Структурно-функциональная организация вирионов

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВИРИОНОВ

Глава 2. Свойства вирионов

Химический состав вирусов

При всем разнообразии форм и размеров вирусов струк­туре их капсидов присущи некоторые общие признаки (рис. 2.3).

Все вирионы содержат геномную нуклеиновую кислоту (рис. 2.4), покрытую снаружи белковой оболочкой – капсидом. По химическому составу вирусы – нуклеопротеиды, а по структуре – нуклеокапсиды. В состав многих ви­русов, кроме белка и нуклеиновой кислоты, входят угле­воды, липиды и некоторые другие соединения.

Схематическое изображение структуры вирусов: а - простой, икосаэдрическая симметрия; б - сложный, икосаэдрическая симметрия; в - простой, спиральная симметрия; г - сложный, спиральная симметрия

Рис. 2.3. Схематическое изображение структуры вирусов: а – простой, икосаэдрическая симметрия; б – сложный, икосаэдрическая симметрия; в – простой, спиральная симметрия; г – сложный, спиральная симметрия

Геномные нуклеиновые кислоты вирусов

Рис. 2.4. Геномные нуклеиновые кислоты вирусов

Остановимся на понятии полярности РНК. Одноцепо­чечные вирусные РНК разделяют на две группы. К одной группе относят РНК, которые способны в клетке-хозяине транслироваться рибосомами, т.е. играть роль мРНК. Та­кие РНК обозначают как (+)РНК, а геном, который они представляют, называют позитивным.

Таблица 2.2. Перечень вирусных геномов, которые найдены в вирионах

Перечень вирусных геномов, которые найдены в вирионах

У другой группы РНК-содержащих вирусов РНК не узнается рибосомным аппаратом клетки, и поэтому она не способна выполнять функцию мРНК. В клетке такая РНК служит матрицей для синтеза мРНК. Данный тип РНК обозначают как (-)РНК, а соответствующий геном носит название негативного.

Тип нуклеиновой кислоты, находящейся в вирионе, и стратегия ее репликации в клетке-хозяине положены в ос­нову так называемой «классификационной системы Балти­мора». Согласно этой классификации, все известные в нас­тоящее время вирусы разделены на 7 групп Балтимора, со­ответствующих приведенному перечню геномов (табл. 2.2).

Капсид состоит из одинаковых по строению субъеди­ниц – капсомеров, которые располагаются согласно двум основным типам симметрии – кубической (икосаэдрической) или спиральной.

Капсомеры – это морфологические единицы капсида, которые, в свою очередь, могут состоять из одной или не­скольких молекул белка – структурных единиц. Комплекс капсида и вирусной нуклеиновой кислоты обычно обозна­чают термином нуклеокапсид. Он может обладать куби­ческой (икосаэдрической) или спиральной симметрией. Вирионы простых вирусов представлены только капсидом. Вирионы сложных вирусов дополнительно имеют двухслойные липидные мембраны, в которые включены белки (почти всегда – гликопротеиды), имеющие форму шипов. Такие вирионы обычно имеют слой негликозили- рованного белка (матрикс), примыкающего к капсиду.

Простые вирусы, как правило, состоят только из вирусо­специфических компонентов. Изредка такие вирусы мо­гут «уносить» из клетки-хозяина ее компоненты, такие, например, как полиамины и гистоны – поликатионы, слу­жащие для нейтрализации зарядов на вирусной нуклеиновой кислоте, что облегчает упаковку ее в капсид.

Сложные вирусы содержат ферменты, а также могут включать в состав вириона белки – компоненты мембраны клетки-хозяина. Это можно рассматривать как побочный эффект процесса отпочковывания вируса при выходе из клетки. Однако часто это служит вирусу своеобразным ка­муфляжем и позволяет уходить из-под атаки хозяйской иммунной системы.

Закономерен вопрос: почему у всех вирусов капсид имеет субъединичную структуру? Такое строение капсида, по-видимому, обусловлено необходимостью экономии генетического материала. В противном случае, как пока­зывают расчеты, у многих вирусов его бы хватило для ко­дирования белков, способных покрыть не более 15% нук­леиновой кислоты. Очевидно также, что при наличии од­ного или немногих морфологических комцонентов значи­тельно облегчается самосборка капсида. Иначе вероят­ность ошибок в процессе самосборки резко бы возросла.

Наконец, существуют своего рода «технические» огра­ничения, которые снижают прочность упаковки на осно­ве, скажем, тетраэдра или октаэдра. В этих вариантах промежутки между субъединицами будут слишком боль­шими, а частица в результате – непрочной. Расчеты и опыт свидетельствуют, что чем больше число субъединиц и чем больше контактов их друг с другом, тем более ста­бильной получается структура и тем крупнее может быть капсид, в который, в свою очередь, может быть помещен более крупный и сложный геном.

Инкапсулирование генома необходимо вирусам, преж­де всего, для физической защиты лабильной по своей хи­мической природе нуклеиновой кислоты от воздействия на внеклеточной стадии существования жестких факто­ров окружающей среды (таких, как экстремальные значе­ния pH и температуры, УФ-облучение и т.д.).

