Панелями
Морфологическая структура вирусов. Морфология вирусов

Морфологическая структура вирусов. Морфология вирусов

Морфологию и структуру вирусов изучают с помощью электронного микроскопа, так как их размеры малы и сравнимы с толщиной оболочки бактерий. Форма вирионов может быть различной: палочковидной (вирус табачной мозаики), пулевидной (вирус бешенства), сферической (вирусы полиомиелита, ВИЧ), в виде сперматозоида (многие бактериофаги).

Размеры вирусов определяют с помощью электронной микроскопии, методом ультрафильтрации через фильтры с известным диаметром пор, методом ультрацентрифугирования. Одним из самых мелких вирусов является вирус полиомиелита (около 20 нм), наиболее крупным – натуральной оспы (около 350 нм).

Различают просто устроенные (например, вирус полиомиелита) и сложно устроенные (например, вирусы гриппа, кори) вирусы. У просто устроенных вирусов нуклеиновая кислота связана с белковой оболочкой, называемой капсидом (от лат. capsa – футляр). Капсид состоит из повторяющихся морфологических субъединиц – капсомеров. Нуклеиновая кислота и капсид, взаимодействуя друг с другом, образуют нуклеокапсид. У сложно устроенных вирусов капсид окружен дополнительной липопротеидной оболочкой – суперкапсидом (производное мембранных структур клетки-хозяина), имеющей «шипы». Для вирионов характерен спиральный, кубический и сложный тип симметрии капсида. Спиральный тип симметрии обусловлен винтообразной структурой нуклеокапсида, кубический тип симметрии – образованием изометрически полого тела из капсида, содержащего вирусную нуклеиновую кислоту.

Капсид и суперкапсид защищают вирионы от влияния окружающей среды, обусловливают избирательное взаимодействие (адсорбцию) с клетками, определяют антигенные и иммуногенные свойства вирионов. Внутренние структуры вирусов называются сердцевиной.В вирусологии используют следующие таксономические категории: семейство (название оканчивается на viridae), подсемейство (название оканчивается на virinae), род (название оканчивается на virus).

Однако названия родов и особенно подсемейств сформулированы не для всех вирусов. Вид вируса биноминального названия, как у бактерий, не получил.

В основу классификации вирусов положены следующие категории:

§ тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), ее структура, количество нитей (одна или две),

§ особенности воспроизводства вирусного генома;

§ размер и морфология вирионов, количество капсомеров и тип симметрии;

§ наличие суперкапсида;

§ чувствительность к эфиру и дезоксихолату;

§ место размножения в клетке;

§ антигенные свойства и пр.

Вирусы поражают позвоночных и беспозвоночных животных, а также растения и бактерии. Являясь основными возбудителями инфекционных заболеваний человека, вирусы также участвуют в процессах канцерогенеза, могут передаваться различными путями, в том числе через плаценту (вирус краснухи, цитомегаловирус и др.), поражая плод человека. Они могут приводить к постинфекционным осложнениям – развитию миокардитов, панкреатитов, иммунодефицитов и др.

Кроме обычных вирусов, известны и так называемые неканонические вирусы – прионы – белковые инфекционные частицы, являющиеся агентами белковой природы, имеющие вид фибрилл размером 10.20x100.200 нм. Прионы, по-видимому, являются одновременно индукторами и продуктами автономного гена человека или животного и вызывают у них энцефалопатии в условиях медленной вирусной инфекции (болезни Крейтц-фельдта.Якоба, куру и др.). Другими необычными агентами, близкими к вирусам, являются вироиды – небольшие молекулы кольцевой, суперспирализованной РНК, не содержащие белка, вызывающие заболевания у растений.

Глава 3

ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Физиология микроорганизмов изучает жизнедеятельность микробных клеток, процессы их питания, дыхания, роста, размножения, закономерности взаимодействия с окружающей средой.

Предметом изучения медицинской микробиологии является физиология патогенных и условно-патогенных микроорганизмов, способных вызывать заболевания человека. Выяснение физиологии этих микроорганизмов важно для постановки микробиологического диагноза, понимания патогенеза, проведения лечения и профилактики инфекционных заболеваний, регуляции взаимоотношений человека с окружающей средой и т.д.

Химический состав бактерий

В состав микроорганизмов входят вода, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды, минеральные вещества.

Вода – основной компонент бактериальной клетки, составляющий около 80 % ее массы. Она находится в свободном или связанном состоянии со структурными элементами клетки. В спорах количество воды уменьшается до 18.20 %. Вода является растворителем для многих веществ, а также выполняет механическую роль в обеспечении тургора. При плазмолизе – потере клеткой воды в гипертоническом растворе – происходит отслоение протоплазмы от клеточной оболочки. Удаление воды из клетки, высушивание приостанавливают процессы метаболизма. Большинство микроорганизмов хорошо переносят высушивание. При недостатке воды микроорганизмы не размножаются. Высушивание в вакууме из замороженного состояния (лиофилизация) прекращает размножение и способствует длительному сохранению микробных особей.

Белки (40.80 % сухой массы) определяют важнейшие биологические свойства бактерий и состоят обычно из сочетаний 20 аминокислот. В состав бактерий входит диаминопимелиновая кислота (ДАП), отсутствующая в клетках человека и животных. Бактерии содержат более 2000 различных белков, находящихся в структурных компонентах и участвующих в процессах метаболизма. Большая часть белков обладает ферментативной активностью. Белки бактериальной клетки обусловливают антигенность и иммуногенность, вирулентность, видовую принадлежность бактерий.

Нуклеиновые кислоты бактерий выполняют функции, аналогичные нуклеиновым кислотам эукариотических клеток: молекула ДНК в виде хромосомы отвечает за наследственность, рибонуклеиновые кислоты (информационная, или матричная, транспортная и рибосомная) участвуют в биосинтезе белка.

Бактерии можно характеризовать (таксономически) по содержанию суммы гуанина и цитозина (ГЦ) в молярных процентах (М%) от общего количества оснований ДНК. Более точной характеристикой микроорганизмов является гибридизация их ДНК. Основа метода гибридизации

ДНК – способность денатурированной (однонитчатой) ДНК ренатурироваться, т.е. соединяться с комплементарной нитью ДНК и образовывать двухцепочечную молекулу ДНК.

Углеводы бактерий представлены простыми веществами (моно- и дисахариды) и комплексными соединениями. Полисахариды часто входят в состав капсул. Некоторые внутриклеточные полисахариды (крахмал, гликоген и др.) являются запасными питательными веществами.

Липиды в основном входят в состав цитоплазматической мембраны и ее производных, а также клеточной стенки бактерий, например наружной мембраны, где, кроме биомолекулярного слоя липидов, имеется ЛПС. Липиды могут выполнять в цитоплазме роль запасных питательных веществ. Липиды бактерий представлены фосфолипидами, жирными кислотами и глицеридами. Наибольшее количество липидов (до 40 %) содержат микобактерии туберкулеза.

Минеральные вещества бактерий обнаруживают в золе после сжигания клеток. В большом количестве выявляются фосфор, калий, натрий, сера, железо, кальций, магний, а также микроэлементы (цинк, медь, кобальт, барий, марганец и др.).Они участвуют в регуляции осмотического давления, рН среды, окислительно-восстановительного потенциала, активируют ферменты, входят в состав ферментов, витаминов и структурных компонентов микробной клетки.

Питание бактерий

Особенности питания бактериальной клетки состоят в поступлении питательных субстратов внутрь через всю ее поверхность, а также в высокой скорости процессов метаболизма и адаптации к меняющимся условиям окружающей среды.

Типы питания . Широкому распространению бактерий способствует разнообразие типов питания. Микроорганизмы нуждаются в углеводе, азоте, сере, фосфоре, калии и других элементах. В зависимости от источников углерода для питания бактерии делятся на аутотрофы (от греч. autos – сам, trophe – пища), использующие для построения своих клеток диоксид углерода СО 2 и другие неорганические соединения, и гетеротрофы (от греч. heteros – другой, trophe – пища), питающиеся за счет готовых органических соединений. Аутотрофными бактериями являются нитрифицирующие бактерии, находящиеся в почве; серобактерии, обитающие в воде с сероводородом; железобактерии, живущие в воде с закисным железом, и др.

