Ученые из Южного федерального университета (ЮФУ) выяснили, что структуры некоторых вирусных оболочек напоминают структуры кристаллов. От устройства оболочки вируса зависит то, может ли он инфицировать клетку-хозяина, поэтому понимание особенностей структуры вирусных оболочек позволит ученым помешать процессу инфицирования. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликованы в журналах JPCM и Nanoscale .
«Очень важно исследовать и понимать особенности структуры вирусных оболочек. Вирусная оболочка содержит внутри геном, который с помощью этой оболочки проникнет в клетку-хозяина, если лекарственная терапия не нарушит какую-то из стадий этого процесса», - сообщил соавтор исследования и руководитель гранта РНФ, профессор кафедры нанотехнологий физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль.
Внешняя оболочка вируса состоит из белков и отличается различными размерами и формой. Чаще всего сферическая по форме внешняя оболочка обладает кубическим (икосаэдрическим) типом симметрии. В этом случае белки организуются в икосаэдр. Икосаэдр имеет 20 треугольных граней, 12 вершин и обладает осями симметрии второго, третьего и пятого порядка. Ось симметрии - один из элементов симметрии кристаллов - это воображаемая прямая, при повороте вокруг которой на один и тот же угол равные части геометрической фигуры совмещаются. Таким образом, при каждом повороте на 180°, 120°, 72° грани у кристалла могут совместиться два, три и пять раз. Небольшим вирусам для построения сферы с такой симметрией необходимо менее 60 белков, самособирающихся таким образом, что вирусная оболочка принимает структуру кристалла.
Коллаж, составленный из структур и моделей вирусных оболочек
Сергей Рошаль
Для анализа структуры сферических вирусных оболочек ученые используют развертку сфер (развернутую на плоскости поверхность геометрического тела). Исследователи рассмотрели крупные вирусные оболочки, содержащие более 60 белков не в рамках привычной развертки икосаэдра, а развертки додекаэдра (правильного многогранника, состоящего из 12 равносторонних пятиугольников). Как оказалось, закономерность расположения соседних белков в оболочках больших вирусов хорошо совместима с додекаэдрической разверткой. Белки вынуждены занимать такое положение, что вирусная оболочка принимает структуру квазикристалла. Квазикристаллы могут обладать симметрией не только 5, 3, 2 порядка (икосаэдрической), но и 10, 12, 14, 18, 20 порядка.
«Главный вывод заключается в том, что симметрия, ставшая в XX веке фундаментальным базисом для исследования неживой природы, оказывается чрезвычайно важной для понимания процессов самосборки вирусов, занимающих таинственную область между живой и неживой природой. Мы выяснили, что вирусные оболочки гораздо ближе к кристаллам и к квазикристаллам, чем это считалось ранее», - заключил Сергей Рошаль.
Результаты исследования помогут найти средства для антивирусной терапии еще на стадии сборки вируса.
Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@сайт.
Вирусы - неклеточная форма жизни
Открытие вирусов
1892 г. - Д. И. Ивановский открыл вирус табачной мозаики.
1897 г. - М. В. Бейеринк ввел термин «вирус» - «живое флуидное заразное начало».
1917 г. Ф. Д’Эрелль открыл бактериофаг (вирус бактерий).
Происхождение вирусов
Особенности вирусов
Строение вирусов
Вирус содержит фрагмент молекулы ДНК или РНК (сердцевина), не связанный с белками, спирально закрученный или свернутый в клубок, заключенный в белковую оболочку - капсид. Капсид состоит из повторяющихся субъединиц - капсомеров. Некоторые вирусы (гриппа, герпеса) имеют липопротеидную оболочку, образованную из плазматической мембраны клетки-хозяина.
Бактериофаг (вирус бактерий)
Бактериофаг состоит из белковой головки, которая содержит генетический аппарат (вирусную ДНК), шейки, хвоста, базальной пластинки и хвостовых нитей (отростков). Хвостовые нити контактируют с рецепторными участками на поверхности бактериальной клетки и закрепляют бактериофаг. Базальная пластинка хвоста содержит фермент, который разрушает бактериальную клеточную стенку, это обеспечивает проникновение ДНК вируса внутрь. ДНК вируса впрыскивается в клетку бактерии по хвостовому каналу и встраивается в ДНК бактерии, подавляя при этом синтез белков бактерии.
Форма вирусов
Многогранная в виде икосаэдра (вирус полиомиелита), додекаэдра (вирус герпеса), палочковидная или нитевидная (вирус табачной мозаики), булавовидная (бактериофаги), округлая (вирус гриппа).
Жизнедеятельность вирусов
У вирусов процессы жизнедеятельности проявляются только при попадании в клетку-хозяина. Проникнув в клетку, вирус начинает синтез своих белков и репликацию вирусной ДНК, при этом использует рибосомы, тРНК и ферменты клетки-хозяина. Вирусные частицы размножаются и вызывают гибель клетки-хозяина (литический цикл). Если генетический аппарат вируса представлен РНК, то вначале идет процесс обратной транскрипции (синтез ДНК на матрице РНК), а далее - как у ДНК-содержащих вирусов.
