Як називаються внутрішні структури вірусів. Що таке віруси? Біологія: види та класифікація вірусів
Будова вірусів є неклітинним, тому що вони не мають жодних органел. Одним словом, це перехідна стадія між мертвою та живою матерією. Віруси відкрили російським біологом Д.І. Івановським у 1892 році у процесі розгляду мозаїчної хвороби тютюну. Вся будова вірусів - це РНК або ДНК, укладені в білкову оболонку, яка називається капсидом. Віріоном називається сформована інфекційна частка.
Віруси грипу або герпесу мають додаткову ліпопротеїдну оболонку, яка виникає із цитоплазматичної мембрани клітини господарів. Віруси поділяються на ДНК-містять і РНК-містять, адже вони можуть мати тільки 1 тип. Проте переважна кількість вірусів - це РНК-вмісні. Їх геноми бувають одноланцюжковими та дволанцюжковими. Внутрішня будова вірусів дозволяє їм розмножуватися тільки в клітинах інших організмів, і ніяк інакше. Вони зовсім не виявляють жодної позаклітинної життєдіяльності. Розміри широко поширених вірусів – від 20 до 300 нм діаметром.
Будова вірусів-бактеріофагів
Віруси, які вражають бактерії зсередини, називаються вони здатні проникнути і зруйнувати.
Тіло бактеріофага кишкової палички має головку, з якої виходить порожнистий стрижень, укутаний чохлом. На кінці цього стрижня знаходиться базальна платівка, на якій закріплено 6 ниток. Усередині головки міститься молекула ДНК. За допомогою спеціальних відростків вірус-бактеріофаг прикріплюється до тіла бактерії кишкової палички. Використовуючи спеціальний фермент, фаг розчиняє та проникає всередину. Далі з каналу стрижня з допомогою скорочень головки випорскується молекула ДНК, і через 15 хвилин бактеріофаг повністю перестоює метаболізм клітини бактерії на необхідний йому лад. Бактерія перестає синтезувати свою ДНК – вона тепер синтезує нуклеїнову кислоту вірусу. Усе це завершується тим, що утворюється близько 200-1000 особин фагів, а клітина бактерії руйнується. Усі бактеріофаги поділяються на вірулентні та помірні. Останні не здійснюють реплікацій у клітині бактерії, а вірулентні утворюють покоління особин у вже зараженій ділянці.
Вірусні хвороби
Будова та життєдіяльність вірусів обумовлюється тим, що вони здатні існувати лише у клітинах інших організмів. Оселившись у будь-якій клітині, вірус може спричинити серйозне захворювання. Нерідко їх атакам зазнають сільськогосподарські рослини та тварини. Дані захворювання різко погіршують плодючість культур та є причиною численної загибелі тварин.
Існують віруси, які здатні викликати різні захворювання у людини. Всім відомі такі хвороби, як віспа, герпес, грип, поліомієліт, свинка, кір, жовтяниця та СНІД. Усі вони виникають через діяльність вірусів. Будова вірусу віспи майже відрізняється від будови вірусу герпесу, оскільки вони входять у одну групу - Herpes Virus, куди входять ще деякі У наш час активно поширюється вірус імунодефіциту людини (ВІЛ). Як подолати його, поки що нікому невідомо.
Будова та класифікація вірусів
Віруси відносяться до царстваVira . Це
дрібні мікроби («агенти, що фільтруються»),
не мають клітинної будови, білоксинтезуючої системи,
Вони є автономними генетичними структурами і відрізняються особливим, роз'єднаним (диз'юнктивним) способом розмноження (репродукції): в клітині окремо синтезуються нуклеїнові кислоти вірусів та їх білки, потім відбувається їх складання в вірусні частинки.
Сформована вірусна частка називається віріоном.
Морфологію та структуру вірусів вивчають здопомогою електронної мікроскопії,оскільки їх розміри малі і можна порівняти з товщиною оболонки бактерій.
Форма віріонів може бути різноюної (рис.):
паличкоподібної (вірус тютюнової мозаїки),
кулеподібний (вірус сказу),
сферичної (віруси поліомієліту, ВІЛ),
ниткоподібної (філовіруси),
у вигляді сперматозоїда (багато бактеріофаг).
Розміри вірусів визначають:
з допомогою електронної мікроскопії,
методом улирафільтрації через фільтри з відомим діаметром пор,
методом ультрацентрифугування.
Найбільш дрібними вірусами є парвовіруси (18 нм) та вірус поліомієліту (близько 20 нм), найбільшим – вірус натуральної віспи (близько 350 нм).
Розрізняють ДНК- і РНК-віру, що містятьси.Вони зазвичай гаплоїдні,тобто мають один набір генів. Виняткомє ретро-віруси, що мають диплоїдний геном. Геном вірусів містить від шести до кількох сотень генів та представлений різними видаминуклеїнових кислот:
двонитковими,
однонитковими,
лінійними,
кільцевими,
фрагментованими.
Є також РНК-віруси з негативним (мінус-нитка РНК) геномом.Мінус-нитка РНК цих вірусів виконує лише спадкову функцію.
Розрізняють:
просто влаштовані віруси (наприклад, віруси поліомієліту, гепатиту А) та
складно влаштовані віруси (наприклад, віруси кору, грипу, герпесу, коронавіруси).
У просто влаштованих вірусів(Рис.) Нуклеїнова кислота пов'язана з білковою оболонкою, званої капсидом(Від лат. capsa- футляр). Капсид складається з морфологічних субодиниць, що повторюються. капсомірів.Нуклеїнова кислота та капсид взаємодіють один з одним і разом називаються нуклеокапсид.
