ТЕМА: «СТРОЕНИЕ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВИРУСОВ»

Цель: сформировать научное представление о структуре вирусной частицы и химическом составе вирионов.

План

1.Структура вирусов.

2.Химический состав вирусов.

1. Структура вирусов

Отдельный индивид зрелого вируса, вируса, находящегося вне клетки, называется вирионом. На этой стадии отдельные вирусные частицы обладают относительной устойчивостью, сравнительно постоянной структурой и химическим составом, поэтому мы будем рассматривать строение вириона.

Вирион не имеет клеточной структуры и значительно меньше самых мелких бактерий. Сравнительно с другими живыми формами вирусы имеют простую организацию и состоят из двух частей.

1.Центральная часть. Ее еще называют «сердцевина», «ядро», «нуклеоид». В состав сердцевины входит молекула нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК).

2.Наружная часть – белковая оболочка, которая в виде чехла окружает центральную часть (нуклеиновую кислоту) со всех сторон. Она называется капсид.

В центральной части вириона, кроме нуклеиновой кислоты, имеется некоторое количество белка, поэтому центральную часть вируса часто называют нуклеопротеидом. Нуклеиновая кислота

увирусов выполняет наследственную функцию, несет наследственную информацию о строении вируса и поэтому называется геном. Кроме того, нуклеиновая кислота выполняет инфекционную функцию, т.е. введенная в клетку без белковой оболочки, вызывает заражение клетки (размножение вируса). Более того, в процессе внедрения вируса в клетку происходит «раздевание» вириона. Белковая оболочка разрушается, а в клетке остается только нуклеиновая кислота.

13

Капсид состоит из мелких однотипных морфологических единиц – капсомеров, которые можно сравнить с кирпичиками, зернами

впочатке кукурузы. Каждый капсомер в свою очередь образован из нескольких более мелких структурных единиц – белковых молекул, называемых субъединицами (протомеры). Количество капсомеров у каждого вида вируса строго определенное и колеблется от нескольких десятков до несколько сотен.

Капсид выполняет две разные функции: защитную от воздействия повреждающих факторов внешней среды на геном вируса, а также обусловливает антигенные и иммуногенные свойства вируса (специфичность вида (типа), образование специфических антител

ворганизме).

Унекоторых вирусов, помимо этих составных частей имеется: третья дополнительная часть – вторая оболочка, пеплос или суперкапсидная оболочка или образование в виде хвоста (фаги). Она состоит обычно из внутреннего слоя – мембранного белка, двойного слоя липидов и встроенных в нее гликопротеидов. Гликопротеиды формируют пепломеры, которые в виде выступов или шипов разной формы видны на поверхности суперкапсидной оболочки. Так, у короновирусов в форме короны, у тогавирусов – палочек. Функции у пеплоса или суперкапсидной оболочки – дополнительная защита, стабилизация нуклеокапсида, прикрепление вируса к клетке. Условно вирусы, имеющие суперкапсидную оболочку, называют сложными или оболочечными, а вирусы без нее простыми или безоболочечными.

Величина вирусов животных колеблется от 17до 400 нм. Самые мелкие вирусы (ящур) по размерамблизки кбелковым макромолекулам (гемоглобин 3–15 нм), а самые крупные (вирус оспы) в 2–3 раза меньше кокков.

Форма вирусов не отличается разнообразием. Большинство вирусов имеет сферическую форму и реже палочковидную или нитевидную форму (вирусы растений). Фаги имеют сперматозоидную форму. Но даже внутри вида вируса встречаются разные формы. Вирус ньюкаслской болезни птиц сферической формы, а встречаются нитевидные вирионы.

С помощью электронного микроскопа установлено, что капсомеры в оболочке вириона располагаются в определенном плане – симметрично. Именно тип симметрии определяет правильную геометрическую форму вирусов. Из всех морфологических призна-

14

ков тип симметрии является наиболее постоянным, и по этому признаку все вирусы делят на три группы:

1)Вирусы, имеющие спиральный тип симметрии. Капсиды этих вирусов состоят из капсомеров, уложенных по спирали. Характерная черта этих вирусов – крупные размеры и полиморфизм. Так форма у вируса может быть сферическая, гшрушевидная, палочковидная, нитевидная.

У вирусов, имеющих палочковидную, нитевидную, пулевидную форму, капсид состоит из капсомеров, уложенных спиральными витками одинакового диаметра. Совокупность этих витков образует формы – трубочки. Нуклеиновая кислота этих вирусов имеет спиральную форму, и капсомеры располагаются вдоль нее (вирус бешенства, вирус табачной мозаики).

У вирусов, имеющих сферическую форму, спираль укладывается витками с разным диаметром так, что образуется шарообразная оболочка (капсид), под которой находится нуклеопротеид. Нередко такие вирусы имеют и суперкапсидную оболочку (вирус оспы, парагриппа).

2)Вирусы, имеющие кубический тип симметрии, – это в основном мелкие и средние вирусы. Они имеют форму правильного многогранника, ограниченного определенным количеством равносторонних треугольников, например, икосаэдра (20 граней, 12 вершин, 30 ребер). Это вирусы герпеса, аденовирусы, реовирусы, пикорна, парвовирусы. Вирусы этих групп имеют разное количество капсомеров и неодинаковое расположение их по поверхности икосоэдра. У большинства вирусов 12 капсомеров располагаются на вершинах икосоэдра, а остальные у одних по ребрам, у других по граням, у третьих и там, и там.

Кроме этого у иксаэдрических вирусов сами капсомеры имеют форму пяти- и шестигранных призм. Так, у вируса ящура 12 капсомеров, которые располагаются по вершинам – пятигранные призмы,

аостальные 20 – шестигранники. У вирусов имеющих пеплос капсомеры тоже призматической формы, в середине имеется отверстие, через которое пеплос соединяется с сердцевиной вируса.

3)Вирусы, имеющие комбинированный тип симметрии. Существует группа вирусов, которые имеют более сложное строение, чем вирусы с кубическим и спиральным типом симметрии. Например, вирусы, патогенные для бактерий, – бактериофаги – имеют головку,

15

построенную по типу кубической симметрии и хвостовой отросток со спиральным строением. Более сложное строение имеют возбудители оспы животных, человека и птицы. Вирус оспы имеет форму кирпичика с закругленными краями. У него имеется трехслойная оболочка с вершинами, боковые тела, нуклеоид, уложенный спиралью, ссобственной трехслойной оболочкой, т.е.снаружи кубический тип симметрии, а внутри – спиральный.

Таким образом, вирус (вирион) – это по существу нуклеопроте- ид-нуклеиновая кислота, сверху покрытая белковой оболочкой.

2. Химический состав вирусов

Изучение химического состава вирусов представляет значительные трудности, так как вирус – внутриклеточный паразит

итесным образом связан с химическими элементами клеток. Поэтому вирус необходимо очистить и сконцентрировать. Это возможно с помощью ультрацентрифугирования, адсорбционных методов, высаливания и других. Одним из первых исследование химического состава вируса провел У. Стенли в 1935 г. Он получил ВМТ в виде кристаллов и установил, что они представляют нуклеопротеид, содержащий белок и нуклеиновую кислоту (РНК).

Внастоящее время установлено, что в состав вирионов входят: нуклеиновая кислота, белок, углеводы, липиды, минеральные вещества и другие элементы.

Нуклеиноваякислота(ДНКилиРНК).МолекулыДНКилиРНК вируса могут быть 2-спиральные и 1-спиральные. ДНК может быть линейной или иметь замкнутую нить. РНК может быть линейная, кольцевая, фрагментированная. Односпиральная ДНК (парвовирус)

идвухспиральная РНК (реовирус) могут быть только у вирусов. Нуклеиновая кислота составляет от 1 (вирус гриппа) до 32% (парвовирусы) всей массы вириона.

Молекулярная масса ДНК варьирует от 2 МД (парвовирусы ) до 375 МД у поксвирусов. Молекулярная масса РНК от 4МД у нодавирусов до 32 МД у реовирусов.

Нуклеиновые кислоты представляют собой сложное полимерное соединение. Полимерная цепочка состоит из отдельных мономеров – нуклеотидов. Отдельный нуклеотид вирусной нуклеиновой

16

кислоты состоит из основания (пуриновые А и Г и пиримидиновые Ц, У, Т), сахара (рибоза в РНК и дезоксирибоза в ДНК) и остатка фосфорной кислоты.

В связи с тем, что вирион содержит только одну нуклеиновую кислоту РНК или ДНК, их подразделяют на ДНК-содержащие и РНК-содержащие.

Белки вирусов составляют 50–90% массы вириона и по аминокислотному составу не отличаются от белков животных. Белки большинства вирусов состоят преимущественно из кислых аминокислот (аспаргин, глутамин) и поэтому имеют кислый характер рН 3,5–6,6. Тогда как у белков животных и растений рН 8,5–11,0 (преобладают щелочные аминокислоты). В состав белков входит 14–18 аминокислот (всего 20). Как и другие белки, вирусные имеют первичную, вторичную и третичную структуру.

Первая особенность вирусов состоит в том, что они содержат белки с разными антигенными свойствами, т.е. белки вирусов гетерогенны. У вирусов имеется минимум 2 антигена – S-антиген (solubile) – растворимый, внутренний, «сердцевидный», он проникает в клетку вместе с ДНК, играет определенную роль в инфекционности вируса, и V-антиген, внешний оболочечный. Именно на него

ворганизме вырабатываются специфические антитела, что имеет практическое значение при приготовлении вакцин. Так, вирус ящура имеет 7 антигенных типов, и на каждый вырабатывается свой иммунитет. А у всех представителей вируса оспы одинаковые антигены. Эта гетерогенность белков связана в одних случаях с присутствием

ввирионах клеточного белка, в других с различной степенью полимерности идентичных белков. Белки образуют оболочку вируса и входят в состав нуклеопротеида. Защитная роль оболочки тесно связана с особенностями вирусных белков.

Вторая особенность – сравнительно высокая устойчивость к действию некоторых протеолитических ферментов. Это связано с тем, что в целом вирионе белковые молекулы упакованы так, что большая часть их реактивных центров замаскирована соседними молекулами и недоступна для ферментов. Если упаковку разрезать, то ферментыначинаютрасщеплятьбелок.Этосвойствовирусныхбелков используется для очистки вируса протеазами от постороннего белка.

Третья особенность – избирательная чувствительность к воздействию физико-химических факторов. Она проявляется у вирусов

17

неодинаково к различным факторам. Например, вирус ящура устойчив к замораживанию и высушиванию, но быстро разрушается при рН < 6,0 и > 8,0. Вирус оспы инактивируется в дистиллированной воде и фосфатном буфере, но хорошо сохраняется в 0,9%-м растворе хлорида натрия.

Четвертая особенность – способность к самосборке. Это значит, что вирусные белки могут соединяться между собой в определенном порядке, образуя оболочку – капсид, которая соединяется с нуклеиновой кислотой, образует вирион.

Все вирусные белки делят на структурные и неструктурные. Структурными называют все белки, входящие в состав зрелых внеклеточных вирионов. К ним относят капсидные, геномные (сердцевины), суперкапсидные (у сложных). Кроме строительных функций, структурные белки выполняют ряд других :

–организуют проникновение вируса в чувственную клетку (сплавление вирусной и клеточной оболочки организует F белок – белок слияния);

–обладают ферментативной активностью. РНК-зависимая РНК-полимераза, РНК-зависимая ДНК полимераза-ревертаза, нуклеазы, киназы, протеазы участвуют в процессе репродукции;

–организуют выход вируса из зараженных клеток, почкованием. Неструктурные белки – это все белки, кодируемые вирусным

геномом, но не входящие в состав вириона. Они образуются во время размножения вируса и участвуют в нем. В зависимости от функций их делят на:

–регуляторы деятельности вирусного генома – т.е. действуя на вирусную нуклеиновую кислоту, они запускают или препятствуют синтезу вирусных белков;

–ингибиторы клеточного биосинтеза и индукторы разрушения клеток. Они разрушают клеточные ДНК и РНК, модифицируют клеточные ферменты для работы на вирусную репродукцию, например, вызывают лизис клеточных мембран при выходе непочкующихся вирусов;

–предшественники структурных вирусных белков;

–нефункциональные пептиды – белки, остающиеся после модификации предшественников в структурные белки;

–вирусные ферменты – белки, участвующие в репликации вирусных нуклеиновых кислот.

18

Липиды имеются только у сложных вирусов. Количество липидов колеблется в значительных пределах от 4 до 35%. По химическому составу жиры не отличаются от клеточных. Следовательно, эти вещества вирус заимствует из клетки. Жиры входят в состав суперкапсидной оболочки (пеплоса), которая формируется на мембранах клетки, путем встраивания в них вирусных белков (вирус герпеса, гепатита, ретровирус и т.д.).

Липиды представлены фосфолипидами примерно 50–60% и холестерином – 20–30%. Функции липидов: стабилизирует структуру вирусной частицы; находясь между пепломерами (белками), обеспечивают их взаимодействие; защищают внутренние структуры вириона от гидрофильных веществ внешней среды; участвуют в депротеинизации вириона при заражении чувствительных клеток.

Липиды вирусов чувствительны к действию органических растворителей и детергентов, расщепляются ферментом липазой. При обработке этими веществами липидосодержащие вирусы разрушаются,теряют инфекционную активность.Этотпризнак используется при систематике вирусов.

Углеводы входятвсоставвсехвирусов.Нуклеиноваякислота–со- держит сахар рибозу или дезоксирибозу. Углеводы также находятся в гликопротеидахвирусов.Количествоуглеводовдоходитдо7–8%массы вириона. Углеводы заимствуются из клетки и представлены фруктозой, сахарозой, маннозой, галактозой, нейраминовой кислотой, глюкозамином. Углеводный компонент гликопротеидов играет важную роль в его структуре и функции. Он обеспечивает пространственную конфигурацию белковой молекулы, являясь как бы каркасом, защищает белки от расщепления протеазами, входит в состав ферментов.

Химический анализ вирионов показывает, что в состав вирусных частиц также входят минеральные элементы, такие как K, Na, Ca, Mg, Fe и др., которые участвуют в формировании связей в молекулах вирусного белка и нуклеиновых кислот.

В составе вирионов могут находиться компоненты клетки хозяина, попадая туда случайно или закономерно. Например: аренавирусы содержат рибосомы; ряд вирусов клеточный фермент – протеинкиназы, белок актин, роль которых еще не определена; в папиломавирусах находятсяклеточныегистоны,играющиеважнуюрольврепродукции.

Таким образом, вирусы имеют простое и экономичное строение, которое обеспечивает им успешное существование на нашей планете с момента возникновения на ней жизни.

19