N—1)2+2, де п >2.

Ця формула добре погоджується з фактами

n = 2, 12 капсомерів: фаг ФХ174;

n = 3 42 капсомера: вірус поліоми;

n = 4 92 капсомера: реовірус;

n = 5 162 капсомера: вірус герпесу;

n = 6 252 капсомера: аденовірус;

n =10 812 капсомерів: вірус райдужності довгонога.

Установлені фізичні розходження між вірусами зі спіральною і ікосаедричною симетрією. Число капсомерів у різних вірусів з кубічним типом симетрії різний.

Віруси з трубчастими нуклеокапсидами (зі спіральним типом симетрії). Більше, ніж про структуру будь-якого іншого вірусу, відомо про фізичну і хімічну структуру вірусу тютюнової мозаїки (Рис. 6). Віріони

Рис. 6.Схема будови фрагменту вірусу мозаїчної хвороби тютюну на якій чітко видно спіральний тип симетрії. За Франкліном, 1957.

 

являють собою прямі стрижні без ліпопротеїдної оболонки, що складаються з 2130 повторюваних хімічних одиниць, що є одночасно і структурними одиницями, і капсомерами. Ці білкові молекули покладені в спіраль таким чином, що стосовно подовжньої осі стрижня всі капсомери (за винятком кінцевих) знаходяться в однаковому положенні. Довжина РНК 5 мкм, крок спіралі 2,3 нм, діаметр 8 нм, число капсомерів на один оберт спіралі 1643 (Рис.6). Ланцюг РНК містить 6400 нуклеотидів.

Трубчасті нуклеокапсиди характерні для тих вірусів хребетних, у яких геном представлений односпіральною РНК(Рис.7). Такі нуклеокапсиди не є «голими» віріонами, гнучкі спіральні трубки завжди укладені в ліпопротеїдну Рис. 7. Вірус грипу. У віріоні чітко видно спіраль нуклеїнової кислоти. За Авакяном, 1971.

оболонку. Діаметр нуклеокапсидів був визначений у ряду вірусів, але крок спіралі відомі лише в деяких.

 

Рис. 8. Негативно контрастовані вірусні частинки коронавірусу ентериту новонароджених телят. За Ташутою С.Г., 1988.

Рис. 9. Віріони вірусу грипу. За D. Sander, 2002, із «The Big Picture Book of Viruses».

Взаємне розташування нуклеїнової кислоти і капсомерів. Геном будь-якої вірусної частки представлений єдиною нуклеїновою кислотою: або РНК, або ДНК (виключення складають ортоміксо- і аренавіруси, що містять малі кількості хазяйської тРНК). Характер взаємодії між вірусною нуклеїновою кислотою і капсомерами при спіральній і ікосаедричній симетрії нуклеокапсида розрізняється. Так, у вірусу тютюнової мозаїки (трубчастий нуклеокапсид спіральної симетрії) виражена максимально регулярна взаємодія між білковими субодиницями, що утворюють чохол, і односпіральною вірусною РНК. Аналогічна картина спостерігається й у більшості вірусів тварин із трубчастим нуклеокапсидом. Однак у деяких вірусів (наприклад, у вірусів грипу людини чи тварин) цілісність трубчастої структури порушується при обробці РНК-азою, але не протеазами (які руйнують білки), що вказує на інший характер взаємодії між РНК і білком.

У ікосаедричних вірусів такої регулярної взаємодії між нуклеїновою кислотою і кожною білковою субодиницею немає. У найбільш простих ізометричних вірусів гнучка односпіральна РНК може звертатися з тим чи іншим ступенем упорядкованості стосовно капсомерам і складовихїх хімічним субодиницям. Прості ізометричні віруси мають складну структуру, оскількивонимістять декілька різних вірусоспецифічних поліпептидів; один чи кілька поліпептидів розташовані усередині капсида, і саме вони, а не капсомери, взаємодіють з вірусною РНК. Частки реовірусу мають два концентричних білкових чохла, кожний з яких складається з морфологічних одиниць, що виявляються чітко під електронним мікроскопом.

