Структура вириона

«Вирион» - термин обозначающий внекле­точный вирусный индивидуум (вирусную частицу). Преобладающая в кол. Отношении часть вириона белок, основная роль которого в формировании защитного чехла для НК.

По строению вирусы можно разделить на четыре типа, которые различаются по характеру упаковки морфологических субъединиц:

1. вирусы со спиральной симметрией;

2. изометрические вирусы с кубической симметрией;

3. вирусы с бинарной симметрией, например фаги: у них головка имеет кубиче­ский тип симметрии, а хвостик — спиральный;

4. более сложно организованные вирусы, имеющие вторую оболочку.

Молекулы НК могут быть упакованы в вирионе двумя способами, что приводит к двум типам структур 1) палочковидных или нитевидных, 2)сферических или изометрических.

При 1-м типе белковые субъединицы связываются с НК, располагаясь вдоль нее периодическим образом так, что НК сворачивается в спираль. (ВТМ, миксо, парамиксо, рабдовирусы.

При 2-м , изометрическом типе НК уложена так, что ее упаковка не связана геометрически с организацией оболочки. Формирование вирионов подчиняется строгим математичес­ким законам построения пространственных структур — от кристаллов до архитектурных сооружений — законам, основанным на образовании структур с наименьшим уровнем свободной энергии. Поэтому понятие «структура вирионов» заменено более точным определением «архи­тектура вирионов», которое и укоренилось в вирусологии.

Оболочка, в которую упакована геномная нуклеиновая кислота, называется капсидом (греч. сарsа — ящик).

Существует всего два способа упаковки одинаковых бел­ковых молекул в капсид, при которых он обладал бы стабильностью. Полимер будет стабильным, если он соответствует наименьшему уровню свободной энергии. Про­цесс образования такого полимера родствен процессу кристаллизации, он протекает по типу самосборки. Один из вариантов такой самосборки происходит с использова­нием спиральной симметрии, другой — кубической симметрии.

При спиральной симметрии (ее имеют нитевидные вирусы) белковые субъеди­ницы располагаются по спирали, а между ними, также по спирали, уложена геном­ная нуклеиновая кислота. При спиральной симметрии белковый чехол лучше защищает геномную нук­леиновую кислоту, но при этом требуется большее количество белка, чем при ку­бической симметрии. Большинство вирусов с замкнутым чехлом обладает куби­ческой симметрией. В ее основе лежат различные комбинации равносторонних треугольников, образующихся из сочетания шаровидных белковых субъединиц. Сочетаясь определенным образом друг с другом, они могут формировать замкну­тую сферическую поверхность. Из различных сочетаний равносторонних тре­угольников, которые образуют общую вершину и общую ось симметрии, могут возникать различные варианты многогранников: тетраэдры, октаэдры и икосаэд­ры. Икосаэдры имеют 20 граней (каждая представляет равносторонний треуголь­ник), 12 вершин и пятикратную тройную и двойную оси вращательной симметрии.

Икосаэдры — самая эффективная и экономичная симметрия для формирования замкнутого чехла, так как в этом случае при его сборке использу­ются строительные белки минимального размера и обеспечивается наибольший внутренний объем вириона. Видимо, поэтому сферические вирусы животных ча­ще всего имеют форму икосаэдра.

Спиральные вирусы Сферические вирусы

Самосборка происходит одним способом. Возможны варианты самосборки.

1. Взаимодействие между нуклеиновой Взаимодействие между НК кислотой (НК) и белком максимальное. и белком слабое.

2. Площадь поверхности вириона большая. Площадь поверхности вириона

3. Освобождение НК невозможно без разру- минимальна.

шения вириона. Освобождение НК возможно без

разрушения вириона.

