Перуница

» » По следам невидимок. Биохимия раскрывает тайны вирусов

Наука и Техника » 

По следам невидимок. Биохимия раскрывает тайны вирусов

По следам невидимок. Биохимия раскрывает тайны вирусов


Немного истории


Немногим более 70 лет назад русский ботаник Дмитрий Иосифович Ивановский, изучая мозаичную болезнь табачного растения, пришел к парадоксальным для того времени выводам: болезнь вызывается особым микроорганизмом, который во много раз меньше бактерий. Эти выводы вытекали из поставленных Д. И. Ивановским экспериментов. Профильтровав сок больного растения через мелкопористые фильтры, задерживающие мельчайшие бактерии, он привил этот фильтрат здоровому растению и вызвал таким образом появление на листьях пятен, расположенных в виде мозаики (от них и произошло название болезни).

Напомним, что в то время наука считала бактерии наиболее мелкими микроорганизмами и фильтрация через мелкопористые фильтры применялась как технический прием, позволявший освободить взвесь от находящегося в ней заразного начала. Поэтому работа Д. И. Ивановского, опубликованная в 1892 году, выходила за рамки существовавших в то время представлений о мире патогенных (болезнетворных) микробов.

Через пять лет, в 1897 году, была опубликована статья немецких исследователей Лёффлера и Фроша, изучавших ящур — болезнь животных. Они повторили опыты Д. И. Ивановского с ультрафильтрацией и пришли к выводу, что заразное начало этой болезни является жидкостью («contagium vivum fluidum» — живая жидкая зараза). Д. И. Ивановский был более прозорливым, нежели немецкие исследователи, и считал возбудителя табачной мозаики не жидкостью, а организмом, хотя и чрезвычайно малым по своим размерам.

Вскоре стали накапливаться все новые и новые факты, свидетельствующие о существовании мира мельчайших микроорганизмов, невидимых даже в самые современные световые микроскопы. Главным критерием для их выявления стали опыты с ультрафильтрацией и последующим заражением соответствующих животных и растений. Поэтому эти микроорганизмы и стали называть сначала фильтрующимися вирусами, а позже — просто вирусами.

В 1916 году французский ученый д’Эрелль обнаружил, что некоторые культуры дизентерийных палочек, выращиваемые в бульоне, разрушаются при добавлении к ним фильтрата из испражнений больных дизентерией. Мутный от развившихся в нем бактерий бульон при этом просветляется, становится прозрачным. Проведя серию экспериментов, д’Эрелль пришел к заключению, что гибель бактерий вызывается особым вирусом, поражающим их и вызывающим разрушение бактериальных клеток. Вирусы бактерий получили название бактериофагов или просто — фагов.

Так были открыты три группы вирусов, известных в настоящее время и поражающих растения, животных и бактерии. Постепенно стала складываться особая наука — вирусология, изучающая этих мельчайших паразитов и болезни, ими вызываемые.

Обычные микробиологические методы, широко применявшиеся для исследования бактерий и других микроскопических организмов, оказались непригодными для изучения вирусов.

Большинство вирусов настолько малы, что их не удается увидеть в световом микроскопе. Как известно, предел видимости в микроскопе, или, как обычно говорят, предел разрешающей способности микроскопа, определяется длиной световых волн. Последние колеблются от 0,7 микрона (микрон — одна тысячная миллиметра) для красного до 0,4 микрона для фиолетового цвета. Применяя особые приемы, можно увидеть частицы размерами 0,2—0,3 микрона или 200—300 миллимикронов (миллимикрон — одна тысячная микрона). Такой размер имеют самые крупные вирусы, например возбудитель оспы. Большинство же этих микроорганизмов имеют значительно меньшие размеры. Их удалось увидеть только тогда, когда был изобретен и значительно усовершенствован электронный микроскоп (рис. 1).


Рис. 1. Размеры вирусов в сравнении с другими микроскопическими объектами

Для изучения вирусов нельзя было применить и другой распространенный в микробиологии метод — культивирование (выращивание) на искусственных питательных средах. Большинство бактерий, микроскопических грибков и простейших животных изучают, выращивая их либо на жидких питательных средах типа мясопептонного бульона, либо на плотных, с добавлением желатины или агар-агара, от чего питательная среда приобретает характер плотного студня. На таких средах бактерии размножаются и образуют видимые простым глазом колонии, которые состоят из скопления многих миллиардов бактериальных клеток. Некоторые патогенные бактерии требуют для выращивания более сложные питательные среды, в состав которых входят сыворотка крови и другие составные части тканей животных и человека. Многочисленные попытки выращивать таким путем вирусы неизменно оканчивались неудачами. Выяснилось, что вирусы могут развиваться лишь в жизнеспособных клетках и тканях, будучи строгими внутриклеточными паразитами.

Поэтому в первые десятилетия развития вирусологии основным методом изучения вирусов являлось искусственное заражение животных или растений, а для доказательства вирусной природы изучавшихся возбудителей применялся метод ультрафильтрации. Однако работать с животными — естественными хозяевами вирусов (лошадьми, коровами, свиньями и др.) было неудобно. К тому же искусственное заражение совершенно непригодно для изучения вирусов, поражающих человека, а лабораторные животные — мыши, крысы, морские свинки, кролики, обезьяны оказались восприимчивыми лишь к немногим из них. (С помощью этих животных были впервые выделены только вирусы оспы, полиомиелита, сезонных энцефалитов.)


Рис. 2. Заражение куриных зародышей вирусом гриппа

Поэтому позже для изучения вирусов стали применять новую методику, при которой заражались развивающиеся куриные зародыши. Они оказались более восприимчивы к вирусам, чем взрослые животные, а работа с ними — простой и удобной (рис. 2). Использование этого метода позволило также накапливать вирусы в значительных количествах. Успехи в изучении вирусов гриппа в значительной мере основаны на применении этой техники, получившей широкое распространение в 40-е годы.

