4. Синтез вирусных белков

В основе этого синтеза лежит тот же механизм, что и при синтезе белка в нормальных клетках. У РНК-содержащих пикорнавирусов функцию иРНК выполняют плюс-нити. У них односпиральная вирионная РНК транслируется с образованием одного гигантского полипептида, который затем расщепляется на отдельные функциональные белки. В синтезе полновирусного белка выражена постоянная во времени трансляция всех генов вирусной РНК. У орто-, рабдо- и парамиксовнрусов вирионная односпиральная РНК не транслируется, а транслируется комплементарная ей плюс-нить, поэтому синтез вирусных специфических белков начинается после образования вирусной иРНК (плюс-нити), которая комплементарна вирионной РНК-Минус-нити синтезируются на плюс-нити вирионной РНК-зависимой полимеразой (РНК-транскриптазой), находящейся в составе вириона в качестве структурного компонента. Синтезирующиеся вирионной полимеразой иРНК являются моноцистронными и значительно короче вирионной РНК. В процессе вирусной инфекции происходят распад клеточных полисом и образование вирусспецифических полисом.

Синтез вирусспецифического белка зависит от синтеза вирусной иРНК, но и влияет на него: если синтез белка нарушен, происходит затоваривание вновь образующейся иРНК в местах ее синтеза и тормозится дальнейший ее синтез.

Вирусные белки в процессе инфекции синтезируются в избыточном количестве, чем требуется для образования инфекционного вируса. Например, в клетках, инфицированных вирусами герпеса, в вирусное потомство включается только около 35% от общей массы вирусспецифических белков, синтезированных в клетках.

У большинства вирусов синтез белков осуществляется в цитоплазме; относительно ядерной локализации синтеза белков некоторых вирусов существует сомнение. Известно, что вирусные белки могут синтезироваться в одних структурах, а накапливаться-- в других. Механизмы, ответственные за миграцию вирусных белков в ядро, не выяснены. Известно лишь, что отсутствие аргинина в среде приводит к подавлению миграции структурных белков вируса герпеса от места их синтеза (цитоплазмы) к месту сборки вирионов (ядру), хотя синтез ДНК и белка вируса не нарушен.

На разных стадиях инфекционного цикла могут преимущественно образовываться то одни, то другие группы вирусспецифических белков. Скорость их регулируется либо на уровне транскрипции (с образованием иРНК), либо на уровне трансляции (считывание иРНК на рибосомах).

В зараженной клетке непропорционально накапливаются иРНК с разных вирусных генов. Механизм этой непропорциональности заложен в самой вирусной частице. Этот же механизм определяет разную эффективность образования различ- ых белков. Стандартная вирусная частица содержит одну молекулу РНК и до 10 тыс. молекул белков. Помимо структур-ных белков, в зараженной клетке могут синтезироваться и не-структурные (но кодируемые вирусной РНК) белки. Наряду с синтезом белков в клетке при репродукции вируса гриппа происходит синтез и углеводных цепей, входящих в состав гликопротеидов. Присоединение углеводов осуществляется с помощью трансфераз, которые являются клеточными ферментами. Синтез липидов также осуществляется клеткой. Вирусная оболочка формируется при включении липидов из плазматической мембраны клетки-хозяина. Синтез вирусных нуклеиновых кислот и вирусспецифических белков происходит почти одновременно и не менее чем на 1 ч опережает созревание вирусных частиц.

G-белки и их функция

Все эти белки сильно связывают ГТФ и превращают его в ГДФ, при этом происходит переход белка из активированного в неактивное состояние. Свойства ГТФ-связывающих белков...

Белки. Свойства. Синтез

Биосинтез белка происходит в результате трансляции в субклеточных частицах - рибосомах, представляющих собой сложный рибонуклеиновый комплекс...

Перед тем, как перейти непосредственно к вирусным инфекциям живых организмов, необходимо сказать о способах передачи инфекций. Существует несколько способов передачи вирусных инфекций. Воздушно-капельный путь (капельная инфекция)...

Вирусные заболевания живых организмов

В зависимости от длительности пребывания вируса в клетке и характера изменения её функционирования различают три типа вирусной инфекции. Петровский Б.В. «Популярная медицинская энциклопедия», стр...