Вірусні ліпопротеїдні оболонки. Під оболонкою віріону розуміють зовнішній ліпопротеїдний шар, що формується в процесі брунькування вірусу на клітинній мембрані. Віруси, що мають ліпопротеїдну оболонку, на 20 - 30% складаються з ліпідів, що локалізовані винятково в оболонці. Ліпіди мають клітинне походження і попадають до складу віріону з клітинної мембрани при брунькуванні, у той час як білки ліпопротеїдної оболонки вірусоспецифічні. Віруси роду Herpesvirus — єдині з вірусів хребетних, котрі брунькуються на ядерній мембрані, і оболонка їх містить декілька вірусоспецифічних глікопротеїдів. Інші віруси з глікопротеїдною оболонкою брунькуються на плазматичній мембрані і містять один чи кілька різних поліпептидів. Віруси, що відносяться до родини Togaviridae, мають ізометричний капсид, до якого безпосередньо прилягає ліпідний шар; із нього виступають назовні вірусоспецифічні глікопротеїдні пепломери.

Усі віруси тварин із трубчастими нуклеокапсидами володіють ліпопротеїдною оболонкою. У них ліпідний шар з виступаючими пепломерами прилягає до білкового чохла (мембранному білку), який може бути відносно твердим, як у вірусів родини Rhabdoviridae (везикулярний стоматит, сказ), і таким, що легко деформується, як у міксовірусів, тому віріони на електронних мікрофотографіях при негативному контрастуванні мають поліморфний вид (Рис.10).

 

Рис. 10.Мікрофотографія вірусу везикулярного стоматиту. Негативне контрастування. ´ 92000. За S.A. Harrell, 1982

МОРФОГЕНЕЗ ВІРУСІВ

При внутрішньоклітинній репродукції вірусів формуються структури, відсутні в незаражених вірусом клітинах. Ці утворення — місця синтезу і зборки субвірусних структур (компонентів дочірніх віріонів) — одержали різні найменування — клітинні матрикси, «фабрики», віропласти, включення. Ці структури є продуктами кооперативних процесів клітини і вірусу, де чільна роль належить клітині.

Морфологічно матрикси виглядають по-різному в різних вірусів. Звичайно це місця синтезу білків, і тому в матриксах виявляються значні скупчення рибосом (полісоми). У їх склад входять також різні клітинні структури — мембрани, мікротрубочки, осміофільні волокна і т.п. При цьому матрикси здійснюють відповідний цикл розвитку. Якщо спочатку в них превалюють полісоми, то пізніше з'являються субвірусні компоненти, які можна виявити при використанні серологічних методів дослідження типу ІФ чи ІЕМ, а нерідко і при звичайній ЕМ. При деяких інфекціях матрикси зв'язані з мембранами ендоплазматичної мережі, апаратом Гольджі й іншими клітинними структурами, куди транспортуються усі вірусні компоненти.

Утворення, подібні з цитоплазматичними матриксами, виявлені також у ядрах, де відбувається репродукція більшості ДНК-містких вірусів. При фарбуванні клітин вони мають вид внутрішньоядерних включень. На пізніх стадіях інфекції в матриксах чи по сусідству з ними накопичується велике число віріонів, часто утворюючих кристалоподібні формування. Внутрішньоядерні кристалоподібні включення виявлені, наприклад, у рео-, адено-, папова-, парвовірусів. Процес формування віріонів у вірусів, що мають ліпопротеїдні оболонки, значно більш складний, чим у просто улаштованих, і протікає складніше. Так, наприклад, ізометричні нуклеокапсиди вірусу герпесу формуються в ядрах і надалі транспортуються в цитоплазму шляхом брунькування через ядерну мембрану. Після цього віріони транспортуються до апарата Гольджі, проходячи через мембрану ендоплазматичної мережі і захоплюючи її, як це було при проходженні через ядерну мембрану. Тому позаклітинний вірус має дві оболонки, одна з яких формується з ядерної, і з цитоплазматичної мембран.

