Підручник з Біології і екології. 10 клас. Шаламов - Нова програма

§ 12. Будова і функціонування вірусів

Віруси — безрибосомні реплікатори і внутрішньоклітинні паразити

У попередніх параграфах ми розглянули величезне різноманіття організмів, які населяють нашу планету. Вони мають різну будову і відрізняються процесами, що в них відбуваються. Але при цьому всі організми характеризуються спільними властивостями. По-перше, усі вони мають клітинну будову. Ба більше, їхні клітини здатні самостійно здійснювати важливий процес — біосинтез білка: у них є всі компоненти апарата білкового синтезу. По-друге, усі клітинні організми мають складний метаболізм, завдяки якому вони перетворюють енергію і синтезують власні хімічні компоненти. І, зрештою, організми є реплікаторами — системами, здатними утворювати собі подібних, передаючи їм свій спадковий матеріал.

Але організми це не єдині реплікатори, що існують на нашій планеті. Поряд з ними є й інші, набагато простіше побудовані реплікатори — віруси. На відміну від організмів, у вірусів немає власних систем перетворення енергії й утворення біомолекул. Вони використовують відповідні системи клітини, у якій розвиваються, тобто є внутрішньоклітинними паразитами. При цьому вони не здатні самостійно утворювати білки, оскільки не мають власних рибосом. Через це деякі вчені визначають віруси як безрибосомні реплікатори.

Усі віруси мають власний генетичний матеріал, який може бути представлений молекулами ДНК чи РНК. Деякі віруси зберігають спадкову інформацію тільки у формі РНК і ніколи не використовують ДНК для цього (наприклад, вірус грипу). Інші використовують лише ДНК, як, наприклад, вірус герпесу. Треті ж на різних етапах життєвого циклу можуть використовувати як молекулу ДНК, так і молекулу РНК. Така ситуація спостерігається у вірусу імунодефіциту людини.

Не дивлячись на паразитизм, іноді віруси беруть участь у важливих процесах. Віруси бактерій і деякі віруси еукаріотів забезпечують обмін генами між організмами — горизонтальне перенесення генів. Віруси деяких їздців (комах, що є родичами бджіл і ос і чиї личинки ведуть паразитичний спосіб життя в личинках інших комах) допомагають пригнічувати імунну відповідь із боку личинки хазяїна, що підвищує шанси личинки їздця на виживання.

Різноманіття вірусів надзвичайно велике, а їхня кількість — гігантська. Вважають, що в одному мілілітрі морської води міститься аж 50 млн вірусних частинок, і це лише вірусів ціанобактерій! Тому віруси — це найрозповсюдженіші реплікатори на нашій планеті. І більшість вірусів усе ще чекає на своє відкриття!

Вірус являє собою інфекційну нуклеїнову кислоту, оточену білкової оболонкою

Віруси мають невеличкий розмір — 20—300 нм, і лише деякі досягають розміру в один мікрометр. На сьогодні найбільшим вірусом є пітовірус, виділений із вічної мерзлоти Сибіру. Його розмір сягає 1,5 мкм, що співрозмірно з розміром бактеріальної клітини.

Рис. 12.1. Будова вірусів

А. Схема будови вірусної частинки. Не варто забувати, що суперкапсид є не у всіх вірусів. Б. Різноманітність форм капсиду.

Зріла вірусна частинка (рис. 12.1, А) обов’язково містить генетичний матеріал — нуклеїнову кислоту. Залежно від типу вірусу це може бути ДНК або РНК. Нуклеїнова кислота завжди оточена білковою оболонкою — капсидом. Капсид може мати різну форму: відомі спіральні, ікосаедричні та складні капсиди (рис. 12.1, Б). Складні капсиди побудовані з кількох частин різної форми. Це характерно, наприклад, для деяких вірусів бактерій — бактеріофагів. Вірусну частинку, що складається з нуклеїнової кислоти і капсиду, називають нуклеокапсидом. Ззовні нуклеокапсид може бути додатково оточений ліпідною мембранною оболонкою, що має назву суперкапсид. Суперкапсид, наприклад, є у вірусів грипу, герпесу, імунодефіциту людини. На поверхні капсиду чи суперкапсиду обов’язкового присутні білки-рецептори, що відповідають за зв’язування вірусу з мембраною клітини-хазяїна і проникнення його в цитоплазму. Часто всередині капсиду вірус несе частину своїх ферментів, що забезпечують проходження його життєвого циклу.

