Тема 4. Хімічний склад вірусів.

Просто організовані віруси являють собою нуклеопротеїди або нуклеокапсиди й складаються з нуклеїнової кислоти (РНК або ДНК) і декількох білків, що кодуються нею та формують вірусну оболонку навколо нуклеїнової кислоти — капсид.

Складно організовані віруси містять додаткові оболонки, білкові або ліпопротеїдні, і мають більш складний хімічний склад. Крім нуклеїнової кислоти й білків, вони містять ліпіди в зовнішніх оболонках і вуглеводи в складі білків зовнішніх оболонок (глікопротеїдів). Звичайно ліпіди й вуглеводи мають клітинне походження. У складі деяких вірусів виявляються також клітинні нуклеїнові кислоти й білки.

Нуклеїнові кислоти

Клітини всіх живих організмів містять два види нуклеїнової кислоти — ДНК і РНК. ДНК являє собою двонитчату молекулу, а РНК — однонитчату. Двонитчата ДНК — це клітинний геном, що виконує функції зберігання й реплікації спадкоємної інформації. Однонитчата РНК представлена 3 класами молекул: 1) інформаційні РНК (іРНК) транскрипції, що утворюються в результаті транскрипції генома й передають закладену в геномі інформацію на білоксинтезуючий апарат клітини; 2) рРНК, що є структурним елементом рибосоми; 3) тРНК, що поставляють амінокислоти до білоксинтезуючого апарату.

На відміну від клітин віруси містять лише один вид нуклеїнової кислоти — або РНК, або ДНК. І та, і інша може бути зберігачем спадкоємної інформації, виконуючи таким чином функції генома.

Вірусні нуклеїнові кислоти характеризуються різноманітністю форм. Вірусний геном може бути представлений як однонитковими, так і двонитковими молекулами РНК і ДНК. ДНК може бути як лінійною, так і кільцевою молекулою, РНК — як безперервною, так і фрагментованою і кільцевою молекулою.

Молекулярна маса вірусних ДНК варіює в широких межах від 10⁶ до 250∙10⁶. Найбільші вірусні геноми містять кілька сотень генів, а найменші містять інформацію, достатню для синтезу лише декількох білків.

У геномах, представлених двонитковими ДНК, інформація звичайно закодована на обох нитках ДНК. Це свідчить про максимальну економію генетичного матеріалу у вірусів, що є невід'ємною властивістю їх як генетичних паразитів. У зв'язку із цим оцінка генетичної інформації не може бути проведена за молекулярною масою молекул.

Хоча в основному структура ДНК унікальна, тобто більшість нуклеотидних послідовностей зустрічаються лише по одному разу, однак на кінцях молекул є повтори, коли в кінцевому фрагменті лінійної ДНК повторюється її початкова ділянка. Повтори можуть бути прямими й інвертованими.

Здатність набувати кільцевої форми, яка потенційно закладена в кінцевих прямих і інвертованих повторах, має велике значення для вірусів. Кільцева форма забезпечує стійкість ДНК до екзонуклеаз. Стадія утворення кільцевої форми обов'язкова для процесу інтеграції ДНК із клітинним геномом. Нарешті, кільцеві форми являють собою зручний і ефективний спосіб регуляції транскрипції й реплікації ДНК.

У складі віріонів, що містять однонитчату ДНК, звичайно містяться молекули ДНК однієї полярності. Виключення становлять аденоасоційовані віруси, віріони яких містять ДНК або однієї полярності (умовно називаної «плюс»), або ДНК із протилежним знаком (умовно — «мінус»). Тому тотальний препарат вірусу складається із двох типів часток, що містять по одній молекулі «плюс»- або «мінус»-ДНК.

Інфекційний процес при зараженні цими вірусами виникає лише при проникненні в клітину часток обох типів.

Вірусні РНК

З декількох сотень відомих у цей час вірусів людину й тварин РНК-геном містить близько 80% вірусів. Здатність РНК зберігати спадкоємну інформацію є унікальною особливістю вірусу.

У просто організованих і деяких складно організованих вірусів вірусна РНК під час відсутності білка може викликати інфекційний процес. Уперше інфекційна активність РНК вірусу тютюнової мозаїки була продемонстрована X. Френкель-Конратом і співавт. в 1957 р. і А. Гирером і Г. Шраммом в 1958 р. Згодом положення про інфекційну активність РНК було перенесено на всі РНК- вмісні віруси, однак зусилля довести це для таких вірусів, як віруси грипу, параміксовірусів, рабдовірусів ( так званих мінус-ниткових вірусів), виявилися безплідними: у цих вірусів інфекційною структурою є не РНК, а комплекс РНК із внутрішніми білками. Таким чином, геномна РНК може мати інфекційну активність залежно від своєї структури.