Разновидности вирусов
Действие вируса на клетку
Значение вирусов
Типы вирусных инфекций
ВИЧ (вирус иммунодефицита человека)
ВИЧ вызывает СПИД (синдром приобретенного иммунодефицита). ВИЧ - ретровирус округлой формы диаметром 100-120 нм. Генетический аппарат представлен двумя нитями молекулы РНК. Наружная мембрана белково-липидная, пронизана собственными белками вируса. Клетками-мишенями являются клетки крови и мозга человека: Т-лимфоциты, В-лимфоциты, моноциты, нейроны, клетки нейроглии, а также клетки слизистой оболочки кишечника, плацента и др. В первую очередь ВИЧ поражает Т-лимфоциты, которые обеспечивают иммунитет. ВИЧ очень быстро видоизменяется. Пораженные лимфоциты перестают узнавать чужеродные бактерии, аномальные клетки и вырабатывать антитела. Организм поражают вторичные инфекции (пневмония, гепатит, диарея и др.), могут возникнуть опухоли. ВИЧ выделен практически из всех физиологических жидкостей организма (плазма крови, семенная жидкость, слюна, материнское молоко, спинномозговая жидкость, слезная жидкость).
Пути передачи ВИЧ:
Кириленко А. А. Биология. ЕГЭ. Раздел «Молекулярная биология». Теория, тренировочные задания. 2017.
КРИСТАЛЛЫ ВИРУСОВ
1) кристаллоподобные образования, представляющие собой скопления вирионов в клетках, инфицированных некоторыми вирусами; 2) высокоочищенный препарат вируса; каждый К. в. состоит из множества вирионов.
Медицинские термины. 2012
Существует множество инфекционных заболеваний человека, животных и растений, возбудители которых невидимы в микроскопе. Еще Л. Пастер предположил, что причиной таких заболеваний являются особые микроорганизмы, размеры которых много меньше размеров бактерий. На существование таких мельчайших микроорганизмов указывал и Н. Ф. Гамалея. Вопрос о существовании невидимых в микроскоп возбудителей болезней был окончательно разрешен в 1892 г. русским ученым Д. И. Ивановским.
Вирусы свободно проходят через бактериальные фильтры, поры которых чрезвычайно мелки и не пропускают обычных бактерий. Эти микроорганизмы поэтому названы фильтрующимися вирусами.
Размер некоторых вирусов всего в несколько раз превышает размер крупных белковых молекул. Исчисляется он в нанометрах. Например, частицы вируса ящура имеют размеры 8-12 нм. Это наиболее мелкие вирусы. К вирусам средних размеров относятся вирусы гриппа (80-120 нм), бешенства (100- 150 нм). Одним из наиболее крупных является вирус натуральной оспы, частицы которого имеют размер 120-200 нм. Вирусы различимы лишь с помощью электронных микроскопов, дающих увеличение в десятки тысяч раз. Они не имеют клеточной структуры- нет цитоплазмы, ядра, ферментативной и энергетической систем. Вирусные частицы разных возбудителей имеют определенную форму - шарообразную, палочковидную, прямоугольную, нитевидную и др. (рис. 10). В некоторых условиях вирусы способны кристаллизоваться.
Вирусы состоят в основном из белка и нуклеиновой кислоты: ДНК- в вирусах животных и человека и РНК -в вирусах растений: Из белка построена одно-двухслойная оболочка, в которой заключена ДНК или РНК.
Вирусы, вызывая заболевания человека, растений (табачная мозаика, карликовость томатов, парша картофеля и др.) и животных, наносят громадный ущерб народному хозяйству. Устойчивость вирусов к некоторым внешним воздействиям, например высокой температуре, не очень высока. Практически все они гибнут при непродолжительном кипячении. Высушивание при низких температурах они переносят легко, однако быстро инактивируются под действием ультрафиолетовых лучей, особенно с длиной волны 260 нм, ионизирующей радиации.
Бактериофаг действует на живые, растущие, активно размножающиеся бактерии. Мертвые бактериальные клетки бактериофаг не растворяет. В некоторых случаях бактерии, оставшиеся живыми в присутствии бактериофага, приобретают устойчивость к нему - фагорезистентность.
Явление бактериофагии нередко наблюдается на пищевых производствах, связанных с использованием микроорганизмов. Фаги растворяют микробов, участвующих в технологических процессах (брожении, сквашивании), нанося этим ущерб производству.
В основу классификации вирусов положены особенности строения, тип и процентное содержание нуклеиновой кислоты, число нитей ДНК или РНК, относительная молекулярная масса.
Все вирусы делят на две группы: ДНК-содержащие; РНК-содержащие. Первая группа содержит пять семейств, вторая - десять.