Вирусные и вироидные болезни картофеля

К числу инфекционных болезней картофеля относится большая группа поражений, проявляющихся в виде разнообразных мозаик, деформаций, хлороза, угнетения роста, отмирания отдельных частей растений или участков тканей...

Вредители леса

Естествознание на молекулярном уровне

Органический синтез имеет важнейшее практическое значение. На протяжении ХХ в. было синтезировано огромное количество веществ, которые до этого человечество находило лишь в природном состоянии - различные лекарства, витамины, удобрения...

Зависимость уровня тиреотропного и тиреоидных гормонов от заболеваний щитовидной железы

Для нормального синтеза тиреоидных гормонов необходим адекватный захват йода, так как тиреоидные гормоны являются единственными соединениями организма, содержащими йод в своей структуре . Йод, открытый почти 200 лет назад...

Если для какого-либо соединения известен путь биосинтеза и доступны вещества-предшественники, то его выход можно существенно увеличить, добавляя эти предшественники в питательную среду. Путь биосинтеза изомеров аймалицина в клетках С...

Иммобилизованные растительные клетки

При синтезе de novo сложных органических веществ из простых органических соединений с помощью культивируемых растительных клеток используется большая часть путей клеточного метаболизма. Поэтому синтез de novo осуществим только в том случае...

Физико-химические свойства белков и их определение

Синтез. Осуществление белкового синтеза химическим путем привлекало внимание многих исследователей. Метод твердофазного синтеза, разработанный Б. Меррифилдом, дал возможность получать достаточно большие полипептиды...

Фитогормоны

Ауксины - (от греч. auxano -- расту), группа фитогормонов. Активируют метаболизм, необходимы для роста и развития растений, дифференциации органов, ориентации по отношению к свету и силе тяжести. По химической природе -- производные индола...

Фитогормоны

Цитокинины - группа фитогормонов, производные азотистого основания пурина, необходимые для деления клеток, роста и дифференцировки растений. Природные цитокинины -- зеатин (6-(4-окси-3-метил-2-бутенил)аминопурин), изопентениладенин, дигидрозеатин...

Фитогормоны

Этилен - бесцветный газ, в больших количествах (до 20%) содержится в газах нефтепереработки; входит в состав коксового газа. Один из основных продуктов нефтехимической промышленности: применяется для синтеза винилхлорида, этиленоксида...

25 ноября 2012 г.: Вирусы иногда довольно трудно обнаружить. Вирусы РНК особенно адаптированы к противовирусным препаратам, так как они воспроизводят самих себя не с абсолютной точностью. В каждом геноме присутствует как минимум одна ошибка, вирусные геномы – это движущаяся мишень для противовирусных препаратов, так как мутируя при размножении они становятся устойчивей. Например, при борьбе с ВИЧ, чтобы загнать вирус в угол и там его блокировать используют сочетание различных лекарств.

Рибосома традиционно рассматривалась как молекулярная машина клетки, автоматически двигающаяся с пыхтением вперед, синтезируя белки для обеспечения жизнедеятельности клетки. Но Эмми Ли, бывший аспирант в программе вирусологии, и Шон Уэлан, преподаватель микробиологии и иммунологии, обнаружили, что рибосома, предположительно, играет более активную роль, регулируя размножение вирусов.

Американские исследователи изучали различия между тем, как вирусы и клетки - хозяева, которые они заражают, выполняют процесс передачи матричных (информационных) РНК в белки. Сосредотачиваясь на компонентах белка, найденных на поверхности рибосомы, они обнаружили белок, от которого зависит жизнедеятельность вирусов, но при этом подавляющее большинство клеточных матричных РНК в нём не нуждаются.

Рибосомный белок, обозначаемый rpL40, мог представлять цель для потенциального лечения; его блокирование уничтожило бы определенные вирусы, оставляя нормальные элементы в целом незатронутыми.

«Поскольку определенные вирусы очень чувствительны к наличию или отсутствию рибосомных белков, может быть полезным для нас подумать о нацеливании на рибосомы противовирусного терапевтического воздействия», - сказал Уэлан. «Самое время в связи с этим подумать о борьбе с вирусной инфекцией бешенства, против которой не существует никакой терапии».

Группа исследователей продемонстрировала на экране элементы белка рибосомы, чтобы видеть, которые из них могли бы участвовать в специализированном синтезе. Изучая везикулярный вирус стоматита, рабдовирус из той же самой семьи, что и вирус бешенства, ученые обнаружили, что его матричные (информационные) РНК зависели от рибосомного белка L40, но только 7 процентов матричных РНК хозяйских клеток его производили. Некоторые клеточные матричные РНК, которые зависят от рибосомного белка L40, были генами, реагирующими на стрессовые условия.