Для проникнення в клітину вірус взаємодіє з рецепторами на поверхні клітини

Деякі віруси інфікують широке коло хазяїв, інші — лише одного. Віруси багатоклітинних організмів часто уражають лише обмежену кількість типів клітин у організмі хазяїна. Так, наприклад, вірус імунодефіциту людини розмножується лише в одному типі лімфоцитів. Така специфічність зумовлена тим, що вірус може проникнути лише до тієї клітини, з білковими рецепторами на поверхні якої він може зв’язатися. Без взаємодії між вірусними білками і мембранними рецепторами неможливе проникнення вірусу в клітину.

Механізм проникнення відрізняється для різних вірусів (рис. 12.2). Найпростіший механізм проникнення характерний для вірусів, що мають суперкапсид. Зазвичай, суперкапсид побудований із фосфоліпідів, які є рештками клітинної мембрани. Такий суперкапсид може просто злитися з клітинною мембраною, як зливаються дві краплинки жиру. У результаті весь внутрішній уміст вірусу опиниться в цитоплазмі клітини.

Більш «хитрі» віруси закликають клітину їх проковтнути у процесі ендоцитозу. Приєднання білків вірусного капсиду чи суперкапсиду до клітинних рецепторів стимулює утворення у клітинній мембрані заглиблення навколо вірусу. Коли краї заглиблення з’єднуються, то вірус опиняється в мембранному пухирці (везикулі), який транспортує його у клітину. При цьому клітина впевнена, що вчинила правильно, оскільки поглинула часточку їжі. Такий спосіб надзвичайно ефективний, тому що вірусна частинка повністю опиняється у клітині, не залишивши слідів у міжклітинному середовищі. А це означає, що ймовірність знаходження вірусу імунокомпетентними клітинами, що «патрулюють» середовище між клітинами, значно знижується. Такий спосіб проникнення характерний, наприклад, для вірусів поліомієліту і гепатиту С.

Рис. 12.2. Механізми проникнення вірусів у клітину

А. Злиття з клітинною мембраною. Б. Ендоцитоз. В. Впорскування ДНК.

Бактеріофаги, що мають складний капсид, впорскують ДНК у цитоплазму клітини ніби шприцем. їхній капсид має дві частини: головку і хвіст. Саме в головці міститься ДНК вірусу. Хвіст на кінці має хвостові нитки, здатні розпізнати рецептори на поверхні бактеріальної клітини і приєднатися до неї. Після прикріплення хвіст вірусу скорочується і проколює оболонку клітини бактерії, впорскуючи ДНК у цитоплазму.

Розмноження вірусів відбувається завдяки ферментним системам клітини

Під час проникнення у клітину оболонки вірусу руйнуються, у результаті чого нуклеїнова кислота опиняється у внутрішньоклітинному просторі1. Опинившись усередині клітини, вірус переходить до виконання своєї єдиної задачі — до розмноження. При цьому, при утворенні нових копій генетичного матеріалу, а також власних білків, вірус покладається на ферментні системи клітини, використовуючи їх у власних цілях. В залежності від того, яка нуклеїнова кислота є носієм спадкової інформації вірусу, його розвиток відбувається різними шляхами.

ДНК-вмісні віруси копіюють свій генетичний матеріал так само, як це роблять клітини перед поділом: вони здійснюють реплікацію. Одночасно у процесі транскрипції на матриці ДНК синтезуються вірусні мРНК, на яких у рибосомах клітини-хазяїна синтезуються вірусні білки (рис. 12.3, А).

Віруси з РНК-геномом потребують спеціальних ферментів для синтезу нових молекул вірусної РНК на матриці новоприбулої РНК — РНК-репліказ. Ці ферменти синтезуються на вірусній РНК у рибосомах чи приносяться усередині вірусної частинки, і допоки їх немає у клітині, вірус не здатен розмножуватися. Так розмножуються, наприклад, вірус поліомієліту чи гепатиту.

1 У більшості випадків вона опиняється в цитоплазмі, але в деяких вірусів еукаріотів нуклеокапсид має потрапити в ядро перед тим, як вивільнити нуклеїнову кислоту.

Рис. 12.3. Життєві цикли вірусів

А. ДНК-вмісний вірус. Б. РНК-вмісний ретровірус (ВІД).

