Изучение физико-химических свойств вирусов.

Электрофорез. Электрофоретические методы позволяют определить специфическую физическую характеристику вирусной частицы - относительную электрофоретическую подвижность под влиянием электрического поля. В противоположность коэффициентам седиментации и диффузии эта величина практически не зависит от массы частицы и основывается главным образом на суммарном заряде поверхности частицы. Расчет константы электрофоретической подвижности производится по формуле:

χ·q·s
U = ———— ;
i·t

где χ - удельная проводимость, в Ω -1 . см -1 ; q - поперечное сечение электрофоретической колонки, в см; s - путь, пройденный частицей; i - сила тока в А; t - время пробега в сек. Подвижность выражается в см 2 /вольт/сек.

Классический метод электрофореза, или метод движущейся границы Тизелиуса, широко используемый для анализа белков применяется для физико-химической характеристики вирусных частиц - определения изоэлектрической точки и электрофоретической подвижности.

Фронтальный электрофорез - единственный метод, позволяющий определить электрофоретическую подвижность и изоэлектрическую точку с очень высокой точностью. Кроме того, этот метод широко используется при исследовании гомогенности и степени чистоты вирусных препаратов.
Еще более разрешающий метод - метод зонального электрофореза в градиенте плотности и в гелях. Его используют не только для изучения специфической электрофоретической подвижности вирусов, их дифференцировки и идентификации, но и для выделения генетически однородных штаммов и изучении изменчивости микроорганизмов.

Методы фракционирования вирусов.

Эти методы позволяют проводить дезинтегрирование вирусных частиц на отдельные компоненты и их фракционирование. Выделенные компоненты в дальнейшем можно подвергнуть биохимическому анализу с целью изучения их тонкой структуры и свойств. Фракционирование компонентов вирусной частицы осуществляется при помощи центрифугирования в зональном и равновесном градиентах плотности, зонального электрофореза и хроматографии.

Хроматография. Для очистки и фракционирования вирусов применяют три типа хроматографии: адсорбционную, ионообменную и молекулярно-ситовую.

Метод адсорбционной хроматографии основан на различной степени адсорбции компонентов смеси при фильтровании через неподвижный твердый адсорбент. Решающее значение имеют поверхностные свойства вирусной частицы и адсорбента, а также состав буфера, в котором суспендирован вирус. При элюировании соответствующим буфером вирусные частицы можно отделить от примесей. В качестве адсорбентов для наполнения хроматографических колонок в вирусологической практике чаще всего используют фосфат калия и гидроксилапатит.

При ионообменной хроматографии вирусы пропускают через ионообменник. Ионообменниками называют такие соединения, которые содержат фиксированные функциональные группы и подвижные противоионы. Последние могут обратимо обмениваться с другими ионами того же заряда, не изменяя физические свойства нерастворимой матрицы. Ионообменниками могут быть органические и неорганические соединения. В качестве матрицы могут быть использованы алюмосиликаты, синтетические смолы, полисахариды, белки и целлюлоза.

Метод молекулярно-ситовой хроматографии основан на способности пористых материалов, работающих по принципу `обратных молекулярных сит', разделять смесь веществ по размеру и молекулярному весу компонентов. В качестве таких пористых материалов применяют гранулированные гели полисахаридов (сефадексы, агароза), полиакриламида (биогели) и пористое порошковое стекло. Метод подобного фракционирования обычно называют молекулярно-ситовой хроматографией, молекулярной фильтрацией или гельфильтрацией.

Физиология вирусов

Вирус является облигатным внутриклеточным паразитом и для размножения ему требуется живая клетка. Различают три типа взаимодействия вируса с клеткой:

• продуктивный, или цитоцидный тип, при котором в зараженных клетках образуется новое поколение вирионов;
• абортивный тип, характеризующийся прерыванием инфекционного процесса в клетке, поэтому новые вирионы не образуются;
• интегративный тип, или вирогения, заключающийся в интеграции, т.е. встраивании вирусной ДНК в виде провируса в хромосому клетки и их совместном сосуществовании.

Продуктивный тип взаимодействия вируса с клеткой осуществляется в результате размножения, т.е. репродукции вируса (от англ. reproduce - воспроизводить). Репродукция вируса происходит в несколько стадий, различающихся у разных вирусов:

• адсорбция вирионов на клетке;
• проникновение вирусов в клетку;
• депротеинизация или `раздевание' вирусов и высвобождение вирусного генома;
• биосинтез компонентов вируса;
• формирование вирусной частицы;
• выход вирионов из клетки.

