Морфология, ультраструктура и химический состав вирусов

Следует различать широкое и узкое значение понятия «вирус». В широком смысле слова, вирус – это простейшая неклеточная форма жизни. В узком смысле слова, вирус – это одна из двух внутриклеточных форм существования вируса в виде собственной нуклеиновой кислоты.

В зависимости от характеристик генома, особенностей строения и размножения, различают канонические (от греч. kanon – норма, правило) и неканонические вирусы.

Канонические вирусы– это вирусы, имеющие оболочку, заключающую в себя геном, и размножающиеся без помощи других вирусов. Почти все патогенные для человека, животных, растений и бактерий вирусы являются каноническими.

К неканоническим вирусам относятся вирусоиды, вироиды, плазмиды, ретротранспозоны и прионы. Вирусоиды – это вирусы, имеющие оболочку, покрывающую геном, но не способные размножаться без вируса-помощника. Напротив, вироиды, плазмиды и прионы размножаются без помощи других вирусов, но не имеют защищающей геном оболочки. Из числа неканонических вирусов патогенными для человека являются прионы и один вирусоид (возбудитель гепатита Д). Остальные вирусоиды и все известные вироиды вызывают заболевания у растений. Плазмиды обитают только в бактериях.

Канонические вирусы и вирусоиды имеют две формы существования: 1) внеклеточную, в виде вирионов, то есть целых вирусных особей, покоящихся без признаков жизни и движения; и 2) внутриклеточную, в виде свободных нуклеиновых кислот (вирус) или нуклеиновых кислот, интегрированных в геном клетки-хозяина (провирус). Вироиды, плазмиды и прионы имеют только внутриклеточную форму существования. При этом вироиды находятся в виде свободной нуклеиновой кислоты, плазмиды – в виде свободной или интегрированной, прионы – в виде инфекционного прионового белка и, возможно, нуклеиновой кислоты, интегрированной в геном клетки-хозяина.

§ 1. Морфология и ультраструктура вирионов канонических вирусов.

Размеры вирионов – внеклеточных вирусных частиц – широко варьируют. Наиболее мелкие вирионы имеют размеры от 15 до 40 нм (вирусы ящура, полиомиелита, Коксаки, ЕСНО). Величина вирионов средних размеров находится в пределах 60-80 нм (аденовирусы). Крупные вирионы достигают размеров 180-350 нм (вирус ветряной оспы).

Размеры вирионов устанавливаются с помощью 3 методов.

1. Метод фильтрации. Вируссодержащую жидкость фильтруют через фильтры с различным диаметром пор, определяя, через какой из фильтров вирионы не проходят. Метод даёт несколько завышенные результаты, так как вирионы из-за сил поверхностного трения могут не проходить через поры фильтра, большие по диаметру, чем вирионы.

2. Метод центрифугирования. Вируссодержащую жидкость центрифугируют в скоростных центрифугах. Чем крупнее и тяжелее вирионы, тем быстрее и при меньших скоростях они оседают на дно центрифужных сосудов. Имеется специальная формула, пользуясь которой и, зная время седиментации и скорость движения центрифуги, можно рассчитать массу вирионов. Метод не позволяет судить о форме вирионов.

3. Метод электронной микроскопии. Этот метод позволяет установить не только величину, но и форму вирионов. Однако метод даёт несколько заниженные результаты измерения размеров вирионов, так как в электронном микроскопе при работе возникает глубокий вакуум, в котором вирионы могут усыхать и уменьшаться в размерах.

Для получения более точных результатов размеры вирусов изучают параллельно всеми указанными методами и дают максимальные и минимальные величины.

Форма вирионов весьма разнообразна (рис. 1). Палочковидную или цилиндрическую форму имеют вирусы растений, нитевидную – вирусы растений, бактериофаги, филовирусы. Сферическая, многогранная, кубовидная формы характерны для многих вирусов человека и животных. Пулевидную форму имеют возбудитель бешенства и фитопатогенные рабдовирусы. Сперматозоидная форма присуща многим бактериофагам.

Ультраструктура полных вирионов. Полными являются вирионы, у которых ущерб обязательных структурных компонентов отсутствует, в связи с чем они способны размножаться без помощи других вирусов своего вида. Структурные компоненты полных вирионов могут быть подразделены на обязательные (оболочка, нуклеиновая кислота) и не
обязательные (ферменты, включения).