Однако подлинная революция в вирусологии связана с развитием метода получения однослойных культур тканей, разработанного американским ученым Д. Эндерсом. Составляя сложные питательные среды, состоящие из аминокислот, витаминов, гормонов и солей, он сумел найти благоприятные условия для выращивания клеток тканей животных и человека в пробирках и склянках в виде монослоя — сплошного слоя толщиной в одну клетку (рис. 3). Этот метод дает возможность выращивать вирусы в тех видах клеток, в которых они развиваются в естественных условиях, или же найти еще более чувствительные к изучаемым вирусам клетки. Однослойная культура удобна и тем, что при ней можно вызвать заражение всех клеток и этим самым увеличить концентрацию выращиваемого вируса, в то же время максимально уменьшив в препарате примеси в виде нормальных тканей, от которых нельзя избавиться в опытах с заражением животных вирусами.


Рис. 3. Культура клеток (монослой) под микроскопом

Техника однослойных культур клеток получила широкое применение в вирусологии с начала 50-х годов. К этому времени появились и другие технические новинки и усовершенствования и среди них — электронный микроскоп, которым вирусологи стали пользоваться еще с середины 30-х годов. Электронные микроскопы обладают высокой разрешающей способностью, так как электрону соответствует волна, в тысячи раз более короткая, чем световая. Современные электронные микроскопы позволяют увидеть частицы величиной в несколько ангстремов (ангстрем — одна десятая миллимикрона), то есть не только вирусы, но и крупные молекулы белков, нуклеиновых соединений и других биологических полимеров. Благодаря применению электронных микроскопов удалось не только увидеть самые мелкие вирусы, но и изучить их тонкую структуру.

Широкое применение в вирусологии получили за последние 10—15 лет и другие методы биофизических и биохимических исследований — радиоактивные изотопы, ультрацентрифугирование, спектрофотометрия, диффузия и электрофорез в гелях, ионообменники, рентгено-структурный анализ и пр. Описание этих методов заняло бы слишком много места, поэтому ограничимся лишь упоминанием о них.

Вирусология, зародившаяся как узкая научная дисциплина о некоторых возбудителях инфекционных болезней, ныне стала одной из ведущих медико-биологических дисциплин. Три обстоятельства выдвинули ее на передовой рубеж естественных наук.

Во-первых, оказалось, что вирусные болезни являются наиболее распространенными по сравнению с другими инфекционными заболеваниями. Достаточно назвать грипп, корь, эпидемический гепатит, которыми ежегодно болеют сотни миллионов людей.

Во-вторых, все больше накапливается фактов, свидетельствующих о вирусном происхождении рака и других злокачественных опухолей и болезней крови. Поэтому дальнейшие успехи в борьбе с этими тяжелыми болезнями будут во многом зависеть от прогресса вирусологии.

В-третьих, наконец, вирусы являются наиболее простыми (из известных) формами жизни и ее проявления. Поэтому значение современной науки о вирусах выходит далеко за рамки первоначальных ее задач, и вирусология в настоящее время является одной из основных и быстро развивающихся медико-биологических наук.

Вполне поэтому закономерно, что вирусология названа в программе КПСС как одна из немногих ведущих отраслей естественнонаучных знаний, которые должны получить преимущественное развитие в текущем двадцатилетии.

Но прежде чем приступить к рассказу о последних достижениях вирусологии, хотелось бы обратить внимание читателей на одну специфическую сторону исследований в этой области. Мы уже упоминали, что современная вирусология тесно связана со многими другими отраслями знания. И, несомненно, что в их числе наиболее важную роль играет биохимия.

Ни одно открытие, сделанное вирусологами за последние годы, не обошлось «без помощи» биохимии, именно на ее основе был осуществлен «глубокий поиск» людей науки в сокровеннейшие тайны строения и жизнедеятельности вирусных частиц. Поэтому наш дальнейший рассказ станет тесно соприкасаться с различными биохимическими проблемами и местами будет вестись на языке химических формул.


Структура вирусов


Несмотря на большое разнообразие формы и биологических свойств, все вирусы имеют общие черты строения. Основными составными частями элементарного тельца вирусной частицы, или вириона (так называют вирусный индивидуум), является нуклеиновая кислота и белок.

Нуклеиновые кислоты — это сложные биологические полимеры, построенные из более простых органических соединений — пуриновых и пиримидиновых оснований, пентоз (углеводов), а также фосфорной кислоты. Известны два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Это название они получили в зависимости от того, какой тип углевода — сахара, состоящего из пяти атомов углерода, входит в их состав — рибоза или дезоксирибоза. Приводим структуру этих соединений.


В состав РНК входят пуриновые основания — аденин и гуанин:


и пиримидиновые основания — цитозин и урацил:


В состав ДНК входят те же пуриновые основания (аденин, гуанин), а также пиримидиновое основание — цитозин; вместо урацила ДНК содержит тимин:


В молекулах фосфорная кислота, пентозы, пуриновые и пиримидиновые основания соединены таким образом, что образуют длинную цепь, имеющую следующий вид:


Участок молекулы РНК

Таким образом, нуклеиновая кислота представляет собой полимер — цепь, звеньями которой служат нуклеотиды (соединение фосфорной кислоты, пентозы и какого-либо из четырех пуриновых и пиримидиновых оснований), отличающиеся между собой по составу входящих в них пуринов или пиримидинов. Цепи эти очень длинны и даже у самых мелких вирусов содержат многие сотни нуклеотидов. Чаще же всего нуклеотидов в цепях тысячи и даже десятки тысяч. Нуклеиновые кислоты могут сохранять конфигурацию спирали (или, точнее, винта), быть свернутыми в клубок или более причудливые фигуры.

Наряду с однонитчатыми существуют двухнитчатые нуклеиновые кислоты, образующие двойной винт, состоящий из двух спаренных тяжей нуклеиновых кислот. В этом случае две нити скреплены так называемыми водородными связями между противостоящими парами пуриновых и пиримидиновых оснований. Эти пары не случайны, а строго закономерны, пуриновое основание в них может связываться лишь с пиримидиновым, как это показано на схеме участка двухнитчатой ДНК.


Английский ученый Крик построил пространственную модель двухнитчатой ДНК, позволившую точно представить расположение химических составных частей ее и даже определить расстояния между молекулами (рис. 4).


Рис. 4. Схема строения двухнитчатой ДНК по Крику

Известные в настоящее время вирусы содержат только одну из двух нуклеиновых кислот — РНК или ДНК, в отличие от других организмов и клеток высших организмов, которые имеют в своем составе обе нуклеиновые кислоты.

