Общая микробиология - Шлегель Г. 1987

Вирусы: распространение и структура
Вирусы

Строение вирусов. Вирусная частица, называемая также вирионом, состоит из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), окруженной белковой оболочкой. Эту оболочку называют капсидом. Такая единица (капсид + нуклеиновая кислота = нуклеокапсид) может быть «голой», а в других случаях окружена оболочкой (рис. 4.2 и 4.3). Голыми нуклеокапсидами являются, например, частицы вируса табачной мозаики, вируса, вызывающего бородавки, и аденовируса. Дополнительная оболочка окружает вирусы гриппа и герпеса.

Капсид в свою очередь состоит из субъединиц - капсомеров. Он чаще всего имеет симметричное строение. Различают два вида симметрии - спиральную и кубическую. В табл. 4.1 различные вирусы сгруппированы по их структуре. Ниже будут рассмотрены четыре вируса, которые известны как возбудители болезней: два вируса со спиральной симметрией, из них один с голыми частицами (вирус табачной мозаики) и один с дополнительной оболочкой (вирус гриппа), и два типа вирусов с кубической симметрией - с голыми частицами (вирус полиомиелита и другие полиэдрические вирусы) и с оболочкой (вирус герпеса).

Рис. 4.2. Форма и величина частиц (вирионов) некоторых вирусов. Б - эллиптическое белковое тельце; О - оболочка.

Рис. 4.3. Структурные типы вирусных частиц. Изображены четыре формы: две со спиральной симметрией и две с кубической симметрией (в обоих случаях один вирион «голый» и один - с оболочкой).

Таблица 4.1. Морфологические классы вирусов

Рис. 4.4. Вирус табачной мозаики. А. Электронная микрофотография после косого напыления углеродом и платиной; 65 000 х. (Фото Н. Frank.) Б. Модель. (Karlson, Kurzes Lehrbuch der Biochemie, Stuttgart, Thieme, 1980.)

Вирус табачной мозаики. Это типичный пример вируса со спиральной симметрией. Его легко выделить из выжатого сока зараженных растений. Частицы представляют собой палочки толщиной 18 нм (рис. 4.4, А). Этот палочковидный нуклеокапсид состоит примерно из 2100 капсомеров. Они расположены по винтовой линии и образуют полый цилиндр. Каждый капсомер состоит из одной полипептидной цепи (158 аминокислот, последовательность которых определена). В стенке полого цилиндра между капсомерами помещается цепь РНК, которая тоже идет по винтовой линии (рис. 4.4, Б).

Вирус гриппа. Частицы вируса гриппа имеют диаметр 110 нм (рис. 4.5, А). Нуклеокапсид, как и у вируса табачной мозаики, имеет спиральное строение, но он не палочковидный, а многократно закрученный (рис. 4.5, Б). Нуклеокапсид окружен оболочкой - фрагментом мембраны клетки-хозяина, из которой вышел вирион. Оболочка имеет на своей наружной стороне шипы, которые служат для адсорбции вириона на поверхности новой клетки-хозяина и содержат мукопротеины и фермент нейраминидазу. Этот фермент отщепляет от мукопротеинов инфицируемой клетки один компонент-N-ацетилнейраминовую кислоту-и, по-видимому, играет определенную роль в разжижении слизи, покрывающей эпителиальные клетки носоглотки. Размножение вируса происходит внутри клеток. Освобождение вириона напоминает процесс почкования; при этом наружная оболочка вирусной частицы образуется из мембраны клетки-хозяина, которая может быть модифицирована добавлением белков вирусного происхождения (например, нейраминидазы).

Рис. 4.5. Различные вирусы, патогенные для животных. А. Вирус гриппа А2. Б. Нуклеокапсид вируса гриппа А2; в частицу с лопнувшей оболочкой проникло контрастирующее вещество - фосфорновольфрамовая кислота, и нуклеокапсид стал видимым. В. Аденовирус; видно, что его частицы имеют икосаэдрическую форму. Г. Вирус SV40. Этот опухолевый вирус значительно меньше по величине, чем аденовирус. Он тоже имеет икосаэдрическую форму, но кажется сферическим. Д. ДНК вируса SV40; ее двухцепочечные кольцевые молекулы имеют длину контура примерно 1,6 мкм (справа и слева видны концы разорванных колец). А-Г: 250000 х, негативный контраст (фосфорновольфрамовая кислота; Д: 65 000 х. (Фото А, Б, Г, Д-Н. Frank, В-Н. Gelderblom, Мах-Planck-Institut für Virusforschung, Tübingen.)