Вирусное инфицирование клетки начинается с адсорбции вируса на ее поверхности. Адсорбция вируса обеспечивается взаимодействием его поверхностных белков со специфическими рецепторами чувствительных клеток. Соответствие клеточных рецепторов и поверхностных вирусных белков определяет тропизм вируса (греч. tropos - поворот, направление), то есть способность избирательно поражать определенные клетки. Вирусы, репродуцирующиеся в клетках печени, называются гепатотропными, в клетках нервной системы - нейротропными и т.д.
Проникновение вируса в клетку происходит либо путем виропексиса (рецепторного эндоцитоза), либо слияния оболочки вируса с клеточной мембраной (при наличии белка слияния), или в результате сочетания этих двух механизмов.

В процессе проникновения вириона в клетку при участии клеточных ферментов происходит его депротеинизация, в результате которой удаляются поверхностные структуры вируса, и высвобождается его внутренний компонент (сердцевина, нуклеокапсид, нуклеиновая кислота).
Биосинтез вирусных компонентов осуществляется в разных частях клетки, поэтому называется дизъюнктивным (от лат. disjunctus - разобщенный). Белки вируса синтезируются в результате транскрипции, т.е. `переписывания' информации с генома вируса на информационную РНК (иРНК) и последующей трансляции (считывание иРНК на рибосомах) с образованием белка вируса. Вирусная нуклеиновая кислота кодирует синтез структурных и неструктурных белков вируса. Структурные белки входят в состав вириона, а неструктурные - являются ферментами и обеспечивают репродукцию вируса.

Одновременно с синтезом белка в клетке происходит и репликация (от лат. replicatio - повторение), т.е. синтез вирусных нуклеиновых кислот.
Формирование вирионов происходит путем самосборки: составные части вириона транспортируются в места сборки вируса в ядре или цитоплазме. Сборка компонентов вириона происходит за счет гидрофобных, ионных, водородных связей и стерического соответствия. В результате самосборки капсомеров, образовавшихся из вирусных полипептидов, и взаимодействия их с нуклеиновыми кислотами вируса образуются нуклеокапсиды. Суперкапсидная оболочка сложноорганизованных вирусов включает в себя кроме вирусспецифических белков еще компоненты мембраны клетки.

Рис. Стадии репродукции вирусов.
1 - адсорбция вириона на клетке; 2 - проникновение вириона в клетку путем виропексиса; 3 - вирус внутри вакуоли клетки; 4 - `раздевание вириона вируса; 5 - репликация вирусной нуклеиновой кислоты; 6 - синтез вирусных белков на рибосомах клетки; 7 - формирование вириона; 8 - выход вириона из клетки путем почкования. (Микробиология и иммунология Под редакцией Воробьева А.А. - М. - 1999)

Выход вирионов из клетки реализуется двумя основными путями. Первый тип - взрывной: из погибающей клетки одновременно выходит большое количество вирионов. По взрывному типу выходят из клетки просто устроенные вирусы, не имеющие суперкапсида. Второй тип - почкование, присущ вирусам, имеющим суперкапсид. Сначала образовавшийся нуклеокапсид транспортируется к клеточным мембранам, в которые уже встроены вирусспецифические белки. Затем начинается выпячивание этих участков. Сформировавшаяся почка отделяется от клетки в виде сложно устроенного вируса. При этом клетка способна длительно сохранять жизнеспособность и продуцировать вирусное потомство.
Кроме продуктивного типа взаимодействия вируса и клетки возможно интегративное сосуществование или вирогения. Вирогения характеризуется интеграцией (встраиванием) нуклеиновой кислоты вируса в геном клетки, а также репликацией и функционированием вирусного генома как составной части генома клетки. Для интеграции с клеточным геномом необходимо возникновение кольцевой формы двунитевой ДНК вируса. Встроенная в состав хромосомы клетки вирусная ДНК называется провирусом. Провирус реплицируется в составе хромосомы и переходит в геном дочерних клеток, т.е. состояние вирогении наследуется. Под влиянием некоторых физических или химических факторов провирус может переходить в автономное состояние с развитием продуктивного типа взаимодействия с клеткой.

Дополнительная генетическая информация провируса при вирогении сообщает клетке новые свойства, что может быть причиной развития опухолей, аутоиммунных и хронических заболеваний. На способности вирусов к интеграции с геномом клетки основаны персистенция (от лат. persisto - постоянно пребывать, оставаться) вирусов в организме и развитие персистентных вирусных инфекций. Например, вирус гепатита В способен вызывать персистирующие поражения с развитием хронического гепатита и часто опухолей печени.

Культивировать вирусы можно только на биологических моделях: в организме лабораторных животных, в развивающихся куриных эмбрионах и культурах клеток.