В зависимости от окисляемого субстрата, называемого донором электронов или водорода, микроорганизмы делят на две группы. Микроорганизмы, использующие в качестве доноров водорода неорганические соединения, называют литотрофны-ми (от греч. lithos – камень), а микроорганизмы, использующие в качестве доноров водорода органические соединения, – органотрофами.

Учитывая источник энергии, среди бактерий различают фототрофы, т.е. фотосинтезирующие (например, сине-зеленые водоросли, использующие энергию света), и хемотрофы, нуждающиеся в химических источниках энергии.

Факторы роста . Микроорганизмам для роста на питательных средах необходимы определенные дополнительные компоненты, которые получили название факторов роста. Факторы роста – необходимые для микроорганизмов соединения, которые они сами синтезировать не могут, поэтому их необходимо добавлят в питательные среды. Среди факторов роста различают: аминокислоты, необходимые для построения белков; пурины и пиримидины, которые требуются для образования нуклеиновых кис лот; витамины, входящие в состав некоторых ферментов. Для обозначения отношения микроорганизмов к факторам роста используют термины «ауксотрофы» и «прототрофы». Ауксотрофы нуждаются в одном или нескольких факторах роста, прототрофы могут сами синтезировать необходимые для роста соединения. Они способны синтезировать компоненты из глюкозы и солей аммония.

Механизмы питания. Поступление различных веществ в бактериальную клетку зависит от величины и растворимости их молекул в липидах или воде, рН среды, концентрации веществ, различных факторов проницаемости мембран и др. Клеточная стенка пропускает небольшие молекулы и ионы, задерживая макромолекулы массой более 600 Д. Основным регулятором поступления веществ в клетку является цитоплазматическая мембрана. Условно можно выделить четыре механизма проникновения питательных веществ в бактериальную клетку: это простая диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт, транслокация групп. Наиболее простой механизм поступления веществ в клетку – простая диффузия, при которой перемещение веществ происходит вследствие разницы их концентрации по обе стороны цитоплазматической мембраны. Вещества проходят через липид-ную часть цитоплазматической мембраны (органические молекулы, лекарственные препараты) и реже по заполненным водой каналам в цитоплазматической мембране. Пассивная диффузия осуществляется без затраты энергии.

Облегченная диффузия происходит также в результате разницы концентрации веществ по обе стороны цитоплазматической мембраны. Однако этот процесс осуществляется с помощью молекул-переносчиков, локализующихся в цитоплазматической мембране и обладающих специфичностью. Каждый переносчик транспортирует через мембрану соответствующее вещество или передает другому компоненту цитоплазматической мембраны – собственно переносчику.

Белками-переносчиками могут быть пермеазы, место синтеза которых – цитоплазматическая мембрана. Облегченная диффузия протекает без затраты энергии, вещества перемещаются от более высокой концентрации к более низкой.

Активный транспорт происходит с помощью пермеаз и направлен на перенос веществ от меньшей концентрации в сторону большей, т.е. как бы против течения, поэтому данный процесс сопровождается затратой метаболической энергии (АТФ), образующейся в результате окислительно-восстановительных реакций в клетке.

Перенос (транслокация) групп сходен с активным транспортом, отличаясь тем, что переносимая молекула видоизменяется в процессе переноса, например фосфорилируется. Выход веществ из клетки осуществляется за счет диффузии и при участии транспортных систем-ферменты бактерий. Ферменты распознают соответствующие им метаболиты (субстраты), вступают с ними во взаимодействие и ускоряют химические реакции. Ферменты являются белками, участвуют в процессах анаболизма (синтеза) и катаболизма (распада), т.е. метаболизма. Многие ферменты взаимосвязаны со структурами микробной клетки. Например, в цитоплазматической мембране имеются окислительно-восстановительные ферменты, участвующие в дыхании и делении клетки; ферменты, обеспечивающие питание клетки, и др. Окислительно-восстановительные ферменты цитоплазматической мембраны и ее производных обеспечивают энергией интенсивные процессы биосинтеза различных структур, в том числе клеточной стенки. Ферменты, связанные с делением и аутолизом клетки, обнаруживаются в клеточной стенке. Так называемые эндоферменты катализируют метаболизм, проходящий внутри клетки.

Экзоферменты выделяются клеткой в окружающую среду, расщепляя макромолекулы питательных субстратов до простых соединений, усваиваемых клеткой в качестве источников энергии, углерода и др. Некоторые экзоферменты (пенициллиназа и др.) инактивируют антибиотики, выполняя защитную функцию.

Различают конститутивные и индуцибельные ферменты. К конститутивным ферментам относят ферменты, которые синтезируются клеткой непрерывно, вне зависимости от наличия субстратов в питательной среде. Индуцибельные (адаптивные) ферменты синтезируются бактериальной клеткой только при наличии в среде субстрата данного фермента. Например, р-галактозидаза кишечной палочкой на среде с глюкозой практически не образуется, но её синтез резко увеличивается при выращивании на среде с лактозой или другим р-галактозидозом.

Некоторые ферменты (так называемые ферменты агрессии) разрушают ткань и клетки, обусловливая широкое распространение в инфицированной ткани микроорганизмов и их токсинов. К таким ферментам относят гиалуронидазу, коллаге-назу, дезоксирибонуклеазу, нейраминидазу, лецитовителлазу и др. Так, гиалуронидаза стрептококков, расщепляя гиалуроновую кислоту соединительной ткани, способствует распространению стрептококков и их токсинов.

Известно более 2000 ферментов. Они объединены в шесть классов: оксидоредуктазы – окислительно-восстановительные ферменты (к ним относят дегидрогеназы, оксидазы и др.); трансферазы, переносящие отдельные радикалы и атомы от одних соединений к другим; гидролазы, ускоряющие реакции гидролиза, т.е. расщепления веществ на более простые с присоединением молекул воды (эстеразы, фосфатазы, глкжозидазы и др.); лиазы, отщепляющие от субстратов химические группы негидролитическим путем (карбоксилазы и др.); изомеразы, превращающие органические соединения в их изомеры (фосфогексои-зомераза и др.); лигазы, или синтетазы, ускоряющие синтез сложных соединений из более простых (аспарагинсинтетаза, глю-таминсинтетаза и др.).

Различия в ферментном составе используются для идентификации микроорганизмов, так как они определяют их различные биохимические свойства: сахаролитические (расщепление сахаров), протеолитические (разложение белков) и другие, выявляемые по конечным продуктам расщепления (образование щелочей, кислот, сероводорода, аммиака и др.).

Ферменты микроорганизмов используют в генетической инженерии (рестриктазы, лигазы и др.) для получения биологически активных соединений, уксусной, молочной, лимонной и других кислот, молочнокислых продуктов, в виноделии и других отраслях. Ферменты применяют в качестве биодобавок в стиральные порошки («Ока» и др.) для уничтожения загрязнений белковой природы.

Дыхание бактерий

Дыхание, или биологическое окисление, основано на окислительно-восстановительных реакциях, идущих с образованием АТФ-универсального аккумулятора химической энергии. Энергия необходима микробной клетке для ее жизнедеятельности. При дыхании происходят процессы окисления и восстановления: окисление – отдача донорами (молекулами или атомами) водорода или электронов; восстановление – присоединение водорода или электронов к акцептору. Акцептором водорода или электронов может быть молекулярный кислород (такое дыхание называется аэробным) или нитрат, сульфат, фумарат (такое дыхание называется анаэробным – нитратным, сульфатным, фумаратным). Анаэробиоз (от греч. аег – воздух + bios – жизнь) – жизнедеятельность, протекающая при отсутствии свободного кислорода. Если донорами и акцепторами водорода являются органические соединения, то такой процесс называется брожением. При брожении происходит ферментативное расщепление органических соединений, преимущественно углеводов, в анаэробных условиях. С учетом конечного продукта расщепления углеводов различают спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и другие виды брожения.

По отношению к молекулярному кислороду бактерии можно разделить на три основные группы: облигатные, т.е. обязательные, аэробы, облигатные анаэробы и факультативные анаэробы.