У складно влаштованих вірусів(рис.) Капсид оточений ліпопротеїновою оболочкой- суперкапсидом,чи пеплосом. Оболонка вірусу є похідною структурою мембран мембран вірус-інфікованої клітини. На оболонці вірусу розташовані глікопротеінові«шипи», або «шипики» (пепломіри,або суперкапсиднібілки). Під оболонкою деяких вірусів знаходиться М-білок.
Таким чином,просто влаштовані віруси складаються з нуклеїнової кислоти та капсиду.Складно влаштовані віруси складаються з нуклеїнової кислоти, капсиду та ліпопротеїнової оболонки.
Віріони мають:
спіральний,
ікосаедричний(Кубічний) або складний тип симетрії капсиду (нуклеокапсиду).
Спіральний типсиметрії обумовлений гвинтоподібною структурою нуклеокапсиду (наприклад, у вірусів грипу, коронавірусів). Ікосаедричний типсиметрії обумовлений утворенням ізометрично порожнистого тіла з капсиду, що містить вірусну нуклеїнову кислоту (наприклад, вірус герпесу).
Капсид та оболонка (суперкапсид) захищають віріони від впливу навколишнього середовища, зумовлюють вибіркову взаємодію (адсорбцію) з певними клітинами, а також антигенні та імуногенні властивості віріонів.
Внутрішні структури вірусів називають сір дцевиною. У аденовірусів серцевина складається з гістоноподібних білків, пов'язаних з ДНК, у реовірусів – з білків внутрішнього капсиду.
У вірусології використовують такі таксономічнікатегорії :
сімейство (назвазакінчується на viridae),
підродина (назва закінчується на virinae),
рід (назва закінчується на virus).
Однак назви пологів і особливо підродин дано не для всіх вірусів. Вид вірусу не отримав біномної назви, як у бактерій.
В основу класифікації вірусів полодружини наступні категорії:
тип нуклеїновиття кислоти (ДНК абоРНК), її структура,кількість ниток (одна чи дві), особливийності відтворення вірусного геному(табл. 2.3),
розмір та морфологія віріонів,кількість капсомерів та тип симетріїнуклеокапсиду, наявність оболонки (суперкапсиду).
чутливість до ефіру та дезоксихолату,
місце розмноження у клітці,
антигенні властивості та ін.
Віруси вражають хребетних та безхребетних тварин, а також бактерії та рослини. Будучи основними збудниками інфекційних захворювань людини, вони також беруть участь у процесах канцерогенезу, можуть передаватися різними шляхами, у тому числі через плаценту (віруси краснухи, цитомега) лії та ін), вражаючи плід людини. Вони можутьприводити і допостінфекційних ускладнень - розвитку міокардитів, панкреатитів, імунодефіцитів та ін.
Крім звичайних (канонічних) вірусів відомі інфекційні молекули, які є вірусами і називаються пріонами. Пріони-термін, запропонований С. Прузінером, є анаграмою англійських слів «інфекційна білкова частка.» Клітинна форма нормального пріонового протеїну (РгРС) є в організмі ссавців, у тому числі людини, і виконує низку регуляторних функцій. Його кодує PrP-ген, розташований у короткому плечі 20-ї хромосоми людини. При пріонних хворобах у вигляді трансмісивних губкоподібних енцефалопатій (хвороба Крейтцфельда-Якоба, куру та ін.) пріонний протеїн набуває іншої, інфекційної форми, що позначається як РгР & (Sc - від scrapie - скріпи, пріонної інфекції овець та кіз). Цей інфекційний пріоновий протеїн має вигляд фібрил і відрізняється від нормального пріонного протеїну третинною або четвертинною структурою.
Іншими незвичайними агентами, близькими до вірусів, є віроїди- невеликі молекули кільцевої, суперспіралізованої РНК, що не містять
3.3. Фізіологія вірусів
Віруси- облігатні внутрішньоклітинні паразити, здатні лише до внутрішньоклітинного розмноження. У вірусінфікованій клітині можливе перебування вірусів у різних станах:
відтворення численних нових віріонів;
перебування нуклеїнової кислоти вірусу в інтегрованому стані із хромосомою клітини (у вигляді провірусу);
існування у цитоплазмі клітини у вигляді кільцевих нуклеїнових кислот, що нагадують плазміди бактерій.
Тому діапазон порушень, викликаних вірусом, дуже широкий: від вираженої продуктивної інфекції, що завершується загибеллю клітини, до тривалого взаємодії вірусу з клітиною як латентної інфекції чи злоякісної трансформації клітини.
Розрізняють три типи взаємодії вірусуз кліткою: продуктивний, абортивний та інтегративний.
1. Продуктивний тип - завершується утворенням нового покоління віріонів та загибеллю (лізисом) заражених клітин (цитолітична форма). Деякі віруси виходять із клітин, не руйнуючи їх (нецитолітична форма).
Абортивний тип - не завершується утворенням нових віріонів, оскільки інфекційний процес у клітині переривається одному з етапів.
Інтегративний тип, або вирогенія -характеризується вбудовуванням (інтеграцією) вірусної ДНК у вигляді провірусу в хромосому клітини та їх спільним співіснуванням (спільна реплікація).
Репродукція вірусів (продуктивний)
Продуктивний тип взаємодії віру са з клітиною, тобто. репродукція вірусу (лат. re - повторення, productio - виробництво), проходить у 6 стадій:
1) адсорбціявіріонів на клітині;
2) проникненнявірусу у клітину;
3) «роздягання»та вивільнення вірусного геному (депротеїнізація вірусу);
4) синтезвірусних компонентів;
5) формуваннявіріонів;
6) вихід віріонівіз клітини.
