ЛЕКЦИЯ 2. Морфология, химический состав и структура вирусов.
1. Морфология вирусов.
2. Химический состав вирусов.
3. Структура вирусов.
1.
Вирусы имеет в своем составе белки, нуклеиновые кислоты, обладают способностью воспроизводить себе подобных и подвержены изменчивости, что является признаками живых существ. Однако по строению, составу и размножению они имеют значительные отличия от большинства живых существ.
Основные чертами вирусов являются неклеточное строение, наличие собственного генома и способность воспроизводить себе подобных.
Существуют внеклеточные и внутриклеточные формы существования вирусов. Внеклеточные формы представляют собой зрелые вирусные частицы, обладающие инфекционностью и называемые вирионами. Вирионы характеризуются определенной устойчивостью, постоянной структурой и химическим составом, а также имеют определенные размеры.
Внутриклеточная форма (или вегетативная) вируса представляет собой реплицирующийся внутри клетки хозяина геном вируса. При этом составные части вируса разобщены и находятся в тесном взаимодействии с компонентами клетки.
Большинство вирусов имеют размеры в пределах от 10 до 400 нм. Таким образом, мельчайшие вирусы (вирусы ящура, полиомиелита и др.) сопоставимы по размерам с рибосомами клеток и, следовательно, визуально могут быть обнаружены только в электронном микроскопе. Крупные вирусы (большинство вирусов оспы млекопитающих) имеют размеры мелких бактерий и поэтому могут быть увидены в световом микроскопе.
По размерам вирионы разделяются на группы:
- мелкие вирусы (10-30 нм)
- средние вирусы (30-150 нм)
- крупные вирусы (150-400 нм).
Строение вириона
Вирусы очень просто организованы – состоят из центральной части геномной части (нуклеоид) и белковой части (капсид), которая окружает нуклеоид.
Нуклеоид содержит в своем составе нуклеиновую кислоту, а также некоторое количество белка, поэтому его еще называют нуклеопротеид.
Капсид представляет собой каркас, построенный из отдельных похожих друг на друга структур – капсомеров. Они в свою очередь состоят из отдельных единиц – белковых субъединиц (протомеров). Все капсомеры построены из большого числа копий белков нескольких типов, кодируемых ограниченным числом генов (от 4 у пикорнавирусов до 111 у поксвирусов, что зависит от размеров вирусов и их нуклеиновой кислоты). Обычно в состав одного капсомера входит по одному белку различных типов. Подобное строение свидетельствует о максимальном использовании вирусной генетической информации.
Капсомеры находятся в тесной связи с нуклеиновой кислотой, поэтому часто их вместе называют нуклеокапсидом, который защищает вирусную нуклеиновую кислоту, а также способствует переходу ее от одной клетки-хозяина в другую. Вирусы, которые имеют в своем строении только нуклеокапсид называют простоорганизованными (вирус ящура и др.).
У некоторых вирусов вирион имеет еще и дополнительную оболочку – суперкапсид (или пеплос). Вирусы, содержащие суперкапсид как обязательную структуру, называются сложноорганизованными (вирус бешенства, оспы, лейкоза и др.). По строению суперкапсид похож на цитоплазматическую мембрану клеток, что обусловлено его клеточным происхождением, так как он формируется в момент выхода вириона из пораженной клетки. Суперкапсид содержит в своем составе углеводы и липиды, а также небольшое количество белков, которые в отличие от углеводов и липидов кодируются геномом вируса и выполняют в основном адресную функцию, то есть обеспечивают прикрепление вириона к поверхности клетки-хозяина. У некоторых вирусов имеется промежуточная оболочка – белковая мембрана.
При многих вирусных инфекциях вирусы могут вызывать появление внутриклеточных включений (телец-включений). Они представляют собой вирусный материал, а также реакцию клетки на этот материал.
Внутриклеточные включения классифицируются на:
1. Цитоплазматические (при бешенстве). Характеризуются размерами от 1 до 30 мкм, обычно лежат по несколько у ядра; вызываются обычно крупными вирусами.
2. Внутриядерные (аденовирусная инфекция). Вызываются крупными и мелкими вирусами, они отличны от ядра.
3. Смешанные.