Более сложно устроены вирусы, у которых имеется вторая оболочка. Вначале она получила название «пеплоса» (накидка греческих солдат). Позднее ее стали называть суперкапсидом. Он представляет собой обычную биологическую мем­брану, состоящую из двух слоев липидов, имеющих клеточное происхождение, и заключенных в них гликозилированных суперкапсидных вирусных белков, кото­рые выступают над наружной поверхностью вириона в виде своеобразных шипов (рис. 85, 91). Суперкапсидные вирусные белки, образующие шипы, обладают жиз­ненно важными для вируса функциями: они распознают клеточные рецепторы и связываются с ними, обеспечивают слияние вирусной мембраны с мембраной клетки и ее лизосом, способствуют распространению вируса в организме за счет слияния клеток, многие из них обладают свойствами протективных антигенов и т. д. Многие сложные вирусы, такие как ортомиксовирусы, парамиксовирусы, ко-ронавирусы и др., устроены таким образом, что их нуклеокапсид, имеющий палоч­ковидную спиральную структуру, свернутую определенным образом, окружен су-перкапсидной липопротеиновой оболочкой, придающей вириону сферическую форму (см. рис. 85). Вирионы рабдовирусов содержат спиральный нуклеокапсид, образующий цилиндрическую структуру, покрытую липидсодержащим суперкап­сидом, который придает вириону пулевидную форму (рис. 78, 8). У других виру­сов, например у тогавирусов, нуклеокапсид имеет форму икосаэдра, который окру­жен суперкапсидной оболочкой, придающей вириону шаровидную форму. Вирион ретровирусов имеет икосаэдрический капсид, внутри которого располагается спи­ральный нуклеокапсид, а сам вирион покрыт липидсодержащей оболочкой, при­дающей ему сферическую форму.

Капсиды состоят из повторяющихся белковых субъединиц, каждая их которых образована одной или несколькими белковыми молекулами. Различают три уровня сложности:

1. Химические единицы – конечные генные продукты, т.е. полипептиды.

2. Структурные единицы - построены из одного или нескольких разных полипептидов, которые в совокупности образуют химически завершенный блок (VP1/2/3/4 у полиовируса).

3. Мрфологические единицы – структурные единицы, которые видны в электронный микрскоп в виде кластеров или выступов на поверхности частицы: капсомеры – на капсиде, пепломеры на липопотеидной оболочке.

Белки

В зараженной клетке вирусный геном кодирует синтез двух групп белков: 1) структурных, которые входят в со­став вирусных частиц потомства, и 2) неструктурных, которые обслуживают процесс внутриклеточной репродук­ции вируса на разных его этапах, но в состав вирусных частиц не входят.

Структурные белки. Количество структурных белков в составе вирусной частицы варьирует в широких пределах в зависимости от сложности организации вириона. Наибо­лее просто организованный вирус табачной мозаики со­держит всего один небольшой белок с молекулярной массой 17—18- 103, некоторые фаги содержат 2—3 белка, просто организованные вирусы животных — 3—4 белка. Сложно устроенные вирусы, такие как вирусы оспы, содержат более 30 структурных белков.

Структурные белки делятся на 2 группы:

1. капсидные белки, образующие капсид, т. е. футляр для нуклеиновой кислоты вируса (от лат. сарза — вме­стилище), и входящие в состав капсида геномные белки, и ферменты;

2. суперкапсидные белки, входящие в состав суперкап-сида, т. е. наружной вирусной оболочки.

Поскольку суперкапсид называют также «пеплос» эти белки называют пепломерами.

Просто организованные вирусы, представляющие собой нуклеокапсид, содержат только капсидные белки. Сложно организованные вирусы содержат капсидные и суперкапсидные белки.

Капсидные белки. Первоначальное представление о том, что капсидные белки являются всего лишь инерт­ной оболочкой для вирусной нуклеиновой кислоты, сложи­лось на основании изучения наиболее просто организо­ванного вируса табачной мозаики, частица которого со­стоит из одной молекулы РНК и одного типа белка, образующего чехол для РНК. Однако такое представление неправильно. Хотя основной функцией капсидных белков является функция защиты вирусного генома от неблаго­приятных воздействий внешней среды, у многих вирусов в составе капсида есть белки и с другими функциями. В составе капсида некоторых вирусов (пикорнавирусы, паповавирусы, аденовирусы) содержатся белки, ковалент-но связанные с вирусным геномом (геномные белки). Функции их неразрывно связаны с функциями генома и их регуля­цией.