Эксперименты на дрожжах и клетках человека показали, что класс вирусов, включая бешенство и корь, также зависел от воспроизведения рибосомного белка L40.

«Эта работа показывает, что рибосома является не просто молекулярной машиной-автоматом, но и действует как трансляционный регулятор», - сказала первый автор Эмми Ли, которая является на данный момент постдокторальным исследователем в Калифорнийском университете в Беркли.

Концепция фокусировки на клеточных функциях, таких как синтез белка для противовирусных методов лечения, исследуется многими учеными, но не существует лекарств, созданных по этому принципу.

"Мы думаем, что все намного сложнее, чем просто этот единственный белок», - сказал Уэлан. "Вирусы обладают необъяснимой особенностью преподавать нам каждый раз новую биологию».

Вирусы

Вирусы состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белков, образующих оболочку вокруг этой нуклеиновой кислоты, т.е. представляют собой нуклеопротеидный комплекс. В состав некоторых вирусов входят липиды и углеводы. Вирусы содержат всегда один тип нуклеиновой кислоты - либо ДНК, либо РНК. Причем каждая из нуклеиновых кислот может быть как одноцепочечной, так и двухцепочечной, как линейной, так и кольцевой.

Размеры вирусов - 10–300 нм. Форма вирусов: шаровидная, палочковидная, нитевидная, цилиндрическая и др.

Капсид - оболочка вируса, образована белковыми субъединицами, уложенными определенным образом. Капсид защищает нуклеиновую кислоту вируса от различных воздействий, обеспечивает осаждение вируса на поверхности клетки-хозяина. Суперкапсид характерен для сложноорганизованных вирусов (ВИЧ, вирусы гриппа, герпеса). Возникает во время выхода вируса из клетки-хозяина и представляет собой модифицированный участок ядерной или наружной цитоплазматической мембраны клетки-хозяина.

Если вирус находится внутри клетки-хозяина, то он существует в форме нуклеиновой кислоты. Если вирус находится вне клетки-хозяина, то он представляет собой нуклеопротеидный комплекс, и эта свободная форма существования называется вирионом. Вирусы обладают высокой специфичностью, т.е. они могут использовать для своей жизнедеятельности строго определенный круг хозяев.

В цикле репродукции вируса можно выделить следующие стадии.

Осаждение на поверхности клетки-хозяина.

Проникновение вируса в клетку-хозяина (могут попасть в клетку-хозяина путем: а) «инъекции», б) растворения оболочки клетки вирусными ферментами, в) эндоцитоза; попав внутрь клетки вирус переводит ее белок-синтезирующий аппарат под собственный контроль).

Встраивание вирусной ДНК в ДНК клетки-хозяина (у РНК-содержащих вирусов перед этим происходит обратная транскрипция - синтез ДНК на матрице РНК).

Транскрипция вирусной РНК.

Синтез вирусных нуклеиновых кислот.

Самосборка и выход из клетки дочерних вирусов. Затем клетка либо погибает, либо продолжает существовать и производить новые поколения вирусных частиц.

Вирус иммунодефицита человека поражает главным образом CD4-лимфоциты (хелперы), на поверхности которых есть рецепторы, способные связываться с поверхностным белком ВИЧ. Кроме того, ВИЧ проникает в клетки ЦНС, нейроглии, кишечника. Иммунная система организма человека утрачивает свои защитные свойства и оказывается не в состоянии противостоять возбудителям различных инфекций. Средняя продолжительность жизни инфицированного человека составляет 7–10 лет.

Источником заражения служит только человек - носитель вируса иммунодефицита. СПИД передается половым путем, через кровь и ткани, содержащие вирус иммунодефицита, от матери к плоду.

Цитология

Цитология - наука о клетке. Изучает строение и функции клеток одноклеточных и многоклеточных организмов. Клетка является элементарной единицей строения, функционирования, роста и развития всех живых существ. Поэтому процессы и закономерности, характерные для цитологии, лежат в основе процессов, изучаемых многими другими науками (анатомия, генетика, эмбриология, биохимия и др.).

