Процесът на образуване на вириони се състои от етапи. Взаимодействие вирус-клетка
СЪДЪРЖАНИЕ
Контролни въпроси:
1. Възпроизвеждане на ДНК геномни вируси: основни етапи, характеристики на възпроизвеждане………………………………………………………………………... 3
2. Признаци на вирусна репродукция в живи системи: лабораторни животни, пилешки ембриони, клетъчни култури………………………………………………..… ……16
3. Задача..................................................... .... .............................................. .......... ...20
Литература…………………………………………………...........25
1. Възпроизвеждане на ДНК геномни вируси: основни етапи, характеристики на възпроизвеждане
Размножаване на вируси
Процесът на възпроизвеждане на вируса може да бъде разделен на две фази. Първата фаза обхваща събитията, които водят до адсорбцията и навлизането на вируса в клетката, освобождаването на вътрешния му компонент и модифицирането му по такъв начин, че да е в състояние да причини инфекция. Съответно първата фаза включва три етапа: 1) адсорбция на вируса върху клетките; 2) проникване на вируса в клетките; 3) отстраняване на вируса в клетката. Тези етапи имат за цел да гарантират, че вирусът е доставен до съответните клетъчни структури и вътрешният му компонент е освободен от защитните си мембрани. След като тази цел бъде постигната, започва втората фаза на възпроизвеждане, по време на която се експресира вирусният геном. Тази фаза включва етапите: 1) транскрипция, 2) транслация на информационна РНК, 3) репликация на генома, 4) сглобяване на вирусни компоненти. Крайният етап на възпроизвеждане е освобождаването на вируса от клетката.
Първата фаза на размножаване.
I. Адсорбция на вириони върху клетъчната повърхност.
Взаимодействието на вируса с клетката започва с процеса на адсорбция, т.е. прикрепването на вирусните частици към клетъчната повърхност. Процесът на адсорбция е възможен при наличие на подходящи рецептори на клетъчната повърхност и „разпознаващи” вещества на повърхността на вируса. Самите първоначални процеси на адсорбция са неспецифични по природа и могат да се основават на електростатичното взаимодействие на положително и отрицателно заредени групи на повърхността на вируса и клетката. Въпреки това, разпознаването на клетъчните рецептори от вирусни протеини, което води до прикрепване на вирусната частица към клетката, е много специфичен процес. Протеините на повърхността на вируса, които разпознават специфични групи на плазмената мембрана на клетката и карат вирусната частица да се прикрепи към тях, се наричат прикрепващи протеини.
Вирусите използват рецептори, предназначени да преминат в клетката вещества, необходими за нейния живот: хранителни вещества, хормони, растежни фактори и др. Рецепторите могат да имат различна химическа природа и да бъдат протеини, въглехидратният компонент на протеините и липидите, липидите. Рецепторите за грипните вируси и парамиксовирусите са сиалова киселина в състава на гликопротеините и гликолипидите (ганглиозидите), за рабдовирусите и реовирусите - също въглехидратен компонент в състава на протеините и липидите, за пикорнавирусите и аденовирусите - протеини, за някои вируси - липиди . Специфичните рецептори играят роля не само в прикрепването на вирусната частица към клетъчната повърхност. Те определят по-нататъшната съдба на вирусната частица, нейния вътреклетъчен транспорт и доставка до определени области на цитоплазмата и ядрото, където вирусът е в състояние да инициира инфекциозния процес. Вирусът може също да се прикрепи към неспецифични рецептори и дори да проникне в клетката, но само прикрепването към специфичен рецептор ще доведе до инфекция.
Прикрепването на вирусната частица към клетъчната повърхност първоначално става чрез образуването на единична връзка между вирусната частица и рецептора. Такова прикрепване обаче е крехко и вирусната частица може лесно да се отдели от клетъчната повърхност - обратима адсорбция. За да възникне необратима адсорбция, трябва да се появят множество връзки между вирусната частица и много рецепторни молекули, т.е. трябва да възникне стабилно многовалентно прикрепване. Броят на клетъчните рецепторни молекули в местата на адсорбция може да достигне до 3000. Стабилното свързване на вирусната частица към клетъчната повърхност в резултат на многовалентно прикрепване възниква поради възможността за свободно движение на рецепторните молекули в липидния двоен слой на плазмената мембрана , което се определя от подвижността, „течливостта“ на протеиново-липидния слой. Увеличаването на липидната течност е едно от най-ранните събития при взаимодействието на вируса с клетката, което води до образуване на рецепторни полета на мястото на контакт на вируса с клетъчната повърхност и стабилно прикрепване на вирусната частица към получени групи.
Броят на специфичните рецептори на клетъчната повърхност варира между 104 и 105 на клетка. Рецепторите за някои вируси могат да присъстват само в ограничен набор от клетки гостоприемници и това може да определи чувствителността на тялото към даден вирус. Например пикорнавирусите се адсорбират само в клетки на примати. Рецепторите за други вируси, напротив, са широко представени на повърхността на клетки от различни видове, като например рецептори за ортомиксовируси и парамиксовируси, които са сиалил-съдържащи съединения. Следователно, тези вируси имат относително широк диапазон от клетки, върху които може да възникне адсорбция на вирусни частици. Клетките на изключително широк кръг гостоприемници притежават рецептори за редица тогавируси: тези вируси могат да адсорбират и заразяват клетки както на гръбначни, така и на безгръбначни.
II. Проникване на вируса в клетката.
Исторически е имало идея за два алтернативни механизма за проникване на животински вируси в клетките - чрез виропексис (ендоцитоза) и чрез сливане на вирусни и клетъчни мембрани. И двата механизма обаче не се изключват, а взаимно се допълват.
Терминът "виропексис" означава, че вирусната частица навлиза в цитоплазмата в резултат на инвагинация на част от плазмената мембрана и образуване на вакуола, която съдържа вирусната частица.
Рецепторна ендоцитоза. Виропексисът е специален случай на рецепторна или адсорбционна ендоцитоза. Този процес е общ механизъм, чрез който хранителни и регулаторни протеини, хормони, липопротеини и други вещества от извънклетъчната течност навлизат в клетката. Рецепторната ендоцитоза възниква в специализирани области на плазмената мембрана, където има специални ямки, покрити от цитоплазмената страна със специален протеин с голямо молекулно тегло - клатрин. На дъното на ямата има специфични рецептори. Ямките позволяват бърза инвагинация и образуване на покрити с клатрин вътреклетъчни вакуоли. Полуживотът на проникване на веществото в клетката по този механизъм не надвишава 10 минути от момента на адсорбция. Броят на вакуолите, образувани за една минута, достига повече от 2000. По този начин рецепторната ендоцитоза е добре координиран механизъм, който осигурява бързото проникване на чужди вещества в клетката.
Покритите вакуоли се сливат с други, по-големи цитоплазмени вакуоли, образувайки рецептор-съдържащи рецептори, но не и клатрин, който на свой ред се слива с лизозоми. По този начин протеините, които влизат в клетката, обикновено се транспортират до лизозомите, където се разграждат до аминокиселини; те могат да заобикалят лизозомите и да се натрупват в други части на клетката в неразграден вид. Алтернатива на рецепторната ендоцитоза е течната ендоцитоза, когато инвагинацията не настъпва в специализирани области на мембраната. Повечето животински вируси с обвивка и без обвивка навлизат в клетката чрез механизма на рецепторна ендоцитоза. Ендоцитозата осигурява вътреклетъчния транспорт на вирусната частица в ендоцитната вакуола, тъй като вакуолата може да се движи във всяка посока и да се слее с клетъчните мембрани (включително ядрената мембрана), освобождавайки вирусната частица в съответните вътреклетъчни места. По този начин например ядрените вируси навлизат в ядрото, а реовирусите - в лизозомите. Въпреки това, вирусните частици, които са влезли в клетката, се намират във вакуолата и са отделени от цитоплазмата от нейните стени. Те трябва да преминат през редица етапи, преди да предизвикат инфекциозен процес.
Сливане на вирусни и клетъчни мембрани. За да може вътрешният компонент на вируса да премине през клетъчната мембрана, вирусът използва механизъм на мембранно сливане. При вирусите с обвивка сливането се причинява от точково взаимодействие на вирусния слят протеин с липидите на клетъчната мембрана, в резултат на което вирусната липопротеинова обвивка се интегрира с клетъчната мембрана и вътрешният компонент на вируса се появява на другата му страна. страна. При вирусите без обвивка един от повърхностните протеини също взаимодейства с липидите на клетъчните мембрани, карайки вътрешния компонент да премине през мембраната. Повечето животински вируси навлизат в цитозола от рецептозомата.
