ЕКОЛОГІЧНА БІОХІМІЯ - Навчальний посібник - В. М. Ісаєнко 2005

Розділ І. ВІРУСНІ ІНФЕКЦІЇ ТА РЕАКЦІЯ НА НИХ ОРГАНІЗМІВ (загальні уявлення)

Віруси (лат. virus — отрута) — це неклітинна форма живої матерії. Вони є облігатними паразитами, здатними розмножуватися лише в клітинах тих організмів, у яких вони паразитують (організми-господарі).

Іноді, коли віруси чітко не систематизовані відповідно до таксономії, широко вживають термін «вірусоподібні частки».

Критерієм відмінності вірусів від інших організмів є представлення вірусами генетичного матеріалу лише одним типом нуклеїнової кислоти (ДНК або РНК), тимчасом як організми клітинної будови мають обидва типи нуклеїнових кислот. Віруси принципово відрізняються від інших організмів ще й тим, що вони не містять систем синтезу білків. Генетичний матеріал вірусу відтворюється лише в клітині організму-господаря, змінюючи біохімічні процеси в клітині так, що вона починає синтезувати вірусні білки. Серед них є як ферменти, необхідні для реплікації вірусного геному, так і білки оболонки вірусу — капсиду, що захищає генетичний матеріал від дії нуклеаз. Багато вірусів крім білкового капсиду мають ще й зовнішню оболонку — суперкапсид, який складається з ліпідів цитоплазматичної мембрани клітини-господаря та вірусних глікопротеїнів.

У клітинах, які інфіковані вірусом, відбувається збирання з вірусних нуклеїнових кислот та білків нових вірусних часток — віріонів. На стадії віріона вірус не виявляє життєдіяльності — до потрапляння в клітину.

Повна залежність вірусів від синтезуючих систем клітин свідчить про те, що віруси не організми, у повному розумінні цього поняття, оскільки навіть мікоплазми мають власні білоксинтезуючі системи.

Оскільки до віріона як до певної стадії життя вірусу поняття «особина» застосовувати не можна, то до вірусів важко вжити термін «популяція». Однак, напевно, можна говорити про популяцію вірусів на рівні як інфікованих організмів, так і популяцій організмів-господарів. Під видом вірусів розуміють сукупність штамів даного вірусу, які подібні і, отже, формують ознаки виду. Штам вірусу, як і бактерій, становить чисту культуру, яка виділена з певного інфікованого організму й має особливі фізіологічні та біохімічні властивості.

За формою віруси поділяють на па (наприклад, вірус тютюнової мозаїки), ниткоподібні (Y-вірус картоплі), сферичні (вірус грипу), кубоїдальні (вірус натуральної віспи), (бактеріофаги).

Характеризуючи хімічний склад вірусів, варто зауважити, що неодмінним компонентом вірусної частки є одна з двох нуклеїнових кислот (РНК чи ДНК), білок і зольні елементи. Ці три компоненти є загальними для всіх вірусів, тимчасом як інші — ліпіди та вуглеводи входять до складу далеко не всіх вірусів.

Віруси, що складаються тільки з білка, нуклеїнової кислоти та зольних елементів, найчастіше належать до групи простих, так званих мінімальних вірусів, позбавлених диференціації, власних ферментів чи яких-небудь спеціалізованих структур. До такого роду вірусів належать віруси рослин, деякі віруси тварин і комах. Водночас майже всі бактеріофаги, що за хімічним складом належать до групи мінімальних вірусів, насправді є дуже складними та високодиференційованими структурами. Віруси, до складу яких поряд з білком і нуклеїновою кислотою входять також ліпіди та вуглеводи, як правило, належать до групи складно влаштованих. Велика частина вірусів цієї групи паразитує на рослинах і тваринах.

Молекули вірусних ДНК можуть бути лінійними чи кільцевими, дволанцюговими чи одноланцюговими по всій своїй довжині або ж одноланцюговими тільки на кінцях. Крім цього, відомо, що більшість нуклеотидних послідовностей у вірусному геномі трапляється лише по одному разу, однак на кінцях можуть міститися ділянки, що повторюються.

