Вирус: строение и химический состав, функции структур вириона. Отличия от других инфекционных агентов. Формы существования вирусов.

Введение в вирусологию: вирусология как наука, известные учёные-вирусологи, этапы развития вирусологии.

Вирусология — наука о вирусах. Общая вирусология изучает природу вирусов, их строение, размножение, биохимию, генетику. Медицинская, ветеринарная и сельскохозяйственная вирусология исследует патогенные вирусы, их инфекционные свойства, разрабатывает меры предупреждения, диагностики и лечения вызываемых ими заболеваний.

Заболевания растений, животных и человека, вирусная приро­да которых в настоящее время установлена, в течение многих сто­летий наносили ущерб сельскому хозяйству и вред здоровью че­ловека.

Первую вакцину дли предупреждения вирусной ин­фекции – оспы предложил английский врач Э. Дженнер в 1796 г.

Вторая вак­цина — против бешенства была предложена основателем микро­биологии Л. Пастером в 1885 г., за семь лет до открытия вирусов.

Открытие вирусов принадлежит русскому ученому-ботанику — Д. И. Ивановскому (1864—1920).

На примере мозаичной болезни табака он доказал существо­вание нового типа возбудителя болезни.

В феврале 1892 г. на заседании Российской академии наук Д. И. Ивановский сообщает, что возбудителем мозаичной болезни табака является фильтрующийся вирус. Эту дату считают днем рож­дения вирусологии, а Д. И. Ива­новского — ее основоположником.

В 1897 г. Ф. Леффлер и П. Фрош, используя принцип фильтруемости, показали, что возбудитель ящура животных — вирус. Затем последо­вало открытие возбудителей чумы крупного рогатого скота (Николь и Адиль-Бей, 1902), чумы собак (А. Карре» 1905), саркомы Роуса (Ф. П. Роус, 1911) и других болез­ней животных.

В 1915 Г. Ф Туорт и в 1917 г. Ф.д'Эрелль открыли вирусы бактерий — бактериофа­ги.

Во втором десятилетии XX в. стали известны вирусы растений, животных, бактерий и человека.

В потоке новостей о вирусах были и затишья, продолжавшиеся до тех пор, пока не появились новые методы их выделения, куль­тивирования и идентификации. В 30—40-х годах XX в. основной экспериментальной моделью были лабораторные животные, чув­ствительные к ограниченному количеству вирусов. В 40-е годы в вирусологию в качестве экспериментальной модели входят разви­вающиеся куриные эмбрионы, которые позволили открыть и культивировать много новых вирусов: кори, инфекционного ларинготрахеита птиц, оспы птиц, ньюкаслской болезни и др. Ис­пользование этой модели стало возможным благодаря исследова­ниям австралийского вирусолога и иммунолога Ф. М. Бернета и американского вирусолога А. Херши.

Подлинное революционное событие в вирусологии — открытие возможности культивировать клетки в искусственных усло­виях. В 1952 г. Д. Эндерс, Т. Уэллер, Ф. Роббинс получили Нобе­левскую премию за разработку метода культуры клеток. Использо­вание культуры клеток является эффективным методом для выделения многочисленных новых вирусов, их идентификации, клонирования, изучения их взаимодействия с клеткой.

К вирусам примыкают вироиды-агенты, открытые Т. О. Лайне­ром в 1972 г., вызывающие заболевание некоторых растений и спо­собные передаваться как обычные инфекционные вирусы. Вироиды — это сравнительно небольшие молекулы РНК (300—400 нук­леотидов), лишенные белковой оболочки. Механизм репликации вироидов не вполне ясен.

Многие годы считали, что некоторые медленные инфекции у человека (Куру, болезнь Крейтцфельдта—Якоба, синдром Герстманна—Штрейусслера—Шейнкера и др.) и животных (энцефало­патия у крупного рогатого скота, норок и др.) вызывают вирусы. Однако оказалось, что причиной этих болезней является новый патогенный агент —прион, открытый в начале 80-х годов XX в. американским биохимиком Стенли Прузинером.

К нач. 21 в. описано 6 тыс. вирусов изучена их структура, биология, химич состав и механизмы репродукции. Вирусология превратилась в обширную область зна­ний, важную для биологии, медицины.