Деякі РНК-віруси — ретровіруси1 — пішли іншим шляхом і синтезують не РНК-копію, а ДНК. Отже, вони здійснюють процес обернений до звичної транскрипції (синтезу РНК на матриці ДНК) — зворотну транскрипцію. Задля цього процесу в капсиді є молекули спеціального ферменту — зворотної транскриптази, який і синтезує ДНК на матриці РНК. Опісля появи ДНК у клітині поведінка вірусу нагадує таку у звичного ДНК-вмісного вірусу: відбувається транскрипція з утворенням мРНК і трансляція синтезованої мРНК у вірусні білки, потрібні для утворення капсиду. Утворена мРНК і вірусні білки сполучаються, формуючи нові вірусні частинки.

1 Від лат. retro — зворотний.

Як для ДНК-вірусів, так і для ретровірусів характерне «переховування» своєї ДНК у спадковій інформації хазяїна. Так, вірус імунодефіциту людини, що належить до ретровірусів, після зворотної транскрипції вбудовує свою ДНК у ДНК ядра лімфоцита (рис. 12.3, Б). Подібно вчиняють і деякі бактеріофаги, вбудовуючи свій геном у геном бактерії чи археї. У результаті, під час поділу клітини, ДНК вірусу копіюється разом із усією спадковою інформацією. Деякі ж віруси, як, наприклад, вірус герпесу, просто зберігають свою ДНК у ядрі, утворюючи мініхромосоми. У такому вигляді ДНК вірусу зберігається тривалий час, а вірусна інфекція стає латентною — безсимптомною, але готовою в будь-який момент розвинутися. Для того, щоб такий «прихований» вірус почав активно розмножуватися, потрібен зовнішній стимул. Наприклад, переохолодження у випадку вірусу герпесу.

Вихід вірусних частинок із клітини найчастіше викликає загибель клітин

Із часом у клітині утворюється багато вірусних частинок. Але для того, щоб продовжити свій цикл розмноження, віруси мають потрапити до нових клітин-хазяїв. Тому через певний час після розмноження вони починають виходити з клітини різними шляхами (рис. 12.4). Для вірусів із суперкапсидом «класичним» способом виходу є відбруньковування. Під час цього процесу вірус підходить до клітинної мембрани, утворює в ній вигин і у вигляді мембранного пухирця відривається. У результаті навколо вірусної частинки зберігається фрагмент клітинної мембрани, що формує суперкапсид. Як правило відбруньковується одночасно багато вірусів, площа мембрани значно зменшується і клітина гине. Цей спосіб використовує вірус герпесу.

Рис. 12.4. Шляхи виходу вірусів із клітини

А. Відбруньковування. Б. Вбивство клітини. В. Екзоцитоз.

Іншим шляхом виходу з клітини є вбивство клітини. Бактеріофаги здійснюють це, утворюючи ферменти, що руйнують клітинну стінку бактерій, а вірус ВІЛ може активувати запрограмовану смерть клітини. У результаті клітинна оболонка буде знищена, а віруси опиняться на волі й відправляться на пошуки нових жертв.

Інколи вірус не вбиває клітину одразу після розмноження, а тривалий час паразитує в ній, утворюючи все нові й нові копії себе. Задля того, щоб не виснажити клітину швидко, такі віруси мають нижчий темп розмноження. Тому вірусів утворюється менше за одиницю часу, але в клітини залишаються ресурси тривалий час підтримувати свою нормальну життєдіяльність. Кінець кінцем вірус покидає клітину шляхом брунькування або завдяки екзоцитозу. У такому випадку вірусна частинка у клітині оточується мембраною, формуючи везикулу, яка прямує до оболонки клітини. Там, у наслідок злиття мембрани везикули з клітинною мембраною, весь уміст разом із вірусними частинками пухирця потрапляє назовні. Так покидає клітину, наприклад, вірус атипової пневмонії, смертність від якого досягає 10 %. Потрапляння вірусів назовні розпочинає новий життєвий цикл вірусу: проникнення — розмноження — вихід, але вже в іншій клітині.

Таким чином, віруси абсолютно залежні від клітин, у яких паразитують. Ви можете переглянути, як відбувається зараження, розвиток і протидія вірусній інфекції в організмі людини на прикладі вірусу нежитю за посиланням.

Цікаве життя

Одна клітина в організмі теж воїн!

Основним захистом організму тварин від вірусів є імунітет, проте він не здатний знищувати віруси, що вже проникли усередину клітини. Єдине, що він може зробити, це повністю знищити чи дати сигнал на самознищення клітині, ураженій вірусом. Але такий шлях може призводити до виходу вірусів із клітини і поширення їх організмом.

