1. 2. 1. Структура и классификация вирусов

Вирусы относятся к царству Vira. Это мельчайшие микробы, не имеющие клеточного строения, белок - синтезирующей системы, содержащие только один тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК).Рис. 2.10. Различные формы вирионов

Они являются автономными генетическими структурами и от­личаются особым разобщенным (дисъюнктивным) способом размножения (репродукции): в клетке отдельно синтезируются нуклеиновые кислоты вирусов и их белки, затем происходит их сборка в вирусные частицы. Вирусы, являясь облигатными внутриклеточными паразитами, размножаются в цитоплазме или ядре клетки. Сформированная вирусная частица называется ви- рионом (рис.2.9).

Морфологию и структуру вирусов изучают с помощью элек­тронной микроскопии, так как их размеры малы и сравнимы с толщиной оболочки бактерий. Форма вирионов может быть различной (рис.2.10): палочковидной (вирус табачной мозаики), пулевидной (вирус бешенства), сферической (вирусы полиоми­елита, ВИЧ), в виде сперматозоида (многие бактериофаги). Раз­меры вирусов определяют с помощью электронной микроско­пии, методом ультрафильтрации через фильтры с известным диаметром пор, методом ультрацентрифугирования. Один из са­мых мелких вирусов — вирус полиомиелита (около 20 нм), самый крупный — вирус натуральной оспы (около 350 нм).

Различают ДНК- и РНК-содержащие вирусы (табл.2.1). Они обычно гаплоидны, т.е. имеют один набор генов. Исключением являются ретровирусы, имеющие диплоидный геном. Геном ви­русов содержит от 6 до нескольких сотен генов и представлен различными видами нуклеиновых кислот: двунитевыми, одно- нитевыми, линейными, кольцевыми, фрагментированными. Сре­ди PH К-содержащих вирусов различают вирусы с положитель­ным (плюс-нить РНК) геномом. Плюс-нить РНК этих виру сов выполняет наследственную (геномную) функцию и функцию информационной РНК (иРНК). Имеются также РНК-содержа- щие вирусы с отрицательным (минус-нить РНК) геномом. Минус- нить РНК этих вирусов выполняет только наследственную фун­кцию. Геном вирусов способен включаться в состав генетичес­кого аппарата клетки в виде провируса, проявляя себя генети­ческим паразитом клетки. Нуклеиновые кислоты некоторых вирусов (вирусы герпеса и др.) могут находиться в цитоплазме инфицированных клеток, напоминая плазмиды.

Различают просто устроенные (например, вирус полиомиели­та) и сложно устроенные (например, вирусы гриппа, кори) ви­русы. У просто устроенных вирусов нуклеиновая кислота связана с белковой оболочкой, называемой капсидом (от лат. capsa — фут­ляр). Капсид состоит из повторяющихся морфологических субъе­диниц — капсомеров. Нуклеиновая кислота и капсид взаимодей­ствуют друг с другом и вместе называются нуклеокапсидом. У сложно устроенных вирусов капсид окружен дополнительной ли­попротеиновой оболочкой — суперкапсидом, или пеплосом (про­изводное мембранных структур клетки-хозяина). На этой оболоч­ке расположены «шипы», или «шипики» (пепломеры, или супер- капсидные белки). Вирионы имеют спиральный, кубический и слож­ный тип симметрии капсида. Спиральный тип симметрии обус­ловлен винтообразной структурой нуклеокапсида. Кубический (икосаэдрический) тип симметрии обусловлен образованием изо­метрически полого тела из капсида, содержащего вирусную нук­леиновую кислоту. Капсид и суперкапсид защищают вирионы от воздействий окружающей среды, обусловливают избирательное взаимодействие (адсорбцию) с определенными клетками, а так­же антигенные и иммуногенные свойства вирионов.

Внутренние структуры вирусов называются сердцевиной. У аде­новирусов сердцевина состоит из гистоноподобных белков, свя­занных с ДНК, у реовирусов — из белков внутреннего капсида.

В вирусологии используют следующие токсономические ка­тегории: семейство (название оканчивается на viridae), подсе­мейство (название оканчивается на virincie), род (название окан­чивается на virus). Однако названия родов и особенно подсе­мейств даны не для всех вирусов. Вид вируса не получил би­номинального названия, как у бактерий.