Оболочка. В зависимости от строения оболочки вирионы подразделяются на простые и сложные (рис. 2). Простые («голые») вирионы имеют только одну белковую оболочку – капсид, внутри которой находится нуклеиновая кислота (РНК или ДНК). Сложные («одетые») вирионы имеют двойную оболочку: 1) наружную – суперкапсид (envelope, пеплос, мантия), и 2) внутреннюю – капсид (capsid), аналогичный таковому у простых вирусов.

Суперкапсид представляет собой липидный бислой клетки-хозяина, покрывающий вирион при его выходе из клетки. В составе суперкапсида могут быть и углеводы. Суперкапсид имеют самые опасные для человека вирусы (вирусы гриппа, вирус иммунодефицита человека). Липидная оболочка суперкапсида не иммуногенна, в связи с чем она не индуцирует иммунный ответ со стороны макроорганизма. Наличие суперкапсида выявляют по чувствительности вирусов к эфиру и жирорастворителям. Если вирус имеет суперкапсид, то он чувствителен к эфиру (вирус погибает). При отсутствии суперкапсида вирусы сохраняют активность в эфире в течение 24 ч и более. Чувствительность к эфиру явля
ется важным видовым признаком вирусов.

Капсид играет роль чехла, защищающего нуклеиновую кислоту, при её переносе из одной клетки-мишени в другую. Капсид состоит из капсомеров – субъединиц белковой природы. Количество капсомеров является видовым признаком и различно у разных вирусов (например, у бактериофага Ф-174 12 капсомеров, у аденовирусов человека – 252, у вируса радужности долгоножки – 812 капсомеров). Структурными единицами капсомеров являются протомеры. Мономерные протомеры состоят из 1 белковой молекулы, полимерные протомеры – более чем из 6. Двойной белковый капсид имеют ротавирусы.

У всех вирусов на поверхности капсида содержатся спикулы – гликолипидные или гликопротеидные структуры в виде выростов длиной до 7-10 нм. Спикулы встроены в капсид или суперкапсид, и выполняют функции рецепторов при фиксации вирусов к клеткам-мишеням. Спикулы так же, как и капсомеры, могут обладать антигенными свойствами.

Капсиды могут быть построены по спиральному, кубическому (икосаэдрическому) и смешанному типу симметрии (рис. 3). Если капсомеры, соединяясь друг с другом, образуют полую спираль, то такое строение называется спиральным типом симметрии капсида. Он по форме может напоминать либо полую трубку (вирус табачной мозаики, филовирусы), либо сферу (вирусы натуральной оспы, гриппа, парагриппа). Если капсомеры, соединяясь друг с другом, образуют полый многогранник (чаще икосаэдр), то такое строение обозначается как кубический (икосаэдрический) тип симметрии капсида (адено-, пикорна, герпесвирусы и др.). При этом типе симметрии капсомеры образуются из нескольких молекул белка. В полости капсида находится определённым образом упакованная нуклеиновая кислота.
Кубический тип симметрии имеют более высоко организованные вирусы. У них нуклеиновая кислота свернута наиболее компактно и соединена с капсидом небольшим числом радикалов. Это обусловливает наибольшую устойчивость вирионов при минимальной их площади, а освобождение нуклеиновой кислоты возможно без полной деструкции вирусного капсида. Икосаэдрический тип симметрии обеспечивает более легкую композицию (сборку) вирионов, чем при спиральном типе симметрии, где на протяжении всей нити нуклеиновая кислота взаимодействует с капсидом. При разделении нуклеиновой кислоты и капсидных белков у вирусов со спиральным типом симметрии капсид разрушается.

У некоторых вирусов бактерий (бактериофагов) выявлен смешанный тип симметрии капсида. Форма у этих вирусов сперматозоидная. Головка имеет кубический, а хвост (отросток) – спиральный тип симметрии (рис. 3в). В головке фага содержится упакованная определённым образом нуклеиновая кислота. От фаговой головки отходит отросток, который представляет собой стержень, окружённый чехлом в виде цилиндра. Чехол способен сокращаться, при этом из головки бактериофага через стержень выходит нуклеиновая кислота. На дистальном конце отростка имеется базальная пластинка шестиугольной формы. От неё отходят тонкие белковые нити, посредством которых бактериофаг прикрепляется к бактерии-мишени. У некоторых типов фагов отростки могут отсутствовать. В отростке фага содержится фермент мурамидаза, разрушающий клеточную стенку бактерий для прохождения бактериофагальной нуклеиновой кислоты. Продольные и поперечные размеры составных частей бактериофага представлены на рис. 3 в.

Тип симметрии капсида является видовым признаком вирусов и учитывается при их классификации.