Структура вірусних РНК надзвичайно різноманітна. У вірусів виявлені однониткові й двониткові, лінійні, фрагментовані й кільцеві РНК. РНК-геном в більшості випадків є гаплоїдним, але геном ретровірусів — диплоїдний, тобто складається із двох ідентичних молекул РНК.

Однониткові РНК. Молекули однонитчатих вірусних РНК існують у формі одиночного полінуклеотидного ланцюга зі спіралізованими ДНК-подібними ділянками. При цьому некомплементарні нуклеотиди, що розділяють комплементарні ділянки, можуть виводитися зі складу спіралізованих ділянок у формі різних «петель» і «виступів». Сумарний відсоток спіралізації вірусних РНК не виявляє яких-небудь особливостей у порівнянні з такими в клітинних РНК.

Віруси, що містять однониткові РНК, діляться на дві групи. У вірусів першої групи вірусний геном має функції інформаційної РНК, тобто може безпосередньо переносити закодовану в ньому інформацію на рибосоми. За пропозицією Д. Балтімора (1971), РНК із властивостями інформаційної умовно позначена «плюс» і у зв'язку із цим віруси, що містять такі РНК (пікорнавіруси, тогавіруси, коронавіруси, ретровіруси), позначені як « плюс-ниткові» віруси, або віруси з позитивним геномом.

Друга група РНК-вмісних вірусів містить геном у вигляді однонитчатої РНК, яка сама не має функції іРНК. У цьому випадку функцію іРНК виконує РНК, комплементарна геному. Синтез цієї РНК (транскрипція) здійснюється в зараженій клітині на матриці геномної РНК за допомогою вірусспецифичного ферменту — транскриптази. У складі «мінус-ниткових» вірусів обов'язкова присутність власного ферменту, що здійснює транскрипцію геномної РНК і синтез іРНК, тому що аналога такого ферменту в клітинах немає. Геном цих вірусів умовно позначають як «мінус»-РНК, а віруси цієї групи як «минус-ниткові» віруси, або віруси з негативним геномом. До цих вірусів відносяться ортоміксовіруси, параміксовіруси, буньявіруси, рабдовіруси. РНК цих вірусів не здатна викликати інфекційний процес.

Відповідно до різних властивостей вірусних РНК між двома групами вірусів є й структурні відмінності. Оскільки РНК « плюс-ниткових» вірусів виконує функцію іРНК, вона має специфічні структурні особливості, характерні для 5'- і З'- кінців цих РНК.

5'-кінець клітинних і вірусних РНК звичайно має структуру так званої шапочки (по-англійському «сар»): являє собою 7-метилгуанін, приєднаний пірофосфатним зв'язком до гуанілового нуклеотида, цукровий залишок якого також метильован по другому вуглецевому атому. На 3'-кінці інформаційних РНК є полі (А), кількість яких досягає 200 і вище. Ці модифікації кінців іРНК, здійснювані після синтезу полінуклеотидного ланцюга, мають істотне значення для функції іРНК: «шапочка» потрібна для специфічного розпізнавання іРНК рибосомами, функції полі (А) менш точно визначені й, очевидно, полягають у додаванні стабільності молекулам іРНК.

Такі ж модифіковані кінці мають геномні РНК « плюс-ниткових» вірусів. Виключення представляє 5'-кінець геномної РНК вірусу поліомієліту, яка не містить «шапочку», і замість неї має на 5'-кінці ковалентно приєднаний до залишку урацила низькомолекулярний термінальний білок. Геномні РНК «мінус-ниткових» вірусів не мають ні «шапочки», ні полі (А); модифіковані кінці характерні для іРНК цих вірусів, що синтезуються в клітині на матриці віріонної РНК і комплементарних їй. Геномна РНК ретровірусів, хоча і є «плюс-нитьовою», однак не містить «шапочку»; цю структуру містить гомологична РНК, синтезована на матриці інтегрованої провірусної ДНК.

Існують віруси, що містять як « плюс-ниткові», так і «мінус-ниткові» РНК гени (амбісенс-віруси). До них відносяться аренавіруси.

В більшості випадків однониткові РНК є лінійними молекулами, однак РНК-фрагменти буньявірусів виявлені у вигляді кільцевої форми. Кільцева форма виникає за рахунок утворення водневих зв'язків між кінцями молекул.