Облигатные аэробы могут расти только при наличии кислорода. Облигатные анаэробы (клостридии ботулизма, газовой гангрены, столбняка, бактероиды и др.) растут только на среде без кислорода, который для них токсичен. При наличии кислорода бактерии образуют перекисные радикалы кислорода, в том числе перекись водорода и супероксид-анион кислорода, токсичные для облигатных анаробных бактерий, поскольку они не образуют соответствующие инактивирующие ферменты. Аэробные бактерии инактивируют перекись водорода и супероксид-анион соответствующими ферментами (каталазой, пероксидазой и супероксиддисмутазой). Факультативные анаэробы могут расти как при наличии, так и при отсутствии кислорода, поскольку они способны переключаться с дыхания в присутствии молекулярного кислорода на брожение в его отсутствие. Факультативные анаэробы способны осуществлять анаэробное дыхание, называемое нитратным: нитрат, являющийся акцептором водорода, восстанавливается до молекулярного азота и аммиака.Среди облигатных анаэробов различают аэротолерантные бактерии, которые сохраняются при наличии молекулярного кислорода, но не используют его.

Для выращивания анаэробов в бактериологических лабораториях применяют анаэростаты – специальные емкости, в которых воздух заменяется смесью газов, не содержащих кислорода. Воздух можно удалять из питательных сред путем кипячения, с помощью химических адсорбентов кислорода, помещаемых в анаэростаты или другие емкости с посевами.

Рост и размножение бактерий

Жизнедеятельность бактерий характеризуется ростом – формированием структурно-функциональных компонентов клетки и увеличением самой бактериальной клетки, а также размножением – самовоспроизведением, приводящим к увеличению количества бактериальных клеток в популяции.

Бактерии размножаются путем бинарного деления пополам, Реже путем почкования.

Актиномицеты, как и грибы, могут размножаться спорами. Актиномицеты, являясь ветвящимися бактернями, размножаются путем фрагментации нитевидных клеток. Грамположительные бактерии делятся путем врастания синтезирующихся перегородок деления внутрь клетки, а грамотрицательные – путем перетяжки, в результате образования гантелевид-ных фигур, из которых образуются две одинаковые клетки.

Делению клеток предшествует репликация бактериальной хромосомы по полуконсервативному типу (двуспиральная цепь ДНК раскрывается и каждая нить достраивается комплементарной нитью), приводящая к удвоению молекул ДНК бактериального ядра – нуклеоида. Репликация хромосомной ДНК осуществляется от начальной точки огі (от англ, origin – начало).

Хромосома бактериальной клетки связана в области огі с цитоплазматической мембраной. Репликация ДНК катализируется ДНК-полимеразами. Сначала происходит раскручивание (деспирализация) двойной цепи ДНК, в результате чего образуется репликативная вилка (разветвленные цепи); одна из цепей, достраиваясь, связывает нуклеоти-ды от 5"- к З"-концу, другая – достраивается посегментно.

Репликация ДНК происходит в три этапа: инициация, элонгация, или рост цепи, и терминация. Образовавшиеся в результате репликации две хромосомы расходятся, чему способствует увеличение размеров растущей клетки: прикрепленные к цитоплазматической мембране или ее производным (например, мезосомам) хромосомы по мере увеличения объема клетки удаляются друг от друга. Окончательное их обособление завершается образованием перетяжки или перегородки деления. Клетки с перегородкой деления расходятся в результате действия аутоли-тических ферментов, разрушающих сердцевину перегородки деления. Аутолиз при этом может проходить неравномерно: делящиеся клетки в одном участке остаются связанными частью клеточной стенки в области перегородки деления. Такие клетки располагаются под углом друг к другу, что характерно для дифтерийных коринебактерий.

Размножение бактерий в жидкой питательной среде. Бактерии, засеянные в определенный, не изменяющийся объем питательной среды, размножаясь, потребляют питательные элементы, что приводит в дальнейшем к истощению питательной среды и прекращению роста бактерий. Культивирование бактерий в такой системе называют периодическим культивированием, а культуру – периодической. Если же условия культивирования поддерживаются путем непрерывной подачи свежей питательной среды и оттока такого же объема культуральной жидкости, то такое культивирование называется непрерывным, а культура – непрерывной.

При выращивании бактерий на жидкой питательной среде наблюдается придонный, диффузный или поверхностный (в виде пленки) рост культуры. Рост периодической культуры бактерий, выращиваемых на жидкой питательной среде, подразделяют на несколько фаз, или периодов:

§ лаг-фаза;

§ фаза логарифмического роста;

§ фаза стационарного роста, или максимальной концентрации

§ бактерий;

§ фаза гибели бактерий.

Эти фазы можно изобразить графически в виде отрезков кривой размножения бактерий, отражающей зависимость логарифма числа живых клеток от времени их культивирования. Лаг-фаза (от англ, lag – запаздывание) – период между посевом бактерий и началом размножения. Продолжительность лаг-Фазы в среднем 4.5 ч. Бактерии при этом увеличиваются в размерах и готовятся к делению; нарастает количество нуклеиновых кислот, белка и других компонентов. Фаза логарифмического (экспоненциального) роста является периодом интенсивного деления бактерий.

Продолжительность ее около 5. 6 ч. При оптимальных условиях роста бактерии могут делиться каждые 20-40 мин. Во время этой фазы бактерии наиболее ранимы, что объясняется высокой чувствительностью компонентов метаболизма интенсивно растущей клетки к ингибиторам синтеза белка, нуклеиновых кислот и др. Затем наступает фаза стационарного роста, при которой количество жизнеспособных клеток остается без изменений, составляя максимальный уровень (М-концентрация). Ее продолжительность выражается в часах и колеблется в зависимости от вида бактерий, их особенностей и культивирования. Завершает процесс роста бактерий фаза гибели, характеризующаяся отмиранием бактерий в условиях истощения источников питательной среды и накопления в ней продуктов метаболизма бактерий. Продолжительность ее колеблется от 10 ч до нескольких недель. Интенсивность роста и размножения бактерий зависит от многих факторов, в том числе оптимального состава питательной среды, окислительно-восстановительного потенциала, рН, температуры и др.

Размножение бактерий на плотной питательной среде. Бактерии, растущие на плотных питательных средах, образуют изолированные колонии округлой формы с ровными или неровными краями (S- и R-формы; см. главу 5), различной консистенции и цвета, зависящего от пигмента бактерий.

Пигменты, растворимые в воде, диффундируют в питательную среду и окрашивают ее, например синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) окрашивает среду в синий цвет. Другая группа пигментов нерастворима в воде, но растворима в органических растворителях. Так, колонии «чудесной палочки» имеют кроваво-красный пигмент, растворимый в спирте. И, наконец, существуют пигменты, не растворимые ни в воде, ни в органических соединениях.

Наиболее распространены среди микроорганизмов такие пигменты, как каротины, ксантофиллы и меланины. Меланины являются нерастворимыми пигментами черного, коричневого или красного цвета, синтезирующимися из фенольных соединений. Меланины наряду с каталазой, супероксидцисмутазой и перок-сидазами защищают микроорганизмы от воздействия токсичных перекисных радикалов кислорода. Многие пигменты обладают антимикробным, антибиотикоподобным действием.

Вид, форма, цвет и другие особенности колоний на плотной питательной среде могут учитываться при идентификации бактерий, а также отборе колоний для получения чистых культур.

В промышленных условиях при получении биомассы микроорганизмов с целью приготовления антибиотиков, вакцин, диагностических препаратов, эубиотиков культивирование бактерий и грибов осуществляют в ферментерах при строгом соблюдении оптимальных параметров для роста и размножения культур (см. главу 6).

ЛЕКЦИЯ № 5.

ВИРУСОЛОГИЯ.

Все вирусы существуют в двух качественно разных формах. Внеклеточная форма – вирион – включает в себя все составные элементы вирусной частицы. Внутриклеточная форма – вирус – может быть представлена лишь одной молекулой нуклеиновой кислоты, т.к. попадая в клетку, вирион распадается на составные элементы. В то же время внутриклеточный вирус есть самореплицирующаяся форма, не способная к делению. На этом основании определение вируса предполагает принципиальное различие между клеточными формами существования (бактерии, грибы, простейшие), размножающихся делением, и реплицирующейся формой, воспроизводящейся из вирусной нуклеиновой кислоты. Но этим не ограничиваются отличительные признаки вирусов от про- и эукариот. К принципиальным отличиям относятся:

1. наличие одного типа нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК);

2. отсутствие клеточного строения и белоксинтезирующих систем;

3. возможность интеграции в клеточный геном и синхронной с ним репликации.

Форма вириона может быть самой различной (палочковидные, эллипсоидные, сферические, нитевидные, в виде сперматозоида), что является одним из признаков таксономической принадлежности данного вируса.