Ако по време на ендоцитозата вирусната частица е пасивен пътник, то по време на сливането тя става активен участник в процеса. Слетият протеин е един от неговите повърхностни протеини. Към днешна дата този протеин е идентифициран само в парамиксовируси и ортомиксовируси. При парамиксовирусите този протеин (P протеин) е един от двата гликопротеина, разположени на повърхността на вирусната частица. Функцията на слетия протеин в грипния вирус се изпълнява от малката хемаглутинираща субединица.
Парамиксовирусите индуцират мембранно сливане при неутрално pH и вътрешният компонент на тези вируси може да навлезе в клетката директно през плазмената мембрана. Въпреки това, повечето вируси с обвивка и без обвивка индуцират мембранно сливане само при ниски стойности на рН, между 5,0 и 5,75. Ако към клетките се добавят слаби основи (амониев хлорид, хлорохин и др.), Които повишават pH в ендоцитните вакуоли до 6,0, мембранното сливане не настъпва, вирусните частици остават във вакуолите и инфекциозният процес не възниква. Строгата зависимост на мембранното сливане от стойностите на pH се дължи на конформационни промени във вирусните слети протеини.
Лизозомата винаги има ниска стойност на pH (4,9). В ендоцитната вакуола (рецептозома), подкисляването се създава от ATP-зависима „протонна помпа“ на клетъчната повърхност по време на образуването на покрита вакуола. Подкисляването на ендоцитната вакуола е от голямо значение за физиологичните лиганди, навлизащи в клетката, тъй като ниското рН насърчава дисоциацията на лиганда от рецептора и рециклирането на рецепторите.
Същият механизъм, който е в основата на сливането на вирусни и клетъчни мембрани, определя индуцираната от вируса хемолиза и сливането на плазмени мембрани на съседни клетки с образуването на многоядрени клетки, симпласти и синцитии. Вирусите причиняват два вида клетъчно сливане: 1) „сливане отвън“ и 2) „сливане отвътре“. „Сливане отвън“ възниква при висока множественост на инфекцията и се открива в първите часове след заразяването. Този тип сливане, описан за парамиксовирусите, се причинява от протеини на заразяващия вирус и не изисква вътреклетъчен синтез на вирусни компоненти. Обратно, „сливането отвътре“ се случва при ниска множественост на инфекцията, открива се в сравнително късни етапи на инфекциозния процес и се причинява от новосинтезирани вирусни протеини. „Сливане отвътре“ е описано за много вируси: херпесни вируси, онковируси, патогени на бавни инфекции и др. Този тип сливане се причинява от същите вирусни гликопротеини, които осигуряват проникването на вируса в клетката.
III. Събличане - депротеинизация на вируса
Вирусните частици, попаднали в клетката, трябва да се съблекат, за да предизвикат инфекциозен процес. Целта на събличането е да се премахнат вирусните защитни мембрани, които предотвратяват експресията на вирусния геном. В резултат на събличането се освобождава вътрешният компонент на вируса, който може да причини инфекциозен процес. Събличането е придружено от редица характерни особености: в резултат на разпадането на вирусната частица инфекциозната активност изчезва, в някои случаи се появява чувствителност към нуклеази, възниква резистентност към неутрализиращия ефект на антителата и се губи фоточувствителност при използване на номер. на лекарства.
Крайните продукти от събличането са ядра, нуклеокапсиди или нуклеинови киселини. За редица вируси е доказано, че продуктът за събличане не е голи нуклеинови киселини, а нуклеинови киселини, свързани с вътрешния вирусен протеин. Например, крайният продукт на пикорнавирусите е РНК, ковалентно свързана с VPg протеина; крайният продукт на аденовирусите е ДНК, ковалентно свързана с един от вътрешните вирусни протеини.
В някои случаи способността на вирусите да предизвикат инфекциозен процес се определя от възможността за тяхното разграждане в клетката на дадена система. Така този етап е един от етапите, които ограничават инфекцията.
Събличането на редица вируси се извършва в специализирани области вътре в клетката (лизозоми, структури на апарата на Голджи, перинуклеарно пространство, ядрени пори на ядрената мембрана). Когато вирусната и клетъчната мембрана се слеят, проникването в клетката се съчетава със събличане.
Събличането и вътреклетъчният транспорт са взаимно свързани процеси: ако правилният вътреклетъчен транспорт до местата на събличане е нарушен, вирусната частица навлиза в лизозомата и се унищожава от лизозомни ензими.
Втора фаза на размножаване .
I. Транскрипция.
Транскрипцията се извършва с помощта на специален ензим - РНК полимераза, който свързва нуклеотидите чрез образуване на 3-5´фосфодиестерни мостове. Това свързване става само в присъствието на ДНК шаблон.
Продуктите на транскрипцията в клетката са тРНК. Самата клетъчна ДНК, която е носител на генетична информация, не може директно да програмира протеиновия синтез. Прехвърлянето на генетична информация от ДНК към рибозомите се осъществява от РНК месинджър. Това е основата на централната догма на молекулярната биология, която се изразява със следната формула:
ДНК - транскрипция - РНК - транслация - протеин,
където стрелките показват посоката на трансфер на генетична информация.
Внедряване на генетична информация във вируси. Стратегията на вирусния геном по отношение на синтеза на иРНК е различна за различните вируси. В ДНК вирусите иРНК се синтезира върху матрицата на една от ДНК веригите. Формулата за прехвърляне на генетична информация е същата като в клетка:
ДНК - транскрипция - РНК - транслация - протеин.
ДНК вирусите, които се възпроизвеждат в ядрото, използват клетъчна полимераза за транскрипция. Тези вируси включват паповавируси, аденовируси и херпесни вируси. ДНК вирусите, които се възпроизвеждат в цитоплазмата, не могат да използват клетъчния ензим, разположен в ядрото. Транскрипцията на техния геном се осъществява от специфичен за вируса ензим - ДНК полимераза, която прониква в клетката като част от вируса. Тези вируси включват вируси на едра шарка и иридовируси.
Ензими, които транскрибират вирусния геном. Транскрипция на редица ДНК-съдържащи вируси - паповавируси, аденовируси, херпесни вируси, парвовируси, хепаднавируси. Осъществява се в клетъчното ядро, като в този процес широко се използват механизмите на клетъчната транскрипция - транскрипционни ензими и по-нататъшна модификация на транскриптите. Транскрипцията на тези вируси се извършва от клетъчна РНК полимераза II, ензим, който транскрибира клетъчния геном. Въпреки това, специална група аденовирусни транскрипти се синтезира с помощта на друг клетъчен ензим - РНК полимераза III. В две други семейства животински вируси, съдържащи ДНК, вируси на едра шарка и иридовируси, транскрипцията се извършва в цитоплазмата. Тъй като в цитоплазмата няма клетъчни полимерази, транскрипцията на тези вируси изисква специален вирусен ензим - вирусна РНК полимераза. Този ензим е структурен вирусен протеин.
Регулиране на транскрипцията. Транскрипцията на вирусния геном е строго регулирана през целия инфекциозен цикъл. Регулацията се осъществява както от клетъчни, така и от специфични за вируса механизми. При някои вируси, предимно ДНК-съдържащи, има три периода на транскрипция - много ранен, ранен и късен. Тези вируси включват вируси на едра шарка, херпесни вируси, паповавируси и аденовируси. В резултат на ултра-ранна и ранна транскрипция, ултра-ранните и ранни гени се четат селективно, за да образуват ултра-ранни или ранни иРНК. По време на късна транскрипция друга част от вирусния геном, късните гени, се четат, произвеждайки късни иРНК. Броят на късните гени обикновено надвишава броя на ранните гени. Много много ранни гени са гени за неструктурни протеини - ензими и регулатори на транскрипцията и репликацията на вирусния геном. Обратно, късните гени обикновено са гени за структурни протеини. Обикновено късната транскрипция разчита целия геном, но с преобладаване на късната генна транскрипция.
Фактор, регулиращ транскрипцията при ядрените вируси, е транспортирането на транскрипти от ядрото до цитоплазмата, до мястото на функциониране на иРНК - полизоми.
