Вирусы. Кристаллы вирусов Вирусы кристаллизуются
Ученые спорили, являются ли вирусы живой материей или нет. То, что они были способны размножаться и передавать болезнь, безуслов-но, свидетельствовало в пользу принадлежности их к живой материи. Но в 1935 году У.М.Стэнли получил данные, свидетельствующие о том, что вирусы с большой степенью вероятности являются представителями неживой материи. Он размял как следует листья табака, пораженные вирусом табачной мозаики, и попробовал из полученного сока выделить вирус в чистом виде, пользуясь методами выделения белков. Результат превзошел все ожидания исследователя: он получил вирус в кристаллическом виде! Полученный им препарат вирусов был в виде таких же кристаллов, как и молекулы белка, при этом вирус был интактным, при его растворении в жидкости он так же вызывал развитие болезни, как и прежде.
За получение вирусов в кристаллическом виде Стэнли в 1946 го-ду был удостоен звания лауреата Нобелевской премии по химии (вместе с ним премию получили Самнер и Нортроп, которым уда-лось кристаллизовать ферменты).
Еще 20 лет после успешных экспериментов Стэнли все виру-сы, которые ученым удавалось кристаллизовать, принадлежали к группе достаточно простых растительных вирусов (тех, которые могли поражать только растения). Первый животный вирус был получен в кристаллическом виде только в 1955 году, это был ви-рус полиомиелита, а кристаллизовали его Карлтон Э. Швердт и Фредерик Л. Шаффер.
Тот факт, что вирусы могут существовать в виде кристаллов, казался многим, в том числе и Стэнли, доказательством того, что это обыкновенные белки, представители неживой материи. Ведь ничто живое не может быть кристаллизовано; жизнь и способ-ность к кристаллизации казались понятиями взаимоисключающи-ми. Жизнь-- это нечто подвижное, изменчивое, динамичное, а структура кристалла - жесткая, неизменная, строго организован-ная.
Только один факт не укладывался в гипотезу о неживой при-роде вирусов - они могли расти и размножаться даже после того, как побывали в кристаллическом состоянии. А способность к росту и размножению всегда считалась непременной характерис-тикой живого.
Ситуация начала проясняться после того, как два британских биохимика Фридерик Чарльз Боуден и Норман У. Пайри обна-ружили, что вирус табачной мозаики содержит рибонуклеиновую кислоту. Немного, разумеется, но содержит. Согласно проведен-ному ими анализу, исследуемый вирус на 94 процента состоял из белка и на 6 процентов из РНК. Это определенно был нуклеопротеид! Более того, все остальные известные вирусы также ока-зались нуклеопротеидами, содержащими РНК, или ДНК, или и ту и другую нуклеиновые кислоты.
Различие между существованием нуклеопротеида и существо-ванием просто белка практически и есть различие между живой и неживой материей. Оказывается, вирусы состояли из того же материала, что и гены. А гены - это истинная сущность жизни. Крупные вирусы были очень похожи на расплетенные хромосо-мы. Некоторые вирусы содержали 75 генов, каждый из которых контролировал определенную деталь структуры вируса: в каком месте он был вытянутым, в каком образовывал складку. Вызывая мутации в нуклеиновой кислоте, можно было получать повреж-денные гены и таким образом выяснять, какова функция конк-ретного гена и какова его локализация. Подобным способом мож-но было произвести полную расшифровку генов вируса, провести их структурный и функциональный анализ, и, безусловно, это был всего лишь первый небольшой шаг к расшифровке куда бо-лее сложного генного аппарата клеточных организмов.
Вирусы в клетке можно представить себе как десантников, высадившихся в нее, заблокировавших гены, контролирующие жизнедеятельность клетки, и заставивших химические процессы в клетке протекать в нужном им направлении. Такое грубое вме-шательство часто приводит к гибели клетки или гибели всего организма-хозяина. Иногда вирусы в клетке могут даже заменять ген или группу генов на свои собственные, придавая клетке но-вые свойства, которые она впоследствии будет передавать дочер-ним клеткам. Этот феномен получил название трансдукция.
Если наличие генов - это признак живого организма, то ви-русы - живая материя. Конечно, многое зависит от того, как мы будем определять понятие «жизнь». Я, например, склонен счи-тать живым любой нуклеопротеид, способный размножаться. Если рассматривать вирусы с такой точки зрения, то они такие же живые существа, как, например, слоны или люди.