Формування рибонуклеїнопротеїдних віріонів параміксовірусів відбувається в цитоплазмі, де вони накопичуються у виді тяжів і потім транспортуються до плазматичної мембрани. У цей час плазматична мембрана клітини вже модифікована, тому що в неї убудовані з зовнішньої сторони вірусні глікопротеїди, а з внутрішньої сторони — матриксний білок. При наближенні до таких модифікованих ділянок плазматичної мембрани рибонуклеопротеїдні тяжі згортаються в щільно упаковані клубки і, проходячи через плазматичну мембрану, покриваються нею, здобуваючи таким шляхом зовнішню оболонку. Цей тип формування віріонів називається брунькуванням. Брунькування може відбуватися і в внутрішньоклітинні вакуолі.

Морфогенез вірусу віспи ще більш складний. У цитоплазмі утворюються складні матрикси, у яких відбувається синтез численних вірусоспецифічних структур. Тут же відбувається і формування віріонів, що спочатку представляють пухирчасті утворення, і лише пізніше з цих попередників формуються зрілі віріони. Вихід вірусних часток із клітини здійснюється або шляхом брунькування через мембрани у внутрішньоклітинні вакуолі, або при руйнуванні клітини.

Біофізичні властивості вірусів. Біофізичні властивості вірусів характеризуються багатьма показниками, у тому числі константою седиментації, плавучою щільністю, дифузійними властивостями. Усі ці характеристики відносяться також до субвірусних компонентів. Найбільш важливими біофізичними характеристиками вірусів є седиментаційні властивості. Вони найчастіше виміряються при досліджені вірусів.

Седиментаційні властивості вірусів і субвірусних компонентів вимірюють за допомогою центрифугування в аналітичних і препаративних ультрацентрифугах. Коефіцієнт седиментації виражають в одиницях Сведберга в перекладі на стандартні умови (при температурі 20 °С в воді) і позначають як S₂₀w.

Коефіцієнти седиментації віріонів залежать від багатьох факторів: розміру, маси, плавучої щільності, форми. Для визначення плавучої щільності віріонів і субвірусних структур застосовують рівноважне центрифугування в градієнтах щільності. Для віріонів і вірусних нуклеопротеїдів здебільшого використовують градієнти щільності сахарози і хлориду цезію. Плавуча щільність віріонів і субвірусних структур залежить насамперед від їх складу. Вона збільшується зі збільшенням відсотка вмісту нуклеїнових кислот і зменшується при підвищенні вмісту білків і ліпідів (Табл. 1).

Табл. 1. Коефіцієнти седиментації і плавучої щільності вірусів хребетних

Віруси із родини	Коефіцієнт седиментації S20w	Плавуча щільність (г/см3)
в хлориді цезія	в сахарозі
Arenaviridae	325-500	1,19-1,20	1,17-1,18
Аrteriviridae		1,66	1,65
Birnaviridae		1,33	1,18
Bunyaviridae	350-470	1,20	1,19
Caliciviridae	170-183	1,38-1,40
Coronaviridae	330-495	1,23-1,24	1,18-1,20
Filoviridae	1300-1400	1,14
Flaviviridae	140-200		1,12-1,135
Ortomyxoviridae	700-800	1,21-1,22	1,19
Paramyxoviridae	800-1000	1,21-1,22	1,19
Picornaviridae	140-165	1,33-1,45
Reoviridae		1,36-1,39
Retroviridae	300-400		1,16-1,18
Rhabdoviridae	550-1000	1,19-1,21	1,19
Togaviridae	150-300	1,25	1,23-1,24
Аdenoviridae		1,33-1,34
Circoviridae		1,33-1,36
Hepadnaviridae	500-600	1,26-1,29
Herpesviridae		1,27-1,29
Papovaviridae	110-122	1,39-1,40
Parvoviridae	110-122	1,39-1,42
Poxviridae		1,68-1,72
Вірус АЧС	1800-8000	1,18-1,24

 

 

СТІЙКІСТЬ ВІРУСІВ У НАВКОЛИШНІМ СЕРЕДОВИЩІ.

