Вирусные нуклеиновые кислоты
Клетки всех живых организмов содержат два вида нуклеиновой кислоты — ДНК и РНК. В отличие от клеток вирусы содержат лишь один вид нуклеиновой кислоты — либо РНК, либо ДНК. И та и другая может быть хранителем наследственной информации, выполняя таким образом функции генома.
Вирусный геном может быть представлен как односпиральными, так и двуспиральными молекулами РНК и ДНК. ДНК может быть как линейной, так и кольцевой молекулой
Тип ДНК
Линейная односпиральная
Кольцевая односпиральная
Линейная двуспиральная
Двуспиральная кольцевая со сверхвитками или без них
Двуспиральная кольцевая с односпиральным участком
Тип РНК
Линейная односпиральная
Фрагментированная односпиральная
Фрагментированная односпиральная кольцевая
Фрагментированная двуспиральная
Линейная односпиральная, диплоидный геном
Вирусные ДНК
Мол. масса вирусных ДНК варьирует в широких пределах от 1-106МД до 250-106МД. Самые большие вирусные геномы содержат несколько сотен генов, а самые маленькие содержат информацию, достаточную для синтеза лишь нескольких белков.
В вирусных геномах, представленных двуспиральными ДНК, информация может быть закодирована на обеих нитях ДНК. Кроме того, известно, Что в вирусных геномах встречается перекрытие генов (использование части информации об одном белке для кодирования другого белка). Это свидетельствует о максимальной экономии генетического материала у вирусов, что является неотъемлемым свойством их как генетических паразитов. В связи с этим оценка объема генетической информации может быть проведена по мол. массе молекул.
Способность к приобретению кольцевой формы, которая потенциально заложена в концевых прямых и инвертированных повторах (Инвертированные повторы — участки нуклеиновых кислот с обратным построением нуклеотидных последовательностей, могущие образовывать шпилечные структуры. Имеют важное значение в регуляции многих процессов. Пример: либо линейный ATGC, GCAT, либо шпилька), имеет большое значение для вирусов. Кольцевая форма обеспечивает устойчивость ДНК к экзонуклеазам (Экзонуклеазы — ферменты, последовательно отщепляющие нуклеотиды с концов полинуклеотидной цепи). Стадия образования кольцевой формы обязательна для процесса интеграции ДНК с клеточным геномом. Наконец, кольцевые формы представляют собой удобный и эффективный способ регуляции транскрипции и репликации ДНК.
В составе вирионов, содержащих односпиральную ДНК, обычно содержатся молекулы ДНК одной полярности. Исключение составляют аденоассоциированные вирусы, вирионы которых содержат ДНК либо одной полярности (условно называемой «плюс»), либо ДНК с противоположным знаком (условно — «минус»). Поэтому тотальный препарат вируса состоит из двух типов частиц, содержащих по одной молекуле плюс- или минус-ДНК. Инфекционный процесс при заражении этими вирусами возникает лишь при проникновении в клетку частиц обоих типов.
Вирусные РНК
Из нескольких сотен известных в настоящее время вирусов человека и животных РНК-геном содержит около 80% вирусов. Способность вирусов хранить наследственную информацию — уникальная особенность их, У некоторых РНК-геномных вирусов нуклеиновая кислота в отсутствие белка может вызывать инфекционный процесс.
Структура вирусных РНК чрезвычайно разнообразна. У вирусов обнаружены односпиральные и двуспиральные, линейные, фрагментированные и кольцевые РНК. РНК-геном обычно является гаплоидным, но геном ретровирусов — диплоидный, т, е. состоит из двух идентичных молекул РНК.
Односпиральные РНК. Молекулы односпиральных вирусных РНК существуют в форме одиночной полинуклеотидной цепи со спирализованными ДНК-подобными участками. При этом некомплементарные нуклеотиды, разделяющие комплементарные участки, могут выводиться из состава спирализованных участков в форме различных «петель» и «выступов». Суммарный процент спирализации вирусных РНК варьирует в широких пределах. Вирусы, содержащие односпиральную РНК, делятся на две группы. У вирусов первой группы вирусный геном обладает функциями информационной РНК, т. е. может непосредственно служить матрицей для синтеза белка на рибосомах. По предложению Д. Балтимора (1971), РНК со свойствами информационной условно обозначена знаком «плюс», и в связи с этим вирусы, содержащие такие РНК (пикорнавирусы, тогавирусы, коронавирусы, ретровирусы), обозначены как плюс-нитевые вирусы, или вирусы с позитивным геномом.
