в пределах одного гена может  располагаться еще один ген (на рисунке кольцевая ДНК представлена в линейной форме). В частности, ген В находится в пределах гена А, а ген Е – в пределах гена D: 

     У мелкого РНК–содержащего фага f2 ген регуляторного белка, блокирующего лизис (созревание вирионов и разрушение клетки), перекрывается с двумя другими генами, удаленными друг от друга: 
 
 

      Экспрессия (транскрипция и трансляция) вирусных генов происходит в том случае, если геном вируса представлен двунитевой ДНК (у РНК–содержащих вирусов необходим перевод информации в ДНК). Из-за полярности ДНК транскрипция идет только в одном направлении, то есть ген имеет начало и конец. Тогда «правые» гены не будут транскрибироваться РНК–полимеразой, движущейся влево, и наоборот. При этом один и тот же ген может транскрибироваться с разных промоторов; в этом случае экспрессия генов контролируется разными механизмами⁷.

1. Вирусные  ДНК

     Молекулярная  масса ирусных ДНК варьирует  в широких пределах от 1×10⁶ до 250×10⁶. Самые большие вирусные геномы содержат несколько сотен генов, а самые маленькие содержат информацию, достаточную для синтеза лишь несколько белков.

     В геномах, представленных двунитчатыми ДНК, информация обычно закодирована на обеих нитях ДНК. Это свидетельствует о максимальной экономии генетического материала у вирусов, что является неотъемлемым свойством их как генетической информации не может быть проведена по молекулярной массе молекул⁸.

     Хотя  в основном структура ДНК уникальна, т.е. большинство нуклеотидных последовательностей встречаются лишь по одному разу, однако на концах молекул имеются повторы, когда в концевом фрагменте линейной ДНК повторяется ее начальный участок. Повторы могут быть прямыми и инвертированными⁹.

     Способность к приобретению кольцевой формы, которая потенциально заложена в  концевых прямых и инвертированных  повторах, имеет большое значение для вирусов. Кольцевая форма  обеспечивает устойчивость ДНК к экзонуклеазам. Стадия образования кольцевой формы обязательна для процесса интеграции ДНК с клеточным геномом. Наконец, кольцевые формы представляют собой удобный и эффективный способ регуляции транскрипции и репликации ДНК.

     В составе вирионов, содержащих однонитчатую ДНК, обычно содержатся молекулы ДНК одной полярности. Исключение составляют адноассоциированные вирусы, вирионы которых содержат ДНК либо одной полярности (условно называемой «плюс»), либо ДНК с противоположным знаком (условно «минус»). Поэтому тотальный препарат вируса состоит из двух типов частиц, содержащих по одной молекуле «плюс»- или «минус»-ДНК.

     Инфекционный  процесс при заражении этими  вирусами возникает лишь при проникновении  в клетку частиц обоих типов.

     Первый  этап репликации вирусов связан с проникновением вирусной нуклеиновой кислоты в клетку организма-хозяина. Этому процессу могут способствовать специальные ферменты, входящие в состав капсида или внешней оболочки вириона, причем оболочка остается снаружи клетки или вирион теряет ее сразу после проникновения внутрь клетки. Вирус находит подходящую для его размножения клетку, контактируя отдельными участками своего капсида (или внешней оболочки) со специфическими рецепторами на поверхности клетки по типу «ключ – замок». Если специфические («узнающие») рецепторы на поверхности клетки отсутствуют, то клетка не чувствительна к вирусной инфекции: вирус в нее не проникает¹⁰.

     Для того чтобы реализовать свою генетическую информацию, проникшая в клетку вирусная ДНК транскрибируется специальными ферментами в мРНК. Образовавшаяся мРНК перемещается к клеточным «фабрикам» синтеза белка – рибосомам, где она заменяет клеточные «послания» собственными «инструкциями» и транслируется (прочитывается), в результате чего синтезируются вирусные белки. Сама же вирусная ДНК многократно удваивается (дуплицируется) при участии другого набора ферментов, как вирусных, так и принадлежащих клетке.