Продуктът на ултра-ранната транскрипция на херпесните вируси са А-протеини. Функцията на един или повече от тях е необходима за транскрипцията на следващата група гени, кодиращи Р протеини. На свой ред, P протеините включват транскрипцията на последната група късни гени, кодиращи U протеини. Този тип регулиране се нарича "каскадно".
II. Излъчване.
Това е процес на транслиране на генетичната информация, съдържаща се в иРНК, в специфична последователност от аминокиселини в синтезираните специфични за вируса протеини. Синтезът на протеин в клетката възниква в резултат на транслацията на иРНК върху рибозомите. В рибозомите потокът от информация (в иРНК) се слива с потока от аминокиселини, които носят трансферна РНК (тРНК). В клетката има голям брой различни тРНК. Всяка аминокиселина трябва да има своя собствена тРНК.
Молекулата на тРНК е едноверижна РНК със сложна структура с форма на кленов лист.
Свързването на специфична тРНК и аминокиселина се осъществява от ензима аминоацил синтетаза. Единият край на тРНК се свързва с аминокиселината, а другият с нуклеотидите на тРНК, към които са комплементарни. Трите нуклеотида на иРНК кодират една аминокиселина и се наричат „триплет“ или „кодон“, а комплементарните три нуклеотида на тРНК се наричат „антикодон“.
Процесът на транскрипция се състои от три фази: иницииране на удължаване, терминиране.
Започването на транслацията е най-критичният етап в процеса на транслация, базиран на разпознаването на иРНК от рибозомата и свързването към нейните специални региони. Рибозомата разпознава иРНК през капачка в 5' края и се плъзга към 3' края, докато достигне иницииращия кодон, който започва транслацията. В еукариотна клетка иницииращите кодони са AUG (аденин, урацил, гуанин) кодони, кодиращи метионин. Синтезът на всички полипептидни вериги започва с метионин. Специфичното разпознаване на вируса и РНК от рибозомата се извършва поради специфични за вируса инициаторни фактори.
Първо, малката рибозомна субединица се свързва с иРНК. Комплексът иРНК с малката рибозомна субединица е свързан с други компоненти, необходими за започване на транслацията. Това са няколко протеинови молекули, наречени "иницииращи фактори". Има най-малко три от тях в прокариотна клетка и повече от девет в еукариотна клетка. Иницииращите фактори определят разпознаването на специфични тРНК от рибозомата. В резултат на това се формира комплекс, който е необходим за започване на транслацията, който се нарича „инициационен комплекс“. Иницииращият комплекс включва: иРНК; малка рибозомна субединица; аминоацил-тРНК, носеща инициираща аминокиселина; иницииращи фактори; няколко молекули GTP (гуанозин трифосфат).
В рибозомата потокът от информация се слива с потока от аминокиселини. Навлизането на аминоацил-тРНК в А-центъра на голямата рибозомна субединица е следствие от разпознаването и нейният антикодон взаимодейства с кодона на иРНК, разположен в малката рибозомна субединица. Когато иРНК премести един кодон, тРНК се прехвърля към пептидилния център (Р-център) и нейната аминокиселина се присъединява към инициаторната аминокиселина, за да образува първата пептидна връзка. Свободната от аминокиселини тРНК напуска рибозомата и може отново да функционира в транспорта на специфични аминокиселини. На нейно място се прехвърля нова тРНК от А-центъра към Р-центъра и се образува нова пептидна връзка. В А-центъра се появява празен иРНК кодон, към който незабавно се присъединява съответната тРНК и нови аминокиселини се добавят към нарастващата полипептидна верига.
Удължаването на транслацията е процес на удължаване, увеличаване на полипептидната верига, базиран на добавянето на нови аминокиселини с помощта на пептидна връзка. Веригата иРНК непрекъснато се изтегля през рибозомата и съдържащата се в нея генетична информация се „декодира“. Често иРНК функционира едновременно върху няколко рибозоми, всяка от които синтезира една и съща полипептидна верига, кодирана от тази иРНК.
Прекратяването на транслацията става в момента, в който рибозомата достигне терминиращия кодон в иРНК (UAA, UGA, UAG). Транслацията спира и полипептидната верига се освобождава от полирибозомата. След края на транслацията полирибозомите се разпадат на субединици, които могат да станат част от нови полирибозоми.
Всяка РНК функционира върху няколко рибозоми. Група рибозоми, работещи върху една молекула иРНК, се нарича полирибозома или полизома. Полизомите могат да се състоят от 4-6 до 20 или повече рибозоми.
Вирус-специфичните полизоми могат да бъдат свободни или свързани с мембрана. Вътрешните протеини обикновено се синтезират върху свободни полизоми; гликопротеините винаги се синтезират върху мембранно свързани полизоми.
Тъй като геномът на животински вирус е представен от молекула, кодираща повече от един протеин, вирусите са изправени пред необходимостта да синтезират или дълга иРНК, кодираща един гигантски прекурсорен полипептид, който след това трябва да бъде нарязан в определени точки на функционално активни протеини, или къси моноцистронни иРНК, всяка от които кодира един протеин. По този начин има два начина за образуване на вирусни протеини:
първият - иРНК се транслира в гигантски прекурсорен полипептид, който след синтеза последователно се нарязва на зрели функционално активни протеини;
второ, иРНК се транслира, за да образува зрели протеини или протеини, които са само леко модифицирани след синтеза.
Първият метод на транслация е характерен за РНК-съдържащи плюс-верижни вируси - пикорнавируси и тогавируси. Тяхната иРНК се транслира в гигантска полипептидна верига, така нареченият полипротеин, който се плъзга под формата на непрекъсната лента от рибозомния „конвейер“ и се нарязва на отделни протеини с необходимия размер. Разрязването на вирусни протеини е многоетапен процес, извършван както от вирусно-специфични, така и от клетъчни протеази.
Вторият метод на образуване на протеин е характерен за ДНК-съдържащите вируси и повечето РНК-съдържащи вируси. С този метод се синтезират къси моноцистронни иРНК в резултат на селективна транскрипция на един участък от генома (ген). Тези вируси обаче широко използват механизма за посттранслационно рязане на протеини.
В еукариотната клетка много протеини, включително вирусни, претърпяват посттранслационни модификации; зрелите, функционално активни протеини често не са идентични с техните новосинтезирани прекурсори. Широко разпространените посттранслационни ковалентни модификации включват гликозилиране, ацилиране, метилиране, сулфониране (образуване на дисулфидни връзки), протеолитично разрязване и накрая фосфорилиране. В резултат на това вместо 20 генетично кодирани аминокиселини, около 140 аминокиселинни производни са изолирани от различни клетки на различни органи на еукариоти.
Гликозилиране. Сложните РНК- и ДНК-съдържащи вируси съдържат протеини, съдържащи ковалентно свързани въглехидратни странични вериги - гликопротеини. Гликопротеините се намират във вирусните обвивки и се намират на повърхността на вирусните частици.
Гликозилирането на полипептиди е сложен многоетапен процес, чиито първи етапи започват още в процеса на синтез на полипептиди и първият въглехидратен остатък се добавя към полипептидната верига, която все още не е напуснала рибозомата. Следващите етапи на гликозилиране възникват чрез последователно добавяне на въглехидратни остатъци към въглехидратната верига по време на транспортирането на полипептида към плазмената мембрана. Въглехидратните остатъци се добавят един по един и само когато се започне синтеза на олигозахаридната верига, „блокът“ се прехвърля. Окончателното образуване на въглехидратната верига може да бъде завършено на плазмената мембрана преди сглобяването на вирусната частица.
Гликозилирането засяга транспорта; освен това транспортът е неразривно свързан за гликопротеините с етапно гликозилиране. Убедително доказателство за това е ефектът на инхибиторите на гликозилирането върху вирусната репродукция; те напълно потискат транспорта на полипептиди, без да нарушават или инхибират техния синтез.
Когато гликозилирането се потисне от подходящи инхибитори (захарни аналози като 2-дезоксиглюкоза, антибиотик туникамицин), сглобяването на вириони на миксо-, рабдо- и α-вируси се блокира или се образуват неинфекциозни вириони на херпесни вируси и онковируси .
Сулфониране. Някои протеини на сложни РНК и ДНК вируси се сулфонират след транслация. Най-често гликопротеините се подлагат на сулфониране и сулфатната група се свързва с въглехидратните остатъци на гликопротеина.
