Вирусология как биологическая наука

НАУКА ВИРУСОЛОГИЯ

Развитие учения о вирусах

Как и всякая другая наука, вирусология развивалась путем постепенного накопления фактов. Самостоятельность и перспективы она обрела лишь в последние 70 лет.

Заболевания растений, животных и человека, вирусная природа которых в настоящее время установлена, в течение многих столетий нанесли ущерб хозяйству и вред здоровью человека. Хотя многие из этих болезней были опасны, но попытки установить их причину и обнаружить возбудителя оставались безуспешными. Такое вирусное заболевание растений, как скручивание листьев картофеля, известно несколько столетий, а пестролепестные тюльпаны, пестрая окраска которых вызвана вирусом, выращивали еще в XVI в.

В 1892 г. Ивановский сообщил о возможности передачи мозаичной болезни табака соком, профильтрованным через бактериальные фильтры. Его сообщение осталось незамеченным; даже сам автор полностью не осознал значения своего открытия.

Впервые были представлены данные о возбудителе табачной мозаики, которые длительное время являлись критериями для отнесения возбудителей болезней к ”вирусам”: фильтруемость через ”бактериальные” фильтры, неспособность расти на искусственных средах, воспроизведения картины заболевания фильтратом, освобожденным от бактерий и грибов. Возбудитель мозаичной болезни называется Д. И. Ивановским то «фильтрующимися бактериями, то микроорганизмами», и это понятно, так как сформулировать сразу существование особого мира вирусов было весьма трудно. M.W. Beijerink, которому многие зарубежные ученые приписывали честь открывателя вирусов, признал в 1889 году приоритет Д.И. Ивановского. В связи с завершением своей магистерской диссертацией “Исследования спиртового брожения”. Совет Петербургского университета в 1895 году утвердил Д.И. Ивановского в степени магистра ботаники.

Своими исследованиями он заложил основы ряда научных направлений вирусологии: изучение природы вирусов, цитопотология вирусных инфекций, фильтрующихся форм микроорганизмов, хронического и латентного вирусоносительства.

Наряду с работами Ивановского по вирусологии, принесшими ему мировую известность, он проводил и другие исследования. Его перу принадлежит 180 публикаций, в том числе ряд работ в области почвенной микробиологии, физиологии и анатомии растений, 30 статей в энциклопедическом словаре Брокгауза и Эфрона и двухтомный учебник по физиологии растений. Успехи, достигнутые в конце XIX в. в изучении бактериальных возбудителей болезней человека, усилили интерес к тем инфекционным болезням, возбудители которых были неизвестны.

Болезни же, о которых мы в настоящее время знаем, что они вызываются вирусами, были известны в течение тысячелетий. Эпидемия, описанная в X в. до н. э. в Китае, напоминает оспу. Желтая лихорадка, веками господствовавшая в тропической Африке и являвшаяся бедствием судовых команд африканских торговых кораблей, послужила, по-видимому, основой легенд о «Летучем голландце» и других кораблях, над которыми тяготело проклятье.

Контагиозность вируса оспы была известна в течение столетий; в конце XVIII в. в медицинскую практику Запада была введена прививка: Дженнера — вакцинация экстрактами, содержащими вирус коровьей оспы. Тысячелетия назад, когда люди не имели понятия о вирусах, страшные болезни, вызванные ими заставляли искать пути избавления от них. Еще 3500 лет назад в Древнем Китае было подмечено, что люди, перенесшие легкую форму оспы, в дальнейшем никогда больше ею не заболевали. Опасаясь тяжелой формы этой болезни, которая не только несла с собой неминуемое обезображивание лица, но нередко и смерть, древние решили искусственно заражать детей легкой формой оспы.

На маленьких детей надевали рубашки больных людей, у которых оспа протекла в легкой форме; в нос вдували измельченные и подсушенные корочки оспенных больных; наконец, оспу ”покупали”- ребенка вели к больному с крепко зажатой в руке монеткой, взамен ребенок получал несколько корочек с оспенных пустул, которые по дороге домой должен был крепко сжимать в той же руке. Этот метод предупреждения, известный под названием вариоляция, не получил широкого распространения. Сохранялась большая опасность заболевания тяжелой формой оспы, и смертность среди привитых достигала 10%. При прививках было очень трудно дозировать заразный материал от больного, и иногда такие прививки приводили к развитию очагов оспы.

