Нас подстерегают неожиданности

 

Природа удивительным образом проявляется гораздо сложнее и интереснее, чем мы могли бы вообразить.

В. А. Амбарцумян, 1965

 

Еще о «живых кристаллах»

 

В 1946 году Стэнли была присуждена Нобелевская премия за открытие явления кристаллизации ВТМ. К тому времени уже были известны и другие кристаллизующиеся вирусы, полученные последователями американского биохимика из больных растений.

Спустя двадцать лет сотрудники Лаборатории вирусов Калифорнийского университета добились дальнейших значительных успехов: они кристаллизовали животный вирус, причем один из самых мелких – вирус полиомиелита. Этот период характеризуется бурным развитием вирусологии. Вирусологи научились не только обнаруживать возбудителей вирусных заболеваний, но и культивировать их. Сначала для этих культур использовали подопытных животных, позже стали применять зародышей цыплят, а затем и искусственные культуры тканей из организма животных (фото 40).

Сотрудники упомянутой Лаборатории вирусов выращивали вирус полиомиелита на культуре ткани из почек обезьяны. Искусственные ткани культивировались на питательной жидкости, а в их клетках жили и размножались частицы вируса полиомиелита. Дальнейшим этапом было выделение вируса, и основными «рабочими орудиями» для этого служили ультрацентрифуга и электронный микроскоп. На дне центрифужных пробирок при скорости в несколько десятков тысяч оборотов в минуту из фильтрата питательной жидкости постепенно оседали невидимые простым глазом частицы вируса полиомиелита. Полученная суспензия была исследована под электронным микроскопом. Комбинацией различных химических методов ученым удалось наконец достигнуть намеченной цели – выделить один‑единственный кристаллик вируса (фото 41, а). Из миллионов частей культуральной жидкости только три части приходились на вирус. Интересно было рассмотреть скол такого кристалла (фото 41, в): электронный микроскоп вскрыл правильное расположение отдельных частиц вируса. Чтобы образовать один едва видимый в микроскоп кристаллик, потребовались миллиарды этих частиц!

Через год ученым удалось кристаллизовать уже три известных типа вируса полиомиелита. Это было как раз в том году, когда Р. Л. Стире установил, что ВТМ кристаллизуется не только в искусственных условиях, его кристаллы образуются и в клетках пораженных растений.

Немного позднее вирусологи К. Ф. Маттерн и X. Дюбуа опубликовали сообщение о получении кристаллов вируса Коксаки (фото 42).

К настоящему времени вирусологи открыли уже несколько сотен вирусов. Из них в относительно очищенном виде выделены примерно 30, а около 20 вирусов получены в абсолютно чистом виде.

 

Строение ВТМ

 

Вирус табачной мозаики изучен гораздо лучше других вирусов. Его размеры и форма нам уже хорошо известны. Но каково внутреннее строение частицы этого вируса?

Рибонуклеиновая кислота находится в вирусной частице в виде простых спиралей, которые скрыты в цилиндре, представляющем макромолекулу белка. Внутри частицы имеется полый «канал», как у изолированного провода, из которого вытянули проволоку. Диаметр этого канала достигает 4 нм (фото 43).

Макромолекула белка состоит из мелких пептидных цепей (субъединиц); в каждой частице ВТМ их в среднем около 2200. Эти цепи, образующие как бы «плащ» поверх спирали РНК, представляют более крупную спираль, внешний диаметр которой равен 17–18 нм. С каждым оборотом спирали на 360° в белковом «плаще» прибавляется 16 1/3 новых пептидных цепей и длина его увеличивается на 2,3 нм. Общее число витков около 130.

Цепи, из которых состоят белки, химически всегда однородны. Данные об их строении были опубликованы почти одновременно двумя группами исследователей: Г. Шраммом с сотрудниками из Института Макса Планка в Тюбингене (ФРГ) и X. Л. Френкель‑Конратом с сотрудниками из Лаборатории вирусов Калифорнийского университета. Обе группы независимо друг от друга установили, что каждая субъединица состоит из цепи аминокислот, объединенных пептидными связями в полипептиды. Но если немецкие ученые насчитали 157 молекул аминокислот в одной такой субъединице, то американские увидели на одну больше. И как показали более поздние исследования, вторая цифра оказалась правильной.

В каждой субъединице представлены 16 различных аминокислот. Их названия, сокращенные символы и количество молекул в субъединице приведены в таблице 6.

 

 

 

Субъединица белкового цилиндра вируса табачной мозаики образуется соединением 158 аминокислотных остатков, размещенных в определенном порядке.

 

Расположение аминокислот в субъединице, установленное сотрудниками Лаборатории вирусов, видно из приведенного рисунка.

На фото 44 представлена модель ВТМ с яйцевидными субъединицами белков и витками РНК, которые обозначены черным.

Основными субъединицами РНК являются нуклеотиды. Различают четыре типа этих соединений: адениловая, гуаниловая, цитидиловая и уридиловая кислоты. В целой спирали РНК насчитывается 6500 нуклеотидов, но их расположение еще неизвестно.

