Структура вірусів тварин

Морфогенез. Окрема вірусна частка одержала назву «віріон». Білковий чохол в ізометричного віріону чи білкова трубка у віріону зі спіральною симетрією називається капсидом (Рис 2). Він може бути «голим» чи укладеним у ліпопротеїдну оболонку (пеплос), що утворюється з модифікованих клітинних мембран при дозріванні вірусу шляхом брунькування. Якщо капсид (частіше спіральний і рідше ізометричний) містить нуклеїнову кислоту, такий комплекс називається нуклеокапсидом. У більшості ізометричних і у всіх складних віріонів капсид вміщує в собі внутрішній білок і нуклеїнову кислоту (вірусний геном), що називають - серцевиною.

Рис. 2. Схема простого віріону.

Капсиди складаються з повторюваних білкових субодиниць, кожна з яких утворена однією чи декількома білковими молекулами. Розрізняють три рівні складності. Хімічні одиниці - окремі поліпептиди- вони утворюють структурні (морфологічні) одиниці — капсомери, що можуть складатися з однієї чи декількох білкових молекул. Ті з них, що утворюють виступи на ліпопротеїдній оболонці віріону, називаються пепломерами. Хімічні одиниці, що утворюють структурні одиниці, часто з`єднані дисульфідними зв`язками. Структурні одиниці утримуються в складі капсида нековалентними зв`язками. Капсиди деяких вірусів легко руйнуються 1 М розчином хлориду кальцію чи натрію, що свідчить про наявність електростатичної взаємодії між структурними одиницями. Однак інші одиниці в сольових розчинах не руйнуються і чуттєві тільки до детергентів, що вказує на гідрофобну природу зв`язків.

Віруси мають два типи симетрії будови капсиду: кубічний і спіральний (трубчастий капсид). Структурними одиницями капсида є білкові субодиниці, що складаються з однієї чи декількох молекул білка. Структурна одиниця вірусу тютюнової мозаїки складається з молекул одного білка, вірусу поліомієліту — з чотирьох молекул білка.

Існують два типи будівлі капсидів віріонів, що забезпечують утворення структури з мінімумом вільної енергії. В одному випадку капсомери асоціюються з геномом і утворюють спіралевидну, гвинтоподібну структуру. Такий тип укладання називається спіральним типом симетрії, а сама структура - нуклеокапсидом. Такий тип симетрії нуклеокапсиду характерний для віріонів тютюнової мозаїки, ортоміксо-, параміксо-, корона-, рабдовірусів.

Віруси з кубічним типом симетрії. В іншому випадку капсомери утворюють повне ізометричне тіло, у центрі якого знаходиться геном. Таке укладання називається кубічним типом симетрії. Останнє означає, що тіло є симетричним у трьох взаємно перпендикулярних напрямках (осях симетрії) (Рис. 3 ).

Прості віруси не містять зовнішньої ліпопротеїдної оболонки (Рис.2). Мікрофотографії простих віріонів представлені на рисунках (Рис.5). Багато складних вірусів (Рис.4) мають зовнішню ліпопротеїдну оболонку (суперкапсид), що представляє собою ліпідний подвійний шар із убудованими в нього суперкапсидними білками. Форма таких віріонів наближається до сферичних. Суперкапсидні білки є типовими інтрамембранними білками і найчастіше представлені глікопротеїдами.

Видео: я+ строение и размножение вируса

Рис. 3. Кубічний тип симетрії.



Глікопротеїди формують морфологічні субодиниці, які в електронному мікроскопі мають форму, подібну до форми шипів (Рис.8,9).

У тогавірусів шипи мають палочковидну форму- у респіраторно-синцитіального вірусу (родини параміксовірусів) — форму пляшки- у коронавірусів — булавовидну форму- у вірусу грипу шипи, утворені гемаглютиніном, мають палочковидну форму, а шипи, утворені нейрамінідазою, — форму барабанної палички.