Вторая группа РНК-содержащих вирусов содержит геном в виде односпиральной РНК, которая сама не обладает функциями иРНК. В этом случае функцию иРНК выполняет РНК, комплементарная геномной. Синтез этой РНК (транскрипция) осуществляется в зараженной клетке на матрице геномной РНК с помощью вирусспецифического фермента —транскриптазы. В составе минус-нитевых вирусов обязательно присутствие собственного фермента, осуществляющего транскрипцию геномной РНК и синтез иРНК, так как аналога такого фермента в клетках нет. Геном этих вирусов условно обозначают как минус-РНК, а вирусы этой группы — как минус-нитевые вирусы, или вирусы с негативным геномом. К этим вирусам относятся ортомиксовирусы, парамиксовирусы, буньявирусы, рабдовирусы. РНК этих вирусов не способна вызывать инфекционный процесс.
В соответствии с разными свойствами вирусных РНК между двумя группами вирусов есть и структурные различия. Поскольку РНК плюс-нитевых вирусов выполняет функцию иРНК, она имеет специфические структурные особенности, характерные для 5'-3'-концов этих РНК; 5'-конец клеточных и вирусных РНК обычно имеет структуру так называемой шапочки (по английски «cap»). На 5'- и 3'-концах иРНК имеются поли (А), количество которых достигает 200 и выше. Эти модификации концов иРНК, осуществляемые после синтеза полинуклеотидной цепи, имеют существенное значение для функции иРНК: «шапочка» нужна для специфического узнавания иРНК рибосомами, функции поли (А) заключаются в придании стабильности молекулам иРНК.
Такими же модифицированными концами обладают геномные РНК плюс-нитевых вирусов. Геномные РНК минус-нитевых вирусов не имеют ни «шапочки», ни поли (А); модифицированные концы характерны для иРНК этих вирусов, синтезирующихся в клетке на матрице вирионной РНК и комплементарных ей. Геномная РНК ретровирусов хотя и является плюс-нитевой, однако не содержит «шапочку»; эту структуру содержит гомологичная РНК, синтезируемая на матрице интегрированной провирусной ДНК.
Существуют вирусы, содержащие как плюс-нитевые, так и минус-нитевые РНК гены (амбисенс-вирусы). К ним относятся аренавирусы.
В основном односпиральные РНК являются линейными молекулами, однако РНК-фрагменты буньявирусов обнаружены в виде кольцевой формы. Кольцевая форма возникает за счет образования водородных связей между концами молекул.
Двуспиральные РНК. Этот необычный для клетки тип нуклеиновой кислоты, впервые обнаруженный у реовирусов, широко распространен среди вирусов животных, растений и бактерий. Вирусы, содержащие подобный геном, называют диплорнавирусами. Особенностью их является фрагментированное состояние генома. Так, геном реовирусов состоит из 10 фрагментов, ротавирусов — из 11 фрагментов.
Вирусные белки
Белки представляют собой чрезвычайно разнородный класс биологических макромолекул. Обязательными компонентами белков являются аминокислоты.
Мол. масса аминокислот лежит в пределах 90—250 Д. В состав полипептида может входить от 15 до 2000 аминокислот, наиболее часто встречаются полипептиды с массой от 20 до 700 кД, состоящие из 100—400 аминокислот. В молекуле полипептида аминокислоты ковалентно соединены в линейный полимер пептидными связями, образующимися между NН2- и СООН - группами соседних аминокислот.
Две аминокислоты, соединенные пептидной связью, называются дипептидом, три — трипептидом и т. д несколько (5— 10)—олигопептидом, более длинные полимеры — пептидами, еще более длинные — полипептидами. Белки могут состоять из одного или нескольких (обычно не более 6) полипептидов. Белки, состоящие только из аминокислотных остатков, называются простыми белками — протеинами. Белки, состоящие из аминокислот и неаминокислотной части, называются сложными белками — протеидами.
