3.9. Особенности физиологии вирусов

Как уже было отмечено, вирусы представляют собой отдельное царство доклеточных живых существ внутриклеточных паразитов, жизненные функции которых проявляются только внутри живых клеток других организмов. В связи с этим физиологические свойства вирусов существенно отличаются от других микробов.

Химический состав вирусов представлен двумя основными компонентами - нуклеиновой кислотой и белками, содержащимися в различных соотношениях. В отличие от всех других организмов, в состав которых входят обе нуклеиновые кислоты, вирусы содержат, как правило, только ДНК или РНК.

Нуклеиновые кислоты в вирусных частицах содержатся в неодинаковых количествах: в вирусах человека и животных - от 4 до 9 %, вирусах растений - от 5 до 17 % и бактериофагах - до 45 %.

По составу азотистых оснований нуклеиновые кислоты вирусов не отличаются от нуклеиновых кислот других организмов, за исключением бактериофагов, у которых вместо цитозина имеется 5-оксиметилцитозин.

ДНК вирусов имеет двунитчатую структуру с молекулярной массой до 1x10⁸. Выявлена особая группа мелких бактериальных вирусов, имеющих однонитчатую ДНК.

РНК вирусов имеет преимущественно однонитчатую структуру с молекулярной массой 2x10⁶ со значительными колебаниями к общей массе вируса.

Белки вирусов составляют 50-90 % массы вириона. Они состоят из тех же аминокислот, что и белки других организмов. Свойства вирусов зависят от количества, состава и последовательности расположения аминокислот. Молекулярная масса белков колеблется в значительных пределах - от 17 000 до 70 000.

Кроме нуклеиновых кислот и белков, в некоторых вирусах содержатся также углеводы и липиды.

Углеводы представлены галактозой, маннозой и гексозамином, а липиды - холестерином, нейтральными эфирами, фосфатидами. Они входят в состав нуклеиновой кислоты и оболочек. Количество и состав углеводов и липидов у различных вирусов колеблется в значительных пределах.

Взаимодействие вируса с поражаемой клеткой отличается характером взаимодействия и конечным результатом.

В зависимости от свойств вируса и поражаемой клетки, а также условий окружающей среды могут проявляться три основных типа последствий взаимодействия вируса с клеткой: 1) размножение вирусных частиц в клетке приводит к ее гибели и разрушению - такой тип взаимодействия называют продуктивной инфекцией, а вирусы, вызывающие этот процесс, - вирулентными; 2) пораженные клетки не разрушаются, так как вирусные частицы в них не образуются. Такое взаимодействие называется абортивной инфекцией, а вирус латентным; 3) геном вируса объединяется (интегрирует) с геномом клетки и при клеточном делении передается в дочерние клетки. Через несколько поколений в клетке может начаться размножение вируса, приводящее клетку к гибели. Такой тип взаимодействия назван вирогенией (при внедрении бактериофага - лизогенией), при этом вирус называется авирулентным (бактериофаг - умеренным).

Процесс взаимодействия вируса с клеткой осуществляется в несколько фаз, протекающих последовательно одна за другой. При продуктивной инфекции выделяют следующие фазы: 1) адсорбция вируса на поверхности клетки; 2) проникновение вируса в клетку; 3) скрытый период (эклипс); 4) репродукция вируса; 5) освобождение вирусных частиц из клетки.

Адсорбция вируса осуществляется на рецепторах клетки, вследствие электростатического взаимодействия поверхностей вируса и клетки.

Рецепторы представляют собой белковые молекулы, располагающиеся на поверхности клетки или в цитоплазме и связывающие специфические вещества. Рецепторы клеток, на которых происходит адсорбция вирусов, могут иметь липопротеидную или мукопротеидную природу. Рецепторы клетки комплементарны рецепторам вируса, поэтому вирус поражает только определенные клетки организма хозяина, т.е. он обладает специфичностью действия.

Проникновение вируса в клетку наступает только в том случае, если он адсорбируется на чувствительной, восприимчивой для него клетке. Это обусловлено биологическими особенностями вируса и клетки. Проникновение вирусов в клетку происходит неодинаково. Наиболее подробно изучен процесс проникновения бактериофагов (см.гл. 10, рисунок 26).

После проникновения вируса в клетку наступает скрытый период, который называется эклипсом (в переводе затемнение, исчезновение). В этой фазе нуклеиновая кислота вируса освобождается от белковых оболочек, проходит через цитоплазму до оболочки ядра, проникает через нее и вступает в сложные генетические взаимоотношения с нуклеиновыми кислотами хромосомы клетки. У разных вирусов скрытая фаза может продолжаться от нескольких минут до нескольких часов.