Размеры вирусов настолько малы, что сопоставимы с толщиной клеточной оболочки. Наиболее мелкие (парвовирусы) имеют размер 18 нм, а наиболее крупные (вирус натуральной оспы) – около 400 нм.

В основу классификации вирусов положен тип нуклеиновой кислоты, образующей геном, что позволило выделить два подцарства:

рибовирусы – РНК-содержащие или РНК-вирусы;

дезоксирибовирусы – ДНК-содержащие или ДНК-вирусы.

Подцарства делятся на Семейства, Подсемейства, Роды и Виды.

При систематизации вирусов выделены следующие основные критерии: сходство нуклеиновых кислот, размеры, наличие или отсутствие суперкапсида, тип симметрии нуклеокапсида, характеристика нуклеиновых кислот, полярность, количество нитей в молекуле, наличие сегментов, наличие ферментов, внутриядерная или цитоплазматическая локализация, антигенная структура и иммуногенность, тропизм к тканям и клеткам, способность образовывать тельца включений. Дополнительный критерий – симптоматология поражений, т.е. способность вызывать генерализованные или органоспецифические инфекции.

По структурной организации различают простоорганизованные ("голые") и сложноорганизованные ("одетые") вирусы.

Структура простого вириона устроена таким образом, что вирусная нуклеиновая кислота, т.е. генетический материал вируса надежно защищен симметричной белковой оболочкой – капсидом , функциональная и морфологическая совокупность которых образует нуклеокапсид .

Капсид имеет строго упорядоченную структуру, в основе которой лежат принципы спиральной или кубической симметрии. Его образуют одинаковые по строению субъединицы – капсомеры , организованные в один или два слоя. Число капсомеров строго специфично для каждого вида и зависит от размеров и морфологии вирионов. Капсомеры, в свою очередь, образованы молекулами белка – протомерами . Они могут быть мономерными - составлены одним полипептидом или полимерными - составлены несколькими полипептидами. Симметричность капсида объяснима тем, что для упаковки генома требуется большое количество капсомеров, а компактное их соединение возможно только при симметричном расположении субъединиц. Формирование капсида напоминает процесс кристаллизации и протекает по принципу самосборки. Основные функции капсида определяются защитой вирусного генома от внешних воздействий, обеспечением адсорбции вириона на клетке, проникновением генома в клетку в результате взаимодействия капсида с клеточными рецепторами, обуславливают антигенные и иммуногенные свойства вирионов.

Нуклеокапсид повторяет симметрию капсида. При спиральной симметрии взаимодействие нуклеиновой кислоты и белка в нуклеокапсиде осуществляется по одной оси вращения. Каждый вирус со спиральной симметрией обладает характерной длиной, шириной и периодичностью. Большинство патогенных для человека вирусов, в том числе вирус гриппа, имеют спиральную симметрию. Организация по принципу спиральной симметрии придает вирусам палочковидную или нитевидную форму. Такое расположение субъединиц образуется полый канал, внутри которого компактно уложена молекула вирусной нуклеиновой кислоты. Ее длина может во много раз превышать длину вириона. У вируса табачной мозаики, например, длина вириона составляет 300 нм, а его РНК достигает величины 4000 нм. При такой организации белковый чехол лучше защищает наследственную информацию, но требует большего количества белка, т.к. покрытие состоит из сравнительно крупных блоков. При кубической симметрии нуклеиновая кислота окружена капсомерами, образующими икосаэдр – многогранник с 12 вершинами, 20 треугольными гранями и 30 углами. Организация вириона по этому принципу придает вирусам сферическую форму. Принцип кубической симметрии – самый экономичный для формирования замкнутого капсида, т.к. для его организации используются небольшие белковые блоки, образующие большое внутреннее пространство, в которое свободно укладывается нуклеиновая кислота.

Некоторые бактериофаги имеют двойную симметрию , когда головка организована по принципу кубической, а отросток – по принципу спиральной симметрии.

Для вирусов больших размеров характерно отсутствие постоянной симметрии .

Неотъемлемым структурно-функциональным компонентом нуклеокапсида являются внутренние белки , обеспечивающие правильную суперспирализованную упаковку генома, выполняющие структурную и ферментативную функции.

Функциональная специфичность вирусных ферментов определяется местом их локализации и механизмом образования. На основании этого вирусные ферменты разделяют на вирусиндуцированные ивирионные . Первые закодированы в вирусном геноме, вторые – входят в состав вирионов. Вирионные ферменты также разделяют на две функциональные группы: ферменты первой группы обеспечивают проникновение вирусных нуклеиновых кислот в клетку и выход дочерних популяций; ферменты второй группы участвуют в процессах репликации и транскрипции вирусного генома. Наряду с собственными, вирусы активно используют клеточные ферменты, которые не являются вирусоспецифическими. Но их активность может модифицироваться в процессе репродукции вируса.

Существует группа т.н. сложноорганизованных или "одетых" вирусов , которые, в отличие от "голых" , имеют поверх капсида особую липопротеиновую оболочку – суперкапсид или пеплос , организованный двойным слоем липидов и специфичными вирусными гликопротеинами, пронизывающими липидный бислой и образующими выросты-шипы (пепломеры или суперкапсидные белки ). Поверхностные суперкапсидные белки – важный компонент, облегчающий проникновение вирусов в чувствительные клетки. Именно этими специальными белками, названными F-белками (fusio - слияние), обеспечивается слияние вирусных суперкапсидов и клеточных мембран. Суперкапсид формируется на поздних этапах репродуктивного цикла при отпочковывании дочерних популяций и является производной структурой от мембран вирус-инфицированной клетки. Так, состав липидов зависит от характера "почкования" вирусной частицы. Например, у вируса гриппа состав липидного бислоя аналогичен таковому клеточных мембран. Т.к. герпесвирусы почкуются через ядерную мембрану, то набор липидов их суперкапсида отражает состав ядерной мембраны. Сахара, входящие в состав гликопротеинов, также происходят от клетки-хозяина.

На внутренней поверхности суперкапсида т.н. матричными белками (М-белки ) сформирован структурный слой, способствующий взаимодействию суперкапсида с нуклеокапсидом, что исключительно важно на заключительных этапах самосборки вирионов.

Тем не менее, главным структурным и функциональным компонентом вируса является его геном, определяющий все свойства вирусной частицы, как внутри, так и вне клетки-мишени. В геноме зашифрована информация о морфологических, биохимических, патогенных и антигенных свойствах его носителя. Геном вирусной частицы гаплоидный. Нуклеиновые кислоты представлены однонитевыми молекулами РНК или двунитевыми молекулами ДНК. Исключение составляют реовирусы, геном которых образован двумя нитями РНК и парвовирусы, у которых геном представлен в виде одной нити ДНК. Вирусы содержат только один тип нуклеиновой кислоты.

Вирусные ДНК организованы как циркулярные ковалентно сцепленные суперспирализованные или линейные структуры с молекулярной массой от 1 · 10 6 до 1 ·10 8 , что от 10 до 100 раз меньше молекулярной массы бактериальных ДНК. Геном содержит до нескольких сотен генов. Транскрипция вирусной ДНК осуществляется в ядре зараженной клетки. Нуклеотидные последовательности встречаются однократно, но на концах молекулы имеются прямые и инвертированные (развернутые на 180 о) повторяющиеся нуклеотидные последовательности. Этим обеспечивается способность молекулы ДНК замыкаться в кольцо. Кроме того, они являются своеобразными маркерами вирусной ДНК.

Вирусные РНК представлены одно- и двунитевыми молекулами и по своему химическому составу не отличаются от РНК клеточного происхождения. Однонитевые молекулы могут быть сегментированы, что ведет к увеличению кодирующей ёмкости генома. Кроме того, в них имеются спиральные участки типа двойной спирали ДНК, образующиеся за счет спаривания комплементарных азотистых оснований. Двунитевая РНК может быть линейной и кольцевой.

В зависимости от специфики внутриклеточного поведении и выполняемых функций вирусные РНК делят на группы:

1. Плюс-нити РНК , обладающие способностью транслировать закодированную в ней информацию на рибосомы клетки-мишени, т.е. выполнять функцию мРНК. РНК плюс-нитевых вирусов имеют характерные модифицированные концы в виде "шапочки", необходимые для специфического распознавания рибосом. Их называют плюс-нитями или позитивным геномом.

2. Минус-нити РНК не способны транслировать генетическую информацию непосредственно на рибосомы и не могут функционировать как мРНК. Однако являются матрицей для синтеза мРНК. Их называют минус-нитями или негативный геном.