Вирус: строение и химический состав, функции структур вириона. Отличия от других инфекционных агентов. Формы существования вирусов.

Вирусы – облигатные внутриклеточные паразиты, способные к репродукции и обладающие собственным геномом (ДНК или РНК).

Вирусы устроены очень просто. Они состоят из фрагмента генетического материала, либо ДНК, либо РНК, составляющей сердцевинувируса, и окружающей эту сердцевину защитной белковой оболочкой, которую называют капсидом. Полностью сформированная инфекционная частица называется вирионом. У некоторых вирусов, таких, как вирусы герпеса или гриппа, есть еще и дополнительная липопротеидная оболочка, которая возникает из плазматической мембраны клетки-хозяина. В отличие от всех остальных организмов вирусы не имеют клеточного строения. Оболочка вирусов часто бывает построена из идентичных повторяющихся субъединиц – капсомеров. Из капсомеров образуются структуры с высокой степенью симметрии, способные кристаллизироваться. Это позволяет получить информацию об их строении с помощью рентгеновских лучей и с помощью электронной микроскопии. Как только в клетке-хозяине появляются субъединицы вируса, они сразу же проявляют способность к самосборке в целый вирус. Самосборка характерна и для многих других биологических структур, она имеет фундаментальное значение в биологических явлениях. Непременным компонентом вирусной частицы является какая-либо одна из двух нуклеиновых кислот, белок и зольные элементы. Эти три компонента являются общими для всех без исключения вирусов, тогда как остальные липиды и углеводы - входят в состав далеко не всех вирусов. Вирусы, в состав которых наряду с белком и нуклеиновой кислотой входят также липиды и углеводы, как правило, принадлежат к группе сложно устроенных вирусов. Кроме белков, входящих в состав нуклеопротеидного «ядра», вирионы могут содержать еще вирус - специфические белки, которые были встроены в плазматические мембраны зараженных клеток и покрывают вирусную частицу, когда она выходит из клетки или «отпочковывается» от ее поверхности. Кроме того, у некоторых вирусов с оболочкой существует субмембранный матриксный белокмежду оболочкой и нуклеокапсидом. Вторую большую группу вирус-специфических белков составляют некапсидные вирусные белки. Они в основном имеют отношение к синтезу нуклеиновых кислот вириона. Ещё одним компонентом являются углеводы (в количестве, превышающем содержание сахара в нуклеиновой кислоте). Парамиксовирусы, размножающиеся в различных клетках, могут содержать и соответственно разные липиды. Поэтому специфика вирусной оболочки зависит от вирусных гликопротеидов, находящихся на ее поверхности. У бактериофагов и вирусов животных и растений обнаружены полиамины. Возможно, что их единственная физиологическая функция состоит в нейтрализации отрицательного заряда нуклеиновой кислоты. Например, вирус герпеса содержит достаточно спермина, чтобы нейтрализовать половинку вирусной ДНК, а в вирусной оболочке, кроме того, присутствует спермидин.

Главной структурной особенностью большинства вирусных молекул ДНК, как и ДНК из других источников, является наличие двух спаренных антипараллельных цепей. ДНК-геном вирусов, однако, невелик и поэтому здесь возникают вопросы, касающиеся концов спирали и общей формы молекулы ДНК, а не монотонной, фактически не имеющей концов «средней» части спирали. Полученные ответы оказались весьма удивительными: молекулы вирусных ДНК могут быть линейными или кольцевыми, двухцепочечными или одноцепочечными по всей своей длине или же одноцепочечными только на концах. Кроме того, выяснилось, что большинство нуклеотидных последовательностей в вирусном геноме встречается лишь по одному разу, однако на концах могут находиться повторяющиеся, или избыточные участки.

Помимо очень интересных различий в форме молекулы и в структуре концевых участков вирусных ДНК существуют также большие различия в величине генома. В 1953 г. Уайетт и Коэн сделали неожиданное открытие, весьма существенное для последующих экспериментов: оказалось, что в ДНК бактериофагов содержится не цитозин, а 5-гидроксиметилцитозин. Это отличие дало возможность изучать фаговые ДНК независимо от ДНК хозяина. Были открыты кодируемые фагом ферменты, которые изменяют метаболизм инфицированной клетки, и она начинает синтезировать компоненты, необходимые вирусу. Еще одно биохимическое отличие ДНК бактериофага состоит в том, что к ее гидроксиметилцитозину присоединены остатки глюкозы: последние, видимо, препятствуют прерыванию фаговой ДНК некоторыми ферментами хозяина.