В 1932 году молодому американскому биохимику Вендиллу Стэнли предложили заняться вирусами. Стэнли начал с того, что отжал бутыль сока из тонны листьев табака, пораженных вирусом табачной мозаики. Он начал исследовать сок доступными ему химическими методами. Разные фракции сока он подвергал воздействию всевозможных реактивов, надеясь получить чистый вирусный белок (Стэнли был убеждён, что вирус - это белок). Однажды, Стэнли получил почти чистую фракцию белка, отличавшегося по своему составу от белков растительных клеток. Учёный понял, что перед ним то, чего он так упорно добивался. Стэнли выделил необыкновенный белок, растворил его в воде и поставил раствор в холодильник. Наутро в колбе вместо прозрачной жидкости лежали красивые шелковистые игольчатые кристаллы. Из тонны листьев Стэнли добыл столовую ложку таких кристаллов. Затем Стэнли отсыпал немного кристалликов, растворил их в воде, смочил этой водой марлю и ею натёр листья здоровых растений. Сок растений подвергся целому комплексу химических воздействий. После такой "массированной обработки" вирусы, скорее всего, должны были погибнуть.
Натёртые листья заболели. Итак, странные свойства вируса пополнились ещё одним - способностью кристаллизироваться.
Эффект кристаллизации был настолько ошеломляющим, что Стенли надолго отказался от мысли, что вирус - это существо. Так как все ферменты - белки, и количество многих ферментов также увеличивается по мере развития организма, и они могут кристаллизироваться, Стэнли заключил, что вирусы - чистые белки, скорее ферменты.
Вскоре учёные убедились, что кристаллизировать можно не только вирус табачной мозаики, но и ряд других вирусов.
Спустя пять лет английские биохимики Ф. Боуден и Н. Пири нашли ошибку в определении Стенли.94% содержимого вируса табачной мозаики состояло из белка, а 6% представляло собой нуклеиновую кислоту. Вирус был на самом деле не белком, а нуклеопротеином - соединением белка и нуклеиновой кислоты.
Как только биологам стали доступны электронные микроскопы, учёные установили, что кристаллы вирусов состоят из тесно прижатых друг к другу нескольких сотен миллиардов частиц. В одном кристалле вируса полиомиелита столько частиц, что ими можно заразить не по одному разу всех жителей Земли. Когда же удалось рассмотреть в электронном микроскопе отдельные вирусные частицы, то оказалось что они бывают разной формы но всегда наружная оболочка вирусов состоит из белка, которые отличаются у разных вирусов, что позволяет распознавать их с помощью иммунологических реакций, а внутреннее содержимое представлено нуклеиновой кислотой, которая является единицей наследственности.
Самые крупные вирусы (вирусы оспы) приближаются по размерам к небольшим бактериям, самые мелкие (возбудители энцефалита, полиомиелита, ящура) - к крупным белковым молекулам. Иными словами, среди вирусов есть свои великаны и карлики. (см. Приложение 3) Для измерения вирусов используют условную величину, называемую нанометром (нм). Один нм составляет миллионную долю миллиметра. Размеры разных вирусов варьируют от 20 до 300 нм.
Итак, вирусы состоят из нескольких компонентов: (см. Приложение 1)
сердцевина - генетический материал (ДНК или РНК). Генетический аппарат вируса несет информацию о нескольких типах белков, которые необходимы для образования нового вируса.
белковая оболочка, которую называют капсидом. Оболочка часто построена из идентичных повторяющихся субъединиц - капсомеров. Капсомеры образуют структуры с высокой степенью симметрии.
Дополнительная липопротеидная оболочка. Она образована из плазматической мембраны клетки-хозяина. Она встречается только у сравнительно больших вирусов (грипп, герпес). Эта наружная оболочка является фрагментом ядерной или цитоплазматической мембраны клетки-хозяина, из которой вирус выходит во внеклеточную среду. Иногда в наружных оболочках сложных вирусов помимо белков содержатся углеводы, например у возбудителей гриппа и герпеса.
Каждый компонент вирионов имеет определённые функции: белковая оболочка защищает их от неблагоприятных воздействий, нуклеиновая кислота отвечает за наследственные и инфекционные свойства и играет ведущую роль в изменчивости вирусов, а ферменты участвуют в их размножении.
Более сложные по структуре вирусы, кроме белков и нуклеиновых кислот, содержат углеводы, липиды. Для каждой группы вирусов характерен свой набор белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Некоторые вирусы содержат в своём составе ферменты.
В отличие от обычных живых клеток вирусы не употребляют пищи и не вырабатывают энергии. Они не способны размножаются без участия живой клетки. Вирус начинает размножаться лишь после того, как он проникнет в клетку определенного типа. Вирус полиомиелита, например, может жить только в нервных клетках человека или таких высокоорганизованных животных, как обезьяны. Бурдина К.С., Пархоменко И.М. «От молекулы до человека», стр. 26
Немного другое строение у вирусов бактерий (см. Приложение 2).