В основу ютссификации вирусов положены следую­щие категории: тип нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), ее структура, количество нитей (одна или две), особенности воспроизводства вирусного генома, раз­мер и морфология вирионов, количество капсомеров и тип симметрии; наличие суперкапсида; чувствитель­ность к эфиру и дезоксихолату; место размножения в клетке; антигенные свойства и др.

Вирусы поражают позвоночных и беспозвоночных животных, а также растения и бактерии. Являясь основными возбудителями инфекционных заболеваний человека, вирусы также участвуют в процессах канцерогенеза, могут передаваться различными пу­тями, в том числе через плаценту (вирус краснухи, цитомега- ловирусы и др.), поражая плод человека. Они могут приводить к постинфекционным осложнениям — развитию миокардитов, панкреатитов, иммунодефицитов и др.

Кроме обычных вирусов, известны и так называемые нека­нонические вирусы прионы — белковые инфекционные части­цы, имеющие вид фибрилл размером 10—20x100—200 нм. При­оны, по-видимому, являются одновременно индукторами и продуктами автономного гена человека или животного и вызы­вают у них энцефалопатии в условиях медленной вирусной ин­фекции (болезнь Крейтцфельда—Якоба, куру и др.).

Другими необычными агентами, близкими к вирусам, явля­ются вироиды — небольшие молекулы кольцевой, суперспира- лизованной РНК, не содержащие белка и вызывающие забо­левания растений.

2.2. Спиральная симметрия. В нуклеокапсиде взаимодействие нуклеиновой кислоты и белка осуществляется по одной оси вращения. Каждый вирус со спиральной симметрией обладает характерной длиной, шириной и периодичностью нуклеокапсида. Нуклеокапсиды большинства патогенных для человека вирусов имеют спиральную симметрию (например, коронавирусы, рабдовирусы, пара- и ортомиксовирусы, буньявирусы и ареновирусы). К этой группе относят и вирус табачной мозаики. Организация по принципу спиральной симметрии придаёт вирусам палочковидную форму. При спиральной симметрии белковый чехол лучше защищает наследственную информацию, но требует большого количества белка, так как покрытие состоит из сравнительно крупных блоков. Рис. 2-2. Основные типы симметрии вирусов. А — «голый», кубическая симметрия. Б— «одетый», кубическая симметрия. В — «голый», спиральная симметрия. Г — «одетый», спиральная симметрия. Кубическая симметрия. У подобных вирусов нуклеиновая кислота окружена капсомерами, образующими фигуру икосаэдра— многогранника с 12 вершинами, 20 треугольными гранями и 30 углами. К вирусам с подобной структурой относят аденовирусы, реовирусы, иридови-русы, герпесвирусы и пикорнавирусы. Организация по принципу кубической симметрии придаёт вирусам сферическую форму. Принцип кубической симметрии — самый экономичный для формирования замкнутого капсида, так как для его организации используются сравнительно небольшие белковые блоки, образующие большое внутреннее пространство, в которое свободно укладывается нуклеиновая кислота. Двойная симметрия. Некоторые бактериофаги (вирусы бактерий) имеют двойную симметрию: головка организована по принципу кубической симметрии, отросток — по принципу спиральной симметрии. Отсутствие постоянной симметрии. Для вирусов больших размеров (например, для поксвирусов) характерно отсутствие постоянной симметрии.

3.1 -4 Вирусы бактерий (бактериофаги)

Бактериофаги (от бактерии и греч. phagos — пожирающий, фаг) — вирусы бактерий, специфически проникающие в бактериальные клетки и поражающие их. В 1917 г. канадский микробиолог Ф. д’Эрелль обнаружил в фильтрате испражнений больного дизентерией литический агент, разрушающий возбудителя, названный им бактериофагом. Бактериофаги выявлены у боль­шинства бактерий, а также у других микроорганизмов, напри­мер у грибов.

Морфология и химический с о ста в. Строение бак­териофагов изучают с помощью электронной микроскопии образцов, контрастированных напылением металлов или фос- форно-вольфрамовой кислотой. Они имеют форму сперматозо­ида, кубическую (сферическую) или нитевидную форму, раз­мер их колеблется от 20 до 800 нм (у нитевидных форм).

Бактериофаги, имеющие форму сперматозоида, достигают длины до 200 нм и состоят из головки икосаэдрического типа, содержащей нуклеиновую кислоту, и хвостового отростка (рис.3.8). Капсид головки и чехол отростка состоят из полипептидных субъединиц, уложенных по кубическому (головка) или спи­ральному типу (отросток) симметрии. Хвостовой отросток имеет внутри полую трубку (стержень), сообщающийся с головкой, а снаружи — чехол отростка, заканчивающийся шестиугольной базальной пластинкой с шипами, от которых отходят фибриллы (нити).