Деякі віріони, що містять спіральний нуклеокапсид, мають своєрідну форму. Так, віруси везикулярного стоматиту, сказу і деяких хвороб рослин мають форму кулі для вогнепальної зброї. Зовнішній і внутрішній капсиди реовірусів побудовані по кубічному типу симетрії- обоє вони утворюють як би два футляри, один із яких вкладений в інший. Капсомери внутрішнього капсиду досягають зовнішнього капсида, завдяки чому структура віріону нагадує обід колеса. Особливо чітко така форма виражена в представників роду ротавірусів. При дефіциті генетичного матеріалу і при надлишковій продукції білків можуть утворитися порожні вірусні частки, позбавлені нуклеїнової кислоти.

Рис. 4. Схематична будова складного вірусу.

Дуже складну структуру мають віріони вісповакцини. Серцевина їх, що містить вірусну ДНК у складі нуклеопротеїду, має форму двоввігнутого кільця й оточена двома лінзоподібними латеральними тельцями. Вірус має кілька оболонок, з яких найбільш складну будову має зовнішня.

У деяких складно улаштованих вірусів капсид оточений додатковими внутрішніми структурами (вірусним матриксом), утвореними внутрішніми білками. У цьому випадку внутрішній компонент позначають як серцевина (core), чи нуклеоїд.

У всіх вірусів кубічної чи спіральної симетрії, що не мають зовнішньої оболонки, величини діаметрів нуклеокапсиду і віріону ідентичні, У вірусів, що мають зовнішню оболонку, діаметр віріону значно перевершує діаметр нуклеокапсида. Оболонки віріонів формуються при їх дозріванні на внутрішній стороні клітинної мембрани.

З кристалографії відомі три типи фігур з кубічним типом симетрії: тетраедр (осі симетрії 2:3, мінімальне число структурних одиниць 12), октаедр (осі симетрії 4:3:2, число одиниць 24) і ікосаедр (осі симетрії 5:3:2, число одиниць 60). Останній тип симетрії найбільш економічний.

В ізометричних віріонах капсомери в капсидах розташовані відповідно до ікосаедричної симетрії. Ікосаедр утворений 20 рівносторонніми трикутниками- у нього 12 вершин, у кожній з яких сходяться кути п`яти трикутників, і 30 ребер, де з`єднуються прилягаючі сторони сусідніх трикутників. Ікосаедр має симетрію другого порядку (усього їх п`ять) щодо осі, що проходить через центр будь-якого ребра, симетрією третього порядку щодо осі, що проходить через центр будь-якої трикутної грані, і симетрією п`ятого порядку щодо осі, що проходить через кожну вершину. Кожна трикутна грань містить три асиметричні одиниці (тобто одиниці, що не мають правильних осей симетрії), так що для побудови ікосаедра необхідно мінімум 60 асиметричних одиниць.

Є три основних типи укладання структурних одиниць: 1) три одиниці, що складають кожну трикутну грань, групуються в центрі трикутника, і утворюють капсомери - тримери- 2) структурні одиниці групуються біля вершин трикутника, так що в тих місцях, де п`ять граней сходяться біля вершини ікосаедра, утворюється капсомер - пентамер, а там, де шість граней сходяться у вершини ікосадельтаедра, утворюється капсомер - гексамер- 3) пари структурних одиниць прилягаючих граней групується в ребер, утворюють капсомери - димери. По розташуванню і розміру капсомерів можна оцінити, скільки структурних одиниць входить у кожен капсомер.

Рис.5. Прості вірусиі для яких характерним є і кубічний тип симетрії.За D. Sander, 2002, із «The Big Picture Book of Viruses» (1-4) та Ташутою С.Г.(5), 1988.



Теоретично число капсомерів може бути визначене по формулі

10(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

Видео: Тайна ДНК - документальный фильм

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 складових їх хімічним субодиницям. Прості ізометричні віруси мають складну структуру, оскільки вони містять 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).

Видео: 5 Животных с Супер Способностями

Рис. 10.Мікрофотографія вірусу везикулярного стоматиту. Негативне контрастування. ? 92000. За S.A. Harrell, 1982<< ПредыдушаяСледующая >>
Внимание, только СЕГОДНЯ!