Строение и химический состав вирусов

Строение  и химический состав вирусов 

Строение  вирусов 

Вирусы – это биологические  объекты, имеющие свои особенности: 1. Содержат в своем составе только один из типов нуклеиновых кислот: РНК или ДНК 2. Не обладают собственным  обменом веществ. 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 (в отличие от бактерий вирус паразитирует на генетическом уровне). Вопрос о происхождении  вирусов является дискуссионным. В  настоящее время обсуждаются  три гипотезы: 1) вирусы – примитивные  доклеточные формы жизни; 2) вирусы возникли из патогенных бактерий в  результате их крайней деградации (регрессивной эволюции), в связи с облигатным паразитизмом; 3) вирусы возникли из нормальных клеточных компонентов, вышедших из-под  контроля клеточных регулирующих механизмов, и превратились в самостоятельные  единицы Наиболее вероятна третья гипотеза. Можно предположить, что на участке  ДНК хозяина произошла серия  генетических изменений, превративших его в вирусную ДНК. Фрагмент клеточной  ДНК перешел к самостоятельной  репликации, стал функционировать как  матрица для синтеза РНК и  белков. Подтверждением гипотезы является тесная связь между клетками и  вирусами, а также высокая приспособленность  вирусов к использованию клеточных  систем. Объяснить происхождение  РНК-вирусов труднее, так как в  нормальной клетке не бывает саморепликации РНК.

Вирусы существуют в двух основных формах: внеклеточной и внутриклеточной. Основными компонентами вирусной частицы являются нуклеиновая кислота и капсид. Некоторые вирусы имеют внешнюю оболочку, окружающую их капсиды. По структуре это типичная двухслойная биологическая мембрана. Капсид построен из капсомеров, которые, в свою очередь, состоят из одной (как у ВТМ) или нескольких белковых субъединиц. Для вирионов характерна строгая геометрическая упорядоченность строения. Вирион или его отдельные части обладают определенной симметрией – спиральной и изометрической. Спиральный тип симметрии характерен для многих вирусов растений и некоторых фагов. Спиральные вирусы подразделяют на палочковидные (ВТМ) и нитевидные (х-, у- и z-вирусы картофеля, вирус желтухи свеклы и др.). Изометрические капсиды по форме почти идентичны сфере, представляют собой правильные многогранники. Могут быть построены в виде тетраэдра, октаэдра или икосаэдра, причем последний тип является наиболее распространенным. Икосаэдр – это правильный многогранник, имеющий 20 граней, 12 вершин и 30 ребер. Капсид защищает центральную часть вириона (ядро), в которой расположена нуклеиновая кислота или нуклеиновая кислота с белком. По этому принципу построены некоторые вирусы растений (мозаики огурцов, некроза табака). К зоопатогенным вирусам с икосаэдрической структурой относятся вирусы группы герпеса, аденовирусы, возбудители полиомиелита и др. Сложные капсиды имеют большинство бактериофагов. Бактериофаги Escherichia coli Т-серии (Т-2, Т-4, Т-6) имеют головку и хорошо развитый отросток, состоящий из сократительного чехла и внутреннего полого белкового стержня. Один конец чехла закреплен на стержне, не соединяясь с головкой, а другой заканчивается базальной пластинкой с шипами и нитями. Чехол состоит из белковых субъединиц, уложенных по спирали. Сокращение чехла способствует проникновению ДНК в клетку хозяина. При электронно-микроскопическом анализе строения капсидов на их поверхности удается обнаружить выступы, шипы, которые обычно расположены на каждой из 12 вершин икосаэдра. Эти шипы играют важную роль в инициации инфекции. В литературе описан "волосатый" фаг, у которого от поверхности головки вириона отходят многочисленные фибриллы.

