Тема 3. Особливості морфології та структури вірусних часток.

Архітектура віріонів

Вивчення будови віріонів призвело до висновку, що їх формування підкоряється строгим математичним законам побудови просторових структур — від кристалів до архітектурних споруд — законам, заснованим на утворенні структур з найменшим рівнем вільної енергії. Тому поняття «структура віріонів» змінене на більш точне визначення «архітектура віріонів», яке й залишилося у вірусології.

Обов'язковим структурним елементом вірусів є капсид — білкова оболонка, що оточує вірусну нуклеїнову кислоту. Прості віруси, такі як пікорновіруси й парвовіруси, складаються з капсида, що оточує одну молекулу нуклеїнової кислоти. Складні віруси мають ще додаткову зовнішню оболонку — суперкапсид. Ця термінологія введена Д. Каспаром і А. Клагом в 1962 р.

Морфологічними субодиницями капсида, видимими в електронний мікроскоп, є капсомери. Цей термін звичайно застосовують для ізометричних капсидів з кубічним типом симетрії. Структурними одиницями капсида є білкові субодиниці, що складаються з однієї або декількох молекул білка. Структурна одиниця вірусу тютюнової мозаїки складається з однієї молекули білка, вірусу поліомієліту - із чотирьох молекул

Існують два типи будови капсидів віріонів, які забезпечують утворення структури з мінімумом вільної енергії. В одному випадку капсомери асоціюються з геномом і утворюють спіралевідну, гвинтоподібну структуру. Такий тип укладки називається спіральним типом симетрії, сама структура — нуклеокапсидом.

Такий тип симетрії нуклеокапсида характерний для віріонів тютюнової мозаїки, ортоміксовірусів, параміксовірусів, рабдовірусів. Нуклеокапсиды можуть бути ригідними, як, наприклад, у параміксовірусів, або гнучкими, якщо міжмолекулярні сили не занадто жорстко зв'язують структурні одиниці капсида, як, наприклад, у вірусу везикулярного стоматиту.

В іншому випадку капсомери утворюють порожнє ізометричне тіло, у центрі якого перебуває геном. Таку укладку називають кубічним типом симетрії. Останнє означає, що тіло є симетричним у трьох взаємно перпендикулярних напрямках (осях симетрії). Ізометричні вірусні частки з кубічним типом симетрії мають форму геометричної фігури пюсаедра — багатогранника, що складається звичайно з 60 кратних 60 геометрично ідентичних елементів, 12 вершин, 20 граней, 20 ребер. По типу ікосаедра побудовано багато дрібних вірусів і нуклеокапсиди складно влаштованих вірусів. Наприклад, віріон поліомієліту представляє ікосаедр, що складається з 60 капсомерів; віріон парвовіруса представляє ікосаедр з 32 капсомерів. У зараженій клітині ікосаедри ізометричних вірусів утворюють кристалоподібні скупчення. Багато складно влаштованих вірусів мають зовнішню ліпопротеїдну оболонку — суперкапсид, що представляє собою ліпідний бішар із вбудованими в нього суперкапсидними білками. Форма таких віріонів наближається до сферичної. Суперкапсидні білки є типовими інтрамембранними білками та найчастіше представлені глікопротеїдами. Глікопротеїди формують морфологічні субодиниці, які в електронному мікроскопі мають вигляд шипів. У ряду тогавірусів шипи мають паличкоподібну форму; у респіраторно-синцитіального вірусу (сімейство парамиксовірусів) — форму пляшки; у коронавірусів — форму сонячної корони; у вірусу грипу шипи, утворені гемаглютиніном, мають паличкоподібну форму, а шипи, утворені нейрамінідазою,— форму барабанної палички.

Деякі віріони, що містять спіральний нуклеокапсид, мають своєрідну форму. Так, віруси везикулярного стоматиту, сказу й деяких хвороб рослин мають форму гвинтівкової кулі. Зовнішній і внутрішній капсиди реовірусів побудовані по кубічному типу симетрії; обоє вони утворюють як би два футляри, один з якого вкладений у другий. Капсомери внутрішнього капсида досягають зовнішнього капсида, завдяки чому структура віріона нагадує обід колеса. Особливо чітко така форма виражена в представників роду ротавірусів.

При недостачі генетичного матеріалу й при надлишковій продукції білків можуть утворюватися порожні вірусні частки, позбавлені нуклеїнової кислоти.

Досить складну будову мають віріони осповакцини. Серцевина їх, що містить вірусну ДНК у складі нуклеопротеїда, має форму двоввігнутого кільця й оточено двома лінзоподібними латеральними тільцями. Вірус має кілька оболонок, з яких найбільш складну будову має зовнішня оболонка.

У ряду складно влаштованих вірусів капсид оточений додатковими внутрішніми структурами, утвореними звичайно внутрішніми білками. У цьому випадку внутрішній компонент позначають як «серцевина» (core), або нуклеоїд.