Другая составная часть вириона — белок или белки. Белки представляют собой биологические полимеры, состоящие из более простых органических соединений — аминокислот. Известно 22 разных аминокислоты, входящие в состав белков растительных и животных организмов. Приведем структуру некоторых из них:




Как видно из этих формул, структурными частями аминокислот являются кислотная группа


и аминогруппа


а также разные аминокислоты, которые отличаются между собой главным образом радикалами, отмеченными в схемах буквой R.

В молекуле белка отдельные аминокислоты соединены между собой аминными и кислотными остатками, так что


длинная нить белковой молекулы на одном конце имеет аминогруппу, а на другом — кислотную группу. Полипептидная цепь белковой молекулы, то есть цепь, состоящая из соединенных аминокислот или, точнее, из аминокислотных остатков, принимает сложную конфигурацию, образовывая вторичные и третичные пространственные структуры.

Вирусная частица (вирион) состоит из одной молекулы нуклеиновой кислоты и многих молекул белков, причем нуклеиновая кислота является как бы сердцевиной, заключенной в белковую капсулу (капсид). Он состоит из одинаковых белковых молекул или их агрегатов, называемых капсомерами. Капсомеры расположены вокруг вирусной нуклеиновой кислоты в определенном порядке, образуя правильные симметричные геометрические фигуры. Известны два типа симметрии, по которым укладываются капсомеры — кубический и винтовой.

При кубическом типе симметрии вирусная нуклеиновая кислота свернута в клубок, а белковые капсомеры образуют многофасетчатое тело, приближающееся по форме к шару, Каждый вирус состоит из постоянного числа капсомеров, уложенных в определенном порядке. Так, вирус полиомы (опухоли мышей) состоит из 42 капсомеров, аденовирус (возбудитель гриппоподобных заболеваний) — из 252 капсомеров (рис. 5).


Рис. 5. Аденовирус. Капсид состоит из 252 трубчатых капсомеров. Слева — вирусные частицы в поле зрения электронного микроскопа, справа — ее модель

При винтовом типе симметрии вирусная нуклеиновая кислота имеет форму пружины, вокруг которой уложены белковые капсомеры, образующие фигуру винта. Вирусная частица в этом случае напоминает по форме палочку или трубку (рис. 6, 7).


Рис. 6. Вирусы табачной мозаики в поле зрения электронного микроскопа



Рис. 7. Модель вируса табачной мозаики, показывающая, как продолговатые капсомеры уложены вокруг нити нуклеиновой кислоты

Некоторые более сложные вирусы, помимо нуклеокапсида (нуклеиновая кислота, заключенная в капсид), имеют также внешние оболочки, состоящие из белков, углеводов и жиров (липидов).

Так, например, вирус герпеса состоит из содержащего ДНК нуклеокапсида, имеющего форму, приближающуюся к шарообразной, и заключенного в трехслойную оболочку. Вирус гриппа имеет нуклеокапсид в форме трубок, «одетых» сложной внешней оболочкой, в состав которой входят белки, липиды и углеводы. Белковые молекулы капсида уложены винтообразно, а молекулы внешней оболочки уложены по кубическому типу симметрии, и поэтому в целом вирусная частица по форме напоминает шар (рис. 8).


Рис. 8. Вирион вируса гриппа

Еще более сложно устроен вирус оспы — один из наиболее крупных вирусов.

Очень своеобразно устроены некоторые фаги (рис. 9). Головка их содержит нуклеиновую кислоту, а капсид представляет собой многофасетчатое тело. К нему примыкает отросток — полая трубка, окруженная белком, способным сокращаться наподобие мышцы, и заканчивающаяся шестью ворсинками.


Рис. 9. Схематическое изображение вириона бактериофага Т-2

Нуклеиновая кислота является носителем наследственных свойств вирусов, в то время как белковые оболочки (капсид и внешние оболочки) несут защитные функции, охраняя от внешних воздействий хрупкую нить нуклеиновой кислоты, кроме того, они помогают вирусу проникнуть в клетку. Нередко во внешних оболочках вирусов можно обнаружить ферменты— органические катализаторы, вызывающие распад сложных соединений. Так, например, во внешней оболочке вируса гриппа имеется фермент нейраминидаза, вызывающий распад сложных белков (мукопротеинов), находящихся на поверхности клеточной стенки. Упоминавшийся уже бактериофаг на конце отростка имеет фермент лизоцим, вызывающий разрыхление клеточной стенки бактерии. Эти ферменты облегчают проникновение вируса в клетку, разрушая ее оболочки (клеточную стенку).

На примере вирусов можно видеть, как четко соответствуют друг другу структура и функция в биологии.


Пути проникновения в клетку


Проникновение вируса в клетку начинается с соприкосновения его с клеточной оболочкой. Это — физико-химический процесс адсорбции, основанный на электростатическом взаимодействии между электрическими зарядами вирусной частицы и поверхности клетки.

Этот процесс хорошо изучен на примерах вируса гриппа и полиомиелита. Клеточная стенка является сложной и мозаичной структурой, на поверхности которой выступают молекулы сложных белково-углеводных соединений (мукопротеины) и белково-липидных соединений (липопротеины). Вирус гриппа адсорбируется на мукопротеинах клеточной стенки, так как его внешние оболочки имеют сходную структуру, и обе поверхности как бы дополняют друг друга, имея противоположные электрические заряды. Адсорбцию вируса гриппа на клеточных рецепторах (то есть участках клетки, принимающих на себя вирус гриппа) можно наблюдать в электронном микроскопе (рис. 10).


Рис. 10. Адсорбция вируса гриппа на поверхности клетки

Если клетки обработать веществами, разрушающими упомянутые рецепторы клетки, например ферментами, вызывающими распад мукопротеинов, то вирус перестает адсорбироваться на поверхности таких клеток. В отличие от вируса гриппа, вирус полиомиелита адсорбируется на липопротеинах, выступающих на поверхности клеток, и поэтому адсорбция его происходит и при разрушенных мукопротеиновых рецепторах.

Скорость адсорбции мало зависит от температуры и поэтому протекает интенсивно как при 4°, так и при 37°С. Интенсивность ее зависит от концентрации ионов в среде, в частности от концентрации водородных ионов, определяющих кислотность и щелочность среды.