Двониткові РНК. Цей незвичайний для клітини тип нуклеїнової кислоти, вперше виявлений у реовірусів, широко розповсюджений серед вірусів тварин, рослин і бактерій. Віруси, що містять подібний геном, називають диплорнавіруси.

Загальною особливістю диплорнавірусів є фрагментований стан генома. Так, геном реовірусів складається з 10 фрагментів, ротавірусів — з 11 фрагментів.

Розміри РНК ряду вірусів тварин наведені в табл. 4. Як можна побачити, молекулярна маса РНК варіює в широких межах.

Білки

У зараженій клітині вірусний геном кодує синтез двох груп білків: 1) структурних, які входять до складу вірусних часток потомства, і 2) неструктурних, які обслуговують процес внутрішньоклітинної репродукції вірусу на різних його етапах, але до складу вірусних часток не входять.

Структурні білки. Кількість структурних білків у складі вірусної частки варіює в широких межах залежно від складності організації віріона. Найбільш просто організований вірус тютюнової мозаїки містить усього один невеликий білок з молекулярною масою 17—18∙103, деякі фаги містять 2—3 білка, просто організовані віруси тварин — 3—4 білка. Складно влаштовані віруси, такі як віруси віспи, містять більш 30 структурних білків.

Структурні білки діляться на 2 групи:

1) капсидні білки, що утворюють капсид, тобто футляр для нуклеїнової кислоти вірусу, та входять до складу капсида геномні білки, і ферменти;

2) суперкапсидні білки, що входять до складу суперкапсида, тобто зовнішньої вірусної оболонки.

Оскільки суперкапсид називають також «пеплос», ці білки називають пепломерами.

Просто організовані віруси, що представляють собою нуклеокапсид, містять тільки капсидні білки. Складно організовані віруси містять капсидні й суперкапсидні білки.

Капсидні білки. Первісне уявлення про те, що капсидні білки є всього лише інертною оболонкою для вірусної нуклеїнової кислоти, склалося на підставі вивчення найбільш просто організованого вірусу тютюнової мозаїки, частка якого складається з однієї молекули РНК і одного типу білка, що утворює чохол для РНК. Однак таке уявлення неправильне. Хоча основною функцією капсидних білків є функція захисту вірусного генома від негативних впливів зовнішнього середовища, у багатьох вірусів у складі капсида є білки й з іншими функціями. Тому термін «капсид» далеко виходить за межі уявлення про нього як про футляр або чохол для вірусної нуклеїнової кислоти.

У складі капсида деяких вірусів (пикорнавіруси, паповавіруси, аденовіруси) містяться білки, ковалентно пов'язані з вірусним геномом (геномні білки). Ці білки є термінальними, тобто з'єднаними з кінцем вірусної нуклеїнової кислоти. Функції їх нерозривно пов'язані з функціями генома і їх регуляцією.

У ряді складно організованих вірусів у складі капсида є ферменти, що здійснюють транскрипцію й реплікацію вірусного генома — РНК і ДНК (РНК- та ДНК-полимерази), а також ферменти, що модифікують кінці іРНК. Якщо ферменти й геномні білки представлені одиничними молекулами, то капсидні білки представлені множинними молекулами. Ці білки й формують капсидну оболонку, в яку у складно організованих вірусів вставлені молекули білків з іншими функціями.

Основним принципом будови капсидної оболонки вірусів є принцип субодиничности, тобто побудова капсидної оболонки із субодиниць-капсомерів, утворених ідентичними поліпептидними ланцюгами. Правильно побудовані білкові субодиниці — капсомери виникають завдяки здатності вірусних капсидних білків до самозборки. Самозборка пояснюється тим, що впорядкована структура — капсид має найменшу вільну енергію в порівнянні з неупорядкованими білковими молекулами. Зборка капсидної оболонки із субодиниць запрограмована в первинній структурі білка й відбувається мимовільно або при взаємодії з нуклеїновою кислотою.

Принцип субодиничності в будові вірусного капсида є універсальною властивістю капсидних білків і має величезне значення для вірусів. Завдяки цій властивості досягається величезна економія генетичного матеріалу. Якби капсидна оболонка була побудована з різних білків, то на кодування її потрібна була б основна частина генетичної інформації, закладеної у вірусному геномі. У дійсності на кодування, наприклад, одного поліпептидного ланцюга вірусу тютюнової мозаїки, витрачається менш 10% генома. Далі, у механізмі самозборки закладена можливість контролю над повноцінністю вірусних поліпептидів: дефектні й чужорідні поліпептидні ланцюги при такому способі зборки віріонів будуть автоматично відкидатися.