Ацилиране. Редица гликопротеини на сложни РНК-съдържащи вируси (HA2 на грипния вирус, G протеин на вируса на везикулозен стоматит, HN протеин на вируса на нюкасълската болест и др.) Съдържат ковалентно свързани 1-2 молекули мастни киселини.
Рязане. Много вирусни протеини, и предимно гликопротеини, придобиват функционална активност само след като бъдат разрязани в определени точки от протеолитични ензими. Разрязването става или с образуването на две функционални протеинови субединици (например голямата и малката субединици на хемаглутинина на грипния вирус, два гликопротеина (E2 и E3) на вируса Semliki Forest), или с образуването на един функционално активен протеин и неактивен ензим, например F и HN протеините на парамиксовирусите. Нарязването обикновено се извършва от клетъчни ензими. В много сложни животински вируси, които имат гликопротеини, разрязването е необходимо за образуването на активни прикрепващи протеини и слети протеини и следователно за вирусите да придобият способността да инфектират клетка. Само след разрязването на тези протеини вирусната частица става инфекциозна. По този начин можем да говорим за протеолитично активиране на редица вируси, извършвано с помощта на клетъчни ензими.
Фосфорилиране. Фосфопротеините се съдържат в почти всички животински вируси - РНК - и ДНК-съдържащи, прости и сложни по структура. Протеинкиназите се срещат в повечето вируси, но фосфорилирането може да се извърши както от вирусни, така и от клетъчни ензими. Обикновено протеините, свързани с вирусния геном и играещи регулаторна роля в неговата експресия, са фосфорилирани. Механизмът на активно действие на интерферона е свързан с процеса на фосфорилиране.
III. Репликация.
Репликацията е синтеза на молекули нуклеинови киселини, хомоложни на генома. Репликацията на ДНК възниква в клетката, което води до образуването на дъщерна двойноверижна ДНК. Репликацията се извършва върху неусукани участъци от ДНК и се извършва едновременно на двете вериги от 5' края до 3' края.
Тъй като двете вериги на ДНК имат противоположни полярности и мястото на репликация (вилицата) се движи в една и съща посока, една верига е изградена в противоположна посока в отделни фрагменти, наречени фрагменти на Оказаки (наречени на учения, който пръв предложи този модел). След синтеза, фрагментите на Okazaki са "омрежени" в една верига чрез лигаза.
Репликацията на ДНК се осъществява от ДНК полимерази. За да започне репликацията, е необходим предварителен синтез на къс участък от РНК върху ДНК шаблон, наречен праймер. Синтезът на ДНК веригата започва с праймера, след което РНК бързо се отстранява от мястото на растеж.
Репликация на вирусна ДНК. Репликацията на генома на ДНК-съдържащи вируси се катализира главно от клетъчни фрагменти и нейният механизъм е подобен на механизма на репликация на клетъчна ДНК.
Всяка новосинтезирана ДНК молекула се състои от една родителска и една новосинтезирана верига. Този механизъм на репликация се нарича полуконсервативен.
При вируси, съдържащи кръгова двойноверижна ДНК (паповавируси), една от ДНК веригите се разрязва, което води до размотаване и отстраняване на суперспирали в определен участък от молекулата.
Виждат се долната свръхнавита част на молекулата, неусуканата част върху голяма площ и новообразуваните репликационни бримки.
При репликацията на едноверижна ДНК (семейство парвовируси) се образуват двойноверижни форми, които са междинни репликативни форми.
Репликативни комплекси. Тъй като получените ДНК и РНК вериги остават свързани с матрицата за известно време, в заразената клетка се образуват репликативни комплекси, в които се осъществява целият процес на репликация (а в някои случаи и транскрипция) на генома. Репликативният комплекс съдържа генома, репликаза и новосинтезирани вериги на нуклеинова киселина, свързани с матрицата. Новосинтезирани геномни молекули незабавно се свързват с вирусни протеини, така че антигените се намират в репликационните комплекси. По време на процеса на репликация се появява частично двуверижна структура с едноверижни „опашки“, така нареченият репликативен прекурсор.
Репликационните комплекси са свързани с клетъчни структури, или предварително съществуващи, или индуцирани от вирус. Например репликативните комплекси на пикорнавирусите са свързани с мембраните на ендоплазмения ретикулум, на вирусите на едра шарка - с цитоплазмения матрикс, репликативните комплекси на аденовирусите и херпесните вируси в ядрата са свързани с новообразувани фиброзни структури и са свързани с ядрени мембрани. В инфектираните клетки може да има повишена пролиферация на клетъчни структури, с които са свързани репликационните комплекси, или тяхното образуване от вече съществуващ материал. Например, в клетки, заразени с пикорнавируси, настъпва пролиферация на гладки мембрани. В клетки, заразени с реовируси, се наблюдава натрупване на микротубули; В клетки, заразени с вируси на едра шарка, се образува цитоплазмен матрикс.
В репликационните комплекси, едновременно със синтеза на геномни молекули, протича транскрипция и сглобяване на нуклеокапсиди и ядра, а при някои инфекции и на вирусни частици.
Регулиране на репликацията. Новообразуваната геномна РНК молекула може да се използва по различни начини. Той може да се асоциира с капсидни протеини и да стане част от вириона, да служи като матрица за синтеза на нови геномни молекули или за образуването на иРНК, накрая, в "плюс"-верижните вируси може да изпълнява функциите на иРНК и да се свързва; към рибозомите. В клетката има механизми, които регулират използването на геномни молекули. Регулацията следва принципа на саморегулацията и се осъществява чрез взаимодействието на вирусната РНК и протеините поради възможността за разпознаване протеин-нуклеинова киселина и протеин-протеин. Например, ролята на крайния протеин на пикорнавирусите е да инхибира транслацията на иРНК и да избира молекули за образуването на вириони. Протеинът, който се свързва с 5' края на геномната РНК, от своя страна се разпознава от капсидните протеини и служи като сигнал за сглобяването на вирусната частица с участието на тази РНК молекула. Използвайки същия принцип, геномните РНК молекули се избират от минус-верижни вируси. Молекулата на РНК е част от вириона или служи като шаблон за репликация. За да се превключи към транскрипция, трябва да настъпи забрана на взаимодействието протеин-нуклеинова киселина. Репликацията на аденовирусна ДНК включва протеинова молекула, която се свързва с края на вирусната ДНК и е необходима за започване на репликацията. По този начин, за да започне репликацията, е необходим синтез на вирусни протеини: в присъствието на инхибитори на протеиновия синтез няма превключване от транскрипция към репликация.
IV. Сглобяване на вирусни частици.
Синтезът на компонентите на вирусните частици в клетката е отделен и може да се случи в различни структури на ядрото и цитоплазмата. Вирусите, които се репликират в ядра, обикновено се наричат ядрени вируси. Това са предимно ДНК-съдържащи вируси: аденовируси, паповавируси, парвовируси, херпесни вируси.
Вирусите, които се репликират в цитоплазмата, се наричат цитоплазмени. Те включват ДНК-съдържащ вирус на едра шарка и повечето РНК-съдържащи вируси, с изключение на ортомиксовирусите и ретровирусите. Това разделение обаче е много относително, тъй като при възпроизвеждането и на двата вируса има етапи, които протичат съответно в цитоплазмата и ядрото.
Вътре в ядрото и цитоплазмата синтезата на специфични за вируса молекули също може да бъде отделена. Например, синтезът на някои протеини се извършва върху свободни полизоми, докато други се синтезират върху мембранно свързани полизоми. Вирусните нуклеинови киселини се синтезират във връзка с клетъчни структури далеч от полизомите, които синтезират вирусни протеини. С този дизюнктивен метод на възпроизвеждане, образуването на вирусна частица е възможно само ако вирусните нуклеинови киселини и протеини имат способността, при достатъчна концентрация, да се разпознават взаимно в разнообразието от клетъчни протеини и нуклеинови киселини и спонтанно да се свързват помежду си, способни са на самосглобяване.
Самосглобяването се основава на специфично разпознаване протеин-нуклеинова киселина и протеин-протеин, което може да възникне в резултат на хидрофобни, солеви и водородни връзки, както и пространствено съвпадение. Разпознаването на протеин-нуклеинова киселина е ограничено до малка област от молекулата на нуклеиновата киселина и се определя от уникални нуклеотидни последователности в некодиращата част на вирусния геном. С това разпознаване на област от генома от вирусни капсидни протеини започва процесът на сглобяване на вирусната частица. Прикрепването на други протеинови молекули се осъществява поради специфични взаимодействия протеин-протеин или неспецифични взаимодействия протеин-нуклеинова киселина.