3. Двойные нити, одна из которых функционирует как –РНК, другая, комплементарная ей – как +РНК.

Многие вирусные нуклеиновые кислоты +РНК и ДНК-содержащих вирусов инфекционны сами по себе, т.к. содержат всю генетическую информацию, необходимую для синтеза новых вирусных частиц. Эта информация реализуется после проникновения вириона в чувствительную клетку. Двунитевые РНК и большинство –РНК инфекционных свойств проявлять не могут.

Взаимодействие вируса с клеткой-мишенью – сложный и многоступенчатый процесс сосуществования двух форм живой материи – доклеточной и клеточной. Здесь проявляется весь комплекс воздействий вирусного генома на генетически закодированные биосинтетические процессы клетки хозяина.

Реализация репродуктивного цикла в значительной степени зависит от типа инфицирования клетки и характера взаимодействия вируса с чувствительной (могущей быть инфицированной) клеткой.

В вирус-инфицированной клетке возможно пребывание вирусов в различных состояниях:

1. воспроизводство многочисленных новых вирионов;

2. пребывание нуклеиновой кислоты вируса в интегрированном состоянии с хромосомой клетки в виде провируса;

3. существование в цитоплазме клетки в виде кольцевых нуклеиновых кислот, напоминающих плазмиды бактерий.

Именно этими состояниями определяется широкий диапазон нарушений, вызываемых вирусом: от выраженной продуктивной инфекции, завершающейся гибелью клетки, до продолжительного взаимодействия вируса с клеткой в виде латентной (скрытой) инфекции или злокачественной трансформации клетки.

Выделено четыре типа взаимодействия вируса с чувствительной клеткой:

1. Продуктивный тип – завершается образованием нового поколения вирионов и выход их в результате лизиса зараженных клеток (цитолитическая форма ), либо выход из клетки без ее разрушения (нецитолитическая форма ). По нецитолитическому типу взаимодействия чаще всего протекают персистирующие хронические инфекции , характеризующиеся образованием дочерних популяций возбудителя после завершения острой фазы болезни. Гибель клетки вызывается ранним подавлением синтеза клеточных белков, накоплением токсических и специфически повреждающих вирусных компонентов, повреждением лизосом и высвобождением их ферментов в цитоплазму;

2. Интегративный тип , или вирогения – характеризуется встраиванием (интеграцией) вирусной ДНК в виде провируса в хромосому клетки и последующим функционированием как ее составная часть с совместной репликацией. По такому типу взаимодействия протекают латентное инфицирование , лизогения бактерий и вирусная трансформация клеток ;

3. Абортивный тип – не завершается образованием новых вирионов, поскольку инфекционный процесс в клетке прерывается на одном из этапов. Происходит при взаимодействии вируса с покоящейся клеткой, либо при инфицировании клетки дефектным вирусом.

Дефектными могут быть как вирусы, так и вирионы.

Дефектные вирусы существуют как самостоятельные виды и функционально неполноценны, т.к. для их репликации необходим "вирус-помошник", т.е. дефект определяется неполноценностью генома. Делятся на 3 группы:

1. Дефектные интерферирующие частицы , представляющие собой вирионы, содержащие только часть генетической информации исходного вируса и реплицируется только при участии родственного "вируса-помощника";

2. Вирусы-спутники от предыдущих отличаются тем, что для своей репродукции требуют участия любого "вируса-помощника", не обязательно родственного;

3. Интегрированные геномы представляют собой провирусы, т.е. вирусные геномы, встроенные в хромосому клетки, но утратившие способность к превращению в полноценный вирус;

Дефектные вирионы составляют группу, формирующуюся при образовании больших дочерних популяций, и их дефектность определяется главным образом морфологической неполноценностью (пустые капсиды, безоболочечные нуклеокапсиды и др.). Особая форма дефектных вирионов – псевдовирионы, имеющие нормальный капсид, содержащий часть собственной нуклеиновой кислоты и фрагменты нуклеиновой кислоты хозяина, либо часть хромосомы клетки хозяина и часть нуклеиновой кислоты другого вируса.

Значение дефектных вирусов состоит в их способности переносить генетический материал из клетки-донора в клетку-реципиент.

4. Интерференция вирусов – происходит при инфицировании клетки двумя вирусами и возникает не при всякой комбинации возбудителей. Интерференция реализуется либо за счет индукции одним вирусом клеточных ингибиторов, подавляющих репродукцию другого, либо за счет повреждения рецепторного аппарата или метаболизма клетки первым вирусом, что исключает возможность репродукции второго. Различают гомологичную (родственные вирусы) и гетерологичную (неродственные вирусы) интерференцию.

По характеру взаимодействия генома вируса с геномом клетки различают автономное и интеграционное инфицирование . При автономном инфицировании геном вируса не интегрирован в геном клетки, тогда как при интеграционном происходит интеграция вирусного генома в клеточный.

Продуктивный тип взаимодействия вируса с клеткой , т.е. репродукция вируса представляет собой уникальную форму выражения чужеродной (вирусной) генетической информации в клетках человека, животных, растений и бактерий, которая состоит в подчинении клеточных матрично-генетических механизмов вирусной информации. Это сложнейший процесс взаимодействия двух геномов протекающий в 6 стадий:

1. адсорбция вирионов;

2. проникновение вируса в клетку;

3. "раздевание" и высвобождение вирусного генома;

4. синтез вирусных компонентов;

5. формирование вирионов;

6. выход вирионов из клетки.

Первая стадия репродукции – адсорбция , т.е. прикрепление вириона к поверхности клетки. Она протекает в две фазы. Первая фаза – неспецифическая , обусловленная ионным притяжением и другими механизмами взаимодействия между вирусом и клеткой. Вторая фаза – высокоспецифическая , обусловленная гомологией и комплементарностью рецепторов чувствительных клеток и узнающих их белковых лигандов вирусов. Узнающие и взаимодействующие вирусные белки называются прикрепительными и представлены гликопротеинами, в составе липопротеиновой оболочки капсида или суперкапсида вируса.

Специфические рецепторы клеток имеют различную природу, являясь белками, липидами, углеводными компонентами белков и липидов. Одна клетка может нести от десяти до ста тысяч специфических рецепторов, что позволяет закрепиться на ней десяткам и сотням вирионов. Количество инфекционных вирусных частиц, адсорбированных на клетке, определяет термин "множественность заражения" . Тем не менее, инфицированная вирусом клетка в большинстве случаев толерантна к повторному заражению гомологичным вирусом.

Наличие специфических рецепторов лежит в основе тропизма вирусов к определенным клеткам, тканям и органам.

Вторая стадия – проникновение вируса в клетку может происходить несколькими путями.

1. Рецепторно-зависимый эндоцитоз происходит в результате захватывания и поглощения вириона чувствительной клеткой. При этом клеточная мембрана с прикрепленным вирионом впячивается с образованием внутриклеточной вакуоли (эндосомы), содержащей вирус. Далее происходит слияние липопротеиновой оболочки вируса с мембраной эндосомы и выход вируса в цитоплазму клетки. Эндосомы объединяются с лизосомами, которые разрушают оставшиеся вирусные компоненты.

2. Виропексис – заключается в слиянии вирусного суперкапсида с клеточной или ядерной мембраной и происходит при помощи специального белка слияния – F-белка , входящего в состав суперкапсида. В результате виропексиса капсид оказывается внутри клетки, а суперкапсид вместе с белком интегрирует (встраивается) в плазматическую или ядерную мембрану. Присущ только сложно устроенным вирусам.

3. Фагоцитоз – по средствам которого вирусы проникают в фагоцитирующие клетки, что приводит к незавершенному фагоцитозу.

Третья стадия – "раздевания" и высвобождения вирусного генома происходит в результате депротеинизации, модификации нуклеокапсида, удаления поверхностных вирусных структур и высвобождения внутреннего компонента, способного вызвать инфекционный процесс. Первые этапы "раздевания" начинаются еще в процессе проникновения в клетку путем слияния вирусных и клеточных мембран или при выходе вируса из эндосомы в цитоплазму. Последующие этапы тесно связаны с их внутриклеточным транспортом к местам депротеинизации. Для разных вирусов существуют свои специализированные участки "раздевания". Транспорт к ним осуществляется с помощью внутриклеточных мембранных пузырьков, в которых вирус переносится на рибосомы, эндоплазматическую сеть или в ядро.