У різних вірусів ці стадії відрізняються
Адсорбція вірусів.Перша стадія репродукції вірусів – адсорбція, тобто прикріплення віріону до поверхні клітини. Вона протікає у дві фази. Перша фаза - неспецифічна, обумовлена іонним тяжінням між вірусом і клітиною, включаючи інші механізми. Друга фаза адсорбції - високоспеціфі чеська, обумовлена гомологією, комплементарністю рецепторів чутливих клітин і «пізнають» їх білкових лігандів вірусів. Білки на поверхні вірусів, які впізнають специфічні клітинні рецептори та взаємодіють з ними , називаються прикріпи тільними білками (в основному це глікопроте іни) у складі ліпопротеїнової оболонки.
Специфічні рецептори клітин мають різну природу, будучи білками, ліпідами, вуглеводними компонентами білків, ліпідів та ін. Так, рецепторами для вірусу грипу є сіалова кислота у складі глікопротеїнів та гліколіпідів (гангліозидів) клітин дихальних шляхів. Віруси сказу адсорбуються на ацетилхолінових рецепторах нервової тканини, а віруси імунодефіциту людини – на СО4-рецепторах Т-хелперів, моноцитів та дендритних клітин. На одній клітині знаходиться від 10 до 100 тисяч специфічних рецепторів, тому на ній можуть адсорбуватися десятки та сотні віріонів.
Наявність специфічних рецепторів лежить в основі вибірковості ураження вірусами певних клітин, тканин та органів. Це так званий тропізм (грец. tropos - поворот, напрямок). Наприклад, віруси, що репродукуються переважно у клітинах печінки, називаються гепатотропними, у нервових клітинах – нейротропними, в імунокомпетентних клітинах – імунотропними тощо.
Проникнення вірусів у клітину.Віруси проникають у клітину шляхом рецептор-залежного ендоцитозу (віропексису), або злиття оболонки вірусу з клітинною мембраною, або в результаті поєднання цих механізмів.
1 . Рецептор-залежний ендоцитозвідбувається в результаті захоплення та поглинання віріона клітиною: клітинна мембрана з прикріпленим віріоном вп'ячується з утворенням внутрішньоклітинної вакуолі (ендосоми), що містить вірус. За рахунок АТФ-залежного «протонного» насоса вміст ендосоми закислюється, що призводить до злиття ліпопротеїнової оболонки складно організованого вірусу з мембраною ендосоми та виходу вірусного нуклеокапсиду в цитозоль клітини. Ендосоми поєднуються з лізосомами, які руйнують вірусні компоненти, що залишилися. Процес виходу безоболонкових (просто організованих) вірусів з ендосоми у цитозоль залишається маловивченим.
2. Злиття обточування віріона з клітинної мембраноюхарактерно тільки для деяких оболонкових вірусів (параміксовірусів, ретровіру-сов, герпесвірусів), у складі яких є білки злиття.Відбувається точкова взаємодія вірусного білка злиття з ліпідами клітинної мембрани, у результаті вірусна ліпопротеїнова оболонка інтегрує з клітинною мембраною, а внутрішній компонент вірусу потрапляє в цитозоль.
а) «Роздягання» (депротеїнізація) вірусів.Внаслідок цього вивільняється його внутрішній компонент, здатний викликати інфекційний процес. Перші етапи «роздягання» вірусу починаються в процесі його проникнення в клітину шляхом злиття вірусних і клітинних мембран або при виході вірусу з ендосоми в цитозоль. Наступні етапи «роздягання» вірусу тісно взаємопов'язані з їх внутрішньоклітинним транспортом до місць депротеїнізації. Для різних вірусів існують свої спеціалізовані ділянки «роздягання» в клітині: для пікорнавірусів-у цитоплазмі за участю лізосом, апарату Гольджі; для герпесвірусів – навколоядерний простір або пори ядерної мембрани; для аденовірусів – спочатку структури цитоплазми, а потім ядро клітини. Кінцевими продуктами роздягання можуть бути нуклеїнова кислота, нуклеопротеїн (нуклеокапсид) або серцевина віріона. Так, кінцевим продуктом роздягання пікарновірусів є нуклеїнова кислота, ковалентно пов'язана з одним із внутрішніх білків. А у багатьох оболонкових РНК-вірусів кінцевими продуктами «роздягання» можуть бути нуклеокапсиди або серцевини, які не тільки не перешкоджають експресії вірусного геному, а, більше того, захищають його від клітинних протеаз і регулюють подальші біосинтетичні процеси.
в) Синтез вірусних компонентів.Синтез білків та нуклеїнових кислот вірусу, який роз'єднанийу часі та просторі. Синтез здійснюється у різних частинах клітини, тому такий спосіб розмноження вірусів називається дизюнктивним(Від лат. disjunctus - Роз'єднаний).
С)Синтез вірусних білків . У зараженій клітині вірусний геном кодує синтез двох груп білків:
1. неструктурних білків,які обслуговують внутрішньоклітинну репродукцію вірусу на різних його етапах;
2. структурних білків,які входять до складу віріону (геномні, пов'язані з геномом вірусу, капсидні та су-перкапсидні білки).
Донеструктурним біл кам відносяться: 1) ферменти синтезу РНК або ДНК (РНК або ДНК-полімерази), що забезпечують транскрипцію і реплікацію вірусного геному; 2) білки-регулятори; 3) попередники вірусних білків, що відрізняються своєю нестабільністю в результаті швидкого нарізування на структурні білки; 4) ферменти, що модифікують вірусні білки, наприклад, протеїнази та протеїнкінази.
Синтез білківу клітині здійснюється відповідно до добре відомих процесів транскрипції (Від лат. transcriptio - переписування) шляхом «переписування» генетичної інформації з нуклеїнової кислоти в нуклеотидну послідовність інформаційної РНК (іРНК) та трансляції(Від лат. translatio - передача) – зчитування іРНК на рибосомах з утворенням білків. Передача спадкової інформації щодо синтезу іРНК у різних груп вірусів неоднакова.