Адсорбция — это начальная стадия взаимодействия всех вирусов с клетками. Дальнейшие процессы этого взаимодействия протекают по-разному у разных вирусов.

Наиболее своеобразен этот процесс у фагов. Фаговая частица в процессе адсорбции фиксируется на поверхности бактериальной клетки концом отростка и ворсинками. Находящийся на конце отростка фермент лизоцим разрыхляет прилежащий к нему участок клеточной стенки бактерии. Вслед за этим происходит сокращение белка, окружающего отросток, последний наподобие иглы шприца протыкает стенку бактериальной клетки и погружается внутрь ее. Затем происходит сокращение головки фага и ее содержимое — вирусная нуклеиновая кислота вспрыскивается внутрь бактерии. Оставшийся пустым белковый футляр вскоре отваливается от поверхности бактерий (рис. 11).


Рис. 11. Схематическое изображение процесса проникновения бактериофага в клетку по стадиям:
1 — адсорбция; 2 — прикрепление фага к бактериальной стенке; 3 — сокращение «мышцы» и впрыскивание нуклеиновой кислоты; 4 — нуклеиновая кислота внутри бактериальной клетки.

У вирусов, поражающих человека и животных, важную роль в процессе проникновения в клетку играют явления виропексиса (так называют втягивание внутрь клетки вирусной частицы с помощью вакуоли, образующейся из клеточной стенки). В месте адсорбции вирусной частицы на клеточной стенке сначала образуется углубление, затем края его смыкаются и возникает пузырек (вакуоль), который теперь оказывается внутри клетки (рис. 12).


Рис. 12. Схематическое изображение развития вируса оспы внутри клетки

Одновременно с виропексисом происходит разрушение белковых оболочек вирусной частицы. Распад их начинается сразу же после адсорбции вируса на поверхности клетки, если даже вирусная частица не проникла внутрь. В отличие от адсорбции, распад белковых оболочек вирусных частиц зависит от температуры: он происходит быстро при 37° и резко замедляется при 4°С. Предполагают, что распад белковых оболочек вируса осуществляется с помощью ферментов клетки, притом преимущественно тех, которые находятся в клеточной стенке. Начавшись на поверхности клетки, этот распад завершается в вакуоли внутри клетки.

У сложных вирусов, имеющих во внешней оболочке ферменты, этот процесс еще более сложен. Так, во внешней оболочке вируса гриппа содержится фермент нейраминидаза. Этот фермент расщепляет мукопротеиновые рецепторы клетки, освобождая углевод — нейраминовую кислоту, наподобие того, как это делают ферменты, содержащиеся в фильтратах холерного вибриона. Поэтому после воздействия на клетки частиц вируса гриппа мукопротеиновые рецепторы клеточных стенок разрушаются и новые порции вируса гриппа уже не могут адсорбироваться на поверхности клетки.

У вируса Сендай, сходного с вирусом гриппа, имеется, по-видимому, и другой фермент, разрушающий липопротеины клеточной стенки. Если к культуре клеток прибавить большое количество этого вируса, то происходит полное разрушение клеточных стенок и клетки сливаются, образуя многоядерные скопления (симпласты), лишенные отделяющих их друг от друга оболочек. Таким образом, проникновение этих вирусов сопровождается, с одной стороны, разрушением белковых оболочек вирусных частиц, с другой стороны, распадом соприкасающихся с ними участков клеточной стенки.

В итоге этих процессов вирусная нуклеиновая кислота освобождается от белковых оболочек и вступает во взаимодействие с клеткой. Таким образом, начальная стадия взаимодействия вируса с клеткой слагается из ряда последовательных процессов, начинающихся с адсорбции вируса на поверхности клетки и завершающихся освобождением вирусной нуклеиновой кислоты от белковых покровов.

У фагов это обеспечивается специальным механизмом, напоминающим по действию впрыскивание нуклеинового содержимого с помощью шприца, у вирусов животных разрушение белковых покровов совершается с помощью ферментов клетки, но конечный результат одинаков — вирус предстает внутри клетки в виде голой нуклеиновой кислоты.

Это неоднократно подтверждалось специальными опытами. Когда путем химической обработки из вируса извлекали нить нуклеиновой кислоты и вводили ее внутрь клетки, развитие там вируса происходило так, как будто бы клетки были заражены цельным вирусом.

Таким образом было доказано, что носителем наследственных свойств и способностью к воспроизводству (размножению) обладает не вся вирусная частица (вирион), а лишь ее нуклеиновая кислота. Для того чтобы она могла проявить эти свойства в клетке, нуклеиновая кислота должна быть освобождена от защищающих ее во внешней среде белковых покровов.


На стыке трех наук


Для того чтобы дальнейшее изложение было более понятным, придется сделать краткий экскурс в современную цитологию (учение о клетке), генетику (науку о наследственности) и биохимию (биологическую химию).

Еще в прошлом столетии исследователи, занимавшиеся изучением наследственности и изменчивости организмов, выдвинули предположение о существовании особого наследственного вещества. В дальнейшем при изучении строения клеток стало ясным, что это вещество находится в ядрах клеток и связано с особыми образованиями — хромосомами. Однако лишь сравнительно недавно было доказано, что материальным носителем наследственных свойств организмов являются нуклеиновые кислоты, а именно — ДНК, содержащаяся в хромосомах ядер, а у более простых организмов, не имеющих четко ограниченных ядер, — ДНК, содержащаяся в протоплазме.

Клетки, из которых состоят и высшие и низшие организмы, устроены весьма сложно (рис. 13). В них различают ядро, цитоплазму, клеточную и ядерную стенки (оболочки). В цитоплазме содержатся клеточные органоиды — рибосомы, митохондрии, лизосомы и сетчатый аппарат.


Рис. 13. Схематическое изображение строения клетки и ее ядра (в углу справа):
1 — ядро; 2 — ядрышко; 3 — эндоплазматическая сетка; 4 — клеточная мембрана; 5—митохондрии; 6 — ядерная оболочка; 7 — лизосома;
8 — цитоплазма; 9 — аппарат Гольджи; 10 — рибосомы. А — ядро; Б — ядрышко; В — хроматин; Г — нуклеоплазма; Д — вакуоль.