     Синтезированный белок, который используется для  строительства капсида, и размноженная во многих копиях вирусная ДНК объединяются и формируют новые, «дочерние» вирионы. Сформированное вирусное потомство покидает использованную клетку и заражает новые: цикл репродукции вируса повторяется. Некоторые вирусы во время отпочковывания от поверхности клетки захватывают часть клеточной мембраны, в которую «заблаговременно» встроились вирусные белки, и таким образом приобретают оболочку. Что касается клетки-хозяина, то она в итоге оказывается поврежденной или даже полностью разрушенной¹¹.

     У некоторых ДНК-содержащих вирусов  сам цикл репродукции в клетке не связан с немедленной репликацией вирусной ДНК; вместо этого вирусная ДНК встраивается (интегрируется) в ДНК клетки-хозяина. На этой стадии вирус как единое структурное образование исчезает: его геном становится частью генетического аппарата клетки и даже реплицируется в составе клеточной ДНК во время деления клетки. Однако впоследствии, иногда через много лет, вирус может появиться вновь – запускается механизм синтеза вирусных белков, которые, объединяясь с вирусной ДНК, формируют новые вирионы¹².

2. Вирусные  РНК

     Из  нескольких сотен известных в  настоящее время вирусов человека и животных РНК-геном содержит около 80% вирусов. Способность РНК хранить  наследственную информацию является уникальной особенностью вируса.

     У просто организованных и некоторых сложно организованных вирусов вирусная РНК в отсутствие белка может вызвать инфекционный процесс. Впервые инфекционная активность РНК вируса табачной мозаики была продемонстрирована Х.Френкель-Конратом и соавт. в 1957г. и А. Гирером и Г.Шраммом в 1958г. Впоследствии положение об инфекционной активности РНК было перенесено на все РНК-содержащие вирусы, однако долголетние усилия доказать это для таких вирусов, как вирусы гриппа, парамиксовирусы, рабдовирусы (так называемые минус-нитевые вирусы), оказались бесплодными: у этих вирусов инфекционной структурой являются не РНК, а комплекс РНК с внутренними белками. Таким образом, геномная РНК может обладать инфекционной активностью в зависимости от своей структуры¹³.

     Структура вирусных РНК чрезвычайно разнообразна. У вирусов обнаружены однонитчатые и двунитчатые, линейные, фрагментированные и кольцевые РНК. РНК-геном в основном является гаплоидным, но геном ретровирусов – диплоидный, т.е. состоит из двух идентичных молекул РНК.

     Однонитчатые  РНК. Молекулы однонитчатых вирусных РНК существуют в форме одиночной полинуклеотидной цепи со спирализированными ДНК-подобными участками. При этом некомплементарные нуклеотиды, разделяющие комплементарные участки, могут выводиться из состава сперализованных участков в форме различных «петель» и «выступов» (рис.4). Суммарный процент спирализации вирусных РНК не обнаруживает каких-либо особенностей по сравнению с таковыми у клеточных РНК.

     Вирусы, содержащие однонитчатые РНК, делятся  на две группы. У вирусов первой группы вирусный геном обладает функциями информационной РНК, т.е. может непосрдственной переносить закодированную в нем информацию на рибосомы. По предложению Д.Балтимора (1971), РНК со свойствами информационной условно обозначена знаком «плюс» и в связи с этим вирусы, содержащие такие РНК (пикорнавирусы, тогавирусы, коронавирусы, ретровирусы), обозначены как «плюс-нитевые» вирусы, или вирусы с позитивным геномом¹⁴.

     Рис. 4. Вторичная структура  вирусных РНК (схема). 