Если неаминокислотная часть представлена ионами металла, белок называется металлопротеидом, углеводными остатками — гликопротеидом, липидными молекулами — липопротеидом, остатками фосфорной кислоты фосфопротеидом, нуклеиновой кислотой — нуклеопротеидом и т, д. Практически все белки состоят из 20 аминокислот. В состав одного конкретного белка может входить от 3 до 20 аминокислот. Порядок чередования их в полипептидной цепи и длина последней определяют первичную структуру белка. Этот первый простейший уровень организации молекул, определяющий структуру всех белков, полностью и однозначно кодируется участком нуклеиновой кислоты, содержащим информацию, необходимую для синтеза данного белка. Следующий уровень организации молекул белка — вторичная структура. Если первичная структура белка поддерживается одним видом связи — пептидной связью, то вторичная структура— тремя видами связи: дисульфидной, водородной и гидрофобной. Дисульфидная связь возникает между двумя остатками цистеина.
Дисульфидная связь может соединять различные части одной полипептидной цепи, образуя на них петли различной длины и конфигурации. Водородные связи возникают в молекуле белка между атомными группировками образующими пептидные связи. Наличие этих связей приводит к образованию в составе полипептида b-складчатых или a-спиральных структур.
Гидрофобные связи возникают между боковыми радикалами; гидрофобных аминокислот, вызывая изгибы полипептидной цепи.
Следующий уровень организации — сверхвторичная структура белка — определяется водородными, гидрофобными и ионными связями, но взаимодействуют между собой участки полипептидной цепи, уже обладающие вторичной структурой. При этом образуются суперспирали (спираль из спиралей), суперскладчатые и глобулярные структуры, именуемые доменами.
Следующий уровень организации — третичная структура. Она поддерживается теми же видами связей, что и вторичная и сверхвторичная, но взаимодействуют между собой участки полипептидной цепи, уже обладающие этими двумя типами структур. Для многих белков третичная структура является высшим уровнем организации. У всех белков она окончательно формирует конфигурацию молекулы полипептида или белка. У ряда белков, входящих в состав сложных ферментов с регулируемым действием и самособирающихся структур, например вирусных капсидов имеется еще и четвертичная структура, обусловленная взаимодействием молекул, обладающих третичной структурой.
Вирусные (вирусспецифические) - белки, кодируемые геномом вируса, — синтезируются в зараженной клетке. Исходя из функции локализации, структуры и регуляции синтеза, вирусные белки делят на структурные и неструктурные; ферменты, предшественники, гистоноподобные капсидные белки; мембранные, трансмембранные и т. д.
Структурные белки. Структурными называют все белки, входящие в состав зрелых внеклеточных вирионов. Структурные белки в вирионе выполняют ряд функций:
1) защита нуклеиновой кислоты от внешних повреждающих воздействий;
2) взаимодействие с мембраной чувствительных клеток в ходе первого этапа их заражения;
3) взаимодействие с вирусной нуклеиновой кислотой в ходе и после ее упаковки в капсид;
4) взаимодействие между собой в ходе самосборки капсида;
5) организация проникновения вируса в чувствительную клетку.
Эти пять функций присущи структурным белкам всех без исключения вирусов. Все функции могут реализоваться одним белком. Например, у вируса табачной мозаики есть лишь один структурный белок, состоящий из единственной полипептидной цепи с молекулярной массой 17—18 кД. У других вирусов эти функций разделены тем или иным способом между разными белками.
6) способность к разрушению в ходе освобождения нуклеиновой кислоты. Эта функция присуща белкам всех вирусов, кроме некоторых сателлитных вирусов, не способных к самостоятельной репродукции в отсутствие вируса-помощника;
7) организация выхода из зараженной клетки в ходе формирования вириона. Эту функцию выполняют структурные белки вирусов, вирионы которых выходят из зараженной клетки путем почкования;
8) организация «плавления» и слияния клеточных мембран. Эта функция часто именуется F-активностью (фьюжн-актив-ность, от англ, «слияние») и присуща белкам вирусов, проникающих в клетки путем слияния суперкапсидных оболочек вирионов с клеточными мембранами.