В противоположность этому у вирусов животных ДНК почти не подвергается модификациям. Например, хотя ДНК клеток-хозяев и содержит много метилированных оснований, у вирусов имеется в лучшем случае лишь несколько метильных групп на геном. Большинство вирусных дезоксинуклеотидов не модифицированы, и поэтому нахождение несомненных модификаций представляло бы большой интерес.

Исследования вирусной РНК составили один из самых значительных вкладов вирусологии в молекулярную биологию. Тот факт, что у вирусов растений реплицируемая генетическая система состоит только из РНК, ясно показал, что и РНК способна сохранять генетическую информацию. Была установлена инфекционность РНК вируса табачной мозаики, и выяснилось, что для инфекции необходима вся ее молекула; это означало, что интактность структуры высокомолекулярной РНК существенно для ее активности. Размеры вирионов РНК - вирусов сильно варьируются, однако размеры РНК и, следовательно, объем содержащейся в ней информации различаются в значительно меньшей степени.

Простые (безоболочечные) вирусы состоят из нуклеиновой кислоты и белка и представляют собой нуклеопротеиды или нуклеокапсиды. Сложные (оболочечные) вирусы кроме нуклеиновой кислоты и белка содержат также липиды и углеводы.

В отличие от клетки вирусы содержат один тип нуклеиновой кислоты -- или ДНК, или РНК. Каждая из них выполняет функцию вирусного генома. Структура нуклеиновых кислот у разных вирусов весьма разнообразная. По количеству цепей они бывают одно- и двуспиральными, по форме -- линейными и кольцевыми (циркулярными), а также непрерывными и фрагментированными.

Содержание нуклеиновой кислоты в вирионе различных вирусов составляет от 1 % у ортомиксо- и парамисовирусов до 32 % у парвовирусов и не коррелирует ни с систематическим положением вируса, ни со степенью сложности его организации.

Вирусные ДНК. Молекулярная масса ДНК различных вирусов варьирует в широких пределах: от 2 МД у цирко- и парвовирусов ДО 375 МД у поксвирусов. Самые большие геномы содержат до нескольких сотен генов, самые маленькие -- несколько генов. По структуре молекулы ДНК бывают одно- и двуспиральными, линейными и кольцевыми. У вирусов с двуспиральными ДНК информация обычно закодирована на обеих спиралях, что говорит о максимальной экономии генетического материала. Большинство нуклеотидных последовательностей в молекуле ДНК встречается однократно. Однако в концевом фрагменте линейных ДНК возможно наличие ее начального участка в виде повтора, который бывает прямым или инвертируемым. Благодаря таким повторам молекулы ДНК могут приобретать циркулярную форму, которая обеспечивает их устойчивость к эндонуклеазам. Кроме того, стадия образования циркулярной формы обязательна для интеграции вирусной ДНК с геномом клетки.

Односпиральные молекулы ДНК обычно одной полярности. Исключение составляют аденоассоциированные вирусы (парвовирусы). Их вирионы содержат ДНК или одной полярности (условно называемой «плюс»), или противоположной (условно -- «минус»), Инфекционную активность эти вирусы проявляют только в том случае, когда в клетку проникают вирионы, содержащие ДНК обеих полярностей.

Вирусные РНК. Молекулярная масса вирусных РНК варьирует в пределах от 4--5 МД у нодавирусов до 32 МД у реовирусов.

Инфекционная активность молекулы РНК зависит от ее структуры. Различают РНК одно- и двуспиральные, по форме -- линейные, фрагментированные и кольцевые. Молекулы односпиральных РНК (гаплоидный геном) имеют форму одиночной полинуклеотидной цепи со спирализованными комплементарными участками. Некомплементарные участки могут образовывать «шипы», или «выступы».