     Вторая  группы РНК-содержащих вирусов содержит геном в виде однонитчатой РНК, которая сама не обладает функциями иРНК. В этом случае функцию иРНК выполняет РНК, комплементарная геному. Синтез этой РНК (транскрипция) осуществляется в зараженной клетке на матрице геномной РНК с помощью вирусспецифического фермента – транскриптазы. В составе «минус-нитевых» вирусов обязательно присутствие собственного фермента, осуществляющего транскрипцию геномной РНК и синтез иРНК, т.к. аналога такого фермента в клетках нет. Геном этих вирусов условно обозначают как «минус»-РНК, а вирусы этой группы как «минус-нитевые» вирусы, или вирусы с негаивным геномом. К этим вирусам относятся ортомиксовирусы, парамиксовирусы, буньявирусы, рабдовирусы. РНК этих вирусов не способна вызвать инфекционный процесс.

     В соответствии с разными свойствами вирусных РНК между двумя группами вирусов есть и структурные различия. Поскольку РНК «плюс-нитевых» вирусов выполняет функцию иРНК, она имеет специфические структурные особенности, характерные для 5¢- и 3¢-концов этих РНК.

     5¢-Конец клеточных и вирусных РНК обычно имеет структуру так называемой шапочки (по-английски «сар»):

где m⁷G представляет собой 7-метилгуанин, присоединенный через пирофосфатную связь к гуаниловому нуклеотиду, сахарный остаток которого также метилирован по второму углеродному атому. На 3¢-конце информационных РНК имеются поли(А), количество которых достигает 200 и выше. Эти модификации концов иРНК, осуществляемые после синтеза полинуклеотидной цепи, имеют существенное значение для функции иРНК: «шапочка» нужна для специфического узнавания РНК рибосомами, функции поли(И) менее точно определены и, по-видимому, заключается в придании стабильности молекулам иРНК.

     Такими  же модифицированными концами обладают геномные РНК «плюс-нитевых» вирусов. Исключение составляет 5¢-конец геномной РНК вируса полиомиелита, которая не содержит «шапочку», и вместо нее имеет на 5¢-конце ковалентно присоединенный к остатку урацила низкомолекулярный терминальный белок. Геномные РНК «минус-нитевых» вирусов не имеют ни «шапочки», ни поли(А); модифицированные концы характерны для иРНК этих вирусов, синтезирующихся в клетке на матрице вирионной РНК и комплементарных ей. Геномная РНК ретровирусов, хотя и являетс «плюс-нитевой», однако не содержит «шапочку»; эту структуру содержит гомологичная РНК, синтезируемая на матрице интегрированной провирусной ДНК.

     Существуют  вирусы, содержащие как «плсю-нитевые», так и «минус-нитевые» РНК гены (амбисенс-вирусы). В ним относятся аренавирусы.

     В основном однонитчатые РНК являются линейными молекулами, однако РНК-фрагменты  буньявирусов обнаружены в виде кольцевой  формы. Кольцевая форма возникает  за счет образования водородных связей между концами молекул.

     Двунитчатые РНК. Этот необычный для клетки тип нуклеиновой кислоты, впервые обнаруженный у реовирусов, широко распространен среди вирусов животных, растений и бактерий. Вирусы, содежащие подобный геном, называют диплорнавирусы.

     Общей особенностью диплорнавирусов является фрагментированное состояние генома. Так, геном реовирусов состоит из 10 фрагментов, ротавирусов – из 11 фрагментов¹⁵.  

     Рассмотрим  процесс заражения на примере  ВИЧ-инфицирования.

      ВИЧ относится к ретровирусам. Его геном представлен линейной одноцепочечной молекулой РНК (это плюс–цепь, или мРНК). ВИЧ – это сложный вирус. В состав вириона входит нуклеокапсид (собственно вирион) и внешняя липопротеиновая оболочка. В состав нуклеокапсида входит РНК (две молекулы) и 13 вирусных белков, в том числе, и обратная транскриптаза (ревертаза). В состав липопротеиновой оболочки вириона входят фрагменты мембран погибших лимфоцитов, содержащие комплекс из двух особых белков: гликопротеидов gp41 и gp120. Белок gp120 распознает Т–лимфоциты, а белок gp41 «пробивает» мембрану Т–лимфоцита и обеспечивает проникновение нуклеокапсида в клетку¹⁶.