Другой важнейшей функцией капсида является обес­печение адсорбции вируса на клетке-хозяине через взаи­модействие с клеточными рецепторами.

У некоторых вирусов геном фрагментирован, и оболоч­ка просто необходима для того, чтобы собрать его в единое целое.

У сложных вирусов наличие внешней липидной обо­лочки из-за сродства ее с мембраной клетки-хозяина способствует проникновению нуклеокапсида внутрь клетки. Кроме того, за счет включения в эту оболочку белков клет­ки-хозяина, вирус получает возможность успешнее пре­одолевать хозяйский иммунологический барьер.

Принципы вирусной архитектоники

Морфология капсида. Структура вирусов чрезвычайно разнообразна, однако прослеживаются некоторые общие принципы, которые используют вирусы в построении сво­их капсидов. По характеру расположения капсомеров ви­русы делят на три группы: с кубическим (икосаэдриче- ским), спиральным и смешанным типом симметрии. Большинство патогенных для человека вирусов обладает икосаэдрическим типом симметрии. Спиральный тип ха­рактерен для миксовирусов и некоторых арбовирусов. Смешанный тип симметрии выявлен у поксвирусов и бак­териофагов.

По форме, выявляемой с помощью электронной мик­роскопии, вирусы можно разделить на сферические (папо- вавирусы, поксвирусы), палочкообразные (например, ВТМ) и нитевидные (вирус бешенства и др.). Палочкооб­разные вирусы – обычно простые со спиральным типом симметрии. Среди сложных вирусов встречаются как простые (икосаэдрическая симметрия), так и сложные, у которых могут быть любые из вышеперечисленных типов симметрии.

В 1956 г. Ф. Крик и Дж. Уотсон предложили (главным образом на основе теоретических рассуждений) принципы структуры вирусов, которые впоследствии были пол­ностью подтверждены экспериментально и сейчас счита­ются общепризнанными. Эти исследователи, прежде все­го, заметили, что размера нуклеиновых кислот (в первую очередь, у мелких вирусов) хватает для кодирования толь­ко нескольких сравнительно небольших белков. Отсюда единственная возможность для вируса создать прочную оболочку – построить ее из идентичных молекул струк­турного белка.

Вторая часть предположения касалась способа, при по­мощи которого капсид может быть собран из субъединиц. Из общих соображений было предположено, что субъеди­ницы должны соединяться друг с другом так, чтобы обес­печить для каждой из них одинаковое окружение. А это возможно только в том случае, если они будут паковаться с использованием принципов симметрии. Крик и Уотсон постулировали, что единственный способ обеспечить каж­дой субъединице одинаковое окружение – собрать из них некую структуру с кубической симметрией. Эти предска­зания вскоре были подтверждены – капсиды икосаэдрической формы найдены у огромного числа совершенно не­родственных вирусов. Таким образом стало очевидным, что икосаэдрическая симметрия капсида это не случай­ный результат естественного отбора, а один из основопола­гающих принципов архитектоники вирионов.

Структура икосаэдрического капсида. Икосаэдр насчи­тывает 20 граней, каждая из которых является равносто­ронним треугольником, и 12 вершин. Икосаэдр (рис. 2.5) имеет 6 осей 5-го порядка, проходящих через вершины, 10 осей 3-го порядка, проходящих через каждую грань, и 12 осей 2-го порядка, проходящих через ребра. Крик и Уотсон указали, что вирусу с симметрией 5:3:2 требуется как минимум 60 субъединиц, чтобы полностью закрыть ими поверхность воображаемой фигуры. При этом каждая субъединица оказывается связанной идентично со своими соседями и ни одна из них не совпадает с осью симметрии.

Простейший икосаэдр и способы получения из него икосаэдров более высокого порядка

Рис. 2.5. Простейший икосаэдр и способы получения из него икосаэдров более высокого порядка (класса Р = 1, при f = 2 и f = 3)

Действительно, к настоящему времени найдено не­сколько вирусов (например, бактериофаг ФХ174), кото­рые имеют только 60 субъединиц. Однако большинство вирусов включает в свои капсиды гораздо большее число капсомеров. При этом выполняется правило, согласно ко­торому число структурных единиц любого икосаэдра должно составлять 60Т (минимальное число субъединиц в простейшем икосаэдре, помноженное на так называемое «число триангулирования»).

Число триангулирования определяется из формулы

Т = Pf2,

где Р = 1, 3, 7, 13, 19, 21, 37 (класс икосаэдра); f – любое целое число (при этом f2 – число треугольников, на кото­рые разделяется каждая грань).

Простейший икосаэдр (см. рис. 2.5) имеет 20 граней. Бо­лее сложные икосаэдрические структуры могут содержать 20Т граней. Говоря проще, при делении граней простейшего икосаэдра на более мелкие треугольники можно получить серию многогранников более высоких классов сложности.