Вся молекула ВТМ состоит приблизительно из 5 250 000 атомов следующих биогенных элементов: углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора и серы. Пять с четвертью миллионов атомов распределены между 6500 нуклеотидами в молекуле РНК и 2200 субъединицами белков, каждая из которых содержит 158 аминокислотных остатков. И несмотря на такую сложность состава и структуры, вирус табачной мозаики имеет длину, равную всего лишь трем десятитысячным, а ширину – 18 миллионным долям миллиметра.

Что представляла бы собой частица ВТМ при увеличении ее в миллион раз? Это был бы небольшой цилиндр длиной около 30 см и диаметром 1,5 см. Увеличенная еще в тысячу раз, она напоминала бы цилиндрическую башню диаметром 18 м и высотой 300 м. Если бы у этой башни было 2200 лестничных ступенек, то каждая из них соответствовала бы одной белковой субъединице ВТМ, причем высота ее равнялась бы 14 см и состояла бы она из 158 кирпичей шестнадцати различных типов. В этом случае каждый кирпич отвечал бы одной молекуле из 16 типов аминокислот, присутствующих в белковых субъединицах. При подъеме по такой винтовой лестнице на верхушку башни мы сделали бы 130 витков вокруг ее оси. И если бы к концу путешествия у нас не закружилась голова и мы смогли бы заглянуть в цилиндрическую шахту четырехметрового диаметра, находящуюся в центре башни, то увидели бы в ней 6500 многогранников, поставленных друг на друга по спирали. Эта спираль соответствовала бы спирали РНК вирусной частицы, состоящей из 6500 нуклеотидов. Многогранники были бы к тому же четырех типов, что отвечает четырем типам нуклеотидов, участвующих в структуре макромолекулы РНК.

Наконец, приведем еще одно сравнение: частица нашего вируса относилась бы к этой фантастической башне как 1 секунда к 32 годам!

 

Геометрия и вирусы

 

Такой строгой симметрией, какую мы видели в архитектонике частицы ВТМ, отличаются и все прочие вирусы. Косвенным доказательством этого является и строение кристаллических вирусов, обнаруженное при помощи особого рентгеновского аппарата, который применяется для изучения строения молекул различных соединений. Эти данные успешно дополняются и непосредственным наблюдением вирусных частиц в электронном микроскопе при увеличении их в сотни тысяч раз. Для этой цели препараты вирусов обрабатываются фосфорно‑вольфрамовой кислотой, не пропускающей электроны. Эта жидкость заполняет крошечные пространства между отдельными субъединицами вирусной частицы. При наблюдении в электронном микроскопе электроны проходят только сквозь «не‑затененные» белковые цепи, образуя как бы подобие негативного изображения вирусных частиц. При этом можно убедиться в строго симметричном расположении субъединиц вируса.

Сходную с ВТМ спиральную структуру имеют и многие другие вирусы. Например, миксовирусы, составляющие группу возбудителей ряда болезней человека и животных (вирусы гриппа, свинки и др.). Правда, некоторые миксовирусы имеют еще более сложное, но всегда симметричное строение. Модель такого чрезвычайно сложного по строению вируса представлена на фото 45.

Частицы других вирусов напоминают своей формой многогранники, и вирусологи относят их к группе вирусов с икосаэдрической симметрией (икосаэдр – двадцатигранник, стенки которого представляют собой равносторонние треугольники). Частице аденовирусов, например, соответствует модель, состоящая из 252 шаровидных субъединиц (фото 45, в), частице вируса герпеса отвечает модель из 162 субъединиц. Самый мелкий из известных нам вирусов – бактериофаг ØX174, у которого только 12 поверхностных субъединиц.

Отдельная вирусная частица – это основная инфекционная единица данного вируса. Она состоит из белковой «оболочки» и скрытой в ней молекулы нуклеиновой кислоты. Мы уже говорили, что частицы вирусов отличаются от клеток еще и тем, что всегда содержат лишь один тип нуклеиновой кислоты. Частицы ВТМ, мы знаем, содержат РНК; эта же нуклеиновая кислота находится в частицах вируса гриппа и полиомиелита. Но в частицах упомянутого аденовируса имеются молекулы ДНК.

Обе нуклеиновые кислоты, ДНК и РНК, выполняют в каждой вирусной частице важные «дирижерские» функции, подобно тому как они делают это в клетках бактерий и других организмов.

Рассмотрение нами вопросов строго определенной геометрической структуры и симметрии в вирусах было бы неполным, если бы мы не рассказали, хотя бы вкратце, об их размерах. Одна активная инфекционная единица вируса называется вирионом. Вирионы различных типов вирусов отличаются не только строением, но и тем, какую именно кислоту они содержат – ДНК или РНК. Определяющим признаком служит и их величина (в случае вирусов мы охотнее употребили бы слово «малость», а не «величина»). Вирус табачной мозаики по своей длине находится на верхней границе возможных размеров вирусов, он достигает 300 нм, или трех десятитысячных долей миллиметра. К наименьшим вирусам относится вирус различных форм ящура, частицы которого имеют диаметр 24 нм, или двадцать четыре миллионные доли миллиметра.