Рибосомы — наиболее мелкие из клеточных органоидов — являются «станками» для синтеза белка. Митохондрии — это сложные химические фабрики, за счет многочисленных ферментов осуществляющие разнообразные процессы обмена веществ и энергии в клетке, преимущественно синтетического характера. В лизосомах сосредоточены ферменты, вызывающие распад составных частей клетки и прежде всего — ее белков. Роль сетчатого аппарата пока не вполне ясна, но предполагают, что с ним связаны процессы монтажа надмолекулярных структур клетки. Внутриклеточный транспорт веществ, необходимых клетке для нормальной жизнедеятельности, как сложных и полимеров, так и более простых осуществляется по разветвленной сети каналов, связывающих между собой разные участки цитоплазмы и цитоплазму с ядром.

Наиболее существенная часть ядра — хроматин. В период, деления клеток он формируется в продолговатые тела — хромосомы, которые попарно расходятся в дочерние клетки. Хромосомы (или хроматин) состоят из ДНК, связанной с белком. Обычно в ядре бывает одно или несколько ядрышек, в которых также содержится хроматин. В период деления ядрышки исчезают и вновь формируются из ядерного хроматина по окончании деления. В ядре имеются также рибосомы, сходные с рибосомами цитоплазмы.

Как уже упоминалось, носителями наследственных свойств клеток и организмов является ДНК. Каким же образом «записаны» наследственные свойства в молекулах ДНК? На этот вопрос дали ответ исследования процессов синтеза белков. Напомним, что белки — это соединения, определяющие различия между разными биологическими видами. Так вот, например, белок крови гамма-глобулин у человека и разных животных, отличается по количеству, составу и последовательности аминокислот в полипептидной цепи. В ДНК хромосом клеток, вырабатывающих гемоглобин, имеется запись последовательности аминокислот, необходимых для синтеза этих белков. Эта запись называется генетическим кодом.

Мы уже говорили, что ДНК представляет собой цепь чередующихся 4-х нуклеотидов, а белок — цепь чередующихся 20 аминокислот. Следовательно, код из 4 букв должен передать более 20 разных значений. Простой расчет показывает, что лишь сочетанием трех букв можно передать значительно больше 20 (точнее, 64) значений. На примере гемоглобина и ряда других соединений путем кропотливых исследований было доказано, что генетический код состоит из трех букв (триплетов), причем этот код неперекрывающийся и непрерывный, то есть каждый триплет имеет рядом с собой два соседних — предыдущий и последующий: ...АГЦ, АТА, ГЦТ... Здесь начальные буквы обозначают соответствующий нуклеотид, то есть пуриновое или пиримидиновое основание, соединенное с пентозой и фосфорной кислотой: А — аденин, Г — гуанин, Ц — цитозин, Т — тимин. Поскольку из трех букв можно получить не 20, а 64 комбинации, то одной аминокислоте может соответствовать несколько сочетаний трех букв. Такой код называется вырожденным.


Рис. 14. Схема синтеза белка

Но каким же образом этот код реализуется в клетке? Представим себе участок ДНК, на котором закодирована последовательность аминокислот какого-либо белка. Для того чтобы этот белок мог быть синтезирован, необходимо сначала, чтобы на этом участке ДНК была синтезирована ее копия — РНК, точно повторяющая последовательность нуклеотидов ДНК, с той лишь разницей, что тимин в ней заменяется урацилом. Приведенные выше три триплета будут выглядеть так: ...АГЦ, АУА, ГЦУ... Этот синтез молекулы РНК, называемой РНК-посредником, осуществляется с помощью особого фермента РНК-полимеразы, а матрицей, с которой делается копия, является соответствующий участок ДНК.

Отделившаяся от ДНК молекула РНК-посредника направляется к рибосоме, где и осуществляется синтез белка. Постоянная доставка аминокислот из окружающей рибосому среды обеспечивается с помощью другого вида РНК — транспортных РНК, число которых соответствует числу аминокислот. Каждая из этих транспортных РНК может взаимодействовать лишь с определенным триплетом РНК-посредника. Таким образом, рибосома является как бы станком, на котором происходит монтаж полипептидной цепи белковой молекулы. Последовательность аминокислот в этой цепи записана на РНК-посреднике, а транспортная РНК осуществляет поднос аминокислот на соответствующие места, указанные на цепи РНК-посредника (рис. 14). Энергия, необходимая для этой работы, обеспечивается активацией аминокислот — присоединением к ним фосфорной кислоты, которая отщепляется во время соединения кислотной и аминогруппы двух соседних аминокислот, освобождая энергию. Таким путем и реализуется на ДНК генетический код, что и приводит к синтезу специфического для данной клетки белка.

Генетический код является универсальным, то есть общим для всех живых существ. В частности, он одинаков у вирусов и у клеток, в которых они паразитируют. Именно поэтому вирусы имеют одну молекулу нуклеиновой кислоты и много тождественных молекул белка в капсиде и внешних оболочках. Действительно, поскольку трем нуклеотидам нуклеиновой кислоты соответствует одна молекула аминокислоты белка, то если бы даже вся цепь нуклеиновой кислоты была использована как код белковой молекулы, то и в этом случае белковая молекула содержала бы в три раза меньше аминокислот и не могла бы полностью окутать молекулу нуклеиновой кислоты. На самом же деле число аминокислот в белковых молекулах капсомеров и внешних оболочек во много раз меньше, нежели число нуклеотидов в молекуле нуклеиновой кислоты вируса, и поэтому молекула вирусной нуклеиновой кислоты в вирионе заключена в капсид, состоящий из десятков и сотен капсомеров.


Синтез элементов вирионов


Мы оставили вирус, проникший в клетку, на той стадии, когда его нуклеиновая кислота освободилась от белковых покровов. Посмотрим теперь, что после этого происходит в клетке.

Хронологически в этом процессе можно выделить следующие фазы: перестройка обмена веществ клетки под действием вируса; синтез составных частей вируса; формирование зрелых вирусных частиц — вирионов. У разных типов вирусов эти фазы имеют значительные различия.