Нуклеиновая кислота составляет геном вирионов, который может быть представлен только одним типом нуклеиновой кислоты – ДНК или РНК.

Геном канонических и неканонических вирусов, за небольшим исключением, гаплоиден. Диплоидный геном, представленный двухниточной РНК, имеют рео- и ретровирусы.

Нуклеиновые кислоты, составляющие геном вирусов, могут быть однониточными, двухниточными, линейными, кольцевыми, непрерывными и фрагментированными. Комбинации этих характеристик ДНК и РНК обусловливают разнообразие вирусных геномов. Двухниточные вирусные ДНК способны к суперспирализации – дополнительному скручиванию, в результате чего возникает очень компактная третичная структура, которая позволяет укладываться ДНК в небольшом по объёму капсиде.

Молекулы РНК и ДНК могут быть упакованы в вирионе 2 способами: 1) по спирали, тогда образуются нитевидные и палочковидные вирионы; и 2) изометрически (способ упаковки нуклеиновой кислоты геометрически не связан с организацией капсида), что ведет к образованию вирионов сферической формы. При упаковке в капсиде нуклеиновые кислоты могут быть накручены на белковые структуры (герпесвирусы), либо же скреплены молекулами белков, которые не составляют четко выраженных и отличных от капсида подструктур (аденовирусы). Такие комплексы белка с нуклеиновой кислотой называют нуклеопротеином. Комплекс нуклеиновой кислоты и капсида называют нуклеокапсидом.

В нуклеиновых кислотах закодирована информация о белках и ферментах вирусов. Число генов, составляющих геном, у разных вирусов различно. Нуклеиновые кислоты имеют специфические участки для фиксации к рибосомам или интеграции в ДНК клетки-хозяина.

Ферменты не являются обязательными структурными компонентами вириона. Вирусы, содержащие фермент, считаются несовершенными паразитами. Ферменты могут быть наружными и внутренними (находящимися внутри вириона). Наружные ферменты, например, нейраминидаза вируса гриппа, мурамидаза бактериофагов, способствуют проникновению этих вирусов в клетки-мишени. Внутренние ферменты могут быть представлены ДНК- и РНК-полимеразами. Обратную транскриптазу (РНК-зависимую ДНК-полимеразу) имеют ретровирусы. Функция внутренних ферментов состоит в копировании геномов вирусов.

Включения в виде электронно-плотных мелких гранул, напоминающих песок, имеют аренавирусы. Считается, что эти включения представляют собой клеточные рибосомы. Функция инкорпорированных в вирионы рибосом не выяснена. В составе папиллома- и полиомавирусов нередко содержатся клеточные белки-гистоны, а в состав ряда сложных вирионов может входить белок цитоскелета – актин. Включение клеточных компонентов в вирионы происходит случайно или закономерно. Включения могут иметь существенное значение в репродукции вируса, как например, гистоны – в репродукции папиллома- и полиомавирусов.

Переход от внеклеточной к внутриклеточной форме существования вирусов осуществляется на этапе проникновения нуклеиновой кислоты из вириона в цитоплазму клетки-мишени. С этого момента вирус становится невидимым, поскольку представляет собой молекулу ДНК или РНК. Молекула вирусной нуклеиновой кислоты находится в клетке либо в свободном состоянии (вирус) и включается в репликацию, либо же интегрируется в геном клетки-хозяина. В этом случае вирус переходит в фазу провируса и может длительное время сохраняться в клетке-мишени, вплоть до её гибели.

Ультраструктура неполных (дефектных) вирионов. Неполными, или дефектными, вирионами являются те, у которых имеется ущерб обязательных структурных компонентов (капсида, генома), в связи с чем, такие вирионы не способны размножаться без помощи полных вирионов своего вида. Неполные вирионы образуются вследствие делеции нуклеиновой кислоты родительского вируса. Величина утраты части генома может достигать 100 %. Однако обычные структурные вирусные белки и антигены у дефектных вирусов присутствуют. При значительном уменьшении длины геномной нуклеиновой кислоты, как правило, уменьшаются размеры, форма вириона, и его седиментационные характеристики (рис. 4).

Одной из разновидностей дефектных вирионов являются псевдовирионы, представляющие собой частицы, содержащие нуклеиновую кислоту клетки-хозяина, полностью заменившую нуклеиновую кислоту вирусного генома. Образование дефектных вирионов происходит при избыточной продукции полных вирионов. Дефектные вирионы за счёт конкурентного размножения ослабляют летальное действие на клетку полных вирионов, а также поддерживают антигенную стимуляцию инфицированного организма.