Проблема предохранения от оспы была решена только в конце 18 века английским врачом Эдвардом Дженнером. Он установил, что некоторые доярки никогда не болеют оспой, а, именно, те из них, которые предварительно перенесли легкое заболевание - коровью оспу, или, как ее называли, вакцину (от греческого vacca, что означает “корова”).

Будучи глубоко убежденным в правильности своих выводов Э. Джиннер в 1796 году провел публичный эксперимент по прививке содержимого пустулы с руки доярки на кожу плеча 8-летнего мальчика Джемса Фиппса. На месте прививки развилось лишь несколько пузырьков. Через полтора месяца Дженнер ввел Фиппсу гнойное содержимое кожного пузырька от больного натуральной оспы. Мальчик не заболел.

Так в 1798 году была впервые доказана возможность надежного предупреждения оспы, а с 1840 года вакцину для прививок начали получать заражением телят.

Вакцина против оспы оказалась первой противовирусной вакциной, хотя вирус натуральной оспы был открыт 57 лет спустя.

В 1884 г. Пастер приготовил вакцину против бешенства из аттенуированного штамма вируса. В 1898—1899 гг. Лефлеру и Фрошу удалось передать ящур.

Скоро, однако, стало очевидным, что инфекционные агенты существуют в форме дискретных вирусных частиц. Под микроскопом они имели вид элементарных телец и статистический анализ показал, что инфекция может быть вызвана одной-единственной вирусной частицей. Задолго до того, как были достигнуты успехи в химическом изучении вирусов, цитологические исследования позволили обнаружить в инфицированных вирусами тканях специфически измененные и определенным образом локализованные участки, получившие название внутриклеточных включений. Изучение морфологии и цитохимии этих внутриклеточных включений помогало не только идентифицировать определенные ви­русные инфекции, но и дало также возможность составить некоторое представление о путях биосинтеза вирусов.

Первая половина прошлого столетия была посвящена пристальному изучению вирусов - возбудителей острых лихорадочных заболеваний, разработке методов борьбы с этими заболеваниями и методов их предупреждения.

Открытия вирусов сыпались как из рога изобилия: в 1892 году был открыт вирус табачной мозаики - год рождения вирусологии как науки; 1898 году - открыт вирус ящура, 1901 году - вирус желтой лихорадки, 1907 году -вирус натуральной оспы, 1909 году - вирус полиомиелита, 1911 году - вирус саркомы Рауса, 1912 году - вирус герпеса, 1926 году - вирус везикулярного стоматита, 1931 году - вирус гриппа свиней и вирус западного энцефаломиелита лошадей, 1933 году - вирус гриппа человека и вирус восточного энцефаломиелита лошадей, 1934 году - вирус японского энцефалита и вирус паротита, 1936 году - вирус рака молочных желез мышей, 1937 году – вирус клещевого энцефалита, 1945 году - вирус крымской геморрагической лихорадки, 1948 году - вирусы Коксаки, 1951 году - вирусы лейкоза мышей и вирусы ЕСНО, 1953 году - аденовирусы и вирус бородавок человека, 1954 году -вирус краснухи и вирус кори, 1956 году - вирусы парагриппа, вирус цитомегалии и респираторно-синцитиальный вирус, 1957 году - полиомы, 1959 году -вирус аргентинской геморрагической лихорадки, 1960 году-риновирусы.

Этот почти непрерывный список открытий будет выглядеть еще внушительнее, если к 500 вирусам человека и животных добавить не меньший (если не больший!) список уже открытых к тому времени вирусов растений (более 300), насекомых и бактерий. Поэтому первая половина нашего столетия поистине оказалась эрой великих вирусологических открытий. Стремление ученых как можно скорее обнаружить и выделить вирус при любом неизвестном и особо тяжелом заболевании вполне понятно и оправдано, так как первый шаг в борьбе с болезнью - это выяснение ее причины. И вирусы-эти страшные убийцы - оказали, в конце концов, человечеству неоценимую услугу в деле борьбы с начало с вирусами, а затем и с другими (например, бактериальными) инфекционными заболеваниями.