У ряда сложно организованных вирусов в составе кап­сида имеются ферменты, осуществляющие транскрипцию и репликацию вирусного генома — РНК и ДНК (РНК-и ДНК-полимеразы), а также ферменты, модифицирую­щие концы иРНК.

Если ферменты и геномные белки представлены единичными молекулами, то капсидные бел­ки представлены множественными молекулами. Эти белки и формируют капсидную оболочку, в которую у сложно организованных вирусов вставлены молекулы белков с дру­гими функциями. Основным принципом строения капсидной оболочки вирусов является принцип субьединичности, т. е. построе­ние капсидной оболочки из субъединиц-капсомеров, обра­зованных идентичными полипептидными цепями. Сборка капсидной оболочки из субъединиц запрограммирована в первичной структуре белка и происходит самопроизвольно или при взаимо­действии с нуклеиновой кислотой.

Самосборка объясняется тем, что упорядоченная структура — капсид имеет наименьшую свободную энергию по сравнению с неупорядоченными белковыми молекулами. Принцип субъединичности в строении вирусного капси­да является универсальным. Благодаря этому достигается огромная экономия генетического материала. Если бы капсидная оболочка была построена из разных белков, то на кодирование ее потребовалась бы основная часть генетической информации, заложенной в вирусном геноме. В действительности на кодирование, например, одной полипептидной цепи вируса табачной мозаики, расходуется менее 10% генома. В меха­низме самосборки заложена возможность контроля за полноценностью вирусных полипептидов: дефектные и чу­жеродные полипептидные цепи при таком способе сборки вирионов будут автоматически отбрасываться. Способность к самосборке в пробирке и в зараженной клетке характерна только для простых виру­сов.

Сборка сложно организованных вирусов является го­раздо более сложным многоступенчатым процессом, хотя отдельные ее этапы, например формирование капсидов и нуклеокапсидов, также основаны на самосборке.

Суперкапсидные белки.

Суперкапсидные белки, или пепломеры, располагаются в липопротеидной оболочке (суперкапсиде или пеплосе) сложно устроенных вирусов. Они либо пронизывают насквозь липидный бислой как, например, гликопротеиды альфа-вирусов (вируса леса Семлики), либо не доходят до внутренней поверхности. Эти белки являются типичны­ми внутримембранными белками и имеют много общего с клеточными мембранными белками. Как и последние, суперкапсидные белки обычно гликозилированы. Углевод­ные цепочки прикреплены к молекуле полипептида в опре­деленных участках. Гликозилирование осуществляют кле­точные ферменты, поэтому один и тот же вирус, проду­цируемый разными видами клеток, может иметь разные у углеводные остатки: может варьировать как состав угле­водов, так и длина углеводной цепочки и место прикреп­ления ее к полипептидному остову.

У большинства вирусов гликопротеиды формируют «шипы» на поверхности вирусной частицы, длина которых достигает 7—10 им. Шипы представляют собой морфоло­гические субъединицы, построенные из нескольких моле­кул одного и того же белка. Вирусы гриппа имеют два типа шипов, построенных соответственно из гемагглютини-на и нейраминидазы. Парамиксовирусы также имеют два типа шипов, построенных соответственно из двух глико-протеидов. Гликопротеиды состоят из наружной, гидрофильной части, и погру­женной в липидный бислой, гидрофобной части, которой полипетид «заякоривается» в липидном бислое.