I . ДНК-віруси реалізують генетичну інформацію так само, як і клітинний геном, за схемою:
геномнаДНК вірусу-» транскрипціяіРНК-» трансляціябілка вірусу.
Причому ДНК-віруси використовують для цього процесу клітинну полімеразу (віруси, геноми яких транскрибуються в ядрі клітини - аденовіруси, па-повавіруси, герпесвіруси) або власну РНК-полімеразу (віруси, геноми яких транскрибуються в цитоплазмі, наприклад.
II . Плюс-ниткові РНК-віруси (наприклад, пікорнавіруси, флавівіруси, то гавіруси) мають геном, що виконуєфункцію іРНК; він розпізнається та транслюється рибосомами. Синтез білків у цих вірусів здійснюється без акта транскрипції за схемою:
геномна РНК вірусу-> трансляція білка вірусу .
III. Геном мінус-однониткових РНК-містят вірусів (ортоміксовірусів, параміксовірусів, рабдовірусів) та двониткових (реовірусів) служить матрицею, з якою транскрибується іРНК, за участю РНК-полімерази, пов'язаної з нуклеїновою кислотою вірусу. Синтез білка у них відбувається за схемою:
геномна РНК вірусу-» транскрипція та- РНК- трансляція білка вірусу.
IV. Ретровіруси (Віруси імунодефіциту людини, онкогенні ретровіруси) мають унікальний шлях передачі генетичної інформації. Геном ретровірус складається з двох ідентичних молекул РНК, тобто є диплоїдним. У складі ретровірусів є особливий вірусоспецифічний фермент - зворотна транскриптаза або ревертаза, за допомогою якої здійснюється процес зворотної транскрипції, тобто на матриці геномної РНК синтезується комплементарна однониткова ДНК (кДНК). Комплементарна нитка ДНК копіюється з утворенням двониткової комплементарної ДНК, яка інтегрує в клітинний геном і в його складі транскрибується іРНК за допомогою клітинної ДНК-залежної РНК-полімерази. Синтез білків цих вірусів здійснюється за схемою:
геномна РНК вірусу-> Комплементарна ДНК-» транскрипція іРНК
-»трансляція білка вірусу.
Реплікація вірусних геномів, т. е. синтез вірусних нуклеїнових кислот, що призводить до накопичення в клітині копій вихідних вірусних геномів, які використовуються при складанні віріонів. Спосіб реплікації геному залежить від типу нуклеїнової кислоти вірусу, наявності вірусоспецифічних або клітинних полімераз, а також від здатності вірусів індукувати утворення полімераз у клітині.
Механізм реплікації відрізняється у вірусів, які мають:
1) двониткову ДНК;
2) однониткову ДНК;
3) плюс-однониткову РНК;
4) мінус-однонит-ву РНК;
5) двониткову РНК;
6) ідентичні плюс-ниткові РНК (ретровіруси).
1. Двониткові ЛНК-віруси . Реплікація двониткових вірусних ДНК відбувається звичайним напівконсервативним механізмом: після розплетення ниток ДНК до них комплементарно добудовуються нові нитки. Кожна знов синтезована молекула ДНК складається з однієї батьківської та однієї знов синтезованої нитки. До цих вірусів належить велика група вірусів, які містять двониткову ДНК у лінійній (наприклад, герпесвіруси, аденовіруси та поксвіруси) або в кільцевій формі, як папіломавіруси. У всіх вірусів, крім поксвірусів, транскрипція вірусного геному відбувається у ядрі.
Унікальний механізм реплікації характерний для гепаднавірусів (вірусу гепатиту В). Геном гепаднавірусів представлений двониткової кільцевої ДНК, одна нитка якої коротше (неповна плюс-нитка) іншої нитки. Спочатку добудовується (рис. 3.7). Потім повна двониткова ДНК за допомогою клітинної ДНК-залежної РНК-полімерази транскрибується з утворенням невеликих молекул іРНК та повної однониткової плюс-РНК. Остання називається прегеномною РНК; вона є матрицею реплікації геному вірусу. Синтезовані іРНК беруть участь у процесі трансляції білків, у тому числі вірусної РНК-залежної ДНК-полімерази (зворотної транскриптази). За допомогою цього ферменту, що мігрує в цитоплазму, прегеномна РНК назад транскрибується в мінус-нитку ДНК, яка, у свою чергу, служить матрицею для синтезу плюс-нитки ДНК. Цей процес закінчується утворенням двониткової ДНК, що містить неповну плюс-нитку ДНК.
Однониткові ДНК-віруси . Єдиними представниками однониткових ДНК-вірусів є парвовіруси. Парвовіруси використовують клітинні ДНК-полімерази для створення двониткового вірусного геному, так званої реплікативної форми останнього. При цьому на вихідній вірусній ДНК (плюс-нитка) комплементарно синтезується мінус-нитка ДНК, що служить матрицею для синтезу плюс-нитки ДНК нового віріона. Паралельно синтезується іРНК, відбувається трансляція вірусних пептидів.
Плюс-однониткові РНК-віруси . Ці віруси включають велику групу вірусів - пікорнавіруси, флавівіруси, тогавіруси (рис.3.8), у яких геномна плюс-нитка РНК виконує функцію іРНК. Наприклад, РНК поліовірусів після проникнення в клітину зв'язується з рибосомами, працюючи як іРНК і на її основі синтезується великий поліпептид, який розщеплюється на фрагменти: РНК-залежну РНК-полімеразу, вірусні протеази та капсидні білки. Полімераза на основі геномної плюс-нитки РНК синтезує мінус-нитку РНК; формується тимчасово подвійна РНК, названа проміжною реплікативною ланкою. Ця проміжна реплікативна ланка складається з повної плюс-нитки РНК та численних частково завершених мінус-ниток. Коли утворені всі мінус-нитки, вони використовуються як шаблони для синтезу нових плюс-ниток РНК. Цей механізм використовується як для розмноження геномної РНК вірусу, так синтезу великої кількості вірусних білків.