Вирусы являются внутриклеточными паразитами и для синтеза своих составных частей используют имеющиеся в клетке органические и неорганические соединения, ферменты и энергетические ресурсы. При этом процессы синтеза нуклеиновых кислот и белков осуществляются ими точно так же, как это происходит в самой клетке.

Вначале предполагалось, что вирусы не имеют никаких собственных ферментов, а лишь используют ферменты клеток, в которых они находятся. Однако при дальнейшем изучении оказалось, что дело обстоит не так — для синтеза составных частей вируса требуются некоторые специфические ферменты, которые отсутствуют в клетке.

Особенно это относится к нуклеиновой кислоте вирусов. В клетке нуклеиновые кислоты синтезируются с помощью специальных ферментов — синтетаз или полимераз.

Схему синтеза ДНК можно представить следующим образом. Система синтетических ферментов осуществляет присоединение нуклеотидов, образующих цепь ДНК, причем шаблоном или матрицей служит сама ДНК. Что же касается РНК клеток, то она, как мы указывали выше, синтезируется также на матрицах ДНК, являясь их слепком, в котором одно из четырех оснований — тимин — заменено на урацил.

Большинство изученных в настоящее время вирусов синтезирует свои нуклеиновые кислоты с помощью особых ферментов, которые отсутствуют в нормальных, незараженных вирусом, клетках. Поскольку ферменты — это белки, следовательно, они должны быть заново синтезированными из аминокислот, имеющихся в клетке или в питающем ее растворе, а местом синтеза этих белков-ферментов, как мы уже говорили, являются рибосомы. Вирус, таким образом, использует уже имеющиеся в клетке системы, синтезирующие белок, и его роль сводится к внесению специфической информации. Если вирус состоит из РНК, то сама молекула этой нуклеиновой кислоты и выполняет функции РНК-посредника. Если же вирус состоит из ДНК, то на определенных ее участках, как на матрицах, синтезируется вирусная РНК-посредник, и уже эта последняя вносит необходимую информацию на рибосомы.

По такому типу осуществляется синтез и других ферментов, необходимых для развивающегося в клетке вируса. У некоторых вирусов синтезируются даже десятки необходимых для его развития ферментов.

Помимо образования новых ферментов, вирус вызывает и другие изменения обмена веществ в клетке. Так, например, большинство вирусов, содержащих РНК, вызывают приостановку и даже полное прекращение синтеза клеточной РНК и, в частности, РНК-посредника. В результате в клетке нарушаются нормальные синтетические процессы и все ресурсы клетки переходят на службу вирусу. Перестройка обмена веществ клетки выражается также и в том, что изменяется соотношение разных ферментов в клетке — деятельность ферментов, участвующих в синтезе вируса, активируется, работа остальных тормозится.

Весь этот период перестройки обмена веществ клетки и синтеза новых ферментов, специфических для данного вируса, обычно длится недолго — всего несколько часов. Вслед за ним начинается синтез составных частей вируса. Нередко эту фазу развития вируса называют эклипсом, то есть затмением, исчезновением. И, действительно, в это время в клетке не удается обнаружить вирус, так как его белковые оболочки разрушены, нуклеиновая кислота как бы слилась или потерялась в цитоплазме или ядре клетки, а новое потомство вируса еще не появилось. Именно в это время происходит подготовка клетки, которой теперь управляет вирус, к процессам синтеза составных частей вируса — нуклеиновой кислоты и белка.

Нуклеиновая кислота вируса и его белки синтезируются не одновременно и, как правило, в разных частях клетки. Обычно синтезу белка предшествует синтез нуклеиновой кислоты, но эти процессы могут осуществляться почти одновременно.

Местом синтеза нуклеиновой кислоты вируса может быть и ядро клетки, и цитоплазма, причем это относится как к ДНК, так и РНК-содержащим вирусам. Так, например, вирус герпеса (вызывающий образование пузырьков на губах, в просторечье именуемых «лихорадкой») содержит ДНК, и синтезируется она в ядрах клеток, тогда как у вируса оспы, также содержащего ДНК, последняя синтезируется в цитоплазме. Так же обстоит и с РНК-содержащими вирусами. Например, РНК вируса гриппа синтезируется в ядре (вероятно, в ядрышке), а РНК вируса энцефалита мышей — в цитоплазме.

Мы уже отмечали, что синтез нуклеиновых кислот у вирусов осуществляется с помощью их собственных ферментов, отсутствующих в нормальных клетках. Этим, вероятно, и объясняется тот факт, что нуклеиновые кислоты вируса могут синтезироваться не только в ядре (как у клеток), но также и в цитоплазме. Обычно при этом нуклеиновые кислоты клетки не разрушаются, но некоторые вирусы способны вызывать распад клеточных нуклеиновых кислот, причем их «обломки» — нуклеотиды используются для построения нуклеиновой кислоты вируса.

Синтез вирусного белка обычно может начинаться непосредственно после синтеза вирусной нуклеиновой кислоты или же после интервала, длящегося от нескольких десятков минут до целых часов. Иногда, напротив, синтез белка происходит при продолжающемся синтезе нуклеиновой кислоты.

В процессе воспроизводства отдельных элементов вирионов отличие между ДНК и РНК-содержащими вирусами проявляется в том, что у первых, как уже упоминалось, синтезу белка предшествует синтез РНК-посредника, которая направляется к рибосомам, где и происходит синтез вирусного белка. У РНК-содержащих вирусов РНК-посредник не синтезируется, и ее функции выполняет молекула вирусной РНК, вернее, тот ее участок, на котором закодирован вирусный белок.

Место синтеза вирусных белков также может быть разным. Так, у аденовирусов и нуклеиновая кислота и белок синтезируются в ядре, у вирусов оспы и нуклеиновая кислота и белок — в цитоплазме. У вируса энцефалита мышей нуклеиновая кислота воспроизводится в ядре, а белок — в цитоплазме, У вируса гриппа нуклеиновая кислота и белки, из которых построены капсомеры, синтезируются в ядре, а белки внешних оболочек — в цитоплазме.

Читателю, вероятно, будет интересно не только узнать результаты исследований, но и те методы, с помощью которых удалось проникнуть в скрытые процессы взаимодействия вируса с клеткой. Приемы эти многочисленны и разнообразны, поэтому здесь мы расскажем лишь о некоторых из них.