По содержанию вирусной нуклеиновой кислоты, заключенной внутри включений различают:
1. ДНК- содержащие.
2. РНК- содержащие.
По способности окрашиваться они могут разделены на:
1. Базофильные.
2. Оксифильные.
2.
В составе всех вирусов обязательно присутствуют белки и одна из нуклеиновых аминокислот. У сложноорганизованных вирусов есть также липиды, углеводы и другие соединения.
Белки составляют от 49 до 89% по массе, нуклеиновые кислоты от 3 до 40%.
Нуклеиновая кислота и небольшое количество белка сосредоточены в центре вириона и большая часть белка – в капсиде.
В состав белков входят те же аминокислоты, что и в состав остальных кислот и построены по тому же принципу.
Белки вирусов выполняют различные функции. Они могут находиться на поверхности вириона, выполняя функцию рецепторов к чувствительным клеткам. Кроме того, капсид всех вирусов состоит из белков, выполняющих структурную функцию. Наконец, репликация вирусной нуклеиновой кислоты невозможна без участия белков-ферментов. Молекулярная масса вирусных белков варьирует от 10·103 до 15·104 Д.
Учитывая разнообразие вирусных белков, их принято разделять на две группы: структурные и неструктурные (функциональные).
Структурными белками являются все те белки, которые входят в состав капсида и поэтому придают вирусу определенную форму. Количество структурных белков у разных вирусов различно, что зависит от степени организации и размеров вируса.
Неструктурными белками являются все те белки, которые участвуют в процессе репродукции вирусов. Это главным образом, ферменты, регулирующие репродукцию, а также их предшественники.
Основная часть полипептидов являются вирусоспецифическими белками (синтезированы по программе генома вируса). Их можно разделить на классы:
- Белки капсида
- Белки сердцевины
- Белки суперкапсида
- Ферментные белки.
Снаружи вириона обычно располагаются высокомолекулярные белки, внутри – низкомолекулярные, тесно связанные с нуклеиновой кислотой. Основная роль наружных белков – защита нуклеиновой кислоты.
Функции вирусных белков
1. Защитная – защищает нуклеиновую кислоту от воздействия внешней среды.
2. Адресная – белки имеют рецепторы определенной чувствительной клетке.
3. Белки вирусов облегчают проникновение вируса в клетке.
Ферменты
В составе вириона присутствуют ферменты:
а) кодируемые вирусом;
б) индуцируемые вирусом.
Ген, кодирующий определенный фермент, входит в состав нуклеиновой кислоты вируса, а ген индуцируемых ферментов входит в состав клеточной ДНК. Иначе, кодируемые вирусом ферменты есть все те ферменты, синтезированные по программе вирусного генома. Индуцируемые вирусом ферменты представляют собой ферменты клетки, переподчиненные вирусом для его собственной репродукции.
В зависимости от стадии развития ферменты делятся на:
1. Ферменты внутриклеточной формы вируса. Это ферменты, которые синтезируются на вирусной нуклеиновой кислоты только внутри пораженной клетки.
2. Ферменты внеклеточной формы вируса. Сюда относят транскриптаза (РНК-полимераза), обратная транскриптаза (ревертаза) – все они заключены в состав вириона.
Нуклеиновые кислоты
Это сложные полимерные соединения, хранящие генетическую информацию вируса. Состоят из несколько сотен тысяч нуклеотидов.
Отличительные свойства вирусов:
У них только одна нуклеиновая кислота в составе вириона, а в клетках может присутствовать оба типа. По присутствию определенного типа нуклеиновой кислоты в вирионе вирусы делятся на ДНК- и РНК-содержащие. Обычно нуклеиновая кислота вирусов в 10-100 раз меньше по массе, чем нуклеиновая кислота животных и растительных клеток. Нуклеиновая кислота вируса занимает центральное положение в вирионе и упакована в белковый чехол.
По строению генома вирусы делятся на:
1. Одноцепочечная нефрагментированная РНК (парамиксовирусы и др.).
2. Одноцепочечная фрагментированная РНК (аренавирусы и др.).
3. Двухцепочечная фрагментированная РНК (реовирусы, бирнавирусы).
4. Одноцепочечная линейная ДНК (парвовирусы).