Різні групи вірусів мають неоднакову стійкість у зовнішнім середовищі. Найменш стійкі віруси, що мають ліпопротеїдні оболонки, найбільш стійкі ізометричні віруси. Так, наприклад, ортоміксовіруси і параміксовіруси інактивуються на поверхнях за кілька годин, тоді як віруси поліомієліту, адено-, реовіруси зберігають інфекційну активність кілька днів. Однак з цього правила є і виключення. Так, вірус віспи стійкий до висихання і зберігається в екскретах багато тижнів і місяців. Вірус гепатиту В стійкий до дії несприятливих зовнішніх факторів і зберігає свою активність у сироватці крові навіть при короткочасному кип'ятінні.

Чутливість вірусів до ультрафіолетового і рентгенівського опромінення залежить переважно від розмірів їх генома. Тому, наприклад, вірус вісповакцини (мол. маса нуклеїнової кислоти близько 2 • 10⁸) інактивується при рентгенівському опроміненні в дозі близько 5•10⁴ рад, у той час як для інактивації дрібного вірусу папіломи (мол. маса генома 3•10⁶) потрібно доза 4•10⁵ рад.

Чутливість вірусів до формальдегіду й інших хімічних речовин, які інактивують генетичний матеріал, залежить від багатьох умов, серед яких варто назвати щільність упакування нуклеїнової кислоти в білковий футляр, розміри генома, наявність чи відсутність зовнішніх оболонок і т.п. Віруси, що мають ліпопротеїдні оболонки, чуттєві до ефіру, хлороформу і детергентам, у той час як просто улаштовані ізометричні і палочковидні віруси стійкі до їх дії.

Нарешті, важливою особливістю вірусів є чутливість до рН. Є віруси, стійкі до кислих значень рН (2,2—3,0), наприклад віруси, що викликають кишкові інфекції і проникають в організм аліментарним шляхом. Однак більшість вірусів інактивуються при кислих і лужних значеннях рН.

 

 

РЕПРОДУКЦІЯ ВІРУСІВ

Пошуки етіологічних агентів інфекційних захворювань увінчалися відкриттям сотень вірусів. Патологічні ефекти при вірусних захворюваннях складаються з взаємодії декількох факторів: а) токсичного впливу продуктів вірусних генів на метаболізм заражених клітин; б) реакції хазяїна на експресію вірусних генів у заражених клітинах; в) модифікації експресії генів хазяїна в результаті їх структурної чи функціональної взаємодії з генетичним матеріалом вірусу. У більшості випадків симптоми гострих вірусних захворювань можуть бути безпосередньо зв'язані з руйнуванням клітин вірусом. Ключем до розуміння розмноження вірусів є ряд положень і визначень.

Загальне представлення про репродукцію вірусів. Віруси відтворюють собі подібні частки в такій величезній кількості і настільки своєрідними способами, що це явище стали іменувати репродукцією, тому що тут копіюються молекули нуклеїнових кислот і, відповідно до укладених в них генетичної інформації, синтезуються вірусні білки.