Однако все факты существования вирусов были косвенными, а ни один косвенный факт не может сравниться с прямым дока-зательством. Вирусами занимались много, но
Как устроены вирусы?
Кристаллизация
В 1932 году молодому американскому биохимику Вендиллу Стэнли предложили заняться вирусами. Стэнли начал с того, что отжал бутыль сока из тонны листьев табака, пораженных вирусом табачной мозаики. Он начал исследовать сок доступными ему химическими методами. Разные фракции сока он подвергал воздействию всевозможных реактивов, надеясь получить чистый вирусный белок (Стэнли был убеждён, что вирус - это белок). Однажды, Стэнли получил почти чистую фракцию белка, отличавшегося по своему составу от белков растительных клеток. Учёный понял, что перед ним то, чего он так упорно добивался. Стэнли выделил необыкновенный белок, растворил его в воде и поставил раствор в холодильник. Наутро в колбе вместо прозрачной жидкости лежали красивые шелковистые игольчатые кристаллы. Из тонны листьев Стэнли добыл столовую ложку таких кристаллов. Затем Стэнли отсыпал немного кристалликов, растворил их в воде, смочил этой водой марлю и ею натёр листья здоровых растений. Сок растений подвергся целому комплексу химических воздействий. После такой "массированной обработки" вирусы, скорее всего, должны были погибнуть.
Натёртые листья заболели. Итак, странные свойства вируса пополнились ещё одним - способностью кристаллизироваться.
Эффект кристаллизации был настолько ошеломляющим, что Стенли надолго отказался от мысли, что вирус - это существо. Так как все ферменты - белки, и количество многих ферментов также увеличивается по мере развития организма, и они могут кристаллизироваться, Стэнли заключил, что вирусы - чистые белки, скорее ферменты.
Вскоре учёные убедились, что кристаллизировать можно не только вирус табачной мозаики, но и ряд других вирусов.
Спустя пять лет английские биохимики Ф. Боуден и Н. Пири нашли ошибку в определении Стенли.94% содержимого вируса табачной мозаики состояло из белка, а 6% представляло собой нуклеиновую кислоту. Вирус был на самом деле не белком, а нуклеопротеином - соединением белка и нуклеиновой кислоты.
Как только биологам стали доступны электронные микроскопы, учёные установили, что кристаллы вирусов состоят из тесно прижатых друг к другу нескольких сотен миллиардов частиц. В одном кристалле вируса полиомиелита столько частиц, что ими можно заразить не по одному разу всех жителей Земли. Когда же удалось рассмотреть в электронном микроскопе отдельные вирусные частицы, то оказалось что они бывают разной формы но всегда наружная оболочка вирусов состоит из белка, которые отличаются у разных вирусов, что позволяет распознавать их с помощью иммунологических реакций, а внутреннее содержимое представлено нуклеиновой кислотой, которая является единицей наследственности.
Составные части вирусов
Самые крупные вирусы (вирусы оспы) приближаются по размерам к небольшим бактериям, самые мелкие (возбудители энцефалита, полиомиелита, ящура) - к крупным белковым молекулам. Иными словами, среди вирусов есть свои великаны и карлики. (см. Приложение 3) Для измерения вирусов используют условную величину, называемую нанометром (нм). Один нм составляет миллионную долю миллиметра. Размеры разных вирусов варьируют от 20 до 300 нм.
Итак, вирусы состоят из нескольких компонентов: (см. Приложение 1)
сердцевина - генетический материал (ДНК или РНК). Генетический аппарат вируса несет информацию о нескольких типах белков, которые необходимы для образования нового вируса.
белковая оболочка, которую называют капсидом. Оболочка часто построена из идентичных повторяющихся субъединиц - капсомеров. Капсомеры образуют структуры с высокой степенью симметрии.
Дополнительная липопротеидная оболочка. Она образована из плазматической мембраны клетки-хозяина. Она встречается только у сравнительно больших вирусов (грипп, герпес). Эта наружная оболочка является фрагментом ядерной или цитоплазматической мембраны клетки-хозяина, из которой вирус выходит во внеклеточную среду. Иногда в наружных оболочках сложных вирусов помимо белков содержатся углеводы, например у возбудителей гриппа и герпеса.