Вирусы содержат лишь один вид нуклеиновых кислот – ДНК или РНК. Вирусная ДНК может быть одно- или двухцепочечной и иметь линейную или кольцевую форму. Вирусные нуклеиновые кислоты кодируют специфические для вирусов белки и ферменты, необходимые для репликации вируса в клетке хозяина.

Репликация ДНК-содержащих вирусов идет по общему для всех ДНК полуконсервативному механизму. На матрице вирусной ДНК сначала синтезируется мРНК, а дальше идет образование вирусных белков. Этот процесс полностью обеспечивается метаболическим аппаратом клетки-хозяина.

Репликация РНК-содержащих вирусов происходит двумя путями.

Первый идет при участии РНК-зависимой РНК-полимеразы (РНК-синтазы или РНК- репликазы). Он присущ вирусам гриппа, кори. Различают вирусы:

• содержащие (+) - РНК цепь (плюс-цепь), которая служит как мРНК, так и геномом, и вирусы,
• содержащие (-) РНК цепь (минус-цепь), которая служит лишь геномом.

Существуют также вирусы, которые содержат двухцепочечную РНК.

1. (+)-РНК цепь вируса может непосредственно использоваться в трансляции в качестве мРНК. Поэтому, когда в клетку попадает (+) -РНК вирус (вирус полимиолиту, гепатита А), его РНК связывается с рибосомами клетки и транслируется в белковую цепь. Эта цепь разрывается протеазой вирусной частицы на 7 белков, один из - РНК-синтаза. После появления РНК-синтазы начинается репликация вирусной РНК. На первом этапе на (+) -цепи как на матрице образуется (-) цепь РНК, а на втором этапе (-) -цепь служит матрицей для синтеза (+) цепей РНК, идентичных вирусной.
2. Рабдовирусы (вирусы бешенства, Эбола, Марбурга) и парамиксовирусы (вирусы парагриппа, кори, паротита) имеют (-) -цепь РНК, которая не может прямо транслироваться в белок. Вместо трансляции эта (-) -РНК используется как матрица для транскрипции (+) -РНК. Транскрипция осуществляется РНК- синтазой, которая присутствует в вирусной частице. Синтезированная вирусная (+) -РНК дальше используется как матрица для рибосомального синтеза вирусных белков и как матрица для синтеза (репликации) (-) -цепи РНК идентичной вирусной.
3. (+-)-РНК (двухцепочечную РНК) имеют реовирусы, вызывающие респираторные инфекции. Принцип репродукции этих вирусов такой же как репликация двуцепочечной ДНК, но вместо ДНК-полимеразы функционирует РНК- полимераза (РНК-синтаза).

Второй путь идет при участии обратной транскриптазы (РНК-зависимой ДНК-полимеразы, ревертазы). Он присущ ретровирусам (вирус иммунодефицита) и части онкогенных вирусов. Фермент катализирует последовательно три процесса:

• синтез (-) цепи ДНК на матрице вирусной (+) -РНК;
• разрушение вирусной РНК в составе образованного гибрида РНК-ДНК;
• синтез (+) –цепи ДНК на (-) -цепь ДНК с образованием двухцепочечной ДНК.

Эта ДНК из цитоплазмы проникает в ядро, интегрируется в геном хозяина и служит матрицей для синтеза вирусных РНК при участии РНК-полимеразной системы клетки-хозяина. Образованные вирусные РНК выходят в цитоплазму, где инициируют трансляцию вирусных белков. Из этих белков и РНК собираются вирусные частицы, которые способны инфицировать новые клетки.

Есть данные, что в разных тканях или на разных поверхностях эпителиальных клеток механизмы адсорбции вирусов и их проникновения в клетку неодинаковы.

4. Синтез вирусных белков

В основе этого синтеза лежит тот же механизм, что и при синтезе белка в нормальных клетках. У РНК-содержащих пикорнавирусов функцию иРНК выполняют плюс-нити. У них односпиральная вирионная РНК транслируется с образованием одного гигантского полипептида, который затем расщепляется на отдельные функциональные белки. В синтезе полновирусного белка выражена постоянная во времени трансляция всех генов вирусной РНК. У орто-, рабдо- и парамиксовнрусов вирионная односпиральная РНК не транслируется, а транслируется комплементарная ей плюс-нить, поэтому синтез вирусных специфических белков начинается после образования вирусной иРНК (плюс-нити), которая комплементарна вирионной РНК-Минус-нити синтезируются на плюс-нити вирионной РНК-зависимой полимеразой (РНК-транскриптазой), находящейся в составе вириона в качестве структурного компонента. Синтезирующиеся вирионной полимеразой иРНК являются моноцистронными и значительно короче вирионной РНК. В процессе вирусной инфекции происходят распад клеточных полисом и образование вирусспецифических полисом.