1. Для того щоб вірус міг розмножитися, він повинний спочатку заразити клітину. Спектр хазяїнів визначається як типами клітин, так і видами тварин, яких він може заражати й у який він здатний розмножуватися. Спектр хазяїнів різних вірусів значно варіює. Одні віруси мають широкий спектр хазяїнів, інші заражають лише клітини одного типу визначених видів тварин. Здатність клітини чи тварини заражатися називають сприйнятливістю. Коли людина вступає в контакт із вірусом, у спектр хазяїнів якого він входить, негайно заражаються лише сприйнятливі клітини, що знаходяться у вхідних воріт інфекції. Однак для клінічного прояву інфекції зараження цих клітин може виявитися недостатньо. Як правило, хвороба виникає внаслідок зараження клітин-мішеней (наприклад, клітин центральної нервової системи) вірусом, що розмножився в чуттєвих клітинах у місці проникнення інфекції. У багатьох випадках (наприклад, респіраторні інфекції) клітини-мішені розташовуються у вхідних воріт інфекції.

2. На початку інфекції вірус вводить у клітину свій генетичний матеріал — РНК чи ДНК, часто разом з необхідними білками. Розміри, склад і генна організація вірусних геномів дуже сильно варіюють. Віруси, очевидно, еволюціонують різними шляхами, і не існує якого-небудь одного переважного способу їхньої реплікації. Тут варто підкреслити два положення. По-перше, здатність вірусів до розмноження і доля заражених клітин залежать від синтезу і функції продуктів вірусних генів — білків. Ніде кореляція між структурою і функцією — у даному випадку між складом і розташуванням генетичного матеріалу і механізмом експресії вірусних генів — не є настільки очевидною, як у вірусів. Розходження механізмів, за допомогою яких віруси забезпечують синтез своїх білків, відбито в їхній генетичній структурі, але далеко не завжди може бути виведене з її. По-друге, хоча віруси значно розрізняються по числу генів, що містяться в них, можна сказати, що усі віруси кодують функції трьох типів, які виражаються специфічними для них білками. Вірусні білки забезпечують: а) реплікацію вірусного генома, б) упакування генома у вірусні частки (віріони) і в) зміна структури і (чи) функції заражених клітин.

Стратегія, яка застосовується вірусами для забезпечення цих функцій, варіює. Іноді (паповавіруси) вірусні білки просто допомагають ферментам клітини хазяїна реплікувати вірусний геном. У більшості випадків (пікорнавіруси, герпесвіруси, реовіруси) вірусні білки самі забезпечують реплікацію вірусного генома, але навіть найбільш незалежні віруси використовують при цьому принаймні кілька білків хазяїна. У всіх випадках саме вірусні білки відповідальні за упакування генома у віріони, навіть якщо білки хазяїна і поліаміни зв'язуються з вірусним геномом (наприклад, у паповавірусів) до чи під час формування вірусних часток. Наслідки розмноження вірусу в клітині можуть варіювати від загибелі клітини до незначних, але потенційно дуже важливих змін її функції й антигенної специфічності.

3. Наші знання щодо циклів репродукції вірусів отримані головним чином з аналізу подій, що відбуваються в синхронно інфікованій культурі клітин. Про віруси, що не вдається виростити в культурі клітин, мало що відомо; у майбутньому, імовірно, вирішенню цього питання допоможе молекулярне клонування. Цикл репродукції усіх вірусів має декілька загальних рис. Незабаром після зараження і протягом декількох годин після нього вдається знайти лише невелику кількість батьківського вірусу. Цей період відомий як екліпс фаза; у цей час геном вірусу взаємодіє з хазяйським чи вірусним апаратом, необхідним для його експресії, але чисельність потомства вірусу ще не перевищує фонового рівня. Потім наступає інтервал, під час якого віріони потомства накопичуються усередині чи поза клітиною з експоненціальною швидкістю. Цей період відомий як фаза дозрівання. Через кілька годин у клітинах, заражених літичними вірусами, знижується метаболічна активність і вони втрачають структурну цілісність. Клітини, заражені іншими вірусами, можуть продовжувати синтез віріонів необмежений час. Цикл репродукції вірусів варіює від 6—8 годин (пікорнавіруси) до 40 годин і більш (деякі герпесвіруси). Врожай вірусу в розрахунку на одну клітину широко варіює й у випадку вірусу поліомієліту, наприклад може перевищувати 100000 часток.