Кроме названных выше, структурные белки могут обладать свойствами катализировать те или иные биохимические реакции. Некоторые вирусологи выделяют их в особую группу, именуемую «ферменты вирионов». Обычно структурные белки вирионов обладают теми видами ферментативной активности, которые необходимы для репродукции вируса, но отсутствуют в клетке. Две из этих ферментативных активностей так важны, что их полезно выделить отдельно;
9) РНК-зависимая РНК-полимеразная активность. Эту функцию выполняют структурные белки всех вирусов, в вирионах которых содержится РНК, не играющая роль мРНК;
10) РНК-зависимая ДНК-полимеразная активность. Эту функцию выполняют специальные белки ретровирусов, именуемые ревертазами, или обратными транскриптазами. Кроме этих ферментов в сложно организованных вирионах, например, покс-, герпес- и иридовирусов содержатся киназы, нуклеазы, протеазы, фосфорилазы, трансферазы и др.;
11) защита и стабилизация вирусной нуклеиновой кислоты после ее выхода из капсида в зараженной клетке. Эта функция реализуется ковалентно и нековалентно связанными с нуклеиновой кислотой белками, пикорна-, папова-, адено-, орби-, пок-. свирусов.
Таков неполный перечень функций структурных вирусных белков.
В зависимости от расположения того или иного белка в вирионе выделяют группы белков:
а) капсидные белки. В вирионах сложно организованных вирусов эти белки могут выполнить только 2—3 функции — защита нуклеиновой кислоты, способность к самосборке и разрушению в ходе освобождения нуклеиновой кислоты. В вирионах простых вирусов их функции обычно более многообразны;
б) белки вирусной суперкапсидной оболочки. Имеются у вирусов, выходящих из клеток путем почкования . Их роль сводится в основном к организации почкования вирионов, способности к самосборке, взаимодействию с мембраной чувствительных клеток, организации проникновения в чувствительную клетку, т. е. к F-активности, и защите нуклеиновой кислоты. Эти белки формируют пепломеры — белковые выросты на суперкапсидной оболочке — и являются, как правило, гликопротеидами;
в) матриксные белки. Это белки промежуточного слоя вирионов, расположенного сразу под суперкапсидной оболочкой некоторых вирусов. Их основные функции: организация почкования, стабилизация структуры вириона за счет гидрофобных взаимодействий, посредничество в осуществлении связи суперкапсидных белков с капсидными;
г) белки вирусных сердцевин. Имеются у покс-, иридо-, орби-, рео-, герпесвирусов. Представлены в основном ферментами. Вирусы, имеющие многослойные капсиды, могут иметь и защитную роль;
д) белки, ассоциированные с нуклеиновой кислотой. Белки самого внутреннего слоя вирионов. Представлены у сложных вирусов гистоноподобными белками, ферментами синтеза и модификации нуклеиновых кислот (РНК-зависимые РНК- и ДНК-полимеразы, ДНК-зависимые ДНК- и РНК-полимеразы, метила-зы, трансферазы и т. д.) и, наконец, кэпирующими белками, которые имеются у вирусов с инфекционной РНК,, связаны с РНК ковалентно, необходимы для осуществления ее функции в качестве иРНК.
Неструктурные белки. Неструктурные вирусные белки — это все белки, кодируемые вирусным геномом, но не входящие в вирион. Они изучены гораздо хуже, чем структурные, что связано с несравненно большими трудностями, которые возникают при их идентификации и выделении по сравнению со структурными белками. Неструктурные белки в зависимости от их функций делят на пять групп:
1) регуляторы экспрессии вирусного генома;
2) предшественники вирусных белков;
3) нефункциональные пептиды;
4) ингибиторы клеточного биосинтеза и индукторы разрушения клеток;
5) вирусные ферменты.
Белки, входящие в первую группу, непосредственно воздействуют на вирусную нуклеиновую кислоту, препятствуя синтезу других вирусных белков или, наоборот, запуская их синтез. Кроме того, у ряда вирусов белки, входящие в эту группу, модифицируют белоксинтезирующий аппарат клетки так, что он начинает избирательно синтезировать вирусные, а не клеточные белки,
Белки, входящие во вторую группу, являются предшественниками других вирусных белков, которые образуются из них в результате сложных биохимических процессов. Сумма этих процессов называется процессингом, или постсинтетической модификацией белков. Пример с нарезаем полимерной цепочки.