Утім окремі клітини не є беззахисними «вівцями» перед «кровожерним вовком» — вірусом: у них є свої внутрішньоклітинні механізми захисту. Ці шляхи спрямовані на боротьбу із вірусом на кількох «фронтах».

Знаходження в цитоплазмі вірусних білків може бути розпізнано спеціальними клітинними білками. Якщо таке відбувається, то захисні білки зв’язуються із вірусними, утворюючи комплекс, подібний до такого між антигеном і антитілом у крові. Доля цього комплексу різна. Інколи він просто залишається у цитоплазмі, при цьому життєвий цикл вірусу буде заблокованим. Часто вірусні білки у складі комплексу мітяться спеціальними «чорними мітками». Такі мічені білки клітина надалі розщеплює за допомогою спеціального білок-переробного комплексу — протеасоми. Також комплекси вірусний-клітинний білок можуть потрапляти до автофагосоми — мембранного пухирця, що зливається із лізосомою і весь його вміст перетравлюється.

Другим «фронтом» боротьби є знищення вірусних нуклеїнових кислот. Так, наприклад, противірусний білок інтерферон стимулює експресію генів РНКази L — ферменту, що здатен розщеплювати РНК у цитоплазмі. І якщо клітина свої РНК швидко відновлює, завдяки транскрипції, то вірус втрачає свої назавжди. Також у клітини є спеціальні системи, що можуть спричиняти мутації у вірусних нуклеїнових кислотах, роблячи їх білки непридатними до функціонування.

Клітина здатна також обмежити доступні вірусу ресурси. Під дією інтерферону в клітині зменшується кількість доступних для біосинтезу нуклеотидів, а також блокується робота рибосом. Інакше кажучи, клітина руйнує корисну інфраструктуру.

«A la guerre comme à la guerre» — на війні, як на війні: лише використавши усі доступні клітині механізми, вона здатна побороти вірусну інфекцію.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Якого з цих компонентів НЕМАЄ у складі зрілої вірусної частинки?

А нуклеїнової кислоти

Б капсиду

В суперкапсиду

Г мітохондрії

Д молекули білка

• 2. Який з цих вірусів містить РНК-геном?

А аденовірус

Б риновірус

В вірус герпесу

Г вірус грипу

Д бактеріофаг Т4

• 3. Визначте вірус, що проникає у клітину завдяки впорскуванню нуклеїнової кислоти в цитоплазму.

А ВІЛ

Б бактріофаг Т4

В вірус гепатиту С

Г вірус мозаїки тютюну

Д вірус поліомієліту

• 4. Чому більшість вірусів вбивають клітину під час виходу з неї?

А тому що ресурси клітини з виробництва вірусів вичерпані

Б так швидше можна покинути клітину

В так утворюється більше вірусів

Г тому що віруси забирають клітинну ДНК

Д віруси і клітини не можуть співіснувати

• 5. Увідповідніть віруси з особливостями їх життєвих циклів.

1. вірус поліомієліту

2. бактеріофаг Т4

3. вірус імунодефіциту людини

4. вірус атипової пневмонії

А утворює РНК на матриці ДНК за рахунок власних ферментів

Б спричиняє латентну інфекцію

В для виходу з клітини руйнує клітинну стінку

Г проникає у клітину шляхом ендоцитозу

Д виходить з клітини екзоцитозом

У житті все просто

• 6. Діаметр деякої сферичної клітини складає 1 мкм, а вірусної частинки бактеріофага — 50 нм. Розрахуйте, скільки вірусних частинок може утворитися в одній клітині бактерії, якщо вважати, що перед виходом із клітини вони будуть займати 80 % усього об'єму клітини. Скільки разів має бути подвоєна вірусна ДНК, щоб забезпечити появу такої кількості частинок?

• 7. Деякі віруси не здатні існувати поза організмом хазяїна, інші ж витримують навіть кип’ятіння. Як залежить стійкість вірусу в навколишньому середовищі від будови його вірусної частинки?

У житті все не так просто

• 8. Імунна система ефективно знаходить віруси і знищує їх. Наприклад, гострі респіраторні вірусні інфекції, що спричиняють нежить і кашель або вітряна віспа, проходять протягом кількох днів. Чому ж імунній системі не вдається побороти інші вірусні інфекції, як-от: ВІЛ, гепатит, герпес? Які механізми захисту від виявлення і знищення використовують дані віруси?