Поради разнообразието на структурата на животинските вируси, методите за образуване на вириони също са разнообразни, но могат да се формулират следните общи принципи на сглобяване:
В простите вируси се образуват провириони, които след това се трансформират във вириони в резултат на протеинови модификации. За сложни вируси сглобяването се извършва на няколко етапа. Първо се образуват нуклеокапсиди или ядра, с които взаимодействат протеините на външната обвивка.
Сглобяването на сложни вируси (с изключение на сглобяването на вируси на едра шарка и реовируси) се извършва върху клетъчни мембрани. Сглобяването на ядрени вируси става с участието на ядрени мембрани, сглобяването на цитоплазмени вируси - с участието на мембраните на ендоплазмения ретикулум или плазмената мембрана, където всички компоненти на вирусната частица пристигат независимо един от друг.
Редица сложни вируси имат специални хидрофобни протеини, които действат като посредници между образуваните нуклеокапсиди и вирусните обвивки. Такива протеини са матрични протеини в редица минус-верижни вируси (ортомиксовируси, парамиксовируси, рабдовируси).
Сглобяването на нуклеокапсиди, ядра, провириони и вириони не се случва във вътреклетъчната течност, а в предварително съществуващи в клетката или индуцирани от вируса („фабрики“).
Сложните вируси използват редица елементи от клетката гостоприемник, за да изградят своите частици, например липиди, някои ензими, хистони в ДНК геномна 5V40, актин в обвити РНК геномни вируси и дори рибозоми се намират в ареновирусите. Клетъчните молекули имат определени функции във вирусната частица, но включването им във вириона може също да бъде следствие от случайно замърсяване, като например включването на редица ензими на клетъчната мембрана или клетъчни нуклеинови киселини.
Сглобяване на ДНК вируси. Има някои разлики в сглобяването на ДНК вируси от сглобяването на РНК вируси. Подобно на РНК-съдържащите вируси, сглобяването на ДНК-съдържащи вируси е многоетапен процес с образуването на междинни форми, които се различават от зрелите вириони по състава на полипептидите. Първият етап на сглобяване включва свързването на ДНК с вътрешни протеини и образуването на ядра или нуклеокапсиди. В този случай ДНК се комбинира с предварително образувани „празни“ капсиди.
В резултат на свързването на ДНК с капсидите се появява нов клас междинни форми, наречени непълни форми. В допълнение към непълните форми с различно съдържание на ДНК, има още една междинна форма в морфогенезата - незрели вириони, които се различават от зрелите по това, че съдържат неразрязани полипептидни предшественици. По този начин морфогенезата на вирусите е тясно свързана с модификацията (обработката) на протеините.
Сглобяването на ядрени вируси започва в ядрото, обикновено с асоцииране с ядрената мембрана. Междинните форми на херпесния вирус, които се образуват в ядрото, пъпчат в перинуклеарното пространство през вътрешната ядрена мембрана и по този начин вирусът придобива обвивка, която е производна на ядрената мембрана. По-нататъшното завършване и узряване на вирионите се извършва в мембраните на ендоплазмения ретикулум и в апарата на Голджи, откъдето вирусът се транспортира като част от цитоплазмените везикули до клетъчната повърхност.
При непъпкуващи липидосъдържащи вируси - вируси на едра шарка, сглобяването на вириони става във вече описаните цитоплазмени вирусни „фабрики“. Липидната обвивка на вирусите във „фабриките“ се формира от клетъчни липиди чрез автономно самосглобяване, поради което липидният състав на обвивките се различава значително от състава на липидите в клетъчните мембрани.
V. Излизане на вирусни частици от клетката.
Има два начина вирусното потомство да излезе от клетката:
1) чрез „експлозия“;
2) чрез пъпкуване.
Излизането от клетката чрез експлозия е свързано с разрушаването на клетката, нарушаване на нейната цялост, в резултат на което зрелите вирусни частици, разположени вътре в клетката, попадат в околната среда. Този метод на излизане от клетката е характерен за вируси, които не съдържат липопротеинова обвивка (пикорна-, рео-, парво-, папова-, аденовируси). Въпреки това, някои от тези вируси могат да бъдат транспортирани до клетъчната повърхност преди клетъчната смърт. Излизането от клетките чрез пъпкуване е характерно за вируси, съдържащи липопротеинова мембрана, която е производна на клетъчните мембрани. С този метод клетката може да остане жизнеспособна за дълго време и да произвежда вирусно потомство, докато ресурсите й бъдат напълно изчерпани.
Вирусите се характеризират с дизюнктивен (от disjuncus - несвързан) метод на размножаване и размножаване. Потомството на вируса възниква в резултат на сглобяването на нуклеинови киселини и протеинови субединици, които се синтезират отделно от клетката гостоприемник.
Проникването на вируса в клетката и възпроизвеждането на собствен вид протича в няколко фази:
1. проникване в клетката гостоприемник,
2. синтез на ензими, необходими за репликацията на вирусни нуклеинови киселини,
3.синтез на вирусни части,
4. сглобяване и състав на зрели вириони,
5. излизане на зрели вириони от клетката.
Етапи на вирусна репродукция.
1 - адсорбция на вириона върху клетката; 2 - проникване на вириона в клетката чрез виропексис;
3 - вирус вътре в клетъчна вакуола; 4 - `събличане на вириона на вируса; 5 - репликация на вирусна нуклеинова киселина; 6 - синтез на вирусни протеини върху клетъчни рибозоми; 7 - образуване на вирион; 8 - излизане на вириона от клетката чрез пъпкуване.
Фаза I - адсорбция на вириона върху клетъчната повърхност.
Протича на два етапа: първият е неспецифичен, когато вирусът се задържа на клетъчната повърхност с помощта на електростатични сили, т.е. поради появата на противоположни заряди между отделните участъци от клетъчната мембрана и вируса. Тази фаза на взаимодействие между вируса и клетката е обратима и се влияе от фактори като pH и солния състав на средата.
Вторият етап е специфиченкогато специфични вирусни рецептори и клетъчни рецептори, взаимно допълващи се, взаимодействат. По химическа природа клетъчните рецептори могат да бъдат мукопротеини (или мукополизахариди) и липопротеини. Различните вируси се фиксират върху различни рецептори: грипните вируси, параинфлуенцата, аденовирусите - върху мукопротеините, а вирусите на кърлежовия енцефалит и полиомиелита - върху липопротеините.
Фаза II - проникване на вируса в клетката.Електроноскопските наблюдения на процеса на проникване на вируси в чувствителните към тях клетки показаха, че той се осъществява по механизъм, напомнящ пиноцитоза или, както по-често се нарича виропексис. На мястото на адсорбция на вируса клетъчната стена се изтегля в клетката, образува се вакуола, в която се появява вирионът. Успоредно с това клетъчните ензими (липази и протеази) причиняват депротеинизация на вириона - разтваряне на протеиновата обвивка и освобождаване на нуклеинова киселина.
Фаза III - скрит период (период на затъмнение - изчезване).През този период е невъзможно да се определи наличието на инфекциозен вирус в клетката нито чрез химически, електронномикроскопски или серологични методи. Все още малко се знае за същността на това явление и неговите механизми. Предполага се, че в латентната фаза нуклеиновата киселина на вируса прониква в хромозомите на клетката и влиза в сложни генетични връзки с тях.
Фаза IV - синтез на вирионни компоненти. В тази фаза вирусът и клетката са едно цяло, вирусната нуклеинова киселина изпълнява генетична функция, индуцира образуването на ранни протеини и променя функцията на рибозомите. Ранните протеини се разделят на:
а) инхибиторни протеини(репресори), които потискат клетъчния метаболизъм
б) ензимни протеини(полимерази), осигуряващи синтеза на вирусни нуклеинови киселини.
Синтезът на нуклеинови киселини и протеини се извършва неедновременно и в различни структурни части на клетката. За вируси, съдържащи ДНК или РНК, тези процеси имат някои разлики и характеристики.
Фаза V - образуване на зрели вириони. Процесът на "сглобяване" на вируса се осъществява в резултат на свързването на компонентите на вирусната частица. При сложните вируси клетъчните структури участват в този процес и липидните, въглехидратните и протеиновите компоненти на клетката гостоприемник са включени във вирусната частица.