Четвертая стадия – синтез вирусных компонентов начинается в момент теневой или эклипс-фазы, которая характеризуется исчезновением вириона. Теневая фаза заканчивается после образования составных компонентов вируса, необходимых для сборки дочерних популяций. Вирус использует для этого генетический аппарат клетки, подавляя необходимые ей самой синтетические реакции. Синтез белков и нуклеиновых кислот вируса, т.е. его репродукция, разобщен во времени и пространстве, осуществляется в разных частях клетки и называется дизъюнктивным.

В зараженной клетке вирусный геном кодирует синтез двух групп белков:

- неструктурных белков , обслуживающих внутриклеточную репродукцию вируса на разных его этапах к которым относятся РНК- или ДНК-полимерезы, обеспечивающие транскрипцию и репликацию вирусного генома, белки-регуляторы, предшественники вирусных белков, ферменты, модифицирующие вирусные белки;

- структурных белков , входящих в состав вириона (геномные, капсидные и суперкапсидные).

Синтез белков в клетке осуществляется в соответствии с процессами транскрипции путем "переписывания" генетической информации с нуклеиновой кислоты в нуклеотидную последовательность информационной РНК (иРНК) и трансляции (считывания) иРНК на рибосомах с образованием белков. Термином "трансляция" называют механизмы, при помощи которых последовательность нуклеиновых оснований иРНК переводится в специфическую последовательность аминокислот в синтезируемом полипептиде. При этом происходит дискриминация клеточных иРНК и синтетические процессы на рибосомах переходят под вирусный контроль. Механизмы передачи информации в отношении синтеза иРНК у разных групп вирусов неодинаковы.

Двунитевые ДНК-содержащие вирусы реализуют генетическую информацию так же, как и клеточный геном, по схеме: геномная ДНК вируса → транскрипция иРНК →трансляция вирусного белка . При этом, ДНК-содержащие вирусы, геномы которых транскрибируются в ядре, используют для этого процесса клеточную полимеразу, а геномы которых транскрибируются в цитоплазме – собственную вирусоспецифическую РНК-полимеразу.

Геном –РНК-содержащих вирусов служит матрицей, с которой транскрибируется иРНК, при участии вирусоспецифической РНК-полимеразы. Синтез белка у них происходит по схеме: геномная РНК вируса →транскрипция иРНК →трансляция белка вируса .

Особняком стоит группа РНК-содержащих ретровирусов, к которой относятся вирусы иммунодефицита человека и онкогенные ретровирусы. Они имеют уникальный путь передачи генетической информации. Геном этих вирусов состоит из двух идентичных молекул РНК, т.е. является диплоидным. В составе ретровирусов есть особый вирусоспецифический фермент – обратная транскриптаза , или ревертаза , с помощью которой осуществляется процесс обратной транскрипции. Заключается он в следующем: на матрице геномной РНК синтезируется комплементарная однонитевая ДНК (кДНК). Она копируется с образованием двунитевой комплементарной ДНК, которая интегрирует в клеточный геном и в его составе транскрибируется в иРНК с помощью клеточной ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Синтез белков этих вирусов осуществляется по схеме: геномная РНК вируса →комплементарная ДНК →транскрипция иРНК →трансляция белка вируса .

Регуляция транскрипции осуществляется клеточными и вирусоспецифическими механизмами. Она заключается в последовательном считывании информации с т.н. "ранних" и "поздних" генов . В первых закодирована информация для синтеза вирусоспецифических ферментов транскрипции и репликации, во вторых – для синтеза капсидных белков.

Синтез вирусных нуклеиновых кислот, т.е. репликация вирусных геномов , приводит к накоплению в клетке копий исходных вирусных геномов, которые используются при сборке вирионов. Способ репликации зависит от типа нуклеиновой кислоты вируса, наличия вирусоспецифических и клеточных полимераз, от способности вирусов индуцировать образование полимераз в клетке.

Двунитевые ДНК-вирусы реплицируются обычным полуконсервативным способом: после расплетения нитей ДНК к ним комплементарно достраиваются новые нити. Каждая вновь синтезированная молекула ДНК состоит из одной родительской и одной синтезированной нити.

Однонитевые ДНК-вирусы в процессе репликации используют клеточные ДНК-полимеразы для создания двунитевого вирусного генома, т.н. репликативной формы . При этом на исходной +ДНК-нити комплементарно синтезируется –ДНК-нить, служащая матрицей для +ДНК-нити нового вириона.

Однонитевые +РНК-вирусы индуцируют в клетке синтез РНК-зависимой РНК-полимеразы. С ее помощью на основе геномной +РНК-нити синтезируется –РНК-нить, формируется временная двойная РНК, названная промежуточным репликативным звеном . Оно состоит из полной +РНК-нити и многочисленных частично завершенных –РНК-нитей. Когда сформированы все –РНК-нити, они используются как шаблоны для синтеза новых +РНК-нитей.

Однонитевые –РНК-вирусы имеют в своем составе РНК-зависимую РНК-полимеразу. Геномная –РНК-нить трансформируется вирусной полимеразой в неполные и полные +РНК-нити. Неполные копии выполняют роль иРНК для синтеза вирусных белков, а полные – являются матрицей для синтеза геномной –РНК-нити потомства.

Двунитевые РНК-вирусы реплицируются аналогично однонитевым –РНК-вирусам. Отличие в том, что образовавшиеся в процессе транскрипции +РНК-нити функционируют не только как иРНК, но и участвуют в репликации. Они являются матрицей для синтеза –РНК-нитей. В комплексе они образуют геномные двунитевые РНК вирионов.

Диплоидные +РНК-вирусы или ретровирусы реплицируются с помощью вирусной обратной транскриптазы, синтезирующей на матрице РНК-вируса –ДНК-нить, с которой копируется +ДНК-нить с образованием двойной нити ДНК, замкнутой в кольцо. Далее двойная нить ДНК интегрируется с хромосомой клетки, образуя провирус. Многочисленные вирионные РНК образуются в результате транскрипции одной из нитей интегрированной ДНК при участии клеточной ДНК-зависимой РНК-полимеразы.

Пятая стадия – сборка вирионов происходит путем упорядоченной самосборки , когда составные части вириона транспортируются в места сборки вируса. Таковыми являются специфические участки ядра и цитоплазмы, называемые репликативными комплексами . Соединение компонентов вириона обусловлено наличием гидрофобных, ионных, водородных связей и стереохимическим соответствием.

Формирование вирусов это многоступенчатый, строго последовательный процесс, с образованием промежуточных форм, отличающихся от зрелых вирионов по составу полипептидов. Сборка просто устроенных вирусов происходит на репликативных комплексах и заключается во взаимодействии вирусных нуклеиновых кислот с капсидными белками и образовании нуклеокапсидов. У сложноустроенных вирусов сначала на репликативных комплексах формируются нуклеокапсиды, которые затем взаимодействуют с модифицированными мембранами клеток, являющихся будущей липопротеиновой оболочкой вириона. При этом сборка вирусов, реплицирующихся в ядре, происходит с участием мембраны ядра, а сборка вирусов, репликация которых происходит в цитоплазме, осуществляется с участием мембран эндоплазматической сети или цитоплазматической мембраны, куда встраиваются гликопротеины и другие белки оболочки вириона. У некоторых сложноустроенных –РНК-вирусов в сборку вовлекается матричный белок – М-белок – который расположен под модифицированной этим белком клеточной мембраной. Обладая гидрофобными свойствами, он исполняет роль посредника между нуклеокапсидом и суперкапсидом. Сложноустроенные вирусы в процессе формирования включают в свой состав компоненты клетки хозяина. При нарушениях процесса самосборки образуются "дефектные" вирионы.

Шестая стадия – выход вирусных частиц из клетки завершает процесс репродукции вирусов и происходит двумя путями.

Взрывной путь , когда вирусы, лишенные суперкапсида, вызывают деструкцию клетки и попадают во внеклеточное пространство. Из погибшей клетки одновременно выходит большое число вирионов.

Почкование или экзоцитоз , характерный для сложноустроенных вирусов, суперкапсид которых является производной от клеточных мембран. Сначала нуклеокапсид транспортируется к клеточным мембранам, в которые уже встроены вирусоспецифические белки. В области контакта начинается выпячивание этих участков с образованием почки. Сформировавшаяся почка отделяется от клетки в виде сложноустроенного вириона. Процесс не летален для клетки и клетка способна длительно сохранять жизнеспособность, продуцируя вирусное потомство.