Далеко не у всех вирусов  животных вирионы имеют описанные  формы. Вирионы рабдовирусов по форме  напоминают пулю; их оболочка образуется в результате отпочкования от плазматической мембраны клетки. Вирионы группы оспы имеют форму параллелепипеда  с неравными ребрами, полностью формируются в цитоплазме клетки. Размеры вирусных частиц могут достигать нескольких сотен нанометров.

 Вирусы имеют сравнительно  простой химический состав. Непременным  компонентом вирусной частицы  является нуклеиновая кислота,  белок и зольные элементы (К, Na, Ca, Mg, Mn, Fe, Cu), соединенные с отрицательно  заряженными группами нуклеиновой  кислоты и белка. Эти три  компонента являются общими для  всех без исключения вирусов  (простых или минимальных). Липиды  и углеводы входят в состав  сложных вирусов. Различают две большие группы вирусов: ДНК-геномные и РНК-

геномные. Большинство вирусов  растений содержат РНК. Среди вирусов  человека и животных широко представлены обе группы. Большинство бактериофагов  являются ДНК-геномными вирусами.

Вирусная ДНК. Молекулы вирусных ДНК могут быть двух цепочечными  или одно цепочечными, линейными  или кольцевыми. Для двуспиральной  циклической ДНК характерна суперспирализация, при этом изменяются свойства молекулы, повышается устойчивость к экзонуклеазам. Большинство нуклеотидных последовательностей  в вирусном геноме встречается лишь по одному разу.

В составе ДНК фагов  обнаружены аномальные азотистые основания: вместо цитозина – 5-оксиметилцитозин или 6-метилцитозин, а вместо тимина – 5-оксиметилурацил. Глюкозилирование ДНК некоторых фагов придает  ей стабильность, делает нечувствительной к действию ДНКазы.

Вирусная РНК. У вирусов  РНК выполняет функции вещества наследственности. Может быть двух- или одноцепочечная. Геном одного вируса может быть фрагментированным. Эти фрагменты могут входить в состав одного вириона (моновирусы) или разных вирионов (ковирусы или мультивирусы). Распределение генома одного вируса по разным вирионам позволяет увеличить объем генетической информации без увеличения массы молекулы РНК и вириона в целом. У реовирусов геном состоит из 10 фрагментов, все фрагменты обнаруживаются в составе одного вириона. У некоторых представителей РНК-вирусов одна и та же вирионная молекула РНК может выполнять функции матрицы для собственной репликации и функции мРНК, ее обозначают как (+) цепь РНК. Молекулы РНК, которые служат матрицей для собственной репликации и не могут транслироваться, обозначают как (-) цепь. Вирусные белки. Белки, входящие в состав вирионов, называют структурными. Количество структурных белков – от 1-2 до 10-30 видов. Белок всех исследованных до настоящего времени вирусов построен из L-аминокислот. У вирусов со сложной организацией вириона обнаружены основные (гистоноподобные), так называемые «внутренние» белки, которые связаны с нуклеиновой кислотой.