Описана здатність до зборки в пробірці й у зараженій клітині характерна тільки для простих вірусів. Зборка складно організованих вірусів є набагато більш складним багатоступінчастим процесом, хоча окремі її етапи, наприклад формування капсидів і нуклеокапсидів, також засновані на самозборці.

Суперкапсидні білки. Глікопротеїди. Суперкапсидні білки, або пепломери, розташовуються в ліпопротеїдній оболонці (суперкапсиді або пеплосі) складно влаштованих вірусів. Вони або пронизують наскрізь ліпідний бішар як, наприклад, глікопротеїди альфа-вірусів (вірусу лісу Семлікі), або не доходять до внутрішньої поверхні. Ці білки є типовими внутрішньомембранними білками й мають багато загального із клітинними мембранними білками. Як і останні, суперкапсидні білки звичайно глікозильовані. Вуглеводні ланцюжки прикріплені до молекули поліпептиду в певних ділянках. Глікозилювання здійснюють клітинні ферменти, тому той самий вірус, що продукується різними видами клітин, може мати різні вуглеводні залишки: може варіювати як склад вуглеводів, так і довжина вуглеводного ланцюжка й місце прикріплення її до поліпептидного кістяка.

У більшості вірусів глікопротеїди формують «шипи» на поверхні вірусної частки, довжина яких досягає 7—10 нм. Шипи являють собою морфологічні субодиниці, побудовані з декількох молекул того самого білка. Віруси грипу мають два типи шипів, побудованих відповідно з гемаглютиніна та нейрамінідази. Параміксовіруси також мають два типи шипів, побудованих відповідно із двох глікопротеїдів (НІ й Р), рабдовіруси мають тільки один глікопротеїд і, відповідно, один тип шипів, а альфа-віруси мають два або три глікопротеїда, що формують один тип шипів.

Глікопротеїди є амфіпатичними молекулами: вони складаються із зовнішньої, гідрофільної частини, яка містить на кінці аміногрупу, і зануреної в ліпідний бішар, та гідрофобної частини, яка містить на зануреному кінці гідроксильну групу (С-кінець). С-кінцем поліпептид «заякорюється» у ліпідному бішарі. Є, однак, і виключення із цього загального положення: нейрамінідаза вірусу грипу взаємодіє з ліпідним бішаром не С-, а N-кінцем.

Основною функцією глікопротеїдів є взаємодія зі специфічними рецепторами клітинної поверхні. Завдяки цим білкам здійснюється розпізнавання специфічних клітинних рецепторів і прикріплення до них вірусної частки, тобто адсорбція вірусу на клітині. Тому глікопротеїди, що виконують цю функцію, називають вірусними прикріпними білками.

Іншою функцією глікопротеїдів є участь у злитті вірусної й клітинної мембран, тобто в події, що веде до проникнення вірусних часток у клітину. Вірусні білки злиття відповідальні за такі процеси, як гемоліз і злиття плазматичних мембран сусідніх клітин, що призводить до утворення гігантських клітин, синцитіїв і симпластів.

«Адресна функція» вірусних білків. Віруси викликають інфекційний процес у відносно невеликого кола хазяїв. Вірус повинен «впізнати» чутливу клітину, яка зможе забезпечити продукцію повноцінного вірусного потомства. Якби вірус проникав у будь-яку клітину, яка зустрілася на його шляху, це привело б до зникнення вірусів у результаті деструкції «батьківської» вірусної частки й відсутності вірусного потомства. У процесі еволюції у вірусів вироблялася так звана адресна функція, тобто пошук чутливого хазяїна серед нескінченного числа нечутливих клітин. Ця функція реалізується шляхом наявності спеціальних білків на поверхні вірусної частки, які впізнають специфічний рецептор на поверхні чутливої клітини.

Неструктурні білки. Неструктурні білки вивчені набагато гірше, ніж структурні, оскільки їх виділяють не з очищених препаратів вірусів, а із заражених клітин, і виникають труднощі в їхній ідентифікації й очищенні від клітинних білків.

До неструктурних білків відносяться: 1) попередники вірусних білків, які відрізняються від інших неструктурних білків нестабільністю в зараженій клітині в результаті швидкого нарізування на структурні білки; 2) ферменти синтезу РНК і ДНК (РНК- і ДНК-полімерази), що забезпечують транскрипцію й реплікацію вірусного генома; 3) білки-регулятори; 4) ферменти, що модифікують вірусні білки, наприклад протеїнази й протеїнкінази.