Процесът на образуване на вириони започва известно време след началото на синтеза на съставните им компоненти. Продължителността на този период е доста променлива и се определя от естеството на вируса - обикновено е по-кратък при РНК вирусите, отколкото при ДНК вирусите. Например, производството на пълни вирусни частици от ваксиния започва приблизително 5-6 часа след клетъчната инфекция и продължава през следващите 7-8 часа, т.е. след като синтезът на вирусна ДНК вече е завършен.
Между нуклеиновата киселина и съответните протеинови субединици се образуват много силни връзки, както се вижда от трудността при отделяне на протеина от вирусната нуклеинова киселина. Въглехидратите и особено липидите, които изграждат вирусната частица, й придават по-голяма здравина.
Образуването на вириони, както и синтезът на вирусни компоненти, се извършват на различни места в клетката с участието на различни клетъчни структури. След завършване на процеса на образуване се образува зряла дъщерна вирусна частица, която има всички свойства на родителския вирион. Но понякога образуването на т.нар непълни вируси, които се състоят или само от нуклеинова киселина, или от протеин, или от вирусни частици, чието образуване е спряло на някакъв междинен етап.
Фаза VI - освобождаване на зрели вириони от клетката. Има два основни механизма за освобождаване на зрели вириони от клетката:
1) освобождаване на вириона чрез пъпкуване. В този случай външната обвивка на вириона е получена от клетъчната мембрана, тя съдържа както материал от клетка гостоприемник, така и вирусен материал;
2) излизане на зрели вириони от клетката през отвори в мембраната. Тези вируси нямат външна обвивка. С този механизъм на освобождаване на вируса клетката, като правило, умира и голям брой вирусни частици се появяват в околната среда.
Смъртта на заразена клетка може да бъде причинена от три механизма:
1. работата на вируса, "изчерпвайки" клетката;
2. защитна реакция на клетката, задействаща генетичната програма за нейната смърт (апоптоза);
3. имунната система на организма, която унищожава заразената клетка.
В допълнение към продуктивния тип взаимодействие между вируса и клетката е възможно интегративно съжителство или вирогения. Вирогенията се характеризира с интегриране (включване) на нуклеиновата киселина на вируса в клетъчния геном, както и с репликацията и функционирането на вирусния геном като неразделна част от клетъчния геном. За интегриране с клетъчния геном е необходима появата на кръгова форма на двойноверижна ДНК на вируса. Вирусната ДНК, вградена в клетъчната хромозома, се нарича провирус. Провирусът се репликира като част от хромозомата и преминава в генома на дъщерните клетки, т.е. състоянието на вирусогенеза се наследява. Под въздействието на определени физични или химични фактори провирусът може да влезе в автономно състояние с развитието на продуктивен тип взаимодействие с клетката. Допълнителната генетична информация на провируса по време на вирусогенезата придава нови свойства на клетката, които могат да причинят развитието на тумори, автоимунни и хронични заболявания. Способността на вирусите да се интегрират с клетъчния геном е в основата на персистирането (от лат. persisto – постоянно оставам, оставам) на вирусите в организма и развитието на персистиращи вирусни инфекции. Например, вирусът на хепатит B може да причини персистиращи лезии с развитие на хроничен хепатит и често чернодробни тумори.
Видове взаимодействие между вирус и клетка. Фази на възпроизвеждане на вируса.
Има три вида взаимодействие между вирус и клетка:
Продуктивен тип- завършва с образуването на ново поколение вириони и смъртта (лизис) на заразените клетки (цитолитична форма). Някои вируси напускат клетките, без да ги разрушават (нецитолитична форма).
Абортивен тип- не завършва с образуването на нови вириони, тъй като инфекциозният процес в клетката се прекъсва на един от етапите.
Интегративен тип или вирогения- характеризира се с включване (интегриране) на вирусна ДНК под формата на провирус в клетъчната хромозома и тяхното съвместно съществуване (съвместна репликация).
Възпроизвеждане на вируси:
1. адсорбция на вируса върху клетката -прикрепване на вируси към клетъчната повърхност. Вирусът се адсорбира върху определени участъци от клетъчната мембрана – така наречените рецептори. ;
2. проникване на вируса в клетката-два метода: виропексия и сливане на вирусната обвивка с клетъчната мембрана. При виропексис, след адсорбция на вируси, настъпва инвагинация (инвагинация) на участък от клетъчната мембрана и образуване на вътреклетъчна вакуола, която съдържа вирусна частица. Вакуолата с вируса може да се транспортира във всяка посока до различни части на цитоплазмата или клетъчното ядро. Процесът на сливане се осъществява от един от повърхностните вирусни протеини на капсидната или суперкапсидната обвивка ;
3. “събличане” на вируса- отстраняване на защитните вирусни черупки и освобождаване на вътрешния компонент на вируса, което може да причини инфекциозен процес. Крайните продукти на "събличането" са сърцевината, нуклеокапсида или нуклеиновата киселина на вируса. ;
3.биосинтеза на вирусни компоненти в клетката- Попадналата в клетката вирусна нуклеинова киселина носи генетична информация, която успешно се конкурира с генетичната информация на клетката. Той дезорганизира функционирането на клетъчните системи, потиска собствения метаболизъм на клетката и я принуждава да синтезира нови вирусни протеини и нуклеинови киселини, които се използват за изграждане на вирусно потомство.
Внедряването на генетичната информация на вируса се извършва в съответствие с процесите на транскрипция, транслация и репликация ;
4. образуване на вируси-Съществуват следните общи принципи за сглобяване на вируси с различни структури:
1. Образуването на вируси е многоетапен процес с образуването на междинни форми;
2. Сглобяването на просто подредени вируси включва взаимодействието на молекулите на вирусната нуклеинова киселина с капсидните протеини и образуването на нуклеокапсиди (например полиомиелитни вируси). В сложните вируси първо се образуват нуклеокапсиди, с които взаимодействат протеините на суперкапсидната обвивка (например грипни вируси);
3. Образуването на вируси не става във вътреклетъчната течност, а върху ядрените или цитоплазмените мембрани на клетката;
4. Сложно организираните вируси по време на процеса на формиране включват компоненти на клетката гостоприемник (липиди, въглехидрати) ;
5. освобождаване на вируси от клетката -Първият тип - експлозивен - се характеризира с едновременно освобождаване на голям брой вируси. В този случай клетката бързо умира. Този метод на излизане е типичен за вируси, които нямат суперкапсидна обвивка. Вторият вид е пъпкуващ. Характерно е за вируси, които имат суперкапсидна обвивка. В последния етап на сглобяване нуклеокапсидите на сложните вируси се фиксират върху клетъчната плазмена мембрана, модифицирана от вирусни протеини, и постепенно я изпъкват. В резултат на изпъкналост се образува "пъпка", съдържаща нуклеокапсид. След това „пъпката“ се отделя от клетката. Така външната обвивка на тези вируси се образува по време на излизането им от клетката .
Жизнената активност на бактериите се характеризира с растеж- образуването на структурни и функционални компоненти на клетката и увеличаването на самата бактериална клетка, както и възпроизводство- самовъзпроизвеждане, водещо до увеличаване на броя на бактериалните клетки в популацията.
Бактериите се размножаватчрез двойно делене на половина, по-рядко чрез пъпкуване. Актиномицетите, подобно на гъбите, могат да се размножават чрез спори. Актиномицетите, като разклонени бактерии, се размножават чрез фрагментиране на нишковидни клетки. Грам-положителните бактерии се делят чрез врастване на синтезирани делителни прегради в клетката, а грам-отрицателните чрез свиване, в резултат на образуването на дъмбеловидни фигури, от които се образуват две еднакви клетки.
Клетъчното делене се предхожда отрепликация на бактериалната хромозома по полуконсервативен тип (двуверижната ДНК верига се отваря и всяка верига се допълва от комплементарна верига), което води до удвояване на ДНК молекулите на бактериалното ядро - нуклеоида.
Репликацията на ДНК протича в три етапа: започване, удължаване или растеж на веригата и прекъсване.
Размножаване на бактерии в течна хранителна среда.Бактериите, засети в определен, непроменен обем на хранителната среда, размножавайки се, консумират хранителни вещества, което впоследствие води до изчерпване на хранителната среда и спиране на растежа на бактериите. Култивирането на бактерии в такава система се нарича партидно култивиране, а културата се нарича партидно култивиране. Ако условията на култивиране се поддържат чрез непрекъснато подаване на свежа хранителна среда и изтичане на същия обем културална течност, тогава такова култивиране се нарича непрекъснато, а културата се нарича непрекъсната.