4. Зараження сприйнятливих клітин не означає, що неминуче буде відбуватися розмноження вірусу і нагромадження його потомства. Ця концепція, одна з найважливіших у вірусології, виникла в останнім часом і її варто розглянути детальніше. Інфекція сприйнятливих клітин може бути продуктивною, обмеженою й абортивною. Продуктивна інфекція відбувається в пермісивнихклітинах і характеризується продукцією інфекційного потомства. Абортивна інфекція може наступити в силу двох обставин. Незважаючи на сприйнятливість до зараження, клітини можуть виявитися непермісивними, тому що, найчастіше по невідомих причинах, у них здатні експресуватися лише деякі вірусні гени. Абортивна інфекція може бути також результатом зараження як пермісивних, так і непермісивних клітин дефектними вірусами, у яких відсутній повний набір вірусних генів. Нарешті, клітини можуть бути тільки тимчасово пермісивними, унаслідок чого вірус або зберігається в клітинах до моменту, коли вони стають пермісивними, або в будь-який даний момент вірусне потомство утвориться тільки в деяких клітинах популяції. Цей вид інфекції одними дослідниками був визначений як рестриктивний (restrictive), іншими - як обмежений (restringent). Дана класифікація важлива; її значення обумовлене тим, що цитолітичні віруси, як правило руйнуючі пермісивні клітини під час продуктивної інфекції, можуть просто ушкоджувати, але не руйнувати абортивно заражені пермісивні і непермісивні клітини. Внаслідок ушкодження може відбуватися така експресія хазяйських функцій, у результаті якої клітина перетворюється з нормальної в злоякісну. Додатковим наслідком обмеженої й абортивної інфекцій є персистенція (збереження в клітині) вірусного генома.

Біологічні і генетичні особливості механізмів репродукції вірусів.Перша і принципова особливість вірусів, що відрізняє їх від інших організмів, це та, що геноми їх представлено молекулами ДНК, чи РНК.

Друга особливість полягає у великій розмаїтості структури і форми їх геномів (одно -, двоспіральні ДНК, одно -, двоспіральні РНК, кільцеві форми нуклеїнових кислот). Геноми РНК-містких вірусів можуть бути представлені як однією молекулою, так і декількома (до 12) різними молекулами РНК. Такі геноми прийнято називати фрагментованими.

Третя особливість вірусів полягає в тому, що майже усі вірусні РНК здатні реплікуватися незалежно від ДНК клітини, тоді як клітинні РНК (рРНК, іРНК, тРНК) синтезуються на матриці клітинної ДНК.

Четверта особливість — диз'юнктивний (роз'єднаний у часі і просторі) біосинтез їх структурних компонентів. Так, наприклад, у складно улаштованих вірусів, що відносяться до родин Poxviridae, Paramyxoviridae, Orthomyxoviridae, Rhabdoviridae, синтез суперкапсиду і капсиду нуклеоїду роз'єднаний у часі і проходить у дві стадій. При цьому вірусна нуклеїнова кислота може бути транскрибована безпосередньо в складі нуклеокапсида чи нуклеоїда. Процес транскрипції в цьому випадку здійснюється за допомогою вірусних РНК-полімераз, що входять до складу нуклеоїду. Нуклеїнова кислота вірусу може реплікуватися, наприклад, у ядрі чи ядерці, білок може синтезуватися в цитоплазмі, а зборка цілих віріонів чи нуклеокапсидів може відбуватися на внутрішній поверхні цитоплазматичної мембрани. Нарешті, складний ліпопротеїновий суперкапсид може набуватися вірусами в процесі брунькування.

П'ята кардинальна особливість: віруси не мають власних білоксинтезуючих систем, а використовують системи клітини.

Та, нарешті, шоста особливість вірусів полягає у великій розмаїтості самих механізмів реплікації їх вірусних нуклеїнових кислот і репродукції вірусних часток.