Выше упомянутые и многие другие вирусы прочно вошли в учебники и руководства как возбудители острых лихорадочных заболеваний. Достаточно, например, вспомнить вирус гриппа с его мировыми гигантскими эпидемиями; вирус кори ассоциирует с картиной тяжело больного ребенка, вирус полиемиелита - тяжелое заболевание детей, инвалидность, прикованность к коляскам несчастных. Несколько подробнее остановимся на вирусе гриппа, который вызывает мировые пандемии гриппа. Есть противогрипозная вакцина. Ее применение примерно вдвое снижает заболеваемость привитых, но: во-первых, заболеваемость гриппом превосходит заболеваемость всеми известными инфекционными болезнями, вместе взятыми, а во-вторых, вирус гриппа часто меняет свои свойства, и это заставляет вместо приготовленной заранее вакцины готовить в срочном порядке новую. Все эти причины объясняют высокую заболеваемость гриппом. Во время последней пандемии 1972 - 1973 годах во всем мире гриппом переболело не менее 2,5 миллиардов человек. Среди всех известных вирусов человека и животных самую многочисленную группу представляют те из них, которые переносятся членистоногими - комарами, москитами, клещами. Эта группа получила специальное название -”арбовирусы”, что означает”вирусы, переносимые членистоногими”. Основными хранителями различных арбовирусов могут быть ящерицы, змеи, ежи, кроты, полевки, мыши, белки, зайцы, еноты, лисицы, овцы, козы, олени, свиньи и птицы. Особую роль в сохранение арбовирусов играют те животные, у которых инфекция протекает в латентной форме.

Таким образом, латентная форма инфекции необходима для сохранения вируса в природе как вида.

Потребность в удобных экспериментальных моделях организма – хозяина, с помощью которых можно было бы изучать патологию вирусных инфекций, стимулировала культивирование клеток in vitro. Исследования, проведенные на культурах тканей, показали, что репродукция вирусов возможна только в живых клетках; в мертвых клетках вирусы не размножаются. Серологическими методами была обнаружена антигенная специфичность вирусных белков, что послужило основой для диагностики, терапии и профилактики вирусных болезней.

Открытие в 1911 г. Раусом вируса, который вызывал зло­качественные опухоли у кур. Некоторые обобщения результатов изуче­ния целой группы злокачественных опухолей у птиц послужили основа­нием к признанию вирусов одним из основных агентов, индуцирующих опухолевые трансформации как у животных, так и у растений.

В 1967 году в Марбурге и Франкфурте-на-Майне, а также в Белграде неожиданно вспыхнуло заболевание, среди сотрудников научно-исследовательских институтов, занимавшихся приготовлением и изучением клеточных культур из органов африканских зеленых мартышек, привезенных из Уганды. Семь человек погибло от этой неизвестной болезни.

Два года спустя в Нигерии (местечко Ласса) от неизвестного инфекционного заболевания погибает медицинская сестра. Ухаживавшие за ней две другие медсестры тоже заболели, одна из них умерла. Погиб врач, вскрывавший трупы умерших медсестер. В 1970 году во время вспышки этого заболевания в Нигерии смертность достигла 52%. Позднее были описаны вспышки болезни в Либерии и Сьерра-Лионе. За все время из 20 заболевших медработников 9 погибло.

Первое из описанных заболеваний известно теперь под названием “ вирусная болезнь Марбурга”, второе- “лихорадка Ласса”.

Открытие бактериофагов, или вирусов бактерий, Туортом явилось основным стимулом к единению вирусологии и превращению ее в самостоятельную науку.

Когда стали доступны современные физические и химические ме­тоды исследования, с помощью электронного микроскопа удалось вы­явить детали структуры вирионов даже самых мелких вирусов. С по­мощью же рентгеноструктурного анализа удалось вскрыть детали внут­ренней организации некоторых вирусных частиц еще до того, как это было сделано посредством электронного микроскопа. Выделение в чистом виде сначала вируса табачной мозаики, а затем и некоторых других вирусов привело к их успешной кристаллизации и дало возмож­ность изучить их химические свойства.

Определяющая роль нуклеиновой кислоты в вирусной инфекции была доказана на примере фаговой инфекции, которая, как было обна­ружено, начинается с освобождения нуклеиновой кислоты из вириона и проникновения ее внутрь бактерии-хозяина. Способность очищенной вирусной нуклеиновой кислоты вызывать инфекцию впервые была пока­зана на примере РНК вируса табачной мозаики, а затем на РНК и ДНК многих других вирусов, включая бактериофаги, а также вирусы растений и животных.

Образование вирусных частиц можно рассматривать как кульмина­ционный момент в морфогенетическом процессе, детерминируемом виру­сом. Геном вируса представлен нуклеиновой кислотой. Эта нуклеиновая кислота реплицируется и вынуждает клетку синтезировать особый (вирусоспецифичный) белок, из которого строится белковая оболочка вируса, или капсид. Полностью сформированная вирусная частица, со­стоящая из нуклеиновой кислоты, капсида, а иногда также и иных, внеш­них оболочек, составляет вирион.