Каждый компонент вирионов имеет определённые функции: белковая оболочка защищает их от неблагоприятных воздействий, нуклеиновая кислота отвечает за наследственные и инфекционные свойства и играет ведущую роль в изменчивости вирусов, а ферменты участвуют в их размножении.
Более сложные по структуре вирусы, кроме белков и нуклеиновых кислот, содержат углеводы, липиды. Для каждой группы вирусов характерен свой набор белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Некоторые вирусы содержат в своём составе ферменты.
В отличие от обычных живых клеток вирусы не употребляют пищи и не вырабатывают энергии. Они не способны размножаются без участия живой клетки. Вирус начинает размножаться лишь после того, как он проникнет в клетку определенного типа. Вирус полиомиелита, например, может жить только в нервных клетках человека или таких высокоорганизованных животных, как обезьяны. Бурдина К.С., Пархоменко И.М. «От молекулы до человека», стр. 26
Немного другое строение у вирусов бактерий (см. Приложение 2).
2.1 Кристаллизация
В 1932 году молодому американскому биохимику Вендиллу Стэнли предложили заняться вирусами. Стэнли начал с того, что отжал бутыль сока из тонны листьев табака, пораженных вирусом табачной мозаики. Он начал исследовать сок доступными ему химическими методами. Разные фракции сока он подвергал воздействию всевозможных реактивов, надеясь получить чистый вирусный белок (Стэнли был убеждён, что вирус - это белок). Однажды, Стэнли получил почти чистую фракцию белка, отличавшегося по своему составу от белков растительных клеток. Учёный понял, что перед ним то, чего он так упорно добивался. Стэнли выделил необыкновенный белок, растворил его в воде и поставил раствор в холодильник. Наутро в колбе вместо прозрачной жидкости лежали красивые шелковистые игольчатые кристаллы. Из тонны листьев Стэнли добыл столовую ложку таких кристаллов. Затем Стэнли отсыпал немного кристалликов, растворил их в воде, смочил этой водой марлю и ею натёр листья здоровых растений. Сок растений подвергся целому комплексу химических воздействий. После такой "массированной обработки" вирусы, скорее всего, должны были погибнуть.
Натёртые листья заболели. Итак, странные свойства вируса пополнились ещё одним - способностью кристаллизироваться.
Эффект кристаллизации был настолько ошеломляющим, что Стенли надолго отказался от мысли, что вирус - это существо. Так как все ферменты - белки, и количество многих ферментов также увеличивается по мере развития организма, и они могут кристаллизироваться, Стэнли заключил, что вирусы - чистые белки, скорее ферменты.
Вскоре учёные убедились, что кристаллизировать можно не только вирус табачной мозаики, но и ряд других вирусов.
Спустя пять лет английские биохимики Ф. Боуден и Н. Пири нашли ошибку в определении Стенли.94% содержимого вируса табачной мозаики состояло из белка, а 6% представляло собой нуклеиновую кислоту. Вирус был на самом деле не белком, а нуклеопротеином - соединением белка и нуклеиновой кислоты.
Как только биологам стали доступны электронные микроскопы, учёные установили, что кристаллы вирусов состоят из тесно прижатых друг к другу нескольких сотен миллиардов частиц. В одном кристалле вируса полиомиелита столько частиц, что ими можно заразить не по одному разу всех жителей Земли. Когда же удалось рассмотреть в электронном микроскопе отдельные вирусные частицы, то оказалось что они бывают разной формы но всегда наружная оболочка вирусов состоит из белка, которые отличаются у разных вирусов, что позволяет распознавать их с помощью иммунологических реакций, а внутреннее содержимое представлено нуклеиновой кислотой, которая является единицей наследственности.
Ученые из Южного федерального университета (ЮФУ) выяснили, что структуры некоторых вирусных оболочек напоминают структуры кристаллов. От устройства оболочки вируса зависит то, может ли он инфицировать клетку-хозяина, поэтому понимание особенностей структуры вирусных оболочек позволит ученым помешать процессу инфицирования. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликованы в журналах JPCM и Nanoscale .
«Очень важно исследовать и понимать особенности структуры вирусных оболочек. Вирусная оболочка содержит внутри геном, который с помощью этой оболочки проникнет в клетку-хозяина, если лекарственная терапия не нарушит какую-то из стадий этого процесса», - сообщил соавтор исследования и руководитель гранта РНФ, профессор кафедры нанотехнологий физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль.