У РНК-вмісних вірусів генетична система, що реплікується, складається тільки з РНК. Інтакність структури РНК істотна для її активації. Молекулярна маса РНК вірусів коливається у великих межах — від 7 • 10⁶ Да у пікорнавірусів до понад 2 • 10⁸ Да у ретровірусів, однак обсяг генетичної інформації розрізняється значно меншою мірою.

Білки досліджених дотепер вірусів складаються зі звичайних амінокислот, що належать до природного L-ряду. Співвідношення амінокислот у вірусних білках досить близьке до такого в білках бактерій, тварин і рослин. У вірусному білку переважають дикарбонові кислоти. Це справедливо як для вірусів з низьким вмістом нуклеїнової кислоти, так і для вірусів з високим вмістом РНК або ДНК.

Одним із компонентів, що виявляється іноді в очищених вірусних препаратах, є вуглеводи в кількості, що перевищує вміст вуглеводів у нуклеїновій кислоті. Дані як про кількісний, так і про якісний склад вуглеводного компонента вірусів досить суперечливі.

Найбільше їх в елементарних тільцях вірусу грипу та класичної чуми птахів — до 17 %.

Термін «ферменти вірусів» може вживатися у вузькому та широкому розумінні слова. У першому разі мається на увазі ферментативна активність, пов’язана з вірусними частинками, які містяться поза клітинами. Широке тлумачення цього терміна позначає всю сукупність ферментних систем, що беруть участь у синтезі вірусу в зараженій клітині, тобто ферменти внутрішньоклітинного вірусу, що розмножується.

Наявність у вірусних частках ферментів встановлено з повною вірогідністю для лізоцимної та фосфатазної активностей бактеріофагів і нейрамінідазної активності міксовірусів. У всіх інших випадках або не отримано переконливих доказів власне вірусного походження ферментів, або, навпаки, твердо доведено походження активності ферментів від клітинних забруднень.

Патологічний вплив на організми при вірусних захворюваннях на біохімічному рівні полягає у взаємодії кількох факторів: 1) токсичного впливу продуктів вірусних генів на метаболізм заражених клітин; 2) реакції клітини-господаря на експресію вірусних генів у заражених клітинах; 3) модифікації експресії генів клітини-господаря внаслідок її структурної або функціональної взаємодії з генетичним матеріалом вірусу.

У більшості випадків симптоми гострих вірусних захворювань можуть бути безпосередньо пов’язані з руйнуванням клітин вірусом, що їх інфікує.

Для того щоб вірус міг розмножитися, він повинен спочатку проникнути в клітину. Спектр господарів визначається як типами клітин, так і видами організмів, яких здатен заражати та в яких він може розмножуватися. Одні віруси мають широкий спектр господарів, інші заражають лише клітини одного типу певних видів організмів.

Зараження клітини вірусом складається з кількох етапів. На першому відбувається прикріплення віріона до клітинної поверхні за допомогою спеціального білка — антирецептора, який зв’язується з клітинним рецептором. Класичним прикладом антирецептора є гемаглютинін вірусу грипу. Складні віруси, такі як вірус віспи та вірус простого герпесу, можуть мати антирецепторні молекули кількох видів. Більше того, молекули антирецепторів можуть мати кілька доменів, кожен з яких взаємодіє з певним рецептором. Мутації генів, що кодують антирецептори, іноді ведуть до втрати їх здатності взаємодіяти з рецепторами.

Другий етап — це проникнення вірусної частинки в клітину. Воно може здійснюватися так: 1) переміщення всього вірусу через плазматичну мембрану; 2) піноцитозом вірусних часток, унаслідок чого вони нагромаджуються в середині цитоплазматичних вакуолей; 3) злиттям плазматичної мембрани з оболонкою вірусу.

