Жизненный цикл вирусов. Основные типы вирусных геномов

Общая характеристика вирусов.

Вирусы - уникальные агенты на нашей планете. Основные свойства вирусов, по которым они отличаются от всех остальных живых существ следующие:

1. Ультрамикроскопические размеры

2. Вирусы содержат нуклеиновую кислоту только одного вида - или ДНК, или РНК. Все другие организмы содержат нуклеиновые кислоты обоих типов, а геном у них представлен только ДНК.

3. Вирусы не способны к росту и бинарному делению.

4. Вирусы размножаются путем воспроизводства себя из собственной геномной нуклеиновой кислоты. Все прочие организмы способны к увеличению своей биомассы (росту) и размножаются путем бинарного деления клеток.

5. У вирусов отсутствуют собственные системы мобилизации энергии.

6. У вирусов нет собственных белоксинтезирующих систем.

7. В связи с отсутствием собственных систем синтеза белка и мобилизации энергии вирусы являются абсолютными внутриклеточными паразитами. Средой обитания вирусов являются бактерии, клетки растений, животных и человека.

С учетом перечисленных особенностей можно дать следующее определение:

Вирусы - особое царство ультрамикроскопических размеров организмов, обладающих только одним типом нуклеиновых кислот, лишенных собственных систем синтеза белка и мобилизации энергии и являющихся поэтому абсолютными внутриклеточными паразитами.

Молекулярно-генетическая организация вирусов.

Основой таксономии вирусов является вирион, который представляет собой конечную фазу развития вируса. Размеры вирионов различных вирусов варьируют в широких пределах: от 15 -18 до 300-400 нм. Они имеют разнообразную форму - палочковидную, нитевидную, сферическую. Вирион состоит из из геномной нуклеиновой кислоты, окруженной одной или двумя оболочками.

Оболочка, в которую упакована геномная нуклеиновая кислота, называется капсидом (от греческого сapsa - ящик). Наиболее просто организованные вирусы представляют собой нуклеокапсиды: они состоят только из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки, построенной из идентичных пептидных молекул. Капсид имеет строго упорядоченную структуру, в основе которой лежат принципы спиральной или кубической симметрии.

Капсиды палочковидных или нитевидных вирионов состоят из структурных субъединиц, уложенных в виде спирали вокруг оси. При таком расположении субъединиц образуется полый канал, внутри которого компактно уложена молекула вирусной нуклеиновой кислоты. Ее длина может во много раз превышать длину палочковидного вириона. Например, длина вируса табачной мозаики 300 нм, а его РНК достигает величины 4000 нм. При этом РНК настолько связана с капсидом, что ее нельзя при этом освободить, не повредив последний. Подобные капсиды встречаются у некоторых бактериальных вирусов и у вирусов человека (вирус гриппа).

Сферическая структура вирионов определяется капсидом, построенном по принципам кубической симметрии в основе которой лежит фигура икосаэдра -двадцатигранника.

Капсид состоит из асимметричных субъединиц (полипептидных молекул), которые объединены в морфологические субъединицы - капсомеры. Один капсомер содержит 2,3,5 субъединиц, расположенных по осям симметрии икосаэдра.

Число капсомеров для вируса данного вида является постоянным, оно имеет диагностическое значение. Например, вирион аденовирусов имеет 252 капсомера, у паповавирусов - 72. Молекулярная организация всех простых вирусов сводится к использованию спиральной и кубической симметрии.

Более сложно устроены вирусы, у которых имеется вторая оболочка. Она называется - суперкапсид. Суперкапсид 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. 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 лизисом, 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, коронавирусы и др. устроены таким образом, что их нуклеокапсид, имеющий палочковидную спиральную структуру, окружен суперкапсидной липопротеидной оболочкой, придающей вириону сферическую форму. 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.

Классификация и таксономия вирусов.

Вирусы составляют царство Vira, которое подразделяется на два подцарства по типу нуклеиновой кислоты: ДНК-содержащие вирусы (дезоксирибовирусы) и РНК- содержащие вирусы (рибовирусы).

Подцарства делятся на семейства, которые в свою очередь подразделяются на роды. Название всех вирусных родов оканчивается словом "virus", для названия семейств используется суффикс "idae", а подсемейств "inae". Из более чем 55 семейств вирусов, признанных Международным комитетом по таксономии вирусов, 19 включают вирусы человека и животных.

Для классификации вирусов используют следующие критерии:

1. Нуклеиновая кислота: тип, число нитей, процентное содержание, молекулярная масса, содержание гуанина и цитозина.

2. Морфология: тип симметрии или псевдосимметрии, число капсомеров для вирусов с кубической симметрией, наличие внешней липопротеиновой оболочки, форма. Размеры вирионов.

3. Биофизические свойства.

4. Белки: количество структурных белков, их локализация, аминокислотный состав.

5. Липиды.

6. Размножение в тканевых культурах.

7. Круг поражаемых хозяев, особенности патогенеза инфекционного процесса

8. Устойчивость к физическим и химическим факторам (гамма-лучи, термоинактивация при 37 и 50 градусах Цельсия, действие жирорастворителей и отдельных катионов).

