БИОХИМИЯ - Л. Страйер - 1984

ТОМ 3

Часть IV ИНФОРМАЦИЯ

ГЛАВА 30. ВИРУСЫ

Вирусы представляют собой инфекционные нуклеиновые кислоты, упакованные в защитную оболочку. Это - наиболее эффективные из внутриклеточных паразитов. В отличие от клеток вирусы не способны вырабатывать энергию с помощью метаболических реакций или синтезировать белки. Они отличаются от клеток и тем, что содержат только ДНК или только РНК, но никогда не содержат и то и другое одновременно. Одни вирусы содержат одноцепочечную нуклеиновую кислоту, другие - двухцепочечную. По сложности строения вирусы широко варьируют - от фага Qβ - РНК-содержащего фага, имеющего всего 4 гена, до вируса оспы, геном которого насчитывает примерно 250 генов. Готовый внеклеточный продукт размножения вируса называется вирионом (или вирусной частицей). Нуклеиновая кислота, входящая в состав вариона, одета белковым капсидом, защищающим ее от ферментативного расщепления и механических повреждений. Именно капсид обеспечивает внедрение нуклеиновой кислоты в клетки чувствительной клетки-хозяина. У некоторых более сложно устроенных вирусов животных капсид окружен оболочкой, содержащей липид и гликопротеин.

Мы уже видели, что изучение вирусов оказало глубокое воздействие на развитие молекулярной биологии. В качестве примера можно привести открытие информационной РНК. Неослабевающий интерес исследователей к вирусам объясняется несколькими причинами. Во-первых, размножение вируса - модель развития клетки, так как оно сопровождается последовательным выражением генов и сборкой макромолекул в весьма упорядоченные структуры. Относительно небольшое число вирусных генов, высокая скорость репликации и легкость генетического анализа также делают вирусы весьма привлекательной моделью. Во- вторых, вирусы - источник представлений об эволюционных процессах и молекулярных аспектах взаимоотношений хозяин-паразит. В-третьих, некоторые вирусы вызывают у экспериментальных животных рак. Интенсивно изучается и возможная роль вирусов в раковых заболеваниях человека.

30.1 Оболочка мелких вирусов состоит из множества идентичных белковых субъединиц

Общее число аминокислот в оболочке вируса всегда превосходит число нуклеотидов в его геноме. Например, белковая оболочка одной частицы вируса табачной мозаики (ВТМ; рис. 30.2) содержит около 340000 аминокислотных остатков, а его РНК - всего 6400 нуклеотидов. В 1957 г. Френсис Крик и Джеймс Уотсон (Francis Crick, James Watson) обратили внимание на то, что белковая оболочка вируса не может состоять из одной большой молекулы или набора множества различных мелких белков, так как количество вирусной нуклеиновой кислоты слишком мало, чтобы кодировать такое огромное число аминокислотных остатков. С другой стороны, белковую оболочку нельзя уменьшить в размере, так как она должна закрывать всю нуклеиновую кислоту. Вирусы решают эту задачу генетической бедности, образуя оболочку из большого числа белковых субъединиц одного или нескольких видов. Например, оболочка ВТМ состоит из 2130 идентичных субъединиц (каждая длиной 158 остатков).

Таблица 30.1. Типы вирусов

Рис. 30.1. Электронная микрофотография вирионов Т4 в зараженных клетках

Рис. 30.2. Электронная микрофотография частицы вируса табачной мозаики (ВТМ)

Число способов построения вирусной оболочки из идентичных субъединиц весьма ограниченно. Стабильность достигается путем образования максимального числа связей и использования одинаковых контактов между субъединицами. Образующаяся структура должна быть симметричной. Наиболее вероятны два способа укладки белковой оболочки: цилиндрическая оболочка, обладающая спиральной симметрией, и сферическая оболочка, обладающая икосаэдрической симметрией (рис. 30.3). По существу, все мелкие вирусы представляют собой палочки или сферические частицы (или сочетание этих двух форм). Правила, определяющие структуру сферических вирусов, сформулировали Дональд Каспар и Арон Круг (Donald Caspar, Aaron Klug). Толчком для вдохновения им послужили архитектурные проекты Бакминстера Фуллера (Buckminster Fuller).

Рис. 30.3. Модель икосаэдра

30.2. Самосборка вируса табачной мозаики (ВТМ)

Самый простой и лучше всего изученный процесс сборки вируса - сборка ВТМ. Этот палочковидный вирус имеет длину 3000 А, диаметр 180 А (рис. 30.4) и массу примерно 40000 кДа. 2130 идентичных субъединиц белка оболочки плотно упакованы в спираль вокруг одноцепочечной РНК, содержащей 6390 нуклеотидов. РНК глубоко погружена в белок, что делает ее неуязвимой для рибонуклеаз. Каждая белковая субъединица взаимодействует с тремя нуклеотидами. Отделившись от белкового капсида, РНК весьма лабильна, тогда как интактный ВТМ сохраняет инфекционность десятилетиями.

Рис. 30.4. Модель части ВТМ, на которой показана спиральная укладка белковых субъединиц вокруг одноцепочечной молекулы РНК

Субъединицы ВТМ не связаны между собой ковалентно. Можно вызвать диссоциацию ВТМ на белок и РНК с помощью, например, концентрированной уксусной кислоты. В 1955 г. Хайнц Френкель-Конрат и Робли Уильяме (Heinz Fraenkel-Conrat, Robley Williams) показали, что в соответствующих условиях диссоциированные субъединицы оболочки и РНК ВТМ спонтанно реассоциируют и образуют вирусные частицы, неотличимые от исходного ВТМ по структуре и инфекционности. Это был первый пример самосборки активной биологической структуры. Процесс самосборки - это такой процесс, при котором в подходящих условиях среды происходит спонтанная ассоциация компонентов и образуется специфическая структура.