Икосаэдрические вирусы, содержащие 60 субъединиц, имеют совершенную симметрию. Если же в состав вирус­ной частицы входит более 60 субъединиц, то расположить их эквивалентно относительно друг друга на поверхности икосаэдра не представляется возможным. По этой причи­не в структуре таких вирусов наблюдается явление непол­ной пространственной эквивалентности (т.е. квазиэквива­лентности) субъединиц.

Чтобы это проиллюстрировать, рассмотрим частицу со 180 субъединицами. Здесь белковые субъединицы распо­лагаются не независимо, а кластерами, потому что это максимизирует межмолекулярные взаимодействия, кото­рые стабилизируют частицу. Так, например, у вируса полиомиелита 3 субъединицы размещаются в центре каждо­го треугольника, образуя 60 морфологических единиц, т.е. капсомеров. У вируса морщинистости репы кластеры располагаются по центру ребер, образуя 90 капсомеров, являющихся димерами. В случае вируса желтой мозаики тюльпанов кластеры располагаются в вершинах треуголь­ников, формируя 20 гексамеров и 12 пентамеров (всего 32 капсомера). Существенно, что связь между субъединица­ми в составе капсомера сильнее, чем связь между самими капсомерами, поэтому капсомеры могут быть изолирова­ны для структурно-функционального изучения.

Спиральные нуклеокапсиды. Они представляют собой простейшую форму вирусных капсидов. Белок как бы «наматывается» на нуклеиновую кислоту (обычно это од­ноцепочечные РНК или ДНК) по спирали, наподобие вин­та. В случае вируса табачной мозайки (рис. 2.6) образуемая структура – уже вирион. То же справедливо и для нитевидных вирусов, в составе которых нет внешних мембран (например, боль­шинство вирусов растений).

Элемент структуры вируса табачной мозайки

Рис. 2.6. Элемент структуры вируса табачной мозайки

Схематическое строение ВИЧ

Рис. 2.7. Схематическое строение ВИЧ

В других случаях палочкообразный спиральный нуклеокапсид может быть окружен матриксным белком и мембраной с шипами. Типичным примером таких вирио­нов являются члены сем. Рагатуxoviridae.

В качестве примера сложного вируса рассмотрим структуру вируса иммунодефицита человека (ВИЧ).

ВИЧ (рис. 2.7) содержит 2 идентичные копии (диплоид­ный геном) позитивной одноцепочечной РНК длиной око­ло 9500 нуклеотидов. РНК ассоциирована с основным (по­ложительно заряженным) нуклеокапсидным белком. Этот белок предназначен для нейтрализации отрицательных за­рядов на РНК, что облегчает укладку нуклеиновой кисло­ты в капсиде. Нуклеопротеидный тяж (полагают, что он имеет спиральную симметрию) окружен икосаэдрическим капсидом, составленным из множества копий капсидного белка. Капсид, в свою очередь, окружен слоем матриксного белка, также имеющим икосаэдрическую симметрию. Матриксный белок контактирует с двухслойной липидной мембраной (оболочкой). Оболочка ВИЧ происходит из кле­точной плазматической мембраны и приобретается в про­цессе выхода вируса из клетки. Считается, что оболочка содержит липидные и белковые компоненты клетки. Кро­ме того, она содержит вирусные белки, имеющие форму шипов. Главным из них является белок, обозначаемый gpl20/41. Этот сложный белок, состоящий из двух гли­копротеидов, функционирует в качестве вирусного анти­рецептора (белка, соединяющегося с рецептором клетки).

На рис. 2.7 видно, что гликопротеид gp41 пронзает обо­лочку, a gpl20 находится на ее внешней поверхности.

Внешняя оболочка, окружающая капсид, является обычным элементом вирусов животных и человека, в то же время у вирусов растений она встречается редко. У ря­да вирусов оболочка происходит из ядерной мембраны или мембраны телец Гольджи.

Многие вирусы имеют еще более сложное строение, чем мы описали выше, хотя они часто составлены из элемен­тов, которые имеют или спиральную, или икосаэдрическую симметрию. Хорошо известный пример – «хвоста­тые» бактериофаги, такие, например, как Т4. Головка этих вирусов – икосаэдрическая с триангуляционным числом, равным 7. Она, в свою очередь, прикреплена че­рез воротничок к сокращающемуся хвосту, который уже имеет спиральную симметрию.

 

А Вам помог наш сайт? Мы будем рады если Вы оставите несколько хороших слов о нас.
Категории
Рекомендации
Можно выбрать
Интересное
А знаете ли вы, что нажав сочетание клавиш Ctrl+F - можно воспользоваться поиском по сайту?
X
Copyrights © 2015: FARMF.RU - тесты, лекции, обзоры
Яндекс.Метрика
Рейтинг@Mail.ru

Пожалуйста поддержите наш сайт.

Скроее всего Вы знаете, что Google приостановил монетизацию сайтов в РФ. Для поддержки нашего сайта пожалуйста используйте VPN соединение из любой страны кроме РФ. Нам важна Ваша помощь для продолжения публикации новых лекций и статей.