Синтез вирусспецифического белка зависит от синтеза вирусной иРНК, но и влияет на него: если синтез белка нарушен, происходит затоваривание вновь образующейся иРНК в местах ее синтеза и тормозится дальнейший ее синтез.

Вирусные белки в процессе инфекции синтезируются в избыточном количестве, чем требуется для образования инфекционного вируса. Например, в клетках, инфицированных вирусами герпеса, в вирусное потомство включается только около 35% от общей массы вирусспецифических белков, синтезированных в клетках.

У большинства вирусов синтез белков осуществляется в цитоплазме; относительно ядерной локализации синтеза белков некоторых вирусов существует сомнение. Известно, что вирусные белки могут синтезироваться в одних структурах, а накапливаться- в других. Механизмы, ответственные за миграцию вирусных белков в ядро, не выяснены. Известно лишь, что отсутствие аргинина в среде приводит к подавлению миграции структурных белков вируса герпеса от места их синтеза (цитоплазмы) к месту сборки вирионов (ядру), хотя синтез ДНК и белка вируса не нарушен.

На разных стадиях инфекционного цикла могут преимущественно образовываться то одни, то другие группы вирусспецифических белков. Скорость их регулируется либо на уровне транскрипции (с образованием иРНК), либо на уровне трансляции (считывание иРНК на рибосомах).

В зараженной клетке непропорционально накапливаются иРНК с разных вирусных генов. Механизм этой непропорциональности заложен в самой вирусной частице. Этот же механизм определяет разную эффективность образования различ- ых белков. Стандартная вирусная частица содержит одну молекулу РНК и до 10 тыс. молекул белков. Помимо структур-ных белков, в зараженной клетке могут синтезироваться и не-структурные (но кодируемые вирусной РНК) белки. Наряду с синтезом белков в клетке при репродукции вируса гриппа происходит синтез и углеводных цепей, входящих в состав гликопротеидов. Присоединение углеводов осуществляется с помощью трансфераз, которые являются клеточными ферментами. Синтез липидов также осуществляется клеткой. Вирусная оболочка формируется при включении липидов из плазматической мембраны клетки-хозяина. Синтез вирусных нуклеиновых кислот и вирусспецифических белков происходит почти одновременно и не менее чем на 1 ч опережает созревание вирусных частиц.

5. Сборка вирионов и выход их из клетки

Синтез компонентов вирусных частиц в клетке разобщен и может протекать в разных структурах ядра и цитоплазмы. Вирусы, репликация которых проходит в ядрах, условно называют ядерными. В основном это ДНК-содержащие вирусы: адено-, папова-, парвовирусы, вирусы герпеса. Вирусы, реплицирующиеся в цитоплазме, называют цитоплазмэтическими. К ним относятся из ДНК-содержащих вирус оспы и большинство РНК-содержащих вирусов, за исключением ортомиксо- и ретровирусов. Однако это разделение весьма относительно, потому что в репродукции тех и других вирусов есть стадии, протекающие соответственно в цитоплазме и ядре.

Внутри ядра и цитоплазмы синтез вирусспецифических молекул также может быть разобщен. Так, например, синтез одних белков осуществляется на свободных полисомах, а других-на полисомах, связанных с мембранами. Вирусные нуклеиновые кислоты синтезируются в ассоциации с клеточными структурами вдали от полисом, которые синтезируют вирусные белки. При таком дизъюнктивном способе репродукции образование вирусной частицы возможно лишь в том случае, если вирусные нуклеиновые кислоты и белки обладают способностью при достаточной концентрации узнавать друг друга в многообразии клеточных белков и нуклеиновых кислот и самопроизвольно соединяться друг с другом, т. е. способны к самосборке.

В основе самосборки лежит специфическое белок-нуклеиновое и белок-белковое узнавание, которое может происходить в результате гидрофобных ионных и водородных связей, а также стерического соответствия. Белок-нуклеиновое узнавание ограничено небольшим