Белки животных, растений и микроорганизмов отличаются между собой по составу входящих в них аминокислот, их количеству, последовательности чередования в полипептидной цепи и пр. Одним из наиболее эффективных методов различения белков является иммунологический — реакции между белками и сыворотками животных, иммунизированных этими белками, бывают строго специфичными.

Если к молекулам иммунной сыворотки присоединить флуоресцирующее (светящееся) вещество, то в местах соединения белка (антигена) с сывороткой (антителом) возникнут очаги свечения. Таким путем удается наблюдать динамику появления вирусного белка в клетке (рис. 15).


Рис. 15. Динамика синтеза вирусного белка в клетке

Методика флуоресцирующих антител получила широкое применение не только для изучения синтеза вирусных белков, но и для диагностики вирусных инфекций. Имея набор специфических сывороток, полученных путем иммунизации животных разными вирусами, их можно обнаружить в клетках и тем самым определить, каким возбудителем вызвано заболевание.

В электронном микроскопе тоже можно увидеть антитела, соединенные с вирусом, но их для этого метят не светящимся, а оптически плотным веществом, содержащим в своем составе тяжелые атомы, например железа или ртути.

Вирусные нуклеиновые кислоты и белки, особенно на ранних стадиях их синтеза, составляют ничтожную часть нуклеиновых кислот и белков клетки, и поэтому для их изучения часто пользуются методом радиоактивной метки. Радиоактивный изотоп вводят в состав химических соединений, используемых при синтезе белков, нуклеиновых кислот и других составных частей клеток и вирусов Количество радиоактивного изотопа легко измерить с помощью специальных приборов, а место распада можно зафиксировать на фотопленке. Этот метод исследования дает возможность проследить за проникновением вируса в клетку, установить время и место синтеза его нуклеиновых кислот и т. п.

Говоря о синтезе составных частей вируса в клетке, мы подчеркиваем, что основную роль в этом процессе играет нуклеиновая кислота вируса, так как, с одной стороны, она обладает способностью к саморепродукции, то есть синтезу своих копий с помощью специальных ферментов, образующихся в клетке, а с другой стороны, в ней имеется генетический код, в котором зашифрована последовательность аминокислот, необходимых для синтеза вирусных белков.

Однако было бы ошибочным думать, что вирусные белки играют роль лишь инертного защитного футляра. На примере вируса гриппа мы видели, что внешние белковые оболочки содержат ферменты, облегчающие проникновение вируса в клетку.

Недавно было доказано, что белки даже такого просто устроенного вируса, как возбудитель табачной мозаики, играют существенную роль не только в проникновении вируса в клетку, но и в ходе инфекционного процесса. По-видимому, многие из начальных процессов взаимодействия вируса с клеткой, взаимодействия, приводящего к перестройке обмена веществ клетки и приспособлению его к потребностям вируса, вызываются не только нуклеиновой кислотой, но и белками вируса.


Как «размножаются» вирусы


Накопление составных частей вируса — нуклеиновой кислоты и белков — завершается их композицией — формированием зрелого вируса.

У наиболее простых вирусов этот процесс происходит, так сказать, автоматически. Белковые капсомеры, накапливаясь в клетке, как бы кристаллизуются вокруг частиц вирусной нуклеиновой кислоты. Их форма, химические связи (электрические заряды) обусловливают образование геометрических фигур, характерных для каждого вируса, так как именно в этих случаях получаются наиболее устойчивые системы. Иными словами, для данного типа нуклеиновой кислоты и белковых капсомеров имеется единственный, наиболее устойчивый тип «упаковки», который и реализуется при накоплении в клетке достаточного количества составных частей вируса.

Белковые капсомеры могут полимеризироваться (то есть образовывать сложные кристаллоподобные структуры) и в отсутствии нуклеиновой кислоты. В этом случае образуются частицы, обладающие свойствами вируса, но лишенные наследственного вещества и не способные к воспроизводству. Такие частицы называют неполным вирусом. Обычно они образуются при избытке вирусных частиц, проникших в клетку, а также при искусственных воздействиях, нарушающих ход синтеза вирусной нуклеиновой кислоты.

У более сложных вирусов, имеющих, кроме нуклеокапсида, также и внешние оболочки, формирование вирусных частиц происходит более сложным путем. Нуклеокапсид формируется уже описанным способом полимеризации. Внешние же оболочки образуются в разных частях клетки, и вирус «обретает» их в процессе прохождения через клетку и выхода из нее. Так, например, вирус герпеса окутывается внешними оболочками, проникая через ядерную и клеточные стенки, а вирус гриппа — когда проходит через клеточную. При этом ход обмена веществ в клетке настолько изменяется, что целые участки клеточной стенки приобретают свойства вирусных белков.

Дальнейшее изучение этих процессов показало, что у сложно устроенных вирусов (типа вируса гриппа, оспы или герпеса), в состав внешних оболочек входят белки клетки-хозяина. В частности, это относится к упоминавшемуся ферменту нейраминидазе, который находится во внешней оболочке вируса гриппа. Этот фермент имеется и в нормальных клетках, не пораженных вирусом, однако в небольших количествах. При заражении вирусом гриппа клеток последние усиливают выработку этого фермента, который включается в состав внешней оболочки вируса.

Таким образом, помимо своих белков, вирусы могут включать в свой состав и некоторые белки клеток-хозяев, в которых они паразитируют.

Развитие вируса в клетке приводит к настолько значительным нарушениям ее обмена веществ, что во многих случаях клетки перестают быть жизнеспособными и погибают. Изучая такие клетки под микроскопом, в них можно проследить различные проявления вирусной инфекции. Цитопатическое (то есть вредное для клеток) действие вируса проявляется по-разному. В одних случаях наступает полное разрушение клеток, в других — клетки теряют способность к делению и погибают постепенно, сохраняя при этом свои основные структурные части, в третьих — клетки не погибают, а, напротив, приобретают способность к усиленному размножению и злокачественному росту. Причины злокачественного перерождения клеток под влиянием некоторых вирусов в настоящее время интенсивно изучаются. Мы не имеем возможности остановиться здесь на всех исследованиях в этой области и можем лишь рекомендовать читателю познакомиться с брошюрой Л. Ф. Ларионова «Рак можно предупредить», выпущенную издательством «Знание» в 1963 г.


