Химия и биология белков - Ф. Гауровитц 1953

Синтез белка
Вирусные частицы

Вирусные частицы впервые были очищены и выделены в кристаллическом виде Стенли, которому удалось перекристаллизовать вирус табачной мозаики при помощи фракционирования сернокислым аммонием. В некоторых отношениях вирус ведет себя подобно чистому белку. Так, например, его можно растворить, а затем перекристаллизовать при осаждении сернокислым аммонием. Однако полученные вирусные кристаллы являются, повидимому, «живыми», так как они обладают способностью размножаться в растениях, которым были введены следы вируса. Количество вируса может при этом за 4 дня увеличиться примерно в 1 000 000 раз по сравнению с тем количеством, которое было введено [112].

Как и следовало ожидать, сообщение о том, что кристаллические препараты способны размножаться, вызвало очень большой интерес всех биологов и химиков. Способность кристаллизоваться всегда рассматривалась как свойство неживой материи, например минералов, и ее связывали с ригидной, лишенной способности изменяться структурой. Поскольку жизнь подразумевает непрерывное изменение состава и структуры, способность кристаллизоваться казалась несовместимой со всеми представлениями относительно природы живого вещества.

Не следует забывать, однако, что кристаллическая форма означает, в сущности, не что иное, как регулярное повторение структурных элементов. Если большое число мелких структурных элементов, имеющих одни и те же размеры и форму, агрегируется, образуя правильную трехмерную пространственную решетку из идентичных частичек, то эта решетка будет нашему глазу представляться в виде кристалла, даже если внутри каждой частицы будет происходить непрерывное перераспределение атомов и молекул. Это относится и к неорганическим кристаллам. При помощи инфракрасной спектроскопии и других физикохимических методов было показано, что многие молекулярные группы этих кристаллов совершают непрерывные колебательные движения.

Изучение вирусов имеет большое значение для разрешения проблемы биосинтеза белка. На это указывает тог факт, что все, даже самые простые, вирусы содержат белок и нуклеиновые кислоты [113]. Низшие вирусы содержат только рибонуклеиновую кислоту, в состав же высших вирусов входит и дезоксирибонуклеиновая кислота. Высокое содержание нуклеиновых кислот в вирусах дает основание считать, что значительная часть их белков представляет собой кислые нуклеопротеиды. В области pH, лежащей между изоэлектрическими точками белков и нуклеиновых кислот, они могут соединяться с сывороточным альбумином и другими белками, образуя нерастворимые при низкой ионной силе мезоморфные волокна [114].

Форма и структура вирусных частиц определяются в основном входящими в их состав белками, а не нуклеиновыми кислотами, так как последние можно отщепить соответствующими ферментами, не нарушая ни формы, ни структуры частиц [115]. При этом, однако, под действием нуклеаз теряется активность вирусов и их способность к размножению.

Способность вируса кристаллизоваться не нарушается при потере нуклеинового компонента. Желтый мозаичный вирус турнепса можно получить в кристаллической форме как до, так и после отщепления нуклеиновой кислоты [116].

Исследование вирусных частиц в поляризованном ультрафиолетовом свете показало, что плоскости всех пуриновых колец нуклеиновой кислоты параллельны друг другу и расположены перпендикулярно по отношению к центральной оси удлиненных частиц [117].

Величина молекулярного веса вирусных частиц табачной мозаики близка к 50 000 000 [118]. Реальность этой высокой цифры, определенной при помощи ультрацентрифугирования, была подтверждена исследованием двойного лучепреломления в потоке и электронной микроскопией. Сходные величины были найдены и для других типов вирусов. Молекулярный вес вируса папилемы кролика равен примерно 20 000 000 [119], а молекулярный вес бактериофага, выделенного из стафилококков, составляет 300 000 000 [120].

При помощи электронной микрографии было установлено, что частицы вируса табачной мозаики имеют форму удлиненных палочек толщиной 15 mμ и длиной 300 mμ[121]. Диаметр частиц вируса гриппа равен приблизительно 100—210 ту [122]. В концентрированных растворах мочевины вирус табачной мозаики распадается на частицы, имеющие молекулярный вес 100 000 [123]. Дезинтеграцию вирусного белка можно вызвать также обработкой додецилсульфатом натрия [124].

Размер и диаметр вирусных частиц варьируют в широких пределах; мельчайшие вирусы, такие, как, например, вирусы ящура, имеют диаметр около 10 ту, тогда как диаметр наиболее крупных вирусных частиц, например частиц вируса пситтакоза, достигает в среднем 275 mμ [118].