Внешняя оболочка вируса состоит из белков и отличается различными размерами и формой. Чаще всего сферическая по форме внешняя оболочка обладает кубическим (икосаэдрическим) типом симметрии. В этом случае белки организуются в икосаэдр. Икосаэдр имеет 20 треугольных граней, 12 вершин и обладает осями симметрии второго, третьего и пятого порядка. Ось симметрии - один из элементов симметрии кристаллов - это воображаемая прямая, при повороте вокруг которой на один и тот же угол равные части геометрической фигуры совмещаются. Таким образом, при каждом повороте на 180°, 120°, 72° грани у кристалла могут совместиться два, три и пять раз. Небольшим вирусам для построения сферы с такой симметрией необходимо менее 60 белков, самособирающихся таким образом, что вирусная оболочка принимает структуру кристалла.
Коллаж, составленный из структур и моделей вирусных оболочек
Сергей Рошаль
Для анализа структуры сферических вирусных оболочек ученые используют развертку сфер (развернутую на плоскости поверхность геометрического тела). Исследователи рассмотрели крупные вирусные оболочки, содержащие более 60 белков не в рамках привычной развертки икосаэдра, а развертки додекаэдра (правильного многогранника, состоящего из 12 равносторонних пятиугольников). Как оказалось, закономерность расположения соседних белков в оболочках больших вирусов хорошо совместима с додекаэдрической разверткой. Белки вынуждены занимать такое положение, что вирусная оболочка принимает структуру квазикристалла. Квазикристаллы могут обладать симметрией не только 5, 3, 2 порядка (икосаэдрической), но и 10, 12, 14, 18, 20 порядка.
«Главный вывод заключается в том, что симметрия, ставшая в XX веке фундаментальным базисом для исследования неживой природы, оказывается чрезвычайно важной для понимания процессов самосборки вирусов, занимающих таинственную область между живой и неживой природой. Мы выяснили, что вирусные оболочки гораздо ближе к кристаллам и к квазикристаллам, чем это считалось ранее», - заключил Сергей Рошаль.
Результаты исследования помогут найти средства для антивирусной терапии еще на стадии сборки вируса.
Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@сайт.
II. Как устроены вирусы?
2.1 Кристаллизация
В 1932 году молодому американскому биохимику Вендиллу Стэнли предложили заняться вирусами. Стэнли начал с того, что отжал бутыль сока из тонны листьев табака, пораженных вирусом табачной мозаики. Он начал исследовать сок доступными ему химическими методами. Разные фракции сока он подвергал воздействию всевозможных реактиво
в, надеясь получить чистый вирусный белок (Стэнли был убеждён, что вирус - это белок). Однажды, Стэнли получил почти чистую фракцию белка, отличавшегося по своему составу от белков растительных клеток. Учёный понял, что перед ним то, чего он так упорно добивался. Стэнли выделил необыкновенный белок, растворил его в воде и поставил раствор в холодильник. Наутро в колбе вместо прозрачной жидкости лежали красивые шелковистые игольчатые кристаллы. Из тонны листьев Стэнли добыл столовую ложку таких кристаллов. Затем Стэнли отсыпал немного кристалликов, растворил их в воде, смочил этой водой марлю и ею натёр листья здоровых растений. Сок растений подвергся целому комплексу химических воздействий. После такой "массированной обработки" вирусы, скорее всего, должны были погибнуть.
Натёртые листья заболели. Итак, странные свойства вируса пополнились ещё одним – способностью кристаллизироваться.
Эффект кристаллизации был настолько ошеломляющим, что Стенли надолго отказался от мысли, что вирус - это существо. Так как все ферменты – белки, и количество многих ферментов также увеличивается по мере развития организма, и они могут кристаллизироваться, Стэнли заключил, что вирусы – чистые белки, скорее ферменты.
Вскоре учёные убедились, что кристаллизировать можно не только вирус табачной мозаики, но и ряд других вирусов.
Спустя пять лет английские биохимики Ф. Боуден и Н. Пири нашли ошибку в определении Стенли.94% содержимого вируса табачной мозаики состояло из белка, а 6% представляло собой нуклеиновую кислоту. Вирус был на самом деле не белком, а нуклеопротеином – соединением белка и нуклеиновой кислоты.