При отглеждане на бактерии върху течна хранителна среда се наблюдава дънен, дифузен или повърхностен (под формата на филм) растеж на културата. Растежът на периодична култура от бактерии, отглеждани върху течна хранителна среда, се разделя на няколко фази или периоди:
1. лаг фаза;
2. логаритмична фаза на растеж;
3. стационарна фаза на растеж или максимална концентрация
бактерии;
4. фаза на бактериална смърт.
Лаг фаза- периодът между засяването на бактериите и началото на размножаването. Продължителността на лаг фазата е средно 4-5 часа. В същото време бактериите се увеличават по размер и се подготвят за делене; количеството на нуклеинови киселини, протеини и други компоненти се увеличава.
Логаритмична (експоненциална) фаза на растеже период на интензивно бактериално делене. Продължителността му е около 5-6 часа. При оптимални условия на растеж бактериите могат да се делят на всеки 20-40 минути. По време на тази фаза бактериите са най-уязвими, което се обяснява с високата чувствителност на метаболитните компоненти на интензивно растящата клетка към инхибитори на протеиновия синтез, нуклеинови киселини и др.
След това идва стационарната фаза на растеж, при което броят на жизнеспособните клетки остава непроменен, съставлявайки максималното ниво (М-концентрация). Продължителността му се изразява в часове и варира в зависимост от вида на бактериите, техните характеристики и култивиране.
Фазата на смърт завършва процеса на растеж на бактериите., характеризиращ се със смъртта на бактериите при условия на изчерпване на източниците на хранителна среда и натрупване на бактериални метаболитни продукти в нея. Продължителността му варира от 10 часа до няколко седмици. Интензивността на растежа и размножаването на бактериите зависи от много фактори, включително оптималния състав на хранителната среда, окислително-възстановителния потенциал, рН, температура и др.
Размножаване на бактерии върху твърда хранителна среда.Бактериите, растящи върху плътни хранителни среди, образуват изолирани колонии с кръгла форма с гладки или неравни ръбове (S- и R-форми), с различна консистенция и цвят в зависимост от пигмента на бактериите.
Водоразтворимите пигменти дифундират в хранителната среда и я оцветяват. Друга група пигменти са неразтворими във вода, но разтворими в органични разтворители. И накрая, има пигменти, които са неразтворими нито във вода, нито в органични съединения.
Най-често срещаните пигменти сред микроорганизмите са каротините, ксантофилите и меланините. Меланините са неразтворими черни, кафяви или червени пигменти, синтезирани от фенолни съединения. Меланините, заедно с каталазата, супероксид мутазата и пероксидазите, защитават микроорганизмите от ефектите на токсичните радикали на кислородния пероксид. Много пигменти имат антимикробни, подобни на антибиотици ефекти.
Не се осъществява чрез двойно делене. Още през 50-те години на миналия век е установено, че възпроизвеждането се извършва чрез метода на възпроизвеждане (в превод от английски възпроизвеждане - направете копие, възпроизвеждане), тоест чрез възпроизвеждане на нуклеинови киселини, както и синтез на протеини с последващо събиране на вириони. Тези процеси протичат в различни части на така наречената клетка гостоприемник (например в ядрото или цитоплазмата). Този несвързан метод на възпроизвеждане на вируса се нарича дизюнктивен. Точно на това ще се спрем по-подробно в нашата статия.
Процес на възпроизвеждане
Този процес има свои собствени характеристики на вирусното възпроизвеждане и се характеризира с последователна промяна на определени етапи. Нека ги разгледаме поотделно.
Фази
Вирусното възпроизвеждане в клетка протича в няколко фази, които са описани по-долу:
- Първата фаза е адсорбцията на вируса, обсъден по-горе, върху повърхността на клетка, която е чувствителна към този вирус.
- Второто е проникването на вируса в клетките на гостоприемника чрез виропексия.
- Третият е вид „събличане“ на вириони, освобождаване на нуклеинова киселина от капсида и суперкапсида. При редица вируси нуклеиновата киселина навлиза в клетките чрез сливане на вирионната обвивка и клетката гостоприемник. В този случай третата и втората фаза се комбинират в една.
Адсорбция
Този етап на вирусна репродукция се отнася до проникването на вирусната частица в клетките. Адсорбцията започва на клетъчната повърхност чрез взаимодействие на клетъчни, както и вирусни рецептори. В превод от латински думата "рецептори" означава "приемник". Те са специални чувствителни образувания, които възприемат дразнения. Рецепторите са молекули или молекулни комплекси, разположени на повърхността на клетките и също така са способни да разпознават специфични химични групи, молекули или други клетки и да ги свързват. В най-сложните вириони такива рецептори са разположени на външната обвивка под формата на израстък с форма на шип или власинка; в простите вириони те обикновено се намират на повърхността на капсида.
Механизмът на адсорбция на повърхността на чувствителна клетка се основава на взаимодействието на рецепторите с така наречените комплементарни рецептори на клетката "гостоприемник". Вирионните и клетъчните рецептори са някои специфични структури, които се намират на повърхността.
Аденовирусите и миксовирусите се адсорбират директно върху мукопротеиновите рецептори, а арбовирусите и пикорнавирусите се адсорбират върху липопротеиновите рецептори.
В миксовирусния вирион невраминидазата разрушава мукогфотеиновия рецептор и разцепва N-ацетилневраминовата киселина от олигозахарида, който съдържа галактоза и галактозамин. Взаимодействията им на този етап са обратими, тъй като се влияят значително от температурата, реакцията на околната среда и солните компоненти. Адсорбцията на вириона се предотвратява от хепарин и сулфатирани полизахариди, които носят отрицателен заряд, но техният инхибиращ ефект се отстранява от някои поликариони (екмолин, DEAE-декстран, протамин сулфат), които неутрализират отрицателния заряд от сулфатирани полизахариди.
Навлизане на вириона в клетката гостоприемник
Пътят на въвеждане на вирус в чувствителна към него клетка не винаги ще бъде един и същ. Много вириони са в състояние да проникнат в клетките чрез пиноцитоза, което на гръцки означава „да пия“ или „пия“. С този метод изглежда, че пиноцитозната вакуола привлича вириона директно в клетката. Други вириони могат да навлязат в клетката директно през нейната мембрана.
Контактът на ензима невраминидаза с клетъчните мукопротеини насърчава навлизането на вириони в клетката сред миксовирусите. Резултатите от последните проучвания доказват, че ДНК и РНК на вирионите не са отделени от външната обвивка, т.е. вирионите проникват изцяло в чувствителните клетки чрез пиноцитоза или виропексис. Към днешна дата това е потвърдено за вируса на едра шарка, вируса на ваксиния и други вируси, които избират животните за свое местообитание. Ако говорим за фаги, те заразяват клетките с нуклеинова киселина. Механизмът на инфекция се основава на факта, че тези вириони, съдържащи се в клетъчните вакуоли, се хидролизират от ензими (липази, протеази), по време на което ДНК се освобождава от обвивката на фага и навлиза в клетката.
За да се проведе експериментът, една клетка беше заразена с помощта на нуклеинова киселина, която беше изолирана от някои вируси, и беше предизвикан един пълен цикъл на възпроизвеждане на вириони. Но при естествени условия инфекцията не се случва с помощта на такава киселина.
Разпадане
Следващият етап от възпроизвеждането на вируса е разпадането, което е освобождаването на NK от капсида и външната обвивка. След като вирионът навлезе в клетките, капсидът претърпява някои промени, придобивайки чувствителност към клетъчна протеаза, след което се разрушава, като едновременно с това освобождава NK. При някои бактериофаги свободните NK навлизат в клетките. Фитопатогенният вирус прониква през увреждане на клетъчната стена и след това се адсорбира върху вътрешния клетъчен рецептор с едновременното освобождаване на NK.
РНК репликация и синтез на вирусен протеин
Следващият етап от вирусната репродукция е синтезът на вирус-специфичен протеин, който се осъществява с участието на така наречените месинджърни РНК (при някои вируси те са част от вирионите, а при някои се синтезират само в заразени клетки директно върху вирионната ДНК или РНК матрица). Възниква вирусна NK репликация.