Почкование вирусов, формирующихся в цитоплазме, может происходить либо через плазматическую мембрану, либо через мембраны эндоплазматической сети и аппарата Гольджи с последующим выходом на поверхность клетки.

Вирусы, формирующиеся в ядре, почкуются в перинуклеарное пространство через модифицированную ядерную оболочку и в составе цитоплазматических везикул транспортируются на поверхность клетки.

Интегративный тип взаимодействия вируса с клеткой (вирогения) представляет собой сосуществование вируса и клетки в результате интеграции нуклеиновой кислоты вируса в хромосому клетки хозяина, при котором геном вируса реплицируется и функционирует как основная часть генома клетки.

Такой тип взаимодействия характерен для умеренных ДНК-содержащих бактериофагов, онкогенных вирусов и некоторых инфекционных ДНК- и РНК-содержащих вирусов.

Для интеграции необходимо наличие кольцевой форму двунитевой ДНК вируса. Такая ДНК прикрепляется к клеточной ДНК в месте гомологии и встраивается в определенный участок хромосомы. У РНК-вирусов процесс интеграции более сложный и начинается с механизма обратной транскрипции. Интеграция происходит после образования двунитевого ДНК-транскрипта и замыкания его в кольцо.

Дополнительная генетическая информация при вирогении сообщает клетке новые свойства, что может стать причиной онкогенной трансформации клеток, аутоиммунных и хронических заболеваний.

Абортивный тип взаимодействия вируса с клеткой не завершается образованием вирусного потомства и может возникнуть при следующих условиях:

1. заражение чувствительной клетки происходит дефектным вирусом или дефектным вирионом;

2. заражение вирулентным вирусом генетически резистентных к нему клеток;

3. заражение вирулентным вирусом чувствительной клетки в непермиссивных (неразрешающих) условиях.

Чаще абортивный тип взаимодействия наблюдается при заражении стандартным вирусом нечувствительной клетки. При этом механизм генетической резистентности не одинаков. Он может быть связан с отсутствием на плазматической мембране специфических рецепторов, неспособность данного вида клеток инициировать трансляцию вирусной иРНК, с отсутствием специфических протеаз или нуклеаз, необходимых для синтеза вирусных макромолекул.

К абортивному взаимодействию могут привести и изменения условий, в которых происходит репродукция вирусов: повышение температуры организма, изменение рН в очаге воспаления, введение противовирусных препаратов и др. Однако, при устранении неразрешающих условий абортивный тип взаимодействия переходит в продуктивный со всеми вытекающими последствиями.

Интерферирующее взаимодействие определяется состоянием невосприимчивости к вторичному заражению клетки, уже инфицированной вирусом.

Гетерологичная интерференция происходит в том случае, когда инфицирование одним вирусом полностью блокирует возможность репликации второго вируса в пределах одной клетки. Один из механизмов связан с угнетением адсорбции другого вируса путем блокирования или разрушения специфических рецепторов. Другой механизм связан с ингибированием трансляции иРНК любой гетерологичной иРНК в инфицированной клетке.

Гомологичная интерференция типична для многих дефектных вирусов, особенно для повторно пассируемых in vitro и с высокой множественностью инфицирования. Их репродукция возможна только при заражении клетки нормальным вирусом. Иногда дефектный вирус может вмешиваться в репродуктивный цикл нормального вируса и образовывать дефектные интерферирующие вирусные частицы (ДИ). ДИ-частицы содержат лишь часть генома нормального вируса. По природе дефекта ДИ-частицы делеционны и их можно рассматривать как летальных мутантов. Основное свойство ДИ-частиц – способность к интерференции с нормальным гомологичным вирусом и даже способны играть роль помощников при репликации. Способность к адсорбции и проникновению в клетку связана с нормальной структурой капсида. Высвобождение и экспрессия дефектной нуклеиновой кислоты приводит к различным биологическим эффектам: тормозит синтетические процессы в клетке, за счет гомологичной интерференции ингибирует синтез и трансформацию белков нормальных вирусов. Циркулирование ДИ-частиц и коинфекция с нормальным гомологичным вирусом вызывает появление вялотекущих, длительных форм заболеваний, что связано со способностью ДИ-частиц за счет простоты генома реплицироваться значительно быстрее, тогда как дефектная популяция обладает заметным снижением выраженности цитопатического эффекта, характерного для нормального вируса.

Процесс взаимодействия вируса с организмом в большинстве случаев цитоспецифичен и определяется способностью возбудителя размножаться в определенных тканях. Однако некоторые вирусы отличаются более широким спектром тропизма и репродуцируют в самых различных клетках и органах.

К факторам специфичности вируса, ответственным за его тропизм и разнообразие поражаемых клеток относится количество специфических рецепторов (как у вириона, так и у клетки) обеспечивающих полноценное взаимодействие вируса с клеткой. Количество таких рецепторов обычно ограничено.

В некоторых случаях сама физиологическая специфика клеток, а значит и их бимолекулярная организация, способствует проявлению вирулентности возбудителя. Например, G-белок оболочки вируса бешенства обладает высоким сродством к ацетилхолиновым рецепторам нейронов, что обеспечивает его способность проникать в клетки нервной ткани. Следует отметить, что нейротропные вирусы вызывают особенно тяжелые заболевания, т.к. нервные клетки не регенерируют. Более того, репродукция возбудителя делает их мишенями для цитотоксических иммунных реакций.

Довольно часто вирулентность вирусов повышается за счет мутаций. Особое значение в данном случае приобретает способность вирусов к обратной мутации генов (реверсии). Гены, кодирующие структуру белка, могут восстановить свою структуру и трансформировать ранее авирулентные штаммы вирусов в вирулентные.

Не менее важное значение имеют и особенности восприимчивого макроорганизма.

Возраст является о

— это мельчайшие частицы жизни, размером они раз в 50 меньше бактерий. Обычно вирусы нельзя увидеть в све-товой микроскоп, так как их особи более чем вдвое меньше длины световой волны. Особей вируса, находящихся в состоянии покоя, называют вирионом. Вирусы существуют в двух формах : покоящейся , или внеклеточной (вирусные частицы, или вирионы), и репродуцирующейся, или внутриклеточной (комп-лекс «вирус — клетка хозяина»).

Формы вирусов различны, они могут быть нитевидными , сферическими , пулевидными , палочковидными , многоугольными , кирпичеобразными , куби-ческими , при этом некоторые имеют кубическую головку и отросток. Каждый вирион состоит из нуклеиновой кислоты и белков.

В вирионах вирусов всегда присутствует только один тип нуклеиновой кис-лоты — либо РНК, либо ДНК. Причем как та, так и другая может быть одноцепо-чечной и двуцепочечной, а ДНК может быть линейной или кольцевой. РНК в ви-русах всегда только линейная, но она может быть представлена набором фраг-ментов РНК, каждый из которых несёт определённую часть генетической информации, необходимой для репродукции. По наличию той или иной нуклеи-новой кислоты вирусы называют ДНК-содержащими и РНК-содержащими. Осо-бо следует отметить, что в царстве вирусов функцию хранителя генетического кода выполняет не только ДНК, но и РНК (она может быть и двуцепочечной).

У вирусов очень простое строение . Каждый вирус состоит всего из двух частей — сердцевины и капсида . Сердцевина вируса, в которой находит-ся ДНК или РНК, окружена белковой оболочкой — капсидом (лат. capsa — «вместилище», «ящик», «футляр»). Белки защищают нуклеиновую кислоту, а также обусловливают ферментативные процессы и мелкие изменения белков в капсиде. Капсид со-стоит из определённым образом уложенных одно-типных белковых молекул — капсомеров. Обычно это или спиральный тип укладки (рис. 22), или тип симметричного многогранника (изометрический тип) (рис. 23).