Мінус-однониткові РНК-віруси. Мінус -однониткові РНК-віруси (рабдовіруси, параміксовіруси, ортоміксовіруси) мають у своєму складі РНК-залежну РНК-полімеразу. Геномна мінус- нитка РНК, що проникла в клітину, трансформується вірусною РНК-залежною РНК-полімеразою в неповні і повні плюс-нитки РНК. Неповні копії виконують роль іРНК синтезу вірусних білків. Повні копії є матрицею (проміжна стадія) для синтезу мінус-ниток геномної РНК потомства
Двониткові РНК-віруси. Механізм реплікації цих вірусів (реовірусів і ротаві-русів) подібний до реплікації мінус-однониткових РНК-вірусів. Відмінність у тому, що утворилися у процесі транскрипції плюс-нитки функціонують як іРНК, а й беруть участь у реплікації: є матрицями для синтезу мінус-ниток РНК. Останні у комплексі з плюс-нитками РНК утворюють геномні двониткові РНК віріонів. Реплікація вірусних нуклеїнових кислот цих вірусів відбувається у цитоплазмі клітин.
6 . Ретровіруси (Плюс-ниткові диплоїдні РНК-віруси). Зворотна транскриптаза ретровірусів синтезує (на матриці РНК-вірусу) мінус-нитку ДНК, з якої копіюється плюс-нитка ДНК з утворенням подвійної нитки ДНК, замкненої в кільце (рис. 3.10). Далі подвійна нитка ДНК інтегрує із хромосомою клітини, утворюючи провірус. Численні віріонні РНК утворюються в результаті транскрипції однієї з ниток інтегрованої ДНК за участю клітинної ДНК-залежної РНК-полімерази.
Формування вірусів.Віріони формуються шляхом самоскладання: складові віріону транспортуються в місця складання вірусу - ділянки ядра або цитоплазми клітини. З'єднання компонентів віріону обумовлінонаявністю гідрофобних, іонних, водневих зв'язків та стеричної відповідності.
Існують такізагальні принципи складання вірусів :
Формування вірусів- багатоступеневий процес з утворенням проміжних форм, що відрізняються від зрілих віріонів за складом поліпептидів.
Складання просто влаштованих вірусівполягає у взаємодії вірусних нуклеїнових кислот з капсидними білками та утворенні нуклеокапсидів.
У складно влаштованих вірусівспочатку формуються нуклеокапсиди, які взаємодіють із модифікованими мембранами клітин (майбутньою ліпопротеїновою оболонкою вірусу).
Причому збирання вірусів, що реплікуються в ядрі клітини, відбувається за участю мембрани ядра, а збирання вірусів, реплікація яких йде в цитоплазмі, здійснюється за участю мембран ендоплазматичної мережі або плазматичної мембрани, куди вбудовуються глікопротеїни та інші білки оболонки вірусу.
У ряду складно влаштованихвірусів мінус-ниткових РНК-вірусів (ортоміксовірусів, параміксовірусів) до складання залучається так званий матриксний білок (М-білок), який розташований під модифікованою клітинною ембраною. Маючи гідрофобні властивості, він виконує роль посередника між нуклеокапсидом і вірусною ліпопротеїновою оболонкою.
□ Важко влаштовані вірусиу процесі формування включають до свого складу деякі компоненти клітини господаря, наприклад ліпіди та вуглеводи.
Вихід вірусів із клітини.Повний цикл репродукції вірусів завершується через 5-6 годин (вірус грипу та ін.) або за кілька діб (гепатовіруси, вірус кору та ін.). Процес репродукції вірусів закінчується виходом їх із клітини, який відбувається вибуховим шляхом або брунькуванням, екзоцитозом.
Вибуховий шлях: з гине клітини одночасно виходить велика кількість віріонів. По вибуховому шляху виходять із клітини просто влаштовані віруси, які мають ліпопротеїнової оболонки.
Ниркування, екзоцшпт властиві вірусам, які мають ліпопротеїнову оболонку, яка є похідною від клітинних мембран.Спочатку нуклеокапсид, що утворився, або серцевина віріона транспортується до клітинних мембран, в які вже вбудовані вірусоспецифічні білки. Потім в ділянці контакту нуклеокапсиду або серцевини віріона з клітинною мембраною починається випинання цих ділянок. Нирка, що сформувалася, відокремлюється від клітини у вигляді складно влаштованого вірусу. При цьому клітина здатна довго зберігати життєздатність і продукувати вірусне потомство.
Ниркування вірусів, що формуються в цитоплазмі, може відбуватися або через плазматичну мембрану (наприклад, параміксовіруси, тогавіруси), або через мембрани ендоплазматичної мережі з подальшим виходом на поверхню клітини (наприклад, буньявіруси).
Віруси, що формуються в ядрі клітини (наприклад, герпесвіруси), брунькуються в перинуклеарний простір через модифіковану ядерну мембрану, набуваючи таким чином ліпопротеїнової оболонки. Потім вони транспортуються у складі цитоплазматичних везикул на поверхню клітини.
Віруси- це дрібні живі організми, розміри яких варіюють в межах від 20 до 300 нм; в середньому вони разів на п'ятдесят менше бактерій. Їх не можна побачити за допомогою світлового мікроскопа і вони проходять через фільтри, що не пропускають бактерій.
Походження вірусів
Дослідники часто запитують, чи живі віруси? Якщо вважати живою будь-яку структуру, що має генетичний матеріал (ДНК або РНК) і здатну до самовідтворення, то відповідь має бути ствердною: так, віруси - живі. Якщо ж ознакою живого вважати наявність клітинної будови, відповідь буде негативним: віруси не живі. До цього слід додати, що поза клітиною-господарем віруси нездатні до самовідтворення.