В эклипсе начинается внутриклеточное размножение - репродукция вируса.

Размножение вирусов отличается от размножения одноклеточных организмов. У вирусов не происходит увеличения размера вириона с последующим его делением на две особи. Важнейшей особенностью размножения вирусов является то, что компоненты вирусных частиц потомства синтезируются в различных участках клеток раздельно и только после этого соединяются в зрелую вирусную частицу.

В связи с этим процесс размножения вирусов обозначается термином «репродукция», следствием которого является увеличение количества вирионов со свойствами родительского вируса.

В начале репродукции под влиянием нуклеиновой кислоты вируса нарушается процесс нормального функционирования генетического аппарата клетки и происходит синтез ферментов, необходимых для репликации (удвоения) нуклеиновой кислоты вируса. В этой стадии вирусы максимально используют компоненты клеток и ее энергетические ресурсы для синтеза собственных компонентов.

Синтез нуклеиновых кислот и белков протекает неодновременно и в разных структурных частях инфицированной клетки, однако эти процессы взаимосвязаны: они совершаются в определенной последовательности и представляют собой единый процесс.

Синтез вирусной ДНК протекает так же, как и синтез нуклеиновых кислот клетки, - по принципу комплементарности, т.е. в процессе репликации на каждой раскрученной нити ДНК достраивается новая комплементарная (недостающая) нить и образуются две молекулы ДНК с последовательностью расположения нуклеотидов, характерной родительской ДНК.

При синтезе РНК РНК-содержащих вирусов матрицей является собственная РНК (репликативная форма). Синтез вирусной РНК осуществляется как в цитоплазме, так и в ядре с помощью фермента РНК-полимеразы.

Субстратом для синтеза вирусных нуклеиновых кислот являются нуклеотиды пораженной клетки.

Субстратом для синтеза вирусных белков используются аминокислоты, тождественные аминокислотам белков клетки.

Матрицей при синтезе белков у ДНК-содержащих вирусов является информационная РНК, которая формируется на вирусной ДНК. Процесс синтеза белков у РНК-содержащих вирусов происходит без участия ДНК. Функцию вирусинформационной РНК выполняет вирусспецифическая РНК.

Считают, что синтез белков у большинства вирусов происходит в Цитоплазме.

Вирусная частица формируется из молекул нуклеиновой кислоты и белковых субъединиц. В состав вируса могут входить липопротеидные мембраны и другие компоненты.

Процесс «сборки» вируса осуществляется в результате полимеризации компонентов вирусной частицы или вследствие формирования более сложных структур, в котором принимает участие и инфицированная клетка.

После завершения формирования вирусных частиц наступает фаза выхода вируса из клетки, которая является результатом полного разрушения пораженной клетки.

В некоторых случаях вирус может длительное время сохраняться в клетке в латентном (скрытом) состоянии. При этом клетка внешне функционирует нормально, воспринимает питательные вещества и продуцирует в окружающую среду продукты своего метаболизма. О наличии вируса в клетке можно судить на том основании, что она становится резистентной (иммунной) к повторному заражению тем же вирусом и процессы метаболизма в ней протекают более медленно. Если такую клетку подвергнуть ультрафиолетовому облучению или вызвать в ней нарушение процессов метаболизма, то она может продуцировать полноценный вирус.

При формировании вирусов иногда образуются дефектные (неполные) вирусы, отличающиеся по своему составу и функциям от стандартного вириона. Такие вирусы содержат несколько меньшее количество, примерно 1/3 нуклеиновой кислоты и такое же количество белков и липидов.

Неполные вирусы образуются при заражении клеток, устойчивых к вирусу; при заражении их массивными дозами вирусов, а также под влиянием физических и химических агентов, обладающих высоким мутагенным действием (ультрафиолетовые и рентгеновы лучи, азотистая кислота и др.).

Дефектные вирусы формируются также при заражении клеток двумя вирусами. В этих случаях генетический материал одного вируса вступает во взаимодействие с нуклеиновой кислотой другого, в результате чего продуцируются гибридные вирионы, обладающие свойствами обоих исходных вирусов.

Процесс формирования полноценного, латентного, а также неполного вируса зависит как от вирусной нуклеиновой кислоты, так и от наличия в клетке многочисленных ферментных систем, различных сложных химических соединений, называемых ингибиторами, которые могут ослаблять биологическую активность вируса и тормозить процесс формирования полноценных вирусных частиц.