Борьба продолжается


Любопытно, что первые эффективные методы борьбы с вирусными болезнями были изобретены медицинской наукой задолго до открытия самих вирусов.

В конце XVIII столетия английский врач Э. Дженнер, основываясь на народном опыте и своих наблюдениях, предложил для предохранения от тяжелейшей вирусной болезни — оспы человека («черной оспы») втирать в кожу содержимое пузырьков коровьей оспы. Коровья оспа вызывает у человека местное поражение кожи, однако развивающийся иммунитет предохраняет его не только от коровьей, но и от человеческой оспы.

Защитные свойства прививок коровьей оспы против человеческой были поняты лишь в текущем столетии, когда была выяснено, что оба вируса очень сходны между собой и, в частности, весьма сходны по строению их белки, против которых организм вырабатывает иммунитет. Поэтому иммунитет, выработанный организмом против коровьей оспы, защищает и от оспы человека.

Основатель современной микробиологии Л. Пастер разработал метод прививок ослабленным вирусом бешенства также задолго до открытия вирусов. По его предложению ослабленные или убитые возбудители болезни, применяющиеся для прививок, были названы вакцинами.

С тех пор профилактические прививки стали одним из основных средств борьбы с вирусными болезнями. Благодаря массовым прививкам в нашей стране оспа была ликвидирована еще в середине 30-х годов. Прививки против бешенства спасли жизнь многим десяткам и сотням тысяч людей. Большое значение приобрели также прививки против клещевого энцефалита — тяжелой болезни, распространенной в таежных и лесистых местностях, против гриппа — наиболее распространенной вирусной болезни.

На наших глазах, совсем недавно была блестяще решена задача борьбы с полиомиелитом. Эта болезнь в послевоенные годы получила катастрофическое распространение во всем мире, вызывая множество смертей и оставляя еще больше калек, парализованных на всю жизнь. Победа над этой болезнью была достигнута благодаря интенсивным исследованиям, проведенным американскими (Д. Солк, А. Сэйбин) и советскими (Μ. П. Чумаков, А. А. Смородинцев) вирусологами. Массовые прививки вакциной из живого ослабленного вируса положили конец распространению этой болезни. Вероятно, в ближайшие годы найдет свое решение и проблема вакцинации против кори, а также и некоторых других вирусных инфекций.

В борьбе со многими вирусными инфекциями важное значение имеют не только прививки, но также меры общественной и личной профилактики. Так, например, для предохранения от заражения клещевым энцефалитом уничтожают клещей в окрестностях населенных пунктов с помощью ДДТ и других средств, а также применяют отпугивающие клещей растворы и мази. В борьбе с бешенством решающее значение принадлежит мерам по истреблению бродячих собак и волков. Важную роль в предупреждении вирусных болезней играют и карантинные меры.

Однако не все вирусные инфекции поддаются таким мерам и не всегда удается получить достаточно эффективные вакцины против них. В частности, это относится к наиболее распространенным вирусным болезням, поражающим дыхательные пути, — гриппу и сходным с ним заболеваниям. В настоящее время, помимо трех вирусов гриппа (А, В, С), известно уже более 100 вирусов, вызывающих сходные заболевания. Если бы даже удалось против всех их или хотя бы против наиболее распространенных из этих вирусов получить вакцины, трудно было бы обеспечить прививки населения столь большим числом вакцин. Положение осложняется еще и тем, что собственно грипп, вызываемый вирусами А и В, обеспечивает развитие нестойкого иммунитета и поэтому прививки против него должны повторяться ежегодно.

В настоящее время известны уже многие сотни вирусов, поражающих человека. Меры общественной и личной профилактики не могут обеспечить ликвидацию всех этих вирусов, а вакцинация против всех их, конечно, невозможна. Поэтому вирусологи настойчиво ищут новые пути борьбы с вирусными болезнями. Одно из таких новых направлений — химиотерапия вирусных инфекций.

До последнего времени не существовало средств химиотерапии вирусных инфекций, которые по характеру действия и эффективности можно было бы сравнить с антибиотиками и химиотерапевтическими веществами, применяющимися для лечения болезней, вызываемых бактериями, грибками и простейшими животными. Эти вещества, воздействуя на возбудителей болезни, не оказывают серьезного вреда организму человека, являясь своего рода «волшебной пулей», поражающей микроба, находящегося в организме.

Попытки применить их для химиотерапии вирусных инфекций неизменно оканчивались неудачами. Причины их стали ясны лишь в последние годы, когда были поняты многие детали процессов взаимодействия вирусов с клетками. Оказалось, что клетки организма человека и животных более чувствительны к этим антибиотикам, нежели вирусы.

Поэтому приходится искать новые пути воздействия на вирусы, выявляя те детали обмена веществ и синтеза составных частей вируса, которые можно поразить, не повредив обмен веществ клетки. Пока еще сделаны первые шаги на этом пути, и было бы преждевременным подводить итог этим первоначальным исследованиям. Можно, однако, быть уверенным, что именно это направление в современной вирусологии даст в ближайшие годы новые эффективные средства лечения и профилактики вирусных болезней.

Примечание автора. Тем читателям, у кого при разборе схемы, приведенной на стр. 23, и структурных химических формул, помещенных в брошюре, возникнут трудности, можно рекомендовать ознакомиться с основами биологической химии по книге В. И Добрынина «Учебник биологической химии». М. Медгиз, 1963.
_________
Примечание автора. Тем читателям, у кого при разборе схем и структурных химических формул, помещенных в брошюре, возникнут трудности, можно рекомендовать ознакомиться с основами биологической химии по книге В. И Добрынина «Учебник биологической химии». М. Медгиз, 1963.

Скачать брошюру: nvzhnt_bim1964_08.djvu [1,54 Mb] (cкачиваний: 12)

Действительный член Академии медицинских наук СССР В. М. ЖДАНОВ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ» Москва 1964

https://www.perunica.ru/nauka/9974-po-sledam-nevidimok-biohimija-raskryvaet-tajny-virusov.html  



+2


Категория: Наука и Техника   Теги: Книга онлайн, Вакцина

Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.