Белки выполняют защитную функцию, придают стабильность молекулам  нуклеиновой кислоты, облегчают  их проникновение в клетку. 1. Устойчивость к протеолитическим ферментам. Маскировка концевых аминокислот и другие особенности  третичной и четвертичной структур белков придают им высокую устойчивость к действию протеаз. 2. Устойчивость к действию ряда физических и химических факторов. Например, вирус полиомиелита выдерживает изменения рН от 1,6 до 10,0, обработку 0,5 %-м раствором фенола, 50 %-м сернокислым аммонием, а также  эфиром, ацетоном, уксуснокислым свинцом. В то же время многие вирусы довольно чувствительны к изменению рН и действию ядовитых веществ. Каких-либо общих закономерностей в этом отношении не отмечено. Ферменты вирусов. Большинство вирусов на стадии вирионов лишено какой ферментативной активности. В составе вирионов миксовирусов содержится нейраминидаза – фермент, вызывающий гидролитическое отщепление нейраминовой кислоты, которая входит в состав оболочек эритроцитов. В составе некоторых вирусов обнаружены ферменты, участвующие в репликации вирусных нуклеиновых кислот: ДНК-зависимая РНК-полимераза, осуществляющая транскрипцию ранних РНК с ДНК (вирус оспоквакцины), РНК-зависимая РНК-полимераза (транскриптаза) и РНК-зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза), которые транскрибируют РНК и ДНК с матрицы РНК (онкогенные вирусы). У бактериофагов обнаружены 2 вируоспецифичных фермента: лизоцим и аденозинтрифосфатаза. Углеводы. Единственная группа вирусов, в которой наличие углеводов точно доказано, - вирусы животных. В составе вируса гриппа и классической чумы птиц находятся до 17 % углеводов, олигосахаридов, образованных галактозой, маннозой и другими моносахарами; эти углеводные компоненты находятся в связанном состоянии в составе гликолипидов и гликопротеидов.Липиды. Двойной слой липидов образует основную массу наружной оболочки у тех вирусов, у которых она имеется. Чаще всего липиды вирионов близки по составу к липидам клетки хозяина. В вирусах животных липиды могут составлять значительную часть: вирион энцефаломиелита лошадей содержит 54% липидов, вирус гриппа – 18-37%. Небольшое количество липидов обнаружено у бактериофагов и некоторых крупных вирусов растений.

Полиамины. Возможно, что  их единственная физиологическая функция  состоит в нейтрализации отрицательного заряда нуклеиновой кислоты.

 Процесс вирусной инфекции  состоит из нескольких этапов: адсорбция, 

проникновение вируса в клетку, репродукция вируса, самосборка, выведение  вируса из клетки 

9..3..1.. Вирусы животных 

 «Воротами инфекции»  зоопатогенных вирусов могут  быть носоглотка, пищеварительный  тракт, кожные покровы. Попав  в организм человека или животного,  вирусы оказываются на поверхности  клеток, где происходит их адсорбция.  Процесс адсорбции состоит из  двух этапов: неспецифической (обратимой)  и специфической. Проникновение происходит путем впячивания цитоплазматической мембраны клетки в месте адсорбции вируса (виропексис). Затем наблюдается разрушение белковой оболочки под действием протеаз – эклипс. Репродукция вируса осуществляется с помощью биосинтетического аппарата клетки. Время репродукции у вирусов животных – несколько часов

Первый этап: синтез группы ранних белков (репрессоры клеточного метаболизма, вирус-специфичные полимеразы). Второй этап: синтез вирус-специфичных  белков и нуклеиновых кислот. Третий этап: синтез группы поздних белков (структурные вирусные белки) в рибосомах  клетки. Затем происходит формирование зрелых вирусных частиц, количество которых  в одной клетке может достигать  нескольких тысяч. Если вирус содержит двунитевую ДНК, то синтез мРНК происходит обычным путем, как в нормальной клетке. Синтез вирусной ДНК происходит в ядре клетки, но иногда в цитоплазме (слайд 9.30). Если вирус имеет однонитевую  ДНК, то она сначала превращается в двунитевую ДНК, которая служит матрицей для синтеза мРНК. Если вирус содержит двунитевую РНК и  транскриптазу, вирусная РНК ведет  себя аналогично ДНК. Она служит матрицей, как для синтеза мРНК, так и  для саморепликации. Оказалось, что  у всех до сих пор обнаруженных вирусов этого класса геном сегментирован, т.е. состоит из множества хромосом, каждая из которых кодирует один полипептид. Если вирус содержит однонитевую (+) цепь РНК, она присоединяется к рибосоме и начинается синтез белка, т. е. вирусная РНК может непосредственно транслироваться (играет роль м-РНК). При этом образуются

молекулы вирус-специфичного фермента полимеразы, способной катализировать транскрипцию с вирионной РНК, которую  обозначают как (+) цепь, на комплементарную  ей (-) цепь РНК. Далее освобождающиеся  молекулы (-)РНК служат матрицами  для синтеза вирионной РНК, т.е. (+)РНК.