Морфогенез вірусів

При внутрішньоклітинній репродукції вірусів формуються структури, відсутні в незаражених вірусом клітинах. Ці утворення — місця синтезу й зборки субвірусних структур (компонентів дочірніх віріонів) одержали різні найменування — клітинні матрикси, бріки, віропласти, включення. Ці структури є продуктами кооперативних процесів клітини й вірусу. Морфологічно матрикси виглядають по-різному в різних вірусів. Звичайно це місця синтезу білків, тому в матриксах виявляються значні скупчення рибосом (полісоми). До їхнього складу входять різні клітинні структури — мембрани, мікротрубочки, осміофільні волокна й т.п. Матрикси проходять певний цикл розвитку, якщо спочатку в них превалюють полісоми, то пізніше з'являються субвірусні компоненти, які можна виявити при використанні серологічних методів дослідження типу ІФ або ІЕМ, а нерідко й при звичайної ЕМ. При ряду інфекцій матрикси пов'язані з мембранами ендоплазматичної сітки, апаратом Гольджі й іншими клітинними структурами, куди транспортуються всі вірусні компоненти.

Утворення, подібні з цитоплазматичними матриксами, виявлені також у ядрах, де відбувається репродукція більшості ДНК-вмісних вірусів. При фарбуванні клітин вони мають вигляд внутрішньоядерних включень. На пізніх стадіях інфекції в матриксах або по сусідству з ними накопичується велике число віріонів, що часто утворюють кристалоподібні формування. Внутрішньоядерні кристалоподібні включення виявлені, наприклад, у реовірусів, аденовірусів, паповавірусів, парвовірусів. Процес формування віріонів у вірусів, що мають ліпопротеїдні оболонки, значно складніший, ніж у просто влаштованих вірусів, і протікає багатоступенчасто. Так, наприклад, ізометричні нуклеокапсиди вірусу герпеса формуються в ядрах і надалі транспортуються в цитоплазму шляхом брунькувания через ядерну мембрану. Після цього віріони транспортуються до апарата Гольджі, проходячи через мембрану ендоплазматичної сітки й захоплюючи її, як це було при проходженні через ядерну мембрану. Тому позаклітинний вірус має дві оболонки, одна з яких формується з ядерної, друга — із цитоплазматичної мембрани.

Формування РНК віріонів параміксовірусів відбувається в цитоплазмі, де вони накопичуються у вигляді тяжів і потім транспортуються до плазматичної мембрани. У цей час плазматична мембрана клітини вже модифікована, тому що в неї вбудовані із зовнішньої сторони вірусні глікопротеїди, а із внутрішньої сторони — матриксний білок. При наближенні до таких модифікованих ділянок плазматичної мембрани рибонуклеопротеїдні тяжі звиваються в щільно впаковані клубки й, проходячи через плазматичну мембрану, покриваються нею, здобуваючи таким шляхом зовнішню оболонку. Цей тип формування віріонів називається брунькуванням. Брунькування може відбуватися й у внутрішньоклітинній вакуолі.

Морфогенез вірусу віспи ще більш складний. У цитоплазмі утворюються складні матрикси, у яких відбувається синтез численних вірусоспецифічних структур. Тут же відбувається й формування віріонів, які спочатку представляють пухирчасті утворення, і лише пізніше з них формуються зрілі віріони. Вихід вірусних часток із клітини здійснюється або шляхом брунькування через мембрани у внутрішньоклітинні вакуолі, або при руйнуванні клітини.

Біофізичні властивості вірусів

Біофізичні властивості вірусів характеризуються багатьма показниками — седиментацією, щільністю, в'язкістю вірусних суспензій, дифузійними властивостями. Усі ці характеристики відносяться також до субвірусних компонентів. Найбільш важливими біофізичними характеристиками вірусів є седиментаційні й щільнісні властивості. Вони найчастіше виміряються при дослідженні вірусів.

Різні групи вірусів мають неоднакову стійкість у зовнішньому середовищі. Найменш стійкими є віруси, що мають ліпопротеїдні оболонки, найбільш стійкими — ізометричні віруси. Так, наприклад, ортоміксовіруси й параміксовіруси інактивуються на поверхнях протягом декількох годин, тоді як віруси поліомієліту, аденовіруси, реовіруси зберігають інфекційну активність протягом декількох днів.

Однак із цього загального правила є й виключення. Так, вірус віспи стійкий до висихання й зберігається в екскрементах протягом багатьох тижнів і місяців. Вірус гепатиту В стійкий до дії несприятливих зовнішніх факторів і зберігає свою активність у сироватці навіть при короткочасному кип'ятінні.

Чутливість вірусів до ультрафіолетового й рентгенівського опромінення залежить переважно від розмірів їх генома. Тому, наприклад, вірус осповакцини інактивується при рентгенівськім опроміненні близько 5∙104 рад, у той час як дрібний вірус папіломи для інактивації вимагає опромінення 4∙105 рад.

Чутливість вірусів до інактивації формальдегідом і іншими хімічними речовинами, що інактивують генетичний матеріал, залежить від багатьох умов, серед яких слід назвати щільність упаковки нуклеїнової кислоти в білковий футляр, розміри генома, наявність або відсутність зовнішніх оболонок і т.п. Віруси, що мають ліпопротеїдні оболонки, чутливі до ефіру, хлороформу й детергентам, у той час як просто влаштовані ізометричні й паличкоподібні віруси стійкі до їхньої дії.

Нарешті, важливою особливістю вірусів є чутливість до рН. Є віруси, стійкі до кислих значень рН (2,2—3,0), наприклад віруси, що викликають кишкові інфекції й проникають в організм аліментарним шляхом. Однак більшість вірусів інактивується при кислих і лужних значеннях рН.