5. Двухцепочечная линейная ДНК (герпесвирусы и др.).
6. Двухцепочечная циркулярная ДНК (гепаднавирусы).
Функции нуклеиновой кислоты
1. Программирует наследственность.
2. Участвует в синтезе вирусного белка.
3. Отвечает за информационные свойства вируса.
Липиды
Имеют клеточное происхождение. Они включаются в оболочку при выходе вируса из клетки и присутствуют в составе суперкапсида. Если вирус имеет липиды, то он быстро разрушается под действием эфира, и поэтому такой вирус называют чувствительным к эфиру и хлороформу.
Углеводы
В составе вириона это рибоза и дезоксирибоза, которые являются обязательными составными частями нуклеиновых кислот. Также присутствует галактоза, манноза. Все углеводы участвуют в упаковке капсомера. Кроме того, в составе суперкапсида присутствует определенное количество углеводов.
Компоненты клеток хозяина
В составе некоторых вирионов могут присутствовать компоненты клеток хозяина, которые вирус включает в свой состав в процессе репродукции, а также при выходе из клетки. Однако во всех случаях эти компоненты не являются обязательными и их зачастую обнаруживают только в отдельных вирионах. Например, паповавирусы могут содержать клеточные гистоны, а аренавирусы – рибосомы клеток.
Минеральные элементы
В составе вириона присутствуют ионы калия, натрия, кальция, железа и ряд других. Они участвуют в формировании связей белка с нуклеиновой кислоты.
3.
Структура вируса – это характер расположения капсомеров относительно нуклеиновой кислоты.
У одной группы вирусов капсомеры находятся в тесной связи со спирально скрученной нуклеиновой кислотой и поэтому расположены по спирали. Такой вид симметрии вирусов называют спиральным (вирус гриппа, бешенства и др.). Чаще такой вид симметрии наблюдают у РНК-геномных вирусов средних и крупных размеров.
У другой группы вирусов капсомеры расположены в виде многогранника, образуя капсид икосаэдрной формы (икосаэдр – многогранник, состоящий из 20 равносторонних треугольников, объединенных 12 вертикальными линиями). Подобный вид симметрии называют кубическим. Кубический тип симметрии присутствуют у большинства ДНК-геномных вирусов (герпесвирусы, аденовирусы и т.д.) и мелких РНК-геномных вирусов (вирус ящура, реовирусы, бирнавирусы и др.). У вирусов с кубическим типом симметрии имеется строгое число капсомеров, характерное для каждого рода вируса (например, у герпесвирусов имеется 162 капсомера, аденовирусы – 252, реовирусы и бирнавирусы – 92.
У третьей группы вирусов присутствуют оба типа симметрии. Такой тип симметрии называют смешанным и свойственен исключительно бактериофагам.
Вирусы оспы имеют сложное строение, включающее наличие многослойной мембраны, покрывающей капсид вириона. Такой вид симметрии называется сложным и обнаружен только у поксвирусов.
Тип симметрии вирусов и характер расположения капсомеров придают вирусам определенную форму, которую можно наблюдать в электронном микроскопе.
Когда капсомеры расположены в виде многогранника они придают вирусу сферическую форму. Поэтому вирусы с кубическим типом симметрии в электронном микроскопе имеют округлую форму.
Спиральный тип симметрии наблюдают у крупных вирусов. У них сама нуклеиновая кислота располагается в виде спирали, а капсомеры закрывают ее. Капсомеры придают вирусу палочковидную форму, поэтому вирионы со спиральным типом симметрии в электронном микроскопе имеют вытянутую форму.
Наличие суперкапсида у сложноорганизованных вирусов придает им округлую форму вне зависимости от типа симметрии капсида. Чаще всего суперкапсид большинства вирионов (кроме вируса оспы) имеет гибкую структуру, поэтому может придавать вириону измененную форму. Такие вирусы называются плеоморфными.
Смешанный тип симметрии наблюдают у бактериофагов, у которых головка с заключенной нуклеиновой кислотой имеет кубический тип симметрии, а прикрепляющийся к головке хвостик имеет спиральный тип симметрии. В этой связи бактериофаги в электронном микроскопе имеют форму сперматозоидов.