Для більш повного уявлення про вірусинеобхідно знати їхнє походження у процесі еволюції. Існує припущення, хоча й недоведене, що віруси - це генетичний матеріал, що колись «втік» з прокаріотичних і еукаріотів клітин і зберіг здатність до відтворення при поверненні в клітинне оточення.
Поза клітинами вірусизнаходяться в абсолютно інертному стані, однак вони мають набору інструкцій (генетичним кодом), необхідних для того, щоб знову проникнути в клітину і, підкоривши її своїм інструкціям, змусити робити багато ідентичних собі (вірусу) копій. Отже, логічно припустити, що в процесі еволюції віруси з'явилися пізніше за клітини.
Будова вірусів
Будова вірусівдуже просте. Вони складаються з наступних структур:
1) серцевини - генетичного матеріалу, представленого або ДНК, або РНК; ДНК або РНК може бути одноланцюжковою або дволанцюжковою;
2) капеїда - захисної білкової оболонки, що оточує серцевину;
3) нуклеокапсиду – складної структури, утвореної серцевиною та капсидом;
4) оболонки - у деяких вірусів, таких як ВІЛ та грипу, є додатковий ліпопротеїновий шар, що походить з плазматичної мембрани клітини-господаря;
5) капсомерів - ідентичних субодиниць, що повторюються, з яких часто бувають побудовані капсиди.
Загальна форма капсиду відрізняється високим ступенем симетрії, обумовлюючи здатність вірусівдо кристалізації. Це дозволяє досліджувати їх як методом рентгенівської кристалографії, так і за допомогою електронної мікроскопії. Як тільки в клітині-хазяїні утворюються субодиниці вірусу, вони відразу ж можуть шляхом самоскладання об'єднатися у повну вірусну частинку. Спрощена схема будови вірусу показано малюнку.
Для структури капсиду вірусухарактерні певні типи симетрії, особливо поліедричні та спіральні. Поліедр – це багатогранник. Найбільш поширена поліедрична форма у вірусів - ікосаедр, у якого є 20 трикутних граней, 12 кутів та 30 ребер. На малюнку А ми бачимо правильний ікосаедр, а на малюнку Б - вірус герпесу, в частинці якого 162 капсомери організовані в ікосаедр.
Наочною ілюстрацією спіральної симетрії може бути показаний малюнку, РНК-вірустютюнової мозаїки (ВТМ) Капсид цього вірусу утворений 2130 ідентичними білковими капсомерами.
ВТМ був першим вірусомвиділеним у чистому вигляді. При зараженні цим вірусом на листі хворої рослини з'являються жовті цятки – так звана мозаїка листя (рис. 2.18, В). Віруси поширюються дуже швидко або механічно, коли хворі рослини або його частини приходять у дотик зі здоровими рослинами, або повітряним шляхом з димом від сигарет, для виготовлення яких було використано заражене листя.
Віруси, Атакуючі бактерій, утворюють групу, звану бактеріофагами або просто фагами. У деяких бактеріофагів є чітко виражена ікосаедрична голівка і хвіст, що має спіральну симетрію). На малюнку наводяться схематичні зображення деяких вірусів, що ілюструють їх відносні розміри та загальну будову.
Усі віруси поділяють на дві групи: прості та складні. Прості віруси містять нуклеїнову кислоту і кілька поліпептидів, що нею кодуються. Складні віруси складаються з нуклеїнової кислоти, ліпідів та вуглеводів, які мають клітинне походження, тобто у більшості вірусів не кодуються вірусним геномом. У виняткових випадках віріон включаються клітинні нуклеїнові кислоти або поліпептиди.
До складу вірусів входять нуклеїнові кислоти та білки. Білки та нуклеїнові кислоти нерозривно пов'язані між собою. Синтез білків не можливий без нуклеїнових кислот, а синтез кислот – без активної участі білків, ферментів. Відомо, що нуклеїнові кислоти та білки складаються з, Про, Н, N, P, S. геном вірусу представлений ДНК або РНК. За будовою геному зрілі вірусні частки поділяють такі групи:
1. Віруси, геном яких – одноланцюжкова молекула РНК, що має матричну активність;
2. Віруси, геном яких – одноланцюгова РНК, що не має матричної активності;
3. Віруси з одноланцюжковою фрагментованою РНК, яка не має матричної активності;
4. Віруси, геном яких складається з декількох молекул РНК, що мають матричну активність;
5. Віруси з дволанцюжковою фрагментованою РНК;
6. Віруси з лінійною одноланцюжковою ДНК;
7. Віруси з дволанцюжковою циркулярною ДНК;
8. Віруси з дволанцюжковою лінійною інфекційною ДНК;
9. Віруси з дволанцюжковою лінійною неінфекційною ДНК.
За нуклеотидним складом ДНК вірусів безхребетних тварин більш різноманітна, ніж ДНК хребетних. Нуклеїнові кислоти віріонів здебільшого мають вірусне, а не клітинне походження. Інфекційність вірусів пов'язана з нуклеїновою кислотою, а не з білком, що входить до їхнього складу. Це було доведено німецькими вченими Г. Шраммом та А. Гірером (1956). Нуклеїнові кислоти є зберігачем усієї генетичної інформації вірусу. Їхній хімічний склад та структура принципово не відрізняються від нуклеїнових кислот більш високоорганізованих істот (бактерій, найпростіших, тварин). Більшість вірусної частки становлять білки до складу яких входять самі амінокислоти, як і білки інших організмів. Вірусний білок представлений переважно поліпептидами одного-трьох типів. Білки на поверхні вірусної частки є антигенами, відповідальними за утворення антитіл у інфікованих тварин. Основна частина білків – це білки, синтезовані у сприйнятливій клітині за інформацією геному вірусу. У поодиноких випадках можливе включення білків інфікованої клітини в ліпопротеїдні оболонки та серцевину деяких вірусів (вірус пташиного мієлобластозу, ікосаедричні віруси).