Если вирус содержит однонитевую (-) цепь РНК, она является матрицей для  синтеза м-РНК.

Процесс репродукции ретровирусов усложняется тем, что на матрице  РНК при участии РНК-зависимой  ДНК-полимеразы (обратной транскриптазы) синтезируется вирус-специфическая  ДНК, сначала однонитевая, а затем  двунитевая. Последняя служит матрицей для синтеза молекул вирусной РНК, которые вначале выполняют  функцию мРНК, а затем, с увеличением  числа молекул, соединяются с  белком и образуют вирионы. Синтез вирусных РНК происходит в цитоплазме, но есть вирусы, РНК 

которых синтезируется в  ядре (миксовирусы). Принцип самосборки лежит в основе формирования всех вирусов. Самосборка – это способность  белковых молекул к самопроизвольной и упорядоченной агрегации, которая  может привести к образованию  биологической структуры. Этот физико-химический процесс, необратимый, напоминает кристаллизацию. Однако формирование сферических и  сложных 

вирусов происходит при участии  ряда ферментных систем как вирусного, так и клеточного происхождения (слайд 9.31). Выход вирусов из клетки. Вирусы животных покидают клетку путем 

выталкивания участков цитоплазмы, либо путем выхода отдельных вирионов или небольших их групп 

9..3..2.. Вирусы растений 

Адсорбции нет.Проникновение осуществляется только через поврежденные оболочки клеток. Возможен контактный способ передачи инфекции; от материнского растения к дочернему; через животных, питающиеся на этих растениях. Репродукция. Зависит от типа нуклеиновой кислоты. Как правило, вирусы растений содержат РНК. Самосборка. Вирионы ВТМ могут реконструироваться in vitro из РНК и белковых субъединиц. Выход. Зараженные клетки продолжают продуцировать вирус, не подвергаясь лизису и оставаясь жизнеспособными. Благодаря этому в клетках растений концентрация вируса может достигать огромных значений. Вирусы растений переходят из клетки в клетку через межклеточные соединения (по плазмодесмам). Освободившись, вирионы могут заражать новые клетки хозяина, вследствие чего наблюдается быстрое распространение вирусной инфекции. Ответные реакции зараженных клеток на инфекцию: некротические поражения, бессимптомные инфекции, интенсивное деление и даже опухолевая трансформация.

9..3..3.. Вирусы бактерий 

Адсорбция. Бактериофаги с  отростками адсорбируются на рецепторных  участках клеточной стенки с помощью  нитей, отходящих от базальной пластинки. Нередко бактериофаги адсорбируются  на ворсинках 

или на жгутиках. На одной  бактериальной клетке может адсорбироваться  до 300 фаговых частиц

Проникновение. Может быть активным – путем инъекции, пассивным  – путем трансфекции (слайд 9.36). Суперинфекция  – если бактерию, уже зараженную Т-четным фагом, спустя несколько минут  вновь инфицируют этим же фагом, то второй контингент фага не участвует  в размножении (так наываемое  исключение при суперинфекции) и  не передает своей ДНК потомству. Репродукция. Время репродукции  у фагов – 10-40 мин (слайд 9.37). Самосборка. У сложных бактериофагов сборка трех главных частей

вириона – головки, отростка и хвостовых фибрилл – происходит независимо друг от друга, и лишь на конечном этапе эти части объединяются в единую структуру. Выход из клетки осуществляется более или менее  одновременно вследствие полного ее разрушения (лизиса), вызываемого вирусными  ферментами: «взрывной» тип (слайд 9.38). Вирус, проникший в клетку, вызывает в ней значительные изменения. Цитопатогенное действие может проявляться в  угнетении синтеза клеточных  ДНК, РНК, белка и, как следствие, в нарушении основных метаболических процессов клетки.

9..4.. Типы взаимодействия  вируса и клетки