Вирусы, как и бактерии, можно обнаружить в каждой точке нашей планеты. Они встречаются в горячих источниках, на дне океанов и даже в арктических льдах. Химический состав вирусов долгое время удивлял ученых, так как он существенно отличается от состава всех ранее известных организмов: только вирусы способны хранить генетическую информацию на матрице РНК, транскрибировать ДНК на матрице РНК, встраивать свой геном в ДНК живой клетки под действием ферментов интеграз. В этой статье мы подробно разберем структуру, геном и химический состав вирусов.
Общие сведения о вирусах
Находясь вне живой клетки, вирусы не проявляют никаких признаков, характерных для живых организмов. Находящиеся в таком состоянии неактивные вирусы называют вирионами. В вирионе нет клеточных органелл, характерных для клеток других живых организмов, - плазматической мембраны, митохондрий, рибосом, ядрышка, ядра и других. Вирион включает оболочку из белковых субъединиц - капсид, дополнительную оболочку, которая есть не у всех вирусов, - суперкапсид и геном.
Генетический материал вируса реализуется только при попадании в живую клетку. В зависимости от типа вирусного генома, нуклеиновые кислоты реплицируются либо в ДНК клетки хозяина, либо на митохондриях в цитоплазме.
Структура простого вириона
Простой вирион состоит из генетического материала и внешней оболочки - капсида. Капсид состоит из белковых субъединиц, называемых капсомерами. Способ организации каспомеров определяет пространственную структуру вируса. Химический состав капсида представлен одним или несколькими видами белков. Форма капсида может быть икосаедрической (характерна для аденовирусов), спиральной (вирус табачной мозайки) или комплексной (встречается у проксивирусов и рабдовирусов). Капсид может состоять как из одного, так и из нескольких видов белков. Субъединицы капсида во многом определяют морфологию и химический состав вирусов.
Капсид защищает генетический материал вируса от механических повреждений, влияния перепадов температуры, рН, воздействия радиации и химических веществ. Капсид вместе с геномом вирусом называют нуклеокапсидом.
Структура сложного вириона
Сложно организованный вирион имеет в составе дополнительную структуру - суперкапсидную оболочку, которая находится над капсидом.
Строение и химический состав вирусов, содержащих суперкапсидную оболочку, существенно отличается от состава простых вирусов. Суперкапсидная оболочка формируется из клеточной мембраны клетки хозяина и состоит на 95 % из липидов и белков. В составе суперкапсида присутствует небольшое количество гликопротеинов - сложных белков, в которых белковая часть связана с углеводом ковалентными связями.
Суперкапсид, как и капсид, выполняет защитную функцию. Гликопротеины в составе суперкапсида служат для идентификации и связывания со специфическими рецепторами на поверхности клетки хозяина.
Вирусные белки
Бактериальные белки могут быть капсидными, суперкапсидными или геномными. Капсидные и суперкапсидные белки выполняют защитные функции. Геномные белки ковалентно связаны с геномом и образуют с молекулами вирусной РНК или ДНК рибо- или дезоксирибонуклеопротеины. Эти белки принимают участие в компактизации нуклеиновой кислоты, а также в репарации, транскрипции и трансляции.
Химический состав вирусов сложен. Особенно разнообразны по своей структуре и составу вирусные ферменты. В зависимости от выполняемой функции, их делят на два больших класса:
- ферменты, необходимые для репликации вирусного генома;
- ферменты, облегчающие проникновение вирусной нуклеиновой кислоты в клетку и обеспечивающие последующий выход вирионов из клетки.
К первому классу ферментов относится РНК- и ДНК-зависимая РНК-полимераза, ДНК-полимераза, обратная транскриптаза, интеграза, ДНК-бета-гликозилтрансфераза и многие другие.
Ко второму классу относится нейраминидаза, входящая в состав гликопротеинов, гемагглютинин-эстераза, эндолизин и некоторые другие.
Вирусные липиды
Липиды являются одним из основных компонентов химического состава вирусов и в большом количестве содержатся в суперкапсидной оболочке. Суперкапсид формируется из плазматической мембраны клетки хозяина, поэтому состав липидной композиции определяет химический состав этой мембраны. Вирусные липиды представлены в основном фосфолипидами (50-60 %) и холестерином (20-30 %), так как именно эти липиды в наибольших количествах представлены в плазмалемме. В следовых количествах может присутствовать фосфоинозитол.
Липиды являются обязательным компонентом состава суперкапсидной оболочки. Они вносят вклад в формирование поверхностного заряда клетки за счет заряженных групп в составе фосфолипидов, а также придают суперкапсиду гибкость, необходимую для противостояния внешним механическим повреждениям. Липиды также служат хорошим дополнительным изолятором для генетического материала вирусов в случае резких изменения температуры или кислотности среды, обеспечивают поддержание постоянного химического состава клетки. Вирусы с суперкапсидной оболочкой благодаря толстому слою липидов и белков более устойчивы к действию детергентов, чем простые вирионы.
Углеводы в составе вируса
Углеводы в составе вируса, как правило, связаны с липидами или белками капсида (при этом они называются гликолипидами или гликопротеинами соответственно). Гликопротеины образуют шиповатые выросты на поверхности клетки, которые обладают свойствами гемагглютининов (вызывают агглютинацию эритроцитов) или разрушают нейраминовую кислоту, входящую в состав клеточных стенок, с помощью нейраминидазы.
Генетический материал
Генетический материал вирусов может быть представлен как одно- или двуцепочечной ДНК, так и одно- или двуцепочечной РНК. Больше ни у каких живых организмов РНК не является основным носителем генетической информации. ДНК-вирусы реплицируются в ядре клетки, так как для этого процесса необходима клеточная ДНК-полимераза. РНК-вирусы реплицируются в цитоплазме, на рибосомах клетки хозяина.
Существуют вирусы, способные превращать молекулу РНК в молекулу ДНК с помощью обратной транскриптазы. Самым известным представителем этого класса вирусов является вирус иммунодефицита человека. Синтезированная на матрице РНК молекула вирусной ДНК под действием фермента интегразы страивается в хромосому клетки хозяина и транскрибируется вместе с нормальными участками ДНК.
Бактериальные вирусы: бактериофаги
Бактериофаги - особые вирусы, так как они поражают исключительно бактериальные клетки. Структура и химический состав вирусов и бактериофагов очень похожи. Однако у вторых есть дополнительный отросток из фибриллярных белков. Генетический материал бактериофагов может быть представлен как ДНК, так и РНК.
Проникновение бактериофага внутрь бактериальной клетки приводит к ее лизису. Таким образом бактериофаги регулируют численность бактериальной популяции. Кроме того, эти вирусы обеспечивают генетическое разнообразие бактерий. Благодаря бактериофагам осуществляется процесс трансдукции: фрагменты бактериальной хромосомы или плазмиды упаковываются в головку бактериофага, выходят в ее составе из исходной бактериальной клетки и подают в другую бактериальную клетку, где и реплицируются. Так в бактериальную клетку попадает новый для нее генетический материал.