Крупные вирусы могут по величине превосходить маленькие бактерии. Только растительные вирусы образуют кристаллы палочковидной формы. Животные вирусы не удалось получить в кристаллической форме.

Химический состав вирусов с мелкими частицами отличается простотой; они содержат белки и нуклеиновую кислоту, но почти лишены свободных углеводов и липидов. Большие же вирусные частицы имеют значительно более сложный состав и включают не только липиды, но также и различные ферменты [125]. При анализе Т-2 бактериофага Escherichia coli было найдено, что он содержит 51% белка, 5—6% липидов и 40% нуклеиновой кислоты; в состав нуклеиновой кислоты входит 1/6 рибонуклеиновой кислоты и ⁵/₆ дезоксирибонуклеиновой кислоты [126].

При анализе аминокислотного состава белков Т-4 бактериофага Е. coli был установлен крайне интересный факт, состоящий в том, что аминокислотный состав этого вирусного белка почти идентичен аминокислотному составу белков самих кишечных бактерий [127]. Это удивительное сходство аминокислотного набора заставляет думать, что вирусный белок образуется путем перегруппировки аминокислот хозяина и что превращение белка хозяина в вирусный белок может не сопровождаться дезаминированием или другими процессами глубокого распада аминокислот. Однако, с другой стороны, было показано, что N¹⁵H₃, добавленный к среде, на которой происходит размножение указанного вируса, проникает в вирус, тогда как бактериальный азот вирусом не используется [128]. Это как будто дает основание считать, что вирусный белок бактериофага образуется за счет веществ, находящихся в питательной среде, а не за счет бактериального белка. Однако опыты с радиоактивным фосфором показали, что около 75% входящего в состав данного вируса фосфора состоит из радиоактивного фосфора среды, а для построения остальных 25% используется бактериальный фосфор. Очень трудно интерпретировать эти разноречивые данные. Не исключена возможность того, что бактерия-хозяин доставляет ферменты, необходимые для синтеза белков вируса [128].

Малая величина, кристаллическая форма и способность к размножению делают вирусы одним из наиболее интересных объектов биологических изысканий. Если считать вирусы действительно живыми образованиями, то необходимо признать, что они являются самыми простыми из всех живых существ. Впрочем, являются ли они действительно живыми? В настоящий момент на этот имеющий первостепенную важность вопрос нельзя еще дать удовлетворительного ответа, несмотря на то, что в обсуждении проблемы принимают участие крупнейшие специалисты. Наиболее важное различие между вирусами и другими живыми существами, например бактериями, состоит в том, что вирусы размножаются только в живых клетках.

Присутствие живых клеток хозяина является необходимой предпосылкой для роста вирусов. Мертвая ткань представляет для вирусов барьер, через который размножающиеся вирусы проникнуть не могут [131]. К сожалению, мы до сих пор незнаем причины этого явления. Возможно, что оно в какой-то степени связано с особенностями поверхностей структурных элементов клеток хозяина. Повидимому, вирусы не могут жить в гомогенных растворах, и для их существования необходимо, чтобы они соприкасались друг с другом «конец с концом» или же находились в соприкосновении со структурными элементами клеток хозяина [129].

Поскольку вирусы могут быть перекристаллизованы тем же путем, что и типичные белки, многие исследователи рассматривают вирусные частицы как отдельные молекулы и вес этих частиц, определенный при помощи ультрацентрифугирования или электронной микроскопии, называют молекулярным весом. Однако частицы выделенного вируса имеют не совсем одинаковые размеры, и найденный молекулярный вес является средней величиной. Впрочем, вряд ли вообще мы имеем право называть вирусные частицы молекулами [130].

Размножение вирусов имеет некоторое сходство с процессом аутокаталитического превращения профермента в фермент. Ничтожные количества трипсина в состоянии превратить значительное количество трипсиногена в трипсин; точно так же для превращения большого количества пепсиногена в пепсин достаточно добавления следов пепсина [156]. Можно провести аналогию между ростом вирусов и активацией ферментов, сказав, что увеличение количества трипсина, наблюдаемое при внесении следов трипсина в раствор трипсиногена, является результатом размножения трипсина. С другой стороны, белок животного хозяина можно назвать провирусом и рассматривать размножение вируса как процесс превращения провируса в вирус [131, 156].

Очевидно, что с одинаковым основанием мы можем назвать вирус и «живым» и «неживым» [129]. Необходимо признать, что в настоящий момент нет никакого критерия для однозначного решения этой важнейшей проблемы.