Третій етап зараження клітин вірусом — це так зване роздягання вірусної частинки, що призводить до звільнення вірусного генома. Тільки-но вірусний геном звільниться від білка, він слугує джерелом інформації для реплікації та транскрипції, діючи як матриця для біосинтезу відповідних продуктів. Розмноження вірусних геномів відбувається шляхом реплікації генетичного матеріалу, тобто ДНК чи РНК. Реплікація ДНК здійснюється в основному за допомогою тих самих біохімічних механізмів, що й реплікація генетичного матеріалу клітини. Реплікація вірусного ДНК-генома в клітині господаря можлива, якщо геном є репліконом, що розпізнається реплікаційним апаратом клітинного чи вірусного походження. У процесі реплікації можуть спільно брати участь клітинні та вірусні ферменти. У деяких випадках реплікація розпочинається лише після ряду попередніх етапів і створення особливих умов. За вірусної інфекції набір клітинних ферментів може поповнюватися — іноді за рахунок ферментів, що привносяться в клітину віріоном (віруси віспи, везикулярного стоматиту та грипу, ретровіруси), а іноді — за рахунок ферментів, заново синтезованих як продукти вірусних генів. Останні, зокрема, доведені для деяких фагів, репродукція яких відбувається за особливої компоненти ДНК. Ці фаги містять інформацію, необхідну для синтезу відповідних ферментів. Віруси можуть також викликати синтез ферментів, які каталізують реакції, що вже раніше здійснювалися за допомогою клітинних ферментів.

Більшість вірусів, що містять РНК, розмножуються шляхом утворення копій РНК без участі проміжних ДНК-матриць, і тому їхня реплікація може відбуватися в клітинах з інгібованим синтезом ДНК. Ці віруси кодують власну РНК-репліказу. Клітини господаря такого ферменту не мають. У деяких груп вірусів, що містять РНК, ця нуклеїнова кислота реплікується на проміжній комплементарній ДНК, синтезованій на вірусній РІЖ за допомогою зворотної транскриптази. Цей фермент привноситься в клітину господаря віріоном разом з вірусною РНК.

Вірусна нуклеїнова кислота під час своєї реплікації не пов’язана зі специфічними білками, що містяться в зрілих віріонах. За певних умов реплікація нуклеїнових кислот відбувається тоді, коли синтез білків хімічним шляхом інгібований. У процесі, що призводить до утворення та вивільнення нових вірусних часток, синтез віріонних білків зазвичай розпочинається після того, як реплікація нуклеїнової кислоти вже почалася. У результаті синтезу цих білків нагромаджується фонд попередників, який слугує джерелом матеріалу, що використовується під час збирання капсидів. Дозрівання — складний і необоротний процес: ані нуклеїнова кислота, ані структурні білки, що включені в повний капсид чи його частину, знову вже не звільняються в тій самій клітині. Отже, під час збирання капсиду вірусний геном вилучається з популяції нуклеїнової кислоти, що реплікується, а капсидні білки — з фонду білкових попередників. Якщо віруси мають зовнішню оболонку, то вона приєднується до капсиду пізніше — або в цитоплазмі клітини, або за взаємодії з клітинною мембраною. Такий процес збирання, що охоплює етапи наповнення попередників, дає змогу пояснити явище фенотипового змішування, коли в клітині, зараженій двома різними, але сумісними вірусами, утворюються віріони з капсидами, побудованими із субодиниць, що кодуються різними геномами.

Залежно від терміну перебування вірусу в клітині та характеру зміни її функціонування розрізняють три типи вірусної інфекції. За першого вірусні частинки, що утворилися, одночасно залишають клітину, вона розривається та гине. Так розвивається інфекція. За вірусної інфекції другого типу, що має назву ної (стійкої), нові віруси залишають клітину-господаря поступово. Клітина продовжує жити та ділитися, продукуючи нові віруси, хоча її функціонування може змінитися. Третій тип інфекції називається латентним (прихованим). Генетичний матеріал вірусу вбудовується в хромосоми клітини і при її поділі відтворюється й передається дочірнім клітинам. За певних умов у деяких з уражених клітин латентний вірус активується, розмножується, а його нащадки залишають клітини. Інфекція розвивається за літичним або персистентним типом.