В ходе процессинга образуется ряд предшественников, причем этот процесс идет не всегда однозначно; нарезание может происходить не полностью, кроме того, существует ряд точек альтернативного нарезания, в ходе которого образуются нефункциональные полипептиды. Еще сложнее протекает процессинг протеидов, состоящих из нескольких полипептидных цепей. Процессинг гемагглютинина (НА) вируса гриппа протекает следующим образом. На рибосоме синтезируется полипептид НА (предшественник). Уже после образования короткого пептида Длиной 5—10 аминокислотных остатков рибосома с растущей Цепью полипептида и иРНК оказывается связанной с эндоплаз-Матической мембраной за счет того, что среди этих аминокислотных остатков большинство гидрофобных, и они внедряются в гидрофобный слой мембраны. Трансляция мРНК продолжается с векторной разгрузкой синтезируемого полипептида во внутреннее пространство цистерн шероховатого эндоплазматического ретикулума, затем начинается свертывание полипептидной цепи, В результате обнажаются участки полипептида, с которых может начаться гликозилирования. К этим, участкам глнкозилтрансферазой ковалентно присоединяется олигосахарид, имеющий в своем составе три остатка глюкозы, девять остатков маннозы и два остатка М-ацетилглю-козамина. После этого гликопротеид транспортируется через гладкий эндоплазматический ретикулум, в котором гликопротеид попадает в микропузырьки, образованные из его мембран. Эти микропузырьки сливаются с мембранами аппарата Гольджи. В мембранах последнего локализованы экзогликозидазы, которые отщепляют концевые углеводные остатки, и эндогликозидазы, отщепляющие короткие олигосахаридные цепочки, а также гликозилтрансферазы, достраивающие олигосахаридные цепочки. Совокупность этих процессов называется триммингом (от англ, «отделка»).
По завершении тримминга гликопротеиды транспортируются в плазмалемму посредством микропузырьков, отшнуровывающихся от мембран аппарата Гольджи. В процессе транспорта может происходить нарезание, фосфорилирование и ацилирование молекул гликопротеида. Таким образом, здесь процессинг идет по пути нарезания, гликозилирования и тримминга одновременно, причем он тесно сопряжен с транспортом молекулы с рибосомы на плазматическую мембрану.
Белки, входящие в третью группу (нефункциональные пептиды), образуются в зараженной клетке двумя путями: первый упомянут при описании процессинга предшественников; второй заключается в том, что ряд белков синтезируется в неактивной форме, которую формально можно также назвать предшественниками. Вместе с тем в отличие от «обычных» предшественников из них в ходе процессинга образуется не несколько, а лишь один белок. Образуется он после отрезания обычно очень короткого, пептида, который блокировал активный центр белка. Эти короткие пептиды, как правило, не исполняют после отрезания какой-либо вирусспецифической функции.
К четвертой группе относятся белки, которые разрушают клеточные ДНК и мРНК, модифицируют клеточные ферменты, придавая им вирусспецифическую активность. Сюда же относятся белки непочкующихся вирусов, дестабилизирующие клеточные мембраны, вызывающие их лизис и выход сформированных вирионов во внеклеточное пространство.
К последней группе неструктурных белков относятся ферменты, кодируемые вирусным геномом, но не входящие в состав вирионов.
Вирусные липиды
Обнаружены у сложно организованных вирусов и в основном находятся в составе липопротеидной оболочки (суперкапсида), формируя ее липидой бислой, в которой вставлены суперкапсидные белки.
Все сложно организованные РНК-содержащие вирусы имеют в составе значительное количество липидов (от 15 до 35% от сухой массы). Из ДНК-содержащих вирусов липиды содержат вирусы оспы, герпеса и гепатита В. Примерно 50—60% липидов в составе вирусов представлено фосфолипидами, 20—30% составляет холестерин.
Липидный компонент стабилизирует структуру вирусной частицы. В составе суперкапсидных оболочек вирусов липиды обеспечивают взаимодействие пепломеров, изолируют внутренние слои вирионов от гидрофильных веществ, содержащихся во внешней среде, участвуют в ходе процесса депротеинизации вирионов при заражении чувствительных клеток, стабилизируют структуру вирионов. Экстракция липидов органическими растворителями, обработка вирусной частицы детергентами или липазами приводят к деградации вирусной частицы и потере инфекционной активности.
Вирусы, содержащие липопротеидную мембрану, формируются путем почкования на клеточных мембранах (плазмолемме, мембранах эндоплазматической сети, комплекса Гольджи, ядерной мембране). Поэтому липопротеидная оболочка этих вирусов представляет собой мембрану клетки-хозяина, модифицированную за счет наличия на ее наружной поверхности вирусных суперкапсидных белков. Белки, входящие в состав липопротеидной оболочки почкующихся вирусов, за счет структуры своей внутримембранной (гидрофобной) зоны имеют различное родство к различным липидам. Поэтому в зонах агрегации таких белков липидный состав мембраны отличается от состава в ннтактной клеточной мембране. Зоны агрегации мембранных вирусных белков формируют в составе мембраны области, через которые происходит почкование вирионов. Поэтому качественный состав липидов вирусных оболочек сходен с таковым у тех мембран, через которые происходит почкование, но отличен от него по количественному соотношению различных классов липидов.
В связи с клеточным происхождением липидов общий состав липидной фракции и содержание ее отдельных компонентов у одного и того же вируса могут существенно различаться в зависимости от клетки-хозяина, где происходила репродукция вируса.
Наоборот, если разные почкующиеся вирусы репродуцировались в одних и тех же клетках, их липиды оказываются более или менее сходными.
Вирусные углеводы
Углеводный компонент вирусов находится в составе гликопротеидов и гликолипидов.
Количество сахаров в составе гликопротеидов может быть достаточно большим, достигая 10—13% от массы вириона. Химическая специфичность их определяется клеточными ферментами, обеспечивающими перенос и присоединение соответствующих сахарных остатков, и структурой гликозилируемого белка. Обычными сахарными остатками, обнаруживаемыми в вирусных белках, являются фруктоза, сахароза, манноза, галактоза, ней-раминовая кислота, глюкозамин. Углеводный компонент гликолипидов по своей структуре полностью определен клеткой. В то же время углеводный компонент гликопротеидов определяется, с одной стороны, клеткой-хозяином, а именно специфичностью ее гликозилтрансфераз, с другой стороны, вирусом, а именно структурой его гликозилируемых белков.
Углеводный компонент гликопротеидов играет существенную роль в структуре и функции белка. Он является каркасом для локальных участков гликопротеида, обеспечивая сохранение конформации белковой молекулы, и обусловливает защиту молекулы от протеаз.
Структура вирусов
Отдельная вирусная частица получила название «вирион». Белковый чехол у изометрического вириона или белковая трубка у вириона со спиральной симметрией называется капсидом. Он может быть «голым» или заключенным в липопротеидную оболочку (пеплос), образующуюся из модифицированных клеточных мембран при созревании вируса путем почкования. Если капсид (чаще спиральный и реже изометрический) содержит нуклеиновую кислоту, такой комплекс называется нуклеокапсидом. У большинства изометрических и у всех сложных вирионов капсид заключает в себе внутренний белок и нуклеиновую кислоту (вирусный геном), называемые сердцевиной.
Капсиды состоят из повторяющихся белковых субъединиц, каждая из которых образована одной или несколькими белковыми молекулами. Различают три уровня сложности. Химические единицы — это отдельные полипептиды; они образуют структурные (морфологические) единицы — капсомеры, которые могут состоять из одной или нескольких белковых молекул. Те из них, которые образуют выступы на липопротеидной оболочке вириона, называются пепломерами. Химические единицы, образуя структурные единицы, часто соединены дисульфидными связями. Структурные единицы удерживаются в составе капсида нековалентными связями. Капсиды некоторых вирусов легко разрушаются 1 М раствором хлорида кальция или натрия, что свидетельствует о наличии электростатического взаимодействия между структурными единицами. Однако другие единицы в солевых растворах не разрушаются и чувствительны только к детергентам, что указывает на гидрофобную природу связей.
Вирусы имеют два типа симметрии строения капсида: кубический и спиральный (трубчатый капсид). Структурными единицами капсида являются белковые субъединицы, состоящие из одной или нескольких молекул белка (рис. 12). Структурная единица вируса табачной мозаики состоит из молекул одного белка, вируса полиомиелита — из четырех молекул белка.