«Адресная функция» вирусных белков. Вирусы вызывают инфекционный процесс у относительно небольшого круга хозяев. Вирус должен «узнать» чувст­вительную клетку, которая сможет обеспечить продукцию полноценного вирусного потомства. Если бы вирус прони­кал в любую клетку, которая встретилась на его пути, это привело бы к исчезновению вирусов в результате деструк­ции "«родительской» вирусной частицы и отсутствия вирус­ного потомства. В процессе эволюции у вирусов выраба­тывалась так называемая адресная функция, т. е. поиск чувствительного хозяина среди бесконечного числа нечув­ствительных клеток. Эта функция реализуется путем на­личия специальных белков на поверхности вирусной ча­стицы, которые узнают специфический рецептор на по­верхности чувствительной клетки.

Неструктурные белки. Неструктурные белки изучены гораздо хуже, чем структурные, поскольку их выделяют не из очищенных препаратов вирусов, а из зараженных клеток, и возникают трудности в их идентификации и очи­стке от клеточных белков.

К неструктурным белкам относятся:

1. предшественники вирусных белков, которые отлича­ются от других неструктурных белков нестабильностью в зараженной клетке в результате быстрого нарезания на структурные белки;

2. ферменты синтеза РНК и ДНК (РНК- и ДНК-26 полимеразы), обеспечивающие транскрипцию и реплика­цию вирусного генома белки-регуляторы;

3. ферменты, модифицирующие вирусные белки, на­пример протеиназы и протеинкиназы.

Однако многие неструктурные белки при ряде вирус­ных инфекций еще не идентифицированы и функции их не определены.

Липиды

Липиды обнаружены у сложно организованных виру­сов и в основном находятся в составе липопротеиднои оболочки (суперкапсида), формируя ее липидной бислой, в который вставлены суперкапсидные белки.

Липиды обнаружены у сложно организованных виру­сов и в основном находятся в составе липопротеиднои оболочки (суперкапсида), формируя ее липидной бислой, в который вставлены суперкапсидные белкиВсе сложно организованные РНК-содержащие вирусы имеют в своем составе значительное количество липидов (от 15 до 35% от сухого веса). Из ДНК-содержащих вирусов липиды содержат вирусы оспы, герпеса и гепа­тита В (табл. 5). Примерно 50—60% липидов в составе вирусов представлено фосфолипидами, 20—30% состав­ляет холестерин. Лигшдный компонент стабилизирует структуру вирус­ной частицы. Экстракция липидов органическими раст­ворителями, обработка вирусной частицы детергентами или липазами приводит к деградации вирусной частицы и потере инфекционной активности.

Вирусы, содержащие липопротеидную мембрану, фор­мируются путем почкования на плазматической мембране клеток (или на мембранах эндоплазматической сети с выходом во внутриклеточные вакуоли). Поэтому липо-протеидная оболочка этих вирусов представляет собой мембрану клетки-хозяина, модифицированную за счет наличия на ее наружной поверхности вирусных супер-капсидных белков. Из этого следует, что состав липидов почкующихся вирусов близок к составу липидов клетки - хозяина. К почкующимся вирусам относятся крупные РНК-содержащие вирусы: ортомиксовирусы, парамиксовирусы, рабдовирусы, тогавирусы, ретровирусы, буньявирусы, аренавирусы, коронавирусы. В связи с клеточным происхождением липидов общий состав липидной фракции и содержание ее отдельных компонентов у одного и того же вируса могут сущест­венно различаться в зависимости от клетки-хозяина, где происходила репродукция вируса. Наоборот, если разные почкующиеся вирусы репродуцировались в одних и тех же клетках, их липиды оказываются более или менее сходными.

У вирусов оспы и гепатита В липиды имеют иное происхождение, так как эти вирусы не почкуются через плазматическую мембрану. У вирусов оспы липиды не образуют дифференцированной оболочки. Обработка вируса осповакцины эфиром не приводит к потере инфек­ционной активности или каким-либо структурным измене­ниям вириона. Липиды вируса гепатита В и его НВз-антигена образуются путем инвагинации мембран эндо­плазматической сети. Вирус герпеса формируется путем почкования через ядерную оболочку, поэтому в его составе есть липиды ядерной оболочки.