Білки вірусів поділяють на білки капсиду, серцевини, оболонки та ферментативні білки. Крім білків у ліпопротеїдної оболонки виявлені ліпіди та вуглеводи. Вуглеводи переважно утримуються в глікопротеїдних пепломерах на поверхні вірусної частки.
У складі вірусів виявлено мінеральні речовини К, Na, Ca, Mg, Fe. Вони беруть участь у формуванні зв'язків білка з нуклеїновою кислотою.
Білки вірусів виконують захисну (захищають від неблагополучного впливу навколишнього середовища) та адресну (мають рецептори до певної чутливої клітини) функції. Крім цього білки вірусів полегшують проникнення в сприйнятливу клітину.
Функції нуклеїнових кислот вірусів полягають у наступному. Вони програмують спадковість вірусів, беруть участь у синтезі білка, відповідають за інфекційні властивості вірусних часток.
Окрема вірусна частка отримала назву віріон. Білкова оболонка віріона називається капсидом. Капсиди складаються з поверхневих білкових субодиниць, які у свою чергу утворені білковими молекулами. Розрізняють такі рівні складності будови капсиду. Перший рівень – окремі поліпептиди (хімічні одиниці), другий – капсомери (морфологічні одиниці), що складаються з однієї або кількох білкових молекул, третій – пепломери (молекули, що утворюють виступи на ліпопротеїдній оболонці віріону).
Для вірусів характерні два типи симетрії будови капсиду: кубічний та спіральний. Віруси з кубічним типом симетрії називаються ізометричними. Всі відомі ДНК-віруси тварин мають ізометричними капсидами. Кристалографічні дані свідчать про три типи фігур з кубічним типом симетрії: тетраедр, октаедр та ікосаедр. Ікосаедрична симетрія для вірусів краща, тому що цей тип симетрії найбільш економічний.
Віруси зі спіральним типом симетрії будови капсиду характеризуються тим, що капсид у них побудований з однакових спірально розташованих білкових субодиниць (капсомерів).
Бактеріофаги (віруси бактерій) у структурному відношенні являють собою поєднання двох типів симетрії: кубічний та спіральний. Головка їх є кубічною структурою, а відросток – спіралеподібну.
Характер взаємодії між нуклеїновою кислотою та капсомерами у вірусів із різним типом симетрії будови капсиду різниться. У вірусів зі спіральним типом будови капсиду білкові субодиниці тісно взаємодіють із нуклеїновою кислотою. У ікосоедричних вірусів максимально вираженої регулярної взаємодії між кожною білковою субодиницею та нуклеїновою кислотою не існує.
Відео: Вірус гепатиту C у печінці
Морфологічні форми вірусів менші, ніж у бактерій.
Основними компонентами віріону (вірусу поза клітиною) є білкова оболонка - капсид - і з укладеною в неї НК - нуклеокапсид. Морфологічні одиниці капсиду – капсомери – побудовані з одного або кількох білків. Ці капсомери пов'язані типом симетрії, що розташовуються в однозначному порядку:
- спіральна симетрія – формує циліндричні структури;
- кубічна симетрія – формує структури близькі до сфероїдів.
Віріони за типом формування їх структури поділяються на:
- прості віріони - побудовані за одним типом симетрії;
- складні віріони - змішаний тип симетрії (спіральна та кубічна).
Структура простих віріонів
Існують два типи простих віріонів:- спіральні;
- сферичні.
Спіральні віріони. Розрізняють:
1. Жорсткі паличкоподібні віруси мають форму жорсткого дуже ламкого циліндра, що не гнеться. Сюди входять віруси, які розрізняються за своєю довжиною 1300-3150 Ǻ при довжині віріонів 180-250 Ǻ (вірус тютюнової мозаїки).
Будова вірусу тютюнової мозаїки (ВТМ) В електронному мікроскопі ВТМ, має форму паличок, товщиною 150-180 ?, довжина 3000? (300 нм). Зустрічаються і з меншою довжиною, але вони не мають інфекційності. Капсомери віріона розташовані за спіральним типом симетрії.
Хімічною, структурною та морфологічною одиницею є білок з молекулярною масою 17400 Д. Причому на кожні три витки спіралі припадає 49 морфологічних одиниць. Усередині порожнистого циліндра розташовується одноланцюжкова РНК, розмір РНК перевищує розмір віріону, але РНК упакована компактно і розташована по гвинтовій лінії між капсомерами. На кожен борот спіралі припадає 49 нуклеотидів, кожна молекула білка пов'язана із трьома нуклеотидними залишками.
2. Ниткоподібні віруси мають форму еластичних ниток, що легко згинаються і перехрещуються між собою.
Сферичні віріони побудовані за кубічною симетрією. В основі цієї структури лежить структура двадцятигранника – ікосаедр. Найпростіший ікосаедр має 12 вершин і 20 граней, складніші - містять 20Т граней, де Т - число тріагулювання.
Т=Р×f2,
Р - розмір, клас ікосаедра, приймає значення 1, 3, 7, 13, 19, 21, 37,
f - будь-яке ціле число,
f 2 - Вказує скільки рівнобедрених трикутників розташовано на одну грань ікосаедра.
Так, найпростіші ікосаедри класу 1 при f = 1, мають 20 граней, при f = 2 - 80 граней.
У вірусів з кубічним типом симетрії є два типи копсомірів: по вершинах розташовуються капсомери побудовані з 5-ти ідентичних субодиниць (пентомери), а по бічних гранях - з 6-ти субодиниць (гексоміри).