9. Антигенные свойства.

В состав простых вирионов входит один тип нуклеиновой кислоты - РНК или ДНК и белки. У сложных вирионов в составе внешней оболочки содержатся липиды и полисахариды, которые они получают из клеток хозяина.

Вирусные ДНК. По своей структуре вирусные ДНК характеризуются рядом особенностей, что дает возможность подразделить их на несколько типов:

1. Одноцепочечная линейная ДНК (парвовирусы)

2. Одноцепочечная кольцевая ДНК

3. Двухцепочечная линейная ДНК (вирусы герпеса)

4. Двухцепочечная кольцевая ДНК (паповавирусы, вирус гепатита В)

5. Двухцепочечная ДНК с ковалентно связанным терминальным гидрофобным белком (аденовирусы)

6. Двухцепочечная ДНК, замкнутая на каждом конце ковалентной связью (вирус оспы).

Вирусные РНК. У РНК-содержащих вирусов генетическая информация закодирована в РНК таким же кодом. Как в ДНК всех других вирусов и клеточных организмов. Вирусные РНК по своему химическому составу не отличаются от РНК клеточного происхождения, на характеризуются разной структурой:

1. Одноцепочечная нефрагментированная РНК, обладающая матричной активностью (позитивная или +РНК) Вирус полиомиелита и др. пикорнавирусы.

2. Одноцепочечная нефрагментированная РНК, не обладающая матричной активностью (негативная, или - РНК). Вирион имеет в своем составе РНК-зависимую РНК-полимеразу (транскриптазу). Она синтезирует на вирионной РНК матричную РНК, необходимую для трансляции вирусспецифических белков. Парамиксовирусы.

3. Одноцепочечная фрагментированная РНК, не обладающая матричной активностью (негативная РНК), вирион имеет транскриптазу. Ортомиксовирусы (РНК состоит из 8 фрагментов).

4. Двухцепочечная фрагментированная РНК, вирион имеет транскриптазу. Реовирусы.

5. Вирусы, геном которых представлен двумя идентичными нитями позитивной РНК (диплоидный геном). Вирионы имеют обратную транскриптазу. Ретровирусы.

6. Одноцепочечная кольцевая РНК. Такой геном имеет только один вирус - вирус Дельта - гепатита. Это дефектный вирус, для его размножения необходим вирус - помощник - вирус гепатита В.

Жизненный цикл вирусов. Основные типы вирусных геномов.

Под жизненым циклом вируса понимают процесс его размножения. Он происходит только внутриклеточно. Особенности размножения зависят прежде всего от вирусного генома.

Тип вирусной ДНК определяет особенности ее репликации.

1. Двунитевая ДНК - репликация происходит по обычному механизму репликации: нити разделяются, и на каждой из них достраивается комплиментарная ей нить.

2. Однонитевая ДНК. Ее репликация происходит через образование вначале репликативной формы, а затем промежуточной репликативной формы. Репликативная форма возникает в результате синтеза на исходной вирионной ДНК (+ нити) комплементарной ей (-) нити, то есть однонитевая ДНК превращается в двунитевую структуру ДНК. Промежуточная репликативная форма - это репликативная форма, (-) нить которой служит матрицей для синтеза (+) нити ДНК, идентичной исходной вирионной ДНК. Такой механизм обеспечивает передачу генов дочерним вирионам.

3. У вирусов, геном которых представлен однонитевой РНК, ее репликация происходит по следующей схеме: вначале на вирионной РНК (в РНК) синтезируются комплиментарные ей РНК (к РНК). Этот процесс катализирется специфической РНК - репликазой 1. Затем на к РНК синтезируется комплементарная ей, но идентичная исходной вирионная РНК (в РНК), этот процесс также катализируется специфической репликазой П. Таким образом репликация идет по схеме:

в РНК - - к РНК -- в РНК

4. Репликация однонитевой РНК ретровирусов происходит с участием обратной транскриптазы. Вначале на в РНК обратная транскриптаза синтезирует комплементарную ей "минус" цепь ДНК, а затем на ней - "плюс" нить ДНК. Двунитевая ДНК интегрируется в хромосому клетки и там служит матрицей для синтеза разных классов вирусных РНК. Таким образом, репликация ретровирусов происходит по схеме:

РНК --- ДНК --- РНК

Существуют некоторые общие закономерности размножения вирусов. Во- первых, все РНК-содержащие вирусы, кроме вирусов гриппа и ретровирусов, размножаются в цитоплазме.

Во-вторых, размножение всех ДНК-содержащих вирусов, кроме вирусов оспы, протекает в ядре.

Другая особенность размножения вирусов заключается в том, что их нуклекапсидные белки синтезируются на свободных полирибосомах, (не связанных с мембраной), а суперкапсидные белки - на рибосомах, ассоциированных с мембранами. Кроме того, белки некоторых вирусов подвергаются протеолитическому процессингу и гликозилированию.