Как только биологам стали доступны электронные микроскопы, учёные установили, что кристаллы вирусов состоят из тесно прижатых друг к другу нескольких сотен миллиардов частиц. В одном кристалле вируса полиомиелита столько частиц, что ими можно заразить не по одному разу всех жителей Земли. Когда же удалось рассмотреть в электронном микроскопе отдельные вирусные частицы, то оказалось что они бывают разной формы но всегда наружная оболочка вирусов состоит из белка, которые отличаются у разных вирусов, что позволяет распознавать их с помощью иммунологических реакций, а внутреннее содержимое представлено нуклеиновой кислотой, которая является единицей наследственности.
2.2 Составные части вирусов
Самые крупные вирусы (вирусы оспы) приближаются по размерам к небольшим бактериям, самые мелкие (возбудители энцефалита, полиомиелита, ящура) - к крупным белковым молекулам. Иными словами, среди вирусов есть свои великаны и карлики. (см. Приложение 3) Для измерения вирусов используют условную величину, называемую нанометром (нм). Один нм составляет миллионную долю миллиметра. Размеры разных вирусов варьируют от 20 до 300 нм.
Итак, вирусы состоят из нескольких компонентов: (см. Приложение 1)
сердцевина - генетический материал (ДНК или РНК). Генетический аппарат вируса несет информацию о нескольких типах белков, которые необходимы для образования нового вируса.
белковая оболочка, которую называют капсидом. Оболочка часто построена из идентичных повторяющихся субъединиц - капсомеров. Капсомеры образуют структуры с высокой степенью симметрии.
Дополнительная липопротеидная оболочка. Она образована из плазматической мембраны клетки-хозяина. Она встречается только у сравнительно больших вирусов (грипп, герпес). Эта наружная оболочка является фрагментом ядерной или цитоплазматической мембраны клетки-хозяина, из которой вирус выходит во внеклеточную среду. Иногда в наружных оболочках сложных вирусов помимо белков содержатся углеводы, например у возбудителей гриппа и герпеса.
Каждый компонент вирионов имеет определённые функции: белковая оболочка защищает их от неблагоприятных воздействий, нуклеиновая кислота отвечает за наследственные и инфекционные свойства и играет ведущую роль в изменчивости вирусов, а ферменты участвуют в их размножении.
Более сложные по структуре вирусы, кроме белков и нуклеиновых кислот, содержат углеводы, липиды. Для каждой группы вирусов характерен свой набор белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Некоторые вирусы содержат в своём составе ферменты.
В отличие от обычных живых клеток вирусы не употребляют пищи и не вырабатывают энергии. Они не способны размножаются без участия живой клетки. Вирус начинает размножаться лишь после того, как он проникнет в клетку определенного типа. Вирус полиомиелита, например, может жить только в нервных клетках человека или таких высокоорганизованных животных, как обезьяны.
Немного другое строение у вирусов бактерий (см. Приложение 2).
III. Взаимодействие вируса с клеткой
Вирусы вне клетки представляют собой кристаллы, но при попадании в клетку “оживают”. Их размножение происходит особым, ни с чем не сравнимым способом. Сначала вирионы проникают внутрь клетки, и освобождаются вирусные нуклеиновые кислоты. Затем "заготавливаются" детали будущих вирионов. Размножение заканчивается сборкой новых вирионов и выходом их в окружающую среду. (см. Приложение 4)
Встреча вирусов с клетками начинается с его адсорбции, то есть прикрепления к клеточной стенке. Затем начинается внедрение или проникновение вириона в клетку, которое осуществляет она сама. Однако, как правило, проникновению вируса в цитоплазму клетки предшествует связывание его с особым белком-рецептором, находящимся на клеточной поверхности. Связывание с рецептором осуществляется благодаря наличию специальных белков на поверхности вирусной частицы, которые "узнают" соответствующий рецептор на поверхности чувствительной клетки. На одной клетке могут адсорбироваться десятки, и даже сотни вирионов. Участок поверхности клетки, к которому присоединился вирус, погружается в цитоплазму и превращается в вакуоль. Вакуоль, стенка которой состоит из цитоплазматической мембраны, может сливаться с другими вакуолями или с ядром. Так вирус доставляется в любой участок клетки. Этот процесс называется виропексисом.