Розміри вірусу визначаються числом капсомерів, найменший сферичний вірус класу 1 має 12 пентомерів і не містить гескомера, а найбільший вірус містить 1472 капсомери. РНК або ДНК укладена дуже компактно, утворюючи вп'ячування всередину капсомерів по спіралі.
Структура складних вірусів
До складних вірусів відносяться віруси, які мають складний тип симетрії або додаткові ліпідні або вуглеводні компоненти.Додаткові оболонки або ліпідні або вуглеводні, але структура цих оболонок не закодована в ПК. Ці оболонки клітинного походження та визначити їх зміст складно, часто це фрагменти ЦПМ, які захоплює вірус при виході з клітини.
Функції оболонок:
захисна (нечутливі до деяких хімічних, токсичних речовин);
вони є частиною механізму, що полегшує проникнення вірусу всередину клітини, за рахунок того, що ці оболонки легко зливаються з ЦПМ.
оболонки можуть мати трубчасті вирости, які мають антигенну активність і служать рецепторами для прикріплення вірусу на клітинній поверхні.
Віруси, які мають додаткові оболонки, є поліморфними і нагадують форму кулі або наперстка.
Бактеріофаги – група вірусів зі складним типом симетрії.
У 1917 р. Де Еррель виявив лізис клітин бактерій лежить на поверхні чашки Петрі і назвав цей агент невідомої природи бактеріофагом - пожиратель бактерій.
Зустрічаються як складні віруси, і прості, вони мають 5 морфологічних форм:
- фаги ниткоподібні (спіральний тип симетрії, в основному ДНК-містять);
- фаги з кубічним типом симетрії (мають зачатки хвостового відростка, це РНК або одноцеп. ДНК-містять);
- Фаги з коротким відростком;
- фаги, що мають два типи симетрії (головку - кубічного типу симетрії і чохол, що не скорочується - хвостовий відросток - побудований за спіральним типом симетрії) з дволанцюжковою ДНК;
- найскладніше типу симетрії (з голівкою і чохлом, що скорочується, ДНК-містять).
Модель фага Т2.
Це бактеріофаг, що містить головку і відросток.
Головка побудована за кубічним типом симетрії, усередині міститься дволанцюг. ДНК, яка багато разів перевищує розміри фага. ДНК компактно укладена та багато в чому визначається стабілізуючою функцією білків путрисцину та сперміцину, що пов'язані з двовалентними металами, їх функція блокувати сили відштовхування та нейтралізують негативний заряд частинки.
Відросток має складну будову, складається їх комірця, який примикає до головки, чохла, що скорочується, побудованого за спіральним типом симетрії, всередині якого розташовується порожнистий циліндр, а на кінці відростка розташована шестикутна базальна пластина, від якої відходять 6 ниток. Базальна пластина є фактором адсорбції на поверхні клітини, а порожнистий стрижень забезпечує транспортування ДНК фага всередину бактеріальної клітини.
Віроїди. Віроїди є молекулою одноланцюгової РНК, ковалентно замкненої в кільце, і не містять білкової оболонки. Віроїди відносяться до інфекційних об'єктів. Деякі захворювання рослин мають віроїдну ітеологію, але збудників хвороб людини та тварин – ні. Віроїди мають трансмісивність - здатність передаватися від об'єкта до об'єкта, часто від рослини до рослини механічним шляхом (вітром, комахами).
Культивування вірусів
1. Використання лабораторних тварин, але у зв'язку з обмеженою специфічністю для культивування вірусів необхідно мати певних лабораторних тварин, також необхідні тканини людини, а це незручності та порушення біоетики.2. Культивування вірусів на курячих ембріонах, але це підходить не для всіх вмрусів.
3. Використання культури клітин або тканин лабораторних тварин або людини, які мають пермесивність для вірусу - здатність розмножувати віруси. Недолік: клітки при культивуванні старіють.
4. Культивування з використанням гібридних клітин – гібрид нормальної клітини пермесивної для вірусу з раковою клітиною. Ракові клітини мають неконтрольовані мітози, тим самим продовжуючи життя пермесивних клітин.
Вплив факторів зовнішнього середовища
1. Нагрівання. Більшість вірусів стійкі при кімнатній температурі, але зменшення інфекційності настає при 50-60о С. Швидкість репродукції у вірусу грипу зменшується при 38-39о, а вірус тютюнової мозаїки стабільний при 65о С, але гине при 70о С.
2. Механічне вплив
- більшість вірусів стійкі до осмотичного тиску,
- ультразвук руйнує паличкоподібні віруси за кілька хвилин і слабко діє на сферичні віруси,
- висушування - одні віруси легко переносять, інші при зниженні вологості інактивуються при кімнатній температурі.
3. Випромінювання: УФ та іонізуюча радіація викликають загибель, а в низьких дозах – мутації.
4. Хімічні чинники:
- спирт, йод, перекис водню,
- Антибіотики, але ефективних для системного лікування немає. Є профілактичні антибіотики і є ті, які використовують для місцевого лікування.
Агентом проти вірусів є система інтерферонів, які продукуються людським організмом.
Зберігання вірусів у лабораторіях
Віруси зберігають у ліофільновисушеному стані в системі кріопротекторів, висушування при 60оС із замороженого стану. При цьому вірусна частинка міститься в кріопротекторах, що захищають віруси від пошкодження частинками льоду. Також віруси можна зберігати у сироватці крові в атмосфері СО2 при -70о С, у вигляді стабілізатора використовують гліцерин.
Основні групи вірусів
Віруси залежно від об'єкта впливу поділяють на: віруси бактерій, рослин, комах, тварин та людини.Є штучна класифікація вірусів, яка закладає:
- тип ПК (ДНК або РНК),
- структура одно-або дволанцюжкова,
- наявність або відсутність зовнішньої оболонки,
- якщо одноланцюгова РНК, то +РНК або -РНК,
- Наявність у структурі зворотної транскриптази.