Процесът на възпроизвеждане на РНК вируси започва след като нуклеопротеините навлязат в клетката, където се образуват вирусни полизоми чрез комплексиране на РНК с рибозоми. След това се синтезират ранни протеини, които включват репресори от клетъчния метаболизъм, както и РНК полимерази, които се транслират с родителската РНК молекула. В цитоплазмата на най-малките вируси или в ядрото се образува вирусна двойноверижна РНК чрез комбиниране на родителската плюс верига ("+" - РНК верига) с новосинтезираната, както и минус веригата, комплементарна към нея (" -” - РНК верига) . Свързването на тези вериги от нуклеинова киселина провокира образуването само на едноверижна РНК структура, която се нарича репликативна форма. Синтезът на вирусна РНК се осъществява от репликационни комплекси, в които участват репликативната форма на РНК, ензимът РНК полимераза и полизоми.
Има 2 вида РНК полимерази. Те включват: РНК полимераза I, която катализира образуването на репликативната форма директно върху матрицата плюс-верига, както и РНК полимераза II, която участва в синтеза на едноверижна вирусна РНК върху матрицата от репликативен тип. Синтезът на нуклеинови киселини в малките вируси се извършва в цитоплазмата. Що се отнася до грипния вирус, вътрешният протеин и РНК се синтезират в ядрото. След това РНК се освобождава от ядрото и прониква в цитоплазмата, където заедно с рибозомите започва да синтезира вирусния протеин.
След като вирионите навлязат в клетките, синтезът на нуклеинова киселина, както и клетъчните протеини, се потискат. При възпроизвеждане върху матрица в ядрото се синтезира и и-РНК, която носи информация за синтеза на протеини. Механизмът на синтеза на вирусен протеин се осъществява на нивото на клетъчната рибозома, а източникът на конструкцията ще бъде аминокиселинният пул. Активирането на аминокиселините се извършва от ензими, с помощта на иРНК те се пренасят директно в рибозомите (полизоми), в които вече се намират в синтезираната протеинова молекула.
По този начин в заразените клетки синтезът на нуклеинови киселини и вирионни протеини се осъществява като част от репликативно-транскриптивен комплекс, който се регулира от определена система от механизми.
Вирионна морфогенеза
Образуването на вириони може да се случи само в случай на строго подредена комбинация от структурни вирусни полипептиди, както и техните NK. И това се осигурява от така нареченото самосглобяване на протеинови молекули в близост до NC.
Образуване на вириони
Образуването на вирион става с участието на някои структурни компоненти, които изграждат клетката. В цитоплазмата се образуват вирусите на херпес, полиомиелит и ваксиния, а в ядрото - аденовирусите. Синтезът на вирусна РНК, както и образуването на нуклеокапсид, се извършва директно в ядрото, а хемаглутининът се образува в цитоплазмата. След това нуклеокапсидът се придвижва от ядрото към цитоплазмата, в която се образува вирионната обвивка. Нуклеокапсидът е покрит отвън с вирусни протеини, а вирионът включва хемаглутинини и невраминидази. Така се образува потомство, например, вирусът на грипа.
Освобождаване на вириона от клетката гостоприемник
Вирусните частици се освобождават от клетката „гостоприемник“ едновременно (по време на разрушаването на клетката) или постепенно (без никакво разрушаване на клетката).
Именно в тази форма се възпроизвеждат вирусите. Вирионите се освобождават от клетките обикновено по два начина.
Първи метод
Първият метод предполага следното: след пълното узряване на вирионите директно в клетката те се закръглят, там се образуват вакуоли и след това клетъчната мембрана се разрушава. След завършване на тези процеси, вирионите излизат едновременно и напълно от клетките (пикорнавируси). Този метод обикновено се нарича литичен.
Втори метод
Вторият метод включва процеса на освобождаване на вириони, докато узряват за 2-6 часа върху цитоплазмената мембрана (миксовируси и арбовируси). Освобождаването на миксовирусите от клетката се улеснява от невраминидазите, които разрушават клетъчната мембрана. По време на този метод 75-90% от вирионите се освобождават спонтанно в хранителната среда и клетките постепенно умират.
Възпроизвежданевирусите се осъществяват на няколко етапа, като последователно се заменят: адсорбция на вируса върху клетката; проникване на вируса в клетката; „събличане“ на вируса; биосинтеза на вирусни компоненти в клетката; образуване на вируси; освобождаване на вируси от клетката.
Адсорбция . Взаимодействието на вируса с клетката започва с процеса на адсорбция, т.е. прикрепването на вирусите към клетъчната повърхност. Това е много специфичен процес. Вирусът се адсорбира върху определени участъци от клетъчната мембрана – така наречените рецептори. Клетъчните рецептори могат да имат различна химическа природа, представляващи протеини, въглехидратни компоненти на протеини и липиди, липиди. Броят на специфичните рецептори на повърхността на една клетка варира от 104 до 105. Следователно десетки и дори стотици вирусни частици могат да бъдат адсорбирани върху клетката. Има два начина животинските вируси да навлязат в клетка: виропексия и сливане на вирусната обвивка с клетъчната мембрана. При виропексис, след адсорбция на вируси, настъпва инвагинация (инвагинация) на участък от клетъчната мембрана и образуване на вътреклетъчна вакуола, която съдържа вирусна частица. Вакуолата с вируса може да се транспортира във всяка посока до различни части на цитоплазмата или клетъчното ядро. Процесът на сливане се осъществява от един от повърхностните вирусни протеини на капсидната или суперкапсидната обвивка. Очевидно и двата механизма на проникване на вируса в клетката не изключват, а взаимно се допълват „събличането“. Процесът на „събличане“ включва премахване на защитните вирусни черупки и освобождаване на вътрешния компонент на вируса, което може да причини инфекциозен процес. „Събличането“ на вирусите става постепенно, на няколко етапа, в определени области на цитоплазмата или ядрото на клетката, за което клетката използва набор от специални ензими. В случай на проникване на вируса чрез сливане на вирусната обвивка с клетъчната мембрана, процесът на проникване на вируса в клетката се комбинира с първия етап на нейното „събличане“. Крайните продукти на „събличането“ са ядрото, нуклеокапсида или нуклеиновата киселина на вирусните компоненти. Попадналата в клетката вирусна нуклеинова киселина носи генетична информация, която успешно се конкурира с генетичната информация на клетката. Той дезорганизира функционирането на клетъчните системи, потиска собствения метаболизъм на клетката и я принуждава да синтезира нови вирусни протеини и нуклеинови киселини, използвани за изграждане на вирусно потомство, се осъществява в съответствие с процесите на транскрипция, превод и репликация. Образуване (сглобяване) на вируси. Синтезираните вирусни нуклеинови киселини и протеини имат способността специфично да се „разпознават“ и при достатъчна концентрация те спонтанно се комбинират в резултат на хидрофобни, солеви и водородни връзки. Съществуват следните общи принципи за сглобяване на вируси с различни структури:
1. Образуването на вируси е многоетапен процес с образуването на междинни форми;
2. Сглобяването на просто подредени вируси включва взаимодействието на молекулите на вирусната нуклеинова киселина с капсидните протеини и образуването на нуклеокапсиди (например полиомиелитни вируси). В сложните вируси първо се образуват нуклеокапсиди, с които взаимодействат протеините на суперкапсидните черупки (например грипни вируси);
3. Образуването на вируси не става във вътреклетъчната течност, а върху ядрените или цитоплазмените мембрани на клетката;
4. Сложно организираните вируси по време на процеса на образуване включват компоненти на клетката гостоприемник (липиди, въглехидрати).
Излизане на вируси от клетката.Има два основни вида освобождаване на вирусно потомство от клетката. Първият тип - експлозивен - се характеризира с едновременно освобождаване на голям брой вируси. В този случай клетката бързо умира. Този метод на излизане е типичен за вируси, които нямат суперкапсидна обвивка. Вторият вид е пъпкуващ. Характерно е за вируси, които имат суперкапсидна обвивка. В последния етап на сглобяване нуклеокапсидите на сложните вируси се фиксират върху клетъчната плазмена мембрана, модифицирана от вирусни протеини, и постепенно я изпъкват. В резултат на изпъкналост се образува "пъпка", съдържаща нуклеокапсид. След това „пъпката“ се отделя от клетката. Така външната обвивка на тези вируси се формира при излизането им от клетката. С този механизъм клетката може да произвежда вирус за дълго време, като поддържа в една или друга степен основните си функции.