Все вирусы условно разделяют на простые и сложные. Простые вирусы состоят только из сердцевины с нуклеиновой кислотой и капсида. Сложные вирусы на поверхности белкового капси-да имеют ещё внешнюю оболочку, или суперкапсид, содержащий двухслойную липопротеидную мембрану, углеводы и белки (ферменты). Эта внеш-няя оболочка (суперкапсид) обычно бывает пост-роена из мембраны клетки-хозяина. Материал с сайта

На поверхности капсида находятся различные выросты — шипы, или «гвоздики» (их называют фибрами ), и отростки. Ими вирион прикрепляется к поверхности клетки, в кото-рую затем проникает. Следует отметить, что на поверхнос-ти вируса имеются ещё специальные прикрепительные бел-ки, связывающие вирион со специфическими группами молекул — рецепторами (лат. recipio — «получаю», «прини-маю»), находящимися на поверхности клетки, в которую проникает вирус. Одни вирусы прикрепляются к белковым рецепторам, другие — к липидам, третьи узнают углевод-ные цепочки в составе белков и липидов. В процессе эволюции вирусы «научи-лись» узнавать чувствительные к ним клетки по наличию специальных рецепторов на клеточной поверхности хозяев.

Морфологию и структуру вирусов изучают с помощью электронного микроскопа. Одним из самых мелких является вирус полиомиелита (около 20 нм), наиболее крупным - натуральной оспы (около 350 нм).

Вирусы состоят из следующих основных компонентов:

1. Сердцевина - генетический материал (ДНК либо РНК), который несет информацию о нескольких типах белков, необходимых для образования нового вируса.

2. Белковая оболочка, которую называют капсидом (от латинского capsa - ящик). Она часто построена из идентичных повторяющихся субъединиц - капсомеров. Капсомеры образуют структуры с высокой степенью симметрии.

3. Дополнительная липопротеидная оболочка (суперкапсид). Она образована из плазматической мембраны клетки-хозяина и встречается только у сравнительно больших вирусов (грипп, герпес).

Схематично строение РНК-содержащего вируса со спиральным типом симметрии и дополнительной липопротеидной оболочкой приведено слева на рисунке, справа показан его увеличенный поперечный разрез.

Капсид и дополнительная оболочка несут защитные функции, как бы оберегая нуклеиновую кислоту. Кроме того, они способствуют проникновению вируса в клетку. Полностью сформированный вирус называется вирионом.

Форма вирионов зависит от способа укладки белковых субъединиц в капсиде. Эта укладка может иметь спиральную или кубическую симметрию. Бактериофаги имеют смешанный или комбинированный тип симметрии.

У вируса табачной мозаики и РНК и белковые субъединицы располагаются по спирали и он имеет нитевидную или палочковидную форму. При такой симметрии белковый чехол лучше защищает нуклеиновую кислоту, но при этом требуется большее количество белка, чем при кубической симметрии. Истинное число субъединиц у разных вирионов равно 60 или кратно этой величине (420 субъединиц у вируса полиомы, 540 – у реовируса, 960 – у вируса герпеса, 1500 – у аденовируса).

Большинство вирусов с замкнутым чехлом обладает кубической симметрией. В ее основе лежат различные комбинации равносторонних треугольников (капсомеров), образованных шаровидными белковыми субъединицами. При этом могут образовываться тетраэдры, октаэдры и икосаэдры. Икосаэдры имеют 20 треугольных граней и 12 вершин. Это самая эффективная и экономичная симметрия. Поэтому сферические вирусы животных чаще всего имеют форму икосаэдра.

У вируса гриппа нуклеокапсид имеет палочковидную спиральную структуру, а суперкапсидная липопротеиновая оболочка придает вириону сферическую форму.

Число капсомеров для вирусов данного вида является постоянным и имеет диагностическое значение.

Просто устроенные вирусы имеют только капсид (вирус полиомиелита), сложноустроенные вирусы еще и суперкапсид (вирусы кори, гриппа).

В основу классификации вирусов положены следующие категории .

Оглавление темы "Типы микроорганизмов. Вирусы. Вирион.":
1. Микроорганизмы. Типы микроорганизмов. Классификация микроорганизмов. Прионы.
2. Вирусы. Вирион. Морфология вирусов. Размеры вирусов. Нуклеиновые кислоты вирусов.
3. Капсид вируса. Функции капсида вирусов. Капсомеры. Нуклеокапсид вирусов. Спиральная симметрия нуклеокапсида. Кубическая симметрия капсида.
4. Суперкапсид вируса. Одетые вирусы. Голые вирусы. Матричные белки (М-белки) вирусов. Репродукция вирусов.
5. Взаимодействие вируса с клеткой. Характер взаимодействия вирус-клетка. Продуктивное взаимодействие. Вирогения. Интерференция вирусов.
6. Типы инфицирования клеток вирусами. Репродуктивный цикл вирусов. Основные этапы репродукции вирусов. Адсорбция вириона к клетке.
7. Проникновение вируса в клетку. Виропексис. Раздевание вируса. Теневая фаза (фаза эклипса) репродукции вирусов. Образование вирусных частиц.
8. Транскрипция вируса в клетке. Трансляция вирусов.
9. Репликация вируса в клетке. Сборка вирусов. Высвобождение дочерних вирионов из клетки. Вирусы. Вирион. Морфология вирусов. Размеры вирусов. Нуклеиновые кислоты вирусов.

Внеклеточная форма - вирион - включает в себя все составные элементы (капсид, нуклеиновую кислоту, структурные белки, ферменты и др.). Внутриклеточная форма - вирус - может быть представлена лишь одной молекулой нуклеиновой кислоты, так как, попадая в клетку, вирион распадается на составные элементы.

Морфология вирусов. Размеры вирусов.

Нуклеиновые кислоты вирусов

Вирусы содержат только один тип нуклеиновой кислоты, ДИК или РНК, но не оба типа одновременно. Например, вирусы оспы, простого герпеса, Эпстайна-Барр - ДНК-содержащие, а тогавирусы, пикорнавирусы - РНК-содержащие. Геном вирусной частицы гаплоидный. Наиболее простой вирусный геном кодирует 3-4 белка, наиболее сложный - более 50 полипептидов. Нуклеиновые кислоты представлены однонитевыми молекулами РНК (исключая реовиру-сы, у которых геном образован двумя нитями РНК) или двухнитевыми молекулами ДНК (исключая парвовирусы, у которых геном образован одной нитью ДНК). У вируса гепатита В нити двухнитевой молекулы ДНК неодинаковы по длине.

Вирусные ДНК образуют циркулярные, ковалентно-сцёпленные суперспирализованные (например, у паповавирусов) или линейные двухнитевые структуры (например, у герпес- и аденовирусов). Их молекулярная масса в 10-100 раз меньше массы бактериальных ДНК. Транскрипция вирусной ДНК (синтез мРНК) осуществляется в ядре заражённой вирусом клетки. В вирусной ДНК на концах молекулы имеются прямые или инвертированные (развёрнутые на 180") повторяющиеся нуклеотидные последовательности. Их наличие обеспечивает способность молекулы ДНК замыкаться в кольцо. Эти последовательности, присутствующие в одно- и двух-нитевых молекулах ДНК, - своеобразные маркёры вирусной ДНК.

Рис. 2-1. Размеры и морфология основных возбудителей вирусных инфекций человека .

Вирусные РНК представлены одно- или двухнитевыми молекулами. Однонитевые молекулы могут быть сегментированными - от 2 сегментов у ареновирусов до 11 - у ротавирусов. Наличие сегментов ведёт к увеличению кодирующей ёмкости генома. Вирусные РНК подразделяют на следующие группы: плюс-нити РНК (+РНК), минус-нити РНК (-РНК). У различных вирусов геном могут образовывать нити +РНК либо -РНК, а также двойные нити, одна из которых -РНК, другая (комплементарная ей) - +РНК.

Плюс-нити РНК представлены одиночными цепочками, имеющими характерные окончания («шапочки») для распознавания рибосом. К этой группе относят РНК, способные непосредственно транслировать генетическую информацию на рибосомах заражённой вирусом клетки, то есть выполнять функции мРНК. Плюс-нити выполняют следующие функции: служат мРНК для синтеза структурных белков, матрицей для репликации РНК, упаковываются в капсид с образованием дочерней популяции. Минус-нити РНК не способны транслировать генетическую информацию непосредственно на рибосомах, то есть они не могут функционировать как мРНК. Однако такие РНК служат матрицей для синтеза мРНК.

Инфекционность нуклеиновых кислот вирусов

Многие вирусные нуклеиновые кислоты инфекционны сами по себе, так как содержат всю генетическую информацию, необходимую для синтеза новых вирусных частиц. Эта информация реализуется после проникновения вириона в чувствительную клетку. Инфекционные свойства проявляют нуклеиновые кислоты большинства +РНК- и ДНК-содержащих вирусов. Двухнитевые РНК и большинство -РНК не проявляют инфекционных свойств.