Существует много различных разновидностей вируса гриппа. Какую именно ткань будет поражать вирус, зависит от специфичности вируса по отношению к клеткам-хозяевам и от рецепторных свойств клеток. Вирус может вызвать нарушение клеточного метаболизма или даже гибель клетки. Кроме того, он действует как антиген и стимулирует образование антител в организме хозяина. Вирусы, ответственные за большие эпидемии гриппа, отличаются друг от друга по своей вирулентности и патогенности.

Полиэдрические вирусы без наружной оболочки. Многие вирусы, кажущиеся сферическими, на самом деле имеют форму многогранника. Чаще всего это икосаэдр (двадцатигранник) - тело, ограниченное 20 равносторонними треугольниками и имеющее 12 вершин (рис. 4.5, В и 4.6). Капсид икосаэдрического вируса состоит из капсомеров двух типов: в вершинах располагаются пептоны, состоящие из пяти белковых мономеров (протомеров); остальную поверхность граней и рёбра образуют гексоны, состоящие из шести протомеров. Построение капсида из капсомеров следует законам кристаллографии; в соответствии с этим наименьший икосаэдрический капсид должен состоять из 12 пентонов, следующий по величине - из 12 пентонов и 20 гексонов. Существуют вирусы из 252 и даже 812 капсомеров.

Рис. 4.6. Возможные структурные элементы капсида икосаэдрических вирусов. Изображены капсомеры двух типов: гексагональный (гексон) и пентагональный (пентон); первый состоит из шести, второй - из пяти протомеров, каждый из которых в свою очередь состоит из одной или из двух полипептидных цепей. Справа - икосаэдр, состоящий из 12 пентонов и 30 гексонов, т. е. 42 капсомеров.

По принципу икосаэдра построено очень много вирусов: вирусы полиомиелита, ящура, аденовирусы (рис. 4.5, и онкогенный вирус SV40 (рис. 4.5, Г).

То, что вирусный капсид состоит из большого числа идентичных субъединиц, станет понятным, если мы учтем, что масса нуклеиновой кислоты у многих вирусов очень невелика; цепи ДНК или РНК так коротки, что содержащейся в них информации хватает для кодирования лишь немногих полипептидных цепей, большая часть которых выполняет ферментативные функции при репродукции вируса внутри клетки-хозяина. Принцип построения капсида из множества идентичных субъединиц гарантирует максимальный эффект при минимуме генетического материала.

Полиэдрические вирусы с наружной оболочкой. Икосаэдр, окруженный оболочкой, - такова форма возбудителей ветряной оспы, опоясывающего лишая и простого герпеса.

Икосаэдрический капсид вируса герпеса состоит из 162 капсомеров. Наружная оболочка, несомненно, образуется из внутренней ядерной мембраны клетки-хозяина. Вирусы герпеса размножаются в ядрах клеток; капсиды новых вирусных частиц одеваются оболочкой из ядерной мембраны, «отпочковываются» от ядра и выводятся наружу по системе эндоплазматического ретикулума.

Ветряная оспа - относительно легкая детская болезнь. Вирус инфицирует верхние дыхательные пути, разносится кровью по всему телу и, закрепляясь в коже, в конечном счете вызывает здесь образование пузырьков. Опоясывающий лишай возникает у частично иммунных лиц; он появляется в результате реактивации вируса ветряной оспы. Таким образом, оба заболевания вызываются одним и тем же вирусом.

Вирусы оспы. Вирусы оспы - наиболее крупные из зоопатогенных вирусов. Их частицы устроены совсем не так, как у вирусов четырех представленных выше типов. Они содержат ДНК, белок и несколько липидов, из-за чего их иногда называют комплексными вирионами (табл. 4.1). Частицы вирусов натуральной оспы (variola) и коровьей оспы (vaccinia) имеют вид округленных блоков. Они состоят из внутреннего тельца, содержащего двухцепочечную ДНК, двойного слоя, содержащего белок, эллиптических белковых телец и наружной мембраны; частицу обвивают плотно прилегающие к ней нити. Эти вирусные частицы очень устойчивы к высыханию и поэтому чрезвычайно инфекционны. Натуральной оспой могут заболевать только люди и обезьяны. Вирусом коровьей оспы могут заражаться также коровы, кролики и овцы. Оба вируса имеют общие антигены. Поэтому людям профилактически прививают вирус коровьей оспы, который получают от коров и который у человека вызывает весьма слабые симптомы болезни. Такая активная вакцинация приводит к образованию антител, которые обусловливают иммунитет также и к натуральной оспе.