Однак багато неструктурних білків при ряді вірусних інфекцій ще не ідентифіковані й функції їх не визначені.

Ліпіди

Ліпіди виявлені в складно організованих вірусів і в основному перебувають у складі ліпопротеїдної оболонки (суперкапсида), формуючи її ліпідний бішар, у який вставлені суперкапсидні білки.

Усі складно організовані РНК-вмісні віруси мають у своєму складі значну кількість ліпідів ( від 15 до 35% від сухої ваги). Із ДНК-вмісних вірусів ліпіди містять віруси віспи, герпеса й гепатиту В (табл. 5). Приблизно 50—60% ліпідів у складі вірусів представлені фосфоліпідами, 20—30% становить холестерин. Ліпідний компонент стабілізує структуру вірусної частки. Екстракція ліпідів органічними розчинниками, обробка вірусної частки детергентами або ліпазами приводить до деградації вірусної частки й втрати інфекційної активності.

Віруси, що містять ліпопротеїдну мембрану, формуються шляхом брунькування на плазматичній мембрані клітин (або на мембранах ендоплазматичної сітки з виходом у внутрішньоклітинні вакуолі). Тому ліпопротеїдна оболонка цих вірусів являє собою мембрану клітини хазяїна, модифіковану за рахунок наявності на її зовнішній поверхні вірусних суперкапсидних білків. Із цього випливає, що склад ліпідів, вірусів, які брунькуються, близький до складу ліпідів клітини-хазяїна. До вірусів, що брунькуються, відносяться великі РНК-вмісні віруси: ортоміксовіруси, параміксовіруси, рабдовіруси, тогавіруси, ретровіруси, буньявіруси, аренавіруси, коронавіруси. У зв'язку із клітинним походженням ліпідів загальний склад ліпідної фракції й зміст її окремих компонентів у того самого вірусу можуть суттєво різнитися залежно від клітини хазяїна, де відбувалася репродукція вірусу. Навпаки, якщо різні віруси, що брунькуються, репродукувалися в тих самих клітинах, їх ліпіди виявляються більш-менш подібними.

У вірусів віспи й гепатиту В ліпіди мають інше походження, тому що ці віруси не брунькуються крізь плазматичну мембрану. У вірусів віспи ліпіди не утворюють диференційованої оболонки. Обробка вірусу осповакцини ефіром не приводить до втрати інфекційної активності або яким-небудь структурним змінам віріона. Ліпіди вірусу гепатиту В и його НВ-Антигену утворюються шляхом інвагінації мембран ендоплазматичної сітки. Вірус герпеса формується шляхом брунькування крізь ядерну оболонку, тому в його складі є ліпіди ядерної оболонки.

Вуглеводи

Вуглеводний компонент вірусів знаходиться в складі глікопротеїдов. Кількість цукрів у складі глікопротеїдов може бути досить великим, досягаючи 10—13% від маси віріона. Хімічна специфічність їх повністю визначається клітинними ферментами, що забезпечують перенос і приєднання відповідних цукрових залишків. Звичайними цукровими залишками, що виявляються у вірусних білках, є фруктоза, сахароза, маноза, галактоза, нейрамінова кислота, глюкозамін. Таким чином, подібно ліпідам, вуглеводний компонент визначається клітиною-хазяїном, завдяки чому той самий вірус, вирощений у клітинах різних видів, може значно різнитися за складом цукрів залежно від специфічності клітинних глікозілтрансфераз.

Вуглеводний компонент глікопротеїдів відіграє істотну роль у структурі й функції білка. Він є каркасом для локальних ділянок глікопротеїда, забезпечуючи збереження конформації білкової молекули, і обумовлює захист молекули від протеаз. Можливі й інші функції вуглеводів, які поки вірогідно не встановлені.

Компоненти клітини-хазяїна

У складі віріонів можуть перебувати компоненти клітини-хазяїна. До таких компонентів можуть відноситися білки й навіть цілі клітинні структури. Так, наприклад, у складі ряду оболонкових вірусів може перебувати білок цитоскелета актин, у складі паповавірусів містяться клітинні гістони. Ряд вірусів містить клітинні ферменти, наприклад протеїнкінази. У складі аренавірусів виявлені рибосоми.

Клітинні компоненти можуть включатися у віріон випадково або закономірно. У деяких випадках вони відіграють істотну роль у репродукції вірусу, як, наприклад, гістони в репродукції паповавірусів.

Модуль 2.

Змістовний модуль І. Взаємодія вірусів з клітинами.