С эпидемиологической точки зрения важным достижением явилось выявление роли насекомых-переносчиков в передаче многих вирусов жи­вотных и растении изучение комплексов хозяин-переносчик-вирус, показавшее роль латентных инфекций в сохранении патогенных вирусов в природе. Анализ спонтанного мутирования вирусов способ­ствовал пониманию эпидемиологии вирусных болезней; этот анализ вы­явил, что вирусы представляют собой автономно эволюционирующие ге­нетические системы.

Природа вирусов

Вопрос о природе вирусов — один из наиболее неясных вопросов ви­русологии. Является ли вирус организмом? Можно ли считать его жи­вым? Когда было найдено, что вирионы некоторых вирусов после выде­ления их из экстрактов инфицированных клеток и соответствующей очистки имеют почти одинаковые размеры, форму, химический состав и даже могут кристаллизоваться, возникла необходимость прими­рения «молекулярной» природы этих частиц с их способностью репродуцироваться. Как обычно в таких случаях, трудности носили скорее семантический характер. Такие слова, как «организм» и «живой», одно­значны только в применении к тем объектам, в отношении которых они были первоначально введены. Так, лягушка — это организм; собака, ко­торая бегает и лает, несомненно живая. Но почему, собственно, лягуш­ка — это организм?

Согласно Львову, организм — это некая независимая единица интегрированных и взаимосвязанных структур и функций. Лягушка пред­ставляет собой такую единицу; отдельные же клетки ее тела (хотя каж­дую из них тоже можно рассматривать как некую единицу интегриро­ванных и взаимосвязанных структур и функций) не являются незави­симыми в обычном смысле слова. (Отметим, что и сама лягушка не во всех отношениях подходит под определение «независимой единицы», хотя бы, например, из-за существования двух разных полов.) У простейших, т. е. у одноклеточных форм, именно клетка является независимой едини­цей, иными словами, организмом. Клеточные органеллы — митохондрии, хромосомы, хлоропласта — это не организмы, ибо они не являются не­зависимыми.

Таким образом, если придерживаться определения Львова, то вирус нельзя назвать организмом, поскольку он не обладает независимостью. Инфекционная вирусная частица полностью зависит от живой клетки-хозяина; вне этой клетки невозможны ни размножение вируса, ни реали­зация его генетических потенций. В этом отношении вирусы в такой же степени зависят от клетки-хозяина, как и ее собственные гены, выраже­ние которых осуществимо также при условии целостности клетки. Ген и хромосома не являются организмами (это следует из наших рассужде­ний), следовательно, и вирус не организм.

Мы можем рассмотреть и другое определение организма, которое подчеркивает не столько функциональную независимость, сколько инди­видуальность, историческую непрерывность и эволюционную независи­мость. Клеточный ген или генный комплекс имеет индивидуальность и историческую непрерывность, но его эволюция ограничена пределами одной линии клеток; следовательно, он не организм. У многоклеточных видов независимо от того, представляют ли они собой виды животных или растений, отдельные линии клеток не могут эволюционировать неза­висимо друг от друга; следовательно, их клетки не являются организ­мами.

Для того чтобы изменение было эволюционно значимым, оно дол­жно быть передано новому поколению особей, В соответствии с этим рассуждением организм представляет собой элементарную единицу не­которого непрерывного ряда со своей индивидуальной эволюционной историей.

Вирус обретает относительно независимую эволюционную историю благодаря свойственной ему способности передаваться от хозяина к хо­зяину. Он может пережить клетку и организм, в которых паразитирует. Круг хозяев вируса в ряде случаев не ограничивается лишь каким-либо одним видом организмов. Один и тот же вирус может встречаться и у представителей разных видов, родов и даже типов. Он может переда­ваться от растения насекомым и размножаться в клетках тех и других. Вирус может, обладая соответствующей приспособляемостью, испробо­вать предоставляемые ему очень далекие друг от друга ниши. Таким об­разом, вирус обладает, конечно, большей независимостью, чем любая клеточная органелла; он в большей степени организм с эволюционной точки зрения, чем хромосома или даже клетка многоклеточного живот­ного, хотя функционально значительно менее независим, чем любая та­кая клетка.

Подобный же ход рассуждений может помочь нам выйти из того затруднительного положения, в котором мы находимся, обсуждая вопрос о том, куда относить вирусы: к царству живого или к царству неживого, Львов определяет жизнь как «свойство, проявление или состояние клеток и организмов, охарактеризованных как независимые структурные и функциональные единицы. Поэтому он рассматривает вирусы как не­живые, ибо не считает их организмами. В первом издании этой книги отправной точкой дискуссии о природе вирусов было подобного же типа утверждение, а именно: «жизнь представляет собой свойство некоей ор­ганизованной части материи, т. е. свойство организмов», однако и в этой, дискуссии подчеркивалась репродуктивная и эволюционная непрерыв­ность и независимость вирусов. Было выдвинуто следующее операцио­нальное определение: «Живым мы называем то, что, будучи изолиро­вано, сохраняет свою специфическую конфигурацию, так что эта конфи­гурация может быть реинтегрирована, т. е. вновь включена в цикл, в котором участвует генетическое вещество».

Это отождествляет жизнь с наличием независимого, специфического, самореплицирующегося способа организации. Белок с этой точки зрения «неживой, ибо аминокислотная последовательность, как таковая, никог­да не копируется в клетке. Специфическая же последовательность осно­ваний нуклеиновой кислоты того или иного гена может копироваться: ген —это некая часть запаса информации, которым располагает живой организм.

Следует ли в таком случае считать нуклеиновую кислоту живой? Упомянутое выше определение предлагает в качестве теста на живое экстракцию и воспроизведение в различных клеточных линиях и'в ряде поколений организмов. Вирус, согласно этому тесту, живой, точно так же как и любой другой фрагмент генетического материала, о котором мы знаем, что его можно извлечь из клетки, вновь ввести в живую клетку и что при этом он будет копироваться в ней и станет хотя бы на неко­торое время частью ее наследственного аппарата.

Фрагменты ДНК различных видов бактерий (принадлежащих к ро­дам Pneumococciis, Streptococcus, Hemophilus, Bacillus и некоторым дру­гим) способны к такой реинтеграции при введении в живые клетки соот­ветствующего вида. Это так называемый феномен «трансформации». Следовательно, мы должны сказать, что любой фрагмент ДНК этих бак­терий обладает признаками живого.

Существует, однако, важное различие в способности к передаче бак­териальной ДНК и ДНК вирусного генома. Передача фрагментов ДНК бактерий, хотя она и имеет место в природе, является, по-видимому, слу­чайным событием, не имеющим важного эволюционного значения, тогда как передача генома вируса составляет основной смысл существования этих форм — результат их селективной специализации.

Как мы увидим далее, нуклеиновая кислота некоторых вирусов, вы­деленная из вирусных частиц или из инфицированных клеток, может проникать в другие клетки и реплицироваться в них. Однако в большин­стве случаев эффективность инфекции при этом заметно снижается по сравнению с инфекцией, вызванной целыми вирусными частицами. Иными словами, перенос генетического материала в форме целых вирус­ных частиц осуществляется более эффективно, чем в форме одной только-нуклеиновой кислоты вируса. Это дает возможность считать вирусы «более живыми», чем какие-либо другие фрагменты генетического мате­риала, и «более организмами», чем любые клеточные органеллы, вклю­чая хромосомы и гены.

Основные группы вирусов

Стало уже обычным подразделять вирусы в соответствии с природой их хозяев на вирусы растений, вирусы животных и вирусы бактерий, или бактериофаги. Но даже такое общее подразделение не свободно от противоречий. Вирусы растений, например, могут размножаться в насе­комых-переносчиках. Поскольку вирусы были открыты как патогенные агенты, т. е. агенты, вызывающие появление каких-то аномальных при­знаков у некоторых хозяев, логично подразделять их по принципу «основного хозяина», т. е. хозяина, у которого такие аномалии впервые были обнаружены человеком. Каждый вирус имеет какой-то «набор» хо­зяев— более или менее родственных организмов, в которых он может репродуцироваться. Для сохранения вирусов в природе часто более важ­ны те хозяева, в которых вирусы вызывают наименьшие изменения, а не основные хозяева, представляющие интерес для человека.

Химический состав вирусов

Вирионы просто организованных вирусов представляют собой вирусную нуклеиновую кислоту, заключенную в оболочку (капсид) из повторяющихся субъединиц (капсомеров). Каждый капсомер построен из одного или нескольких белков, закодиро­ванных в геноме вируса. Кроме нуклеиновой кислоты и белков они содержат липиды и гликолипиды, которые обычно распола­гаются в наружной (суперкапсидной) оболочке вирионов. В со­став последних часто входят гликопротеиды (гликозилированные белки, к полипептидным цепям которых ковалентно присоедине­ны углеводные цепи), липопротеиды, чаще всего ацилированные белки (белки, к полипептидным цепям которых ковалентно присоединены остатки жирных кислот) и фосфопротеиды (бел­ки, к полипептидным цепям которых ковалентно присоединены остатки фосфорной кислоты). Обычно липиды и гликолипиды клеточного происхождения, за исключением, возможно, поксвирусов. Липиды не всегда расположены в наружной оболочке вириона.

Углеводы, входящие в состав вирусных белков, представля­ют собой полимерные цепи, синтезируемые из мономерных звеньев, поставляемых клеткой причем, у поксвирусов структу­ра олигосахаридных цепей зависит от структуры белка, к кото­рому они присоединены.

Присоединение к вирусным белкам остатков фосфорной и жирных кислот и углеводных цепей осуществляется, как прави­ло, клеточными ферментами, но специфичность присоединения зависит от структуры белка.

1. Нуклеиновые кислоты представляют собой линейные полиме­ры, состоящие из нуклеотидов.

2. Нуклеотиды состоят из трех частей: остатка фосфорной кислоты, углеводного остатка (дезоксирибозы для ДНК, рибозы для РНК) и азотистого основа­ния.

3. В состав ДНК обычно входят азотистые основания тимин, аденин, гуанин и цитозин.

4. В состав РНК обычно входят уридин, аденин, гуанин, цитозин.

Разнообразие структуры нуклеиновых кислот обусловлено различным порядком чередования в их цепях нуклеотидов.

5. ДНК представляет собой двунитчатую молекулу, РНК — однонитчатую.

6. Двуспиральная ДНК — это клеточный геном, выполняющий функции хранения и репликации наследственной информации. Односпиральная РНК представлена тремя класса­ми молекул: 1) информационные РНК, (иРНК), образующиеся в результате транскрипции генома и передающие в геноме ин­формацию на белоксинтезирующий аппарат клетки; 2) рибосомальные РНК, являющиеся структурным элементом рибосомы; 3) тРНК, доставляющие аминокислоты к белоксинтезирующему аппарату.

7. Нуклеотиды различаются по структуре углеводного остатка. Так, в состав РНК входит пятиуглеродный сахар — рибоза, а в состав ДНК —другой сахар—дезоксирибоза.

8. Нуклеотиды, а следовательно, и содержащие их нуклеиновые кислоты отличаются друг от друга еще и по строе­нию органических оснований. Так, обычно в состав ДНК входят следующие четыре основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц), а в состав РНК— аденин (А), гуанин (Г), урацил (У) и цитозин (Ц).

9. В 1950 г. американский биохимик Э. Чаргафф определил, что независимо от про­исхождения двуспиральных ДНК содержание в них аденина всегда равно содержанию тимина (А-Т, или А:Т=1), а гуани­на—содержанию цитозина (Г-Ц, или Г:Ц=1). Отсюда сле­довало, что сумма А и Ц равна сумме Г а Т, или (Г+Т):(А+Ц) = 1. Эти соотношения получили в дальнейшем название правил Чаргаффа. Правила Чаргаффа не распространены на односпиральные ДНК. При анализе другого типа нуклеиновой кислоты — РНК (тоже различного происхождения) указанных закономерностей не наблюдалось.

10. ДНК обычно построена из двух полинуклеотидных цепочек, закрученных спиралевидно одна вокруг другой. Основной угле­водно-фосфатный костяк обеих цепочек ДНК расположен снару­жи спирали, а органические основания — внутри нее, друг про­тив друга. Обе цепочки ДНК удерживаются водородными связя­ми между парами оснований А—Т и Г—Ц, Только при соединении двух бициклических молекул оснований (А и Г) с однокольцевыми (Т и Ц) может соблю­даться одинаковое расстояние между цепями. Такое простран­ственное соответствие пар оснований (А—Т и Г—Ц) называется комплементарностью. Благодаря комплементар­ному построению обе нити ДНК становятся взаимноодно­значными. Последовательность осно­ваний в одной цепи однознач­но определяет их последовательность в другой. Поэтому, зная расположение оснований в одной нити, можно построить на основании закона комплементарности вторую нить и наоборот:

Отсюда следует, что биологический «смысл» этих цепей раз­личен: белки, если бы они синтезировались согласно генетичес­кой информации, заключенной в этих цепях ДНК, были бы раз­личны и имели различную последовательность аминокислот. У вирусных геномов обе цепи используются для кодирования белков.

Вирусные ДНК

Мол. масса вирусных ДНК варьирует в широких пределах от 1-106МД до 250-106МД. Самые большие вирусные геномы содержат несколько сотен генов, а самые ма­ленькие содержат информацию, достаточную для синтеза лишь нескольких белков.

В вирусных геномах, представленных двуспиральными ДНК, информация может быть закодирована на обеих нитях ДНК. Кроме того, известно, Что в вирусных геномах встречается перекрытие генов (использование части информации об одном белке для кодирования другого белка). Это свидетельствует о макси­мальной экономии генетического материала у вирусов, что является неотъемлемым свойством их как генетических парази­тов. В связи с этим оценка объема генетической информации может быть проведена по мол. массе молекул.

Способность к приобретению кольцевой формы, которая по­тенциально заложена в концевых прямых и инвертированных повторах (Инвертированные повторы — участки нуклеиновых кислот с обратным построением нуклеотидных последовательностей, могущие образовывать шпи­лечные структуры. Имеют важное значение в регуляции многих процессов. Пример: либо линейный ATGC, GCAT, либо шпилька), имеет большое значение для вирусов. Кольцевая фор­ма обеспечивает устойчивость ДНК к экзонуклеазам (Экзонуклеазы — ферменты, последовательно отщепляющие нуклеотиды с концов полинуклеотидной цепи). Стадия образования кольцевой формы обязательна для процесса инте­грации ДНК с клеточным геномом. Наконец, кольцевые формы представляют собой удобный и эффективный способ регуляции транскрипции и репликации ДНК.

В составе вирионов, содержащих односпиральную ДНК, обычно содержатся молекулы ДНК одной полярности. Исклю­чение составляют аденоассоциированные вирусы, вирионы кото­рых содержат ДНК либо одной полярности (условно называе­мой «плюс»), либо ДНК с противоположным знаком (условно — «минус»). Поэтому тотальный препарат вируса состоит из двух типов частиц, содержащих по одной молекуле плюс- или минус-ДНК. Инфекционный процесс при заражении этими вирусами возникает лишь при проникновении в клетку частиц обоих типов.

Вирусные РНК

Из нескольких сотен известных в на­стоящее время вирусов человека и животных РНК-геном содер­жит около 80% вирусов. Способность вирусов хранить наслед­ственную информацию — уникальная особенность их, У некото­рых РНК-геномных вирусов нуклеиновая кислота в отсутствие белка может вызывать инфекционный процесс.

Структура вирусных РНК чрезвычайно разнообразна. У ви­русов обнаружены односпиральные и двуспиральные, линейные, фрагментированные и кольцевые РНК. РНК-геном обычно является гаплоидным, но геном ретровирусов — диплоид­ный, т, е. состоит из двух идентичных молекул РНК.

Односпиральные РНК. Молекулы односпиральных вирусных РНК существуют в форме одиночной полинуклеотидной цепи со спирализованными ДНК-подобными участками. При этом не­комплементарные нуклеотиды, разделяющие комплементарные участки, могут выводиться из состава спирализованных участков в форме различных «петель» и «выступов». Суммарный процент спирализации вирусных РНК варьирует в широких пределах. Вирусы, содержащие односпиральную РНК, делятся на две группы. У вирусов первой группы вирусный геном обладает функциями информационной РНК, т. е. может непосредственно служить матрицей для синтеза белка на рибосомах. По предло­жению Д. Балтимора (1971), РНК со свойствами информацион­ной условно обозначена знаком «плюс», и в связи с этим вирусы, содержащие такие РНК (пикорнавирусы, тогавирусы, коронавирусы, ретровирусы), обозначены как плюс-нитевые вирусы, или вирусы с позитивным геномом.

Вторая группа РНК-содержащих вирусов содержит геном в виде односпиральной РНК, которая сама не обладает функция­ми иРНК. В этом случае функцию иРНК выполняет РНК, ком­плементарная геномной. Синтез этой РНК (транскрипция) осуществляется в зараженной клетке на матрице геномной РНК с помощью вирусспецифического фермента —транскриптазы. В составе минус-нитевых вирусов обязательно присутствие собственного фермента, осуществляющего транскрипцию геном­ной РНК и синтез иРНК, так как аналога такого фермента в клетках нет. Геном этих вирусов условно обозначают как ми­нус-РНК, а вирусы этой группы — как минус-нитевые вирусы, или вирусы с негативным геномом. К этим вирусам относятся ортомиксовирусы, парамиксовирусы, буньявирусы, рабдовирусы. РНК этих вирусов не способна вызывать инфекционный про­цесс.

В соответствии с разными свойствами вирусных РНК между двумя группами вирусов есть и структурные различия. Посколь­ку РНК плюс-нитевых вирусов выполняет функцию иРНК, она имеет специфические структурные особенности, характерные для 5'-3'-концов этих РНК; 5'-конец клеточных и вирусных РНК обычно имеет структуру так называемой шапочки (по английски «cap»). На 5'- и 3'-концах иРНК имеются поли (А), коли­чество которых достигает 200 и выше. Эти модификации концов иРНК, осуществляемые после синтеза полинуклеотидной цепи, имеют существенное значение для функции иРНК: «шапочка» нужна для специфического узнавания иРНК рибосомами, функ­ции поли (А) заключа­ются в придании стабильности молекулам иРНК.

Такими же модифицированными концами обладают геном­ные РНК плюс-нитевых вирусов. Геномные РНК минус-нитевых вирусов не имеют ни «шапочки», ни поли (А); модифицирован­ные концы характерны для иРНК этих вирусов, синтезирующих­ся в клетке на матрице вирионной РНК и комплементарных ей. Геномная РНК ретровирусов хотя и является плюс-нитевой, однако не содержит «шапочку»; эту структуру содержит гомо­логичная РНК, синтезируемая на матрице интегрированной провирусной ДНК.

Существуют вирусы, содержащие как плюс-нитевые, так и минус-нитевые РНК гены (амбисенс-вирусы). К ним относятся аренавирусы.

В основном односпиральные РНК являются линейными мо­лекулами, однако РНК-фрагменты буньявирусов обнаружены в виде кольцевой формы. Кольцевая форма возникает за счет образования водородных связей между концами молекул.

Двуспиральные РНК. Этот необычный для клетки тип ну­клеиновой кислоты, впервые обнаруженный у реовирусов, широ­ко распространен среди вирусов животных, растений и бактерий. Вирусы, содержащие подобный геном, называют диплорнавирусами. Особенностью их является фрагментированное состоя­ние генома. Так, геном реовирусов состоит из 10 фрагментов, ротавирусов — из 11 фрагментов.

Вирусные белки

Белки представляют собой чрезвычайно разнородный класс биологических макромолекул. Обязательными компонентами белков являются аминокислоты.

Мол. масса аминокислот лежит в пределах 90—250 Д. В со­став полипептида может входить от 15 до 2000 аминокислот, наиболее часто встречаются полипептиды с массой от 20 до 700 кД, состоящие из 100—400 аминокислот. В молекуле полипептида аминокислоты ковалентно соединены в линейный полимер пептидными связями, образующимися между NН₂- и СООН - группами соседних аминокислот.

Две аминокислоты, соединенные пептидной связью, называ­ются дипептидом, три — трипептидом и т. д несколько (5— 10)—олигопептидом, более длинные полимеры — пептидами, еще более длинные — полипептидами. Белки могут состоять из одного или нескольких (обычно не более 6) полипептидов. Белки, состоящие только из аминокислотных остатков, называются про­стыми белками — протеинами. Белки, состоящие из аминокислот и неаминокислотной части, называются сложными белками — протеидами.

Если неаминокислотная часть представлена ионами металла, белок называется металлопротеидом, углеводными остатками — гликопротеидом, липидными молекулами — липопротеидом, остатками фосфорной кислоты фосфопротеидом, нуклеиновой кислотой — нуклеопротеидом и т, д. Практически все белки со­стоят из 20 аминокислот. В состав одного конкретного белка может входить от 3 до 20 аминокислот. Порядок чередования их в полипептидной цепи и длина последней определяют первичную структуру белка. Этот первый простейший уровень организации молекул, определяющий структуру всех белков, полностью и однозначно кодируется участком нуклеиновой кислоты, содержа­щим информацию, необходимую для синтеза данного белка. Следующий уровень организации молекул белка — вторичная структура. Если первичная структура белка поддерживается одним видом связи — пептидной связью, то вторичная структу­ра— тремя видами связи: дисульфидной, водородной и гидро­фобной. Дисульфидная связь возникает между двумя остатками цистеина.

Дисульфидная связь может соединять различные части од­ной полипептидной цепи, образуя на них петли различной длины и конфигурации. Водородные связи возникают в молекуле белка между атомными группировками образующими пептидные связи. Наличие этих связей приводит к образованию в составе полипептида b-складчатых или a-спиральных структур.

Гидрофобные связи возникают между боковыми радикалами; гидрофобных аминокислот, вызывая изгибы полипептидной цепи.

Следующий уровень организации — сверхвторичная с<