По предложению Балтимора (1971) вирусы с односпиральными РНК из-за различий в функциях генома было принято разделять на две подгруппы. У вирусов первой подгруппы вирусный геном обладает функциями иРНК и их условно обозначают как плюс- нитевые вирусы, или вирусы с позитивным геномом. У вирусов второй группы РНК не обладает функцией иРНК. На ней, как на матрице, синтезируется комплементарная молекула. Это происходит только в присутствии вирусного белка -- фермента транскриптаза, который обязательно находится в структуре минус-нитевых вирусов (в клетках -- ее аналога нет).

Между двумя группами РНК-вирусов есть и структурные различия. РНК «плюс-нитевых» вирусов выполняет функцию иРНК и имеет на 5'- и З'-концах молекулы специфические структурные особенности, которых нет у минус-нитевых вирусов. Так, 5'-конец вирусных плюс-нитевых РНК, как и клеточных, имеет структуру, называемую «шапочкой» (от англ. cap). Она представляет собой 7-метилгуанин, присоединенный через пирофосфатную связь к гуаниновому нуклеотиду. На З'-конце «плюс- нитевых» РНК имеется до 200 и больше адениновых нуклеотидов, так называемых поли (А). Такая структурная модификация на 5'- и З'- концах и РНК очень важна для их функционирования: так, «шапочка» нужна для специфического узнавания и РНК рибосомами, а функция поли(А) заключается, по-видимому, в стабилизации молекул РНК. Исключение составляет 5'-конец РНК вируса полиомиелита. РНК этого вируса не содержит «шапочку»; вместо нее на 5'-конце имеется низкомолекулярный терминальный белок, ковалентно присоединенный к остатку урацила.

Двуспиральные молекулы РНК впервые были обнаружены у реовирусов и были названы «диплорнавирусы».

Белки. Белки всех известных в настоящее время вирусов позвоночных являются основными компонентами вирионов и составляют от 57 до 90 % массы вириона. По аминокислотному составу вирусные белки принципиально не отличаются от состава белков животных.

В геноме вирусов кодируются две группы белков: структурные, которые входят в состав вирионов потомства, и неструктурные, участвующие в репродукции вируса на разных этапах, но не входящие в состав вирионов.

Структурные белки в составе вириона варьируют в широких пределах, что зависит от сложности организации вириона.

Липиды и углеводы. В состав вирионов всех сложных (оболочечных) вирусов позвоночных кроме нуклеиновой кислоты и белков входят липиды и углеводы.

Состав липидов вирионов сходен с липидным составом клетки хозяина: примерно 50--60 % составляют фосфолипиды и 20--30 % -- холестерин. У отдельных представителей липидов содержится до 20--35 % от массы вириона (ортомиксо-, ретро-, буньявирусы). Липиды обнаружены только в суперкапсидной оболочке вирионов и имеют клеточное происхождение. Это связано с тем, что оболочечные вирусы формируются путем почкования на плазматической мембране клеток. Поэтому суперкапсидная оболочка вирионов представляет собой мембрану клетки-хозяина, модифицированную за счет встроенных в нее вирусных белков -- пепломеров. Липидный компонент стабилизирует структуру вирусных частиц, поэтому их обработка детергентами или липазами приводит к потере инфекционности.

Исключение составляют вирусы оспы. У них липиды не образуют дифференцированной оболочки. Обработка вирусов осповакцины жирорастворителями не приводит к потере инфекционной активности или каким-либо другим структурным изменениям вириона.

Углеводы находятся в вирионах в виде гликопротеинов, встроенных в суперкапсидный слой, а также гликолипидов и имеют клеточное происхождение. У отдельных представителей вирусов позвоночных содержание углеводов доходит до 7--8 % от массы вириона (ортомиксо-, тогавирусы). Химический состав их полностью определяется клеточными ферментами, которые обеспечивают перенос и присоединение сахарных остатков. В вирионах в основном обнаруживают фруктозу, сахарозу, маннозу, галактозу, нейраминовую кислоту, глюкозамин. Углеводы являются каркасом для локальных участков гликопротеидов, обеспечивают сохранение конформации белковых молекул и защищают от действия протеаз.

Структурная организация вирионов. Вирионы (вирусные частицы) по архитектуре подразделяются на два типа: имеющие внешнюю липопротеидную оболочку (сложные, или оболочечные, вирусы) и не имеющие такой оболочки (простые, или безоболочечные, вирусы).

2е формы вируса: внеклеточная или покоящаяся (вирион) и внутриклеточная или репродуцирующая частица.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: