Химический состав канонических и неканонических вирусов.
Химический состав вирусов определяется их строением и типом генома. Вирионы сложных канонических вирусов в своем составе имеют все основные классы органических веществ: один из типов нуклеиновых кислот, белки, липиды, углеводы. Простые канонические вирусы, а также вирусоиды, липидов и углеводов не содержат и являются нуклеопротеидами. Только из нуклеиновых кислот (РНК или ДНК) состоят вироиды и плазмиды. Исключительно белковую природу имеют прионы.
Изучению химического состава вирусов предшествует их предварительная очистка от клеточного детрита. Для этого используются центрифугирование, осаждение солями и спиртами, фильтрация через софадекс-гели, адсорбция на ионообменных смолах с последующей элюцией. С целью проверки степени чистоты вирусов применяют различные методы фракционирования. Их сущность состоит в том, что вирусы физическими или химическими методами разделяют на несколько фракций, каждая из которых в последующем подвергается химическому анализу. Деструкция вирионов проводится кислотами, щелочами, детергентами, а также путём высаливания сульфатом аммония и спиртами. Фракционирование исследуемого материала осуществляют методами электрофореза, хроматографии, центрифугирования при различных значениях рН или с использованием ионообменных смол. Для качественного и количественного анализа, наряду с рутинными биохимическими исследованиями, применяются фотоэлектрокалориметрические, спектрофотометрические методы, ядерно-магнитный резонанс.
Нуклеиновые кислоты. Процентное отношение нуклеиновых кислот к весу вириона у разных вирусов колеблется в широких пределах, от 1 % у вируса гриппа А, до 50 % у бактериофага Т2. В частности, содержание ДНК в вирионе вируса герпеса составляет 3,8 %, полиомавируса – 12 %, аденовируса – 13 %, вируса полиомиелита – 26 %.
Молекулярная масса РНК-геномов колеблется от 0,2*106 кДальтон у рео- и ортомиксовирусов до 7*106 кДальтон у ретровирусов. У патогенных для человека ДНК-вирусов геномы имеют молекулярную массу от 1,5*106 кДальтон (парвовирусы) до 130*106 кДальтон (герпесвирусы). У отдельных иридовирусовмасса молекулы ДНК может составлять 250*106 кДальтон. Молекулярные массы геномов вирусов в 10-100 раз меньше массы бактериальной ДНК, а по сравнению с ДНК эукариот – в 1000-10000 раз.
Вирусные нуклеиновые кислоты имеют одинаковый состав азотистых оснований с нуклеиновыми кислотами бактерий и эукариот. У РНК-вирусов среднее количество аденина составляет 26,6 %, урацила – 26,4 %, гуанина – 23,3 %, цитозина – 23,8 %. В составе генома ДНК-вирусов в среднем находится 23,5 % аденина, 26,4 % - гуанина, 23,3 % - тиамина и 25,5 % - цитозина. Количество пуриновых и пиримидиновых оснований у разных вирусов может колебаться в широких пределах. Например, содержание гуанина и цитозина в составе ДНК варьирует от 36 % у поксвирусов до 70 % у герпесвирусов. В составе вирусных нуклеиновых кислот можно обнаружить компоненты, которые отсутствуют у более высокоорганизованных существ (5-оксиметилцитозин, 5-оксиметилурацил, дезоксиуридиновая кислота). Нуклеиновые кислоты вирусов инактивируются под действием нуклеаз (РНКаза, ДНКаза) и высоких температур.
Белки вирусов состоят из 16-20 L-аминокислот и не имеют принципиальных различий с белками других организмов. Индивидуальность вирусных белков определяется аминокислотным составом, а также вторичной и третичной структурой. Процентное отношение белков к массе вириона может составлять от 49 % (вирус русского весенне-летнего энцефалита) до 89 % (вирус осповакцины).
Белки вирусов подразделяются на структурные и функциональные.
Структурные белки входят в состав суперкапсида, капсида и генома. По сравнению с бактериями и эукариотами количество структурных белков у вирусов незначительно и составляет от 1 (вирус табачной мозаики) до 20-30 у поксвирусов. У бактерий насчитывается несколько сотен белков, а у эукариот – несколько тысяч.
Молекулярная масса структурных белков наиболее часто находится в пределах 17-22*103 Дальтон, что соответствует примерно 200-300 аминокислотным остаткам. У вирусов растений молекулярная масса белков может достигать 47-70*103 Дальтон.
Структурные белки подразделяются на 3 группы: суперкапсидные, капсидные и геномные.
Суперкапсидные белки, или пепломеры, локализованы в суперкапсиде сложных вирусов и являются типичными мембранными белками. Они пронизывают липидный бислой суперкапсида насквозь, либо же погружены в него частично. Суперкапсидные белки имеют следующие особенности: 1) белки обычно гликолизированы (соединены в различных участках с углеводами разной длины и состава) или липидозилированы; 2) белки амфипатичны (имеют наружную гидрофильную часть, которая содержит на конце аминогруппу (N-конец), и погружённую в липидный бислой гидрофобную часть, содержащую гидроксильную группу (С-конец); 3) белки поверхностно-активны (участвуют в образовании адгезинов, выполняющих функцию рецепторов и способствующих слиянию вирусной и клеточной мембран при проникновении вириона в клетку); 4) белки антигенны и иммуногенны. Суперкапсидные белки – гемагглютинины – способны фиксировать эритроциты, что используется при индикации, идентификации и количественном выявлении вирусов.
Капсидные белки составляют протомеры – структурные компоненты капсомеров. Основной функцией капсидных белков является защита вирусного генома от неблагоприятных воздействий внешней среды. К особенностям этих белков относятся: 1) резистентность к действию протеаз бактериальных и эукариотических клеток, которая обусловлена маскированием С- и N-групп аминокислот полипептидных цепей; 2) идентичность белковых молекул, ведущая к экономии генетического материала вируса; 3) способность к самосборке; 4) антигенность и иммуногенность.
Геномные белки связаны с вирусной нуклеиновой кислотой. Это основные гистоноподобные белки, участвующие в образовании рибо- или дезоксирибонуклеопротеида. Они находятся внутри капсида и могут служить либо основанием, на которое накручивается нуклеиновая кислота вируса, например, у герпесвирусов, либо покрывают вирусную нуклеиновую кислоту снаружи. У пикорна-, папиллома-, полиома-, аденовирусов имеются белки, фиксирующие геном к капсиду. Это так называемые терминальные белки, ковалентно связанные с концом нуклеиновой кислоты. Функции геномных белков неразрывно связаны с функциями генома и их регуляцией. Геномные белки обладают определёнными антигенными свойствами.
Функциональные белки или ферменты вирусов весьма немногочисленны, поскольку собственных метаболических систем вирусы не имеют. При размножении вирусами преимущественно используется ферментативный аппарат клетки-хозяина. Вместе с тем, у многих вирусов имеются ферменты. По происхождению ферменты делятся на вирусные и клеточные, модифицированные вирусами.
Клеточные ферменты включаются в состав вирионов при прохождении их через клеточную мембрану. К клеточным ферментам, модифицированным вирусами, относится, например, АТФаза вируса герпеса, обладающая активностью выше таковой у других известных фосфатаз. Клеточное происхождение фермента подтверждается тем, что, наряду с вирионами, обладающими АТФазой, встречаются вирионы, не содержащие этого фермента.
Вирусными ферментами называют такие ферменты, которые содержатся в вирионах в нативной или генетически закодированной форме. Среди вирусных ферментов различают вирионные и вирус-индуцированные.
Вирионные ферменты представлены молекулами «готовых» ферментов, локализованных внутри вириона или на его поверхности. Наружные вирионные ферменты (нейраминидаза орто- и парамиксовирусов, мурамидаза (лизоцим) и фосфатаза бактериофагов, лецитиназа и АТФаза) находятся на суперкапсиде сложных вирусов, или капсиде простых вирусов. Внутренние вирионные ферменты локализованы внутри капсида и могут быть представлены полимеразами, протеиназами, эндо- и экзонуклеазами, обратной транскриптазой.
Вирусиндуцированными называются те ферменты, информация о которых закодирована в вирусном геноме, а сами ферменты образуются вследствие его транскрипции и трансляции. К вирусиндуцированным ферментам относятся ДНК-полимераза герпес- и поксвирусов, РНК-полимераза тога-, пикорна-, ортомиксо- и парамиксовирусов.
По функциональному назначению вирусные ферменты подразделяются на 3 группы.
1. Ферменты проникновения вируса в клетку и выхода дочерних популяций (нейраминидаза, мурамидаза, АТФаза, лецитиназа, фосфатаза).
2. Ферменты, участвующие в репликации и транскрипции генома (РНК- и ДНК-полимеразы, обратная транскриптаза).
3. Ферменты, модифицирующие вирусные нуклеиновые кислоты и белки (ДНК- и РНК- экзо- и эндонуклеазы, ДНК-лигазы, протеазы).
Разнообразен механизм действия вирусных ферментов. Нейраминидаза отщепляет нейраминовую кислоту от мукопротеида клеточной оболочки, вследствие чего снижается рН мукоида и он становится чувствительным к протеолитическим ферментам. Мурамидаза (лизоцим) гидролизует пептидогликан клеточной стенки бактерий, расщепляя гликозидные связи между N-ацетилглюкозоамином и N-ацетилмурамовой кислотой. Лецитиназа разрушает холинфосфоглицериды клеточных мембран. ДНК-зависимая РНК-полимераза переносит генетическую информацию с вирусной ДНК на РНК; ДНК-полимераза обеспечивает копирование дочерних ДНК; обратная транскриптаза (РНК-зависимая ДНК-полимераза) осуществляет перевод генетической информации с РНК на ДНК. Транскрипцию с «-»-нити РНК обеспечивает вирусный фермент РНК-зависимая РНК-полимераза. РНК- и ДНК-нуклеазы нарезают полинуклеотидные нити РНК и ДНК дочерних вирусов на геномные фрагменты. Протеазы осуществляют расщепление больших молекул, образующихся после трансляции, на мелкие структурные и функциональные белки. Некоторые вирусы содержат эндонуклеазы и лигазы, обеспечивающие реализацию определённых этапов репродукции.
Липидысодержат исключительно сложные канонические вирусы, суперкапсид которых имеет липидный бислой. Процентное содержание липидов в вирионах может составлять 1,5-57 %. В частности, количество липидов у поксвирусов достигает 4 %, у ретро-, тога- и ортомиксовирусов – 35-37 %. Из общего количества вирусных липидов 11-60 % приходится на фосфолипиды, 20-30 % - на холестерин. Фракция жирных кислот представлена пальмитиновой, стеариновой, олеиновой и линолевой кислотами. Нередко липиды образуют комплексы с белками (липопротеиды).
Липиды вирусов имеют клеточное происхождение. Они обволакивают вирионы при выходе их из клетки путём почкования (выпячивания клеточной мембраны). В связи с этим, нейтральные, фосфо- и гликолипиды сложных вирусов идентичны таковым клетки-хозяина. Основная функция липидов – стабилизация структуры вириона. Разрушение эфиром и другими детергентами липидной оболочки вирусов ведёт к их инактивации.
Углеводымогут составлять 2-16 % от массы вириона. Значительная часть углеводов пентозного ряда входит в состав нуклеиновых кислот в виде рибозы и дезоксирибозы. Гексозы и пентозы образуют также комплексы с белками и липидами. Гликопротеины имеют сахарные остатки сахарозы, маннозы, фруктозы, галактозы, гликозамина, нейраминовой кислоты. В составе гликолипидов углеводы выполняют каркасную функцию, сохраняют конформацию белковых молекул, защищают от действия протеаз. Как и липиды, углеводы суперкапсида имеют клеточное происхождение.
Вирусы могут содержать минеральные вещества (кальций, магний). Полагают, что они укрепляют структуру вирионов, обеспечивая соединение белка с нуклеиновой кислотой.