Различают бактериофаги с длинным отростком, имеющие сокращающийся или не сокращающийся чехол, а также бакте­риофаги с короткими отростками, аналогами отростков, без от­ростков и нитевидные.

Бактериофаги содержат ДНК или РНК. Большинство из них содержат двунитевую ДНК, замкнутую в кольцо. Имеются также однонитевые бактериофаги.

Кроме структурных белков, уложенных по спиральному или кубическому типу, у бактериофагов имеются внутренние бел­ки — геномные, связанные с нуклеиновой кислотой, а также ферменты (лизоцим, АТФаза).

Резистентность. Бактериофаги по сравнению с вирусами человека и бактериями более устойчивы к факторам окружаю­щей среды. Этиловый спирт, фенол и эфир не оказывают на них инактивирующего действия. К формалину и кислотам бак-

териофаги высокочувствительны. Они длительно сохраняются при низкой температуре и высушивании. Большинство бактериофа­гов инактивируется при температуре 65—70° С.

Взаимодействие с бактериальной клеткой. По механизму взаимодействия с бактериальной клеткой различают вирулентные и умеренные бактериофаги.

Вирулентные бактериофаги, попав в бактерию, реплициру­ются, формируя 200—300 фаговых частиц, и вызывают гибель (лизис) бактериальной клетки. Взаимодействие бактериофага с бактерией напоминает взаимодействие вирусов человека с клет­кой хозяина (см. раздел 3.2.2). Некоторые особенности имеют при этом бактериофаги с сокращающимся чехлом. Они адсор­бируются на клеточной стенке с помощью фибрилл хвостового отростка (см.рис.3.8). Чехол хвостового отростка сокращается, и стержень с помощью ферментов (лизоцима) как бы просвер-

ливает оболочку клетки. При этом нуклеиновая кислота из головки через канал трубки бактериофага инъецируется в клет­ку, а капсид бактериофага остается снаружи бактерии. Инъеци­рованная внутрь клетки нуклеиновая кислота подавляет биосин­тез компонентов клетки, заставляя ее синтезировать нуклеино­вую кислоту и белки бактериофага. Образовавшиеся в разных частях клетки компоненты бактериофага собираются в фаговые частицы путем заполнения фаговой нуклеиновой кислотой пустотелых капсидов головки. Затем в результате лизиса клетки бактериофаги выходят из нее. Весь цикл от адсорбции бакте­риофага на мембране клетки до его выхода из нее занимает 20— 40 мин.

По специфичности взаимодействия с клетками различают следующие бактериофаги: поливалентные, взаимодействующие с родственными видами бактерий; моновалентные, взаимодейству­ющие с бактериями одного вида; типовые, взаимодействующие с отдельными вариантами бактерий данного вида.

Умеренные бактериофаги после проникновения в бактерию не разрушают ее, так как ДНК фага встраивается в хромосому бактерий и передается по наследству. Это интегративный тип взаимодействия бактериофага с бактериальной клеткой. Встро­енная в хромосому бактерии ДНК бактериофага называется профагом, а бактерия — лизогенной. Такое сосуществование бактерии и умеренного бактериофага называется лизогенией.

Феномен лизогении широко распространен среди бактерий. Лизогенизация бактерий лежит в основе феномена лизогенной, или фаговой, конверсии, который заключается в приобретении лизогенными бактериями дополнительных свойств. Например, наличие профага в дифтерийной палочке обусловливает ее способность продуцировать экзотоксин. Под действием ультра­фиолетового и ионизирующего излучения, химических и других факторов профаг может превращаться в вирулентную форму, что сопровождается репликацией бактериофагов и лизисом бак­терий.

Бактериофаги применяют в лабораторной диагностике для идентификации бактерий с целью выявления источника ин­фекции (эпидемиологическое маркирование). Для этого исполь­зуют фаготипирование: на чашку с питательной средой, засе­янной чистой культурой возбудителя, наносят капли суспензий различных диагностических бактериофагов. При наличии чув­ствительности возбудителя к фагу на месте нанесенной капли суспензии бактериофага образуется стерильное пятно (бляшка) вследствие лизиса бактерий.

Кроме диагностических бактериофагов, имеются лечебно­профилактические, применяемые для лечения и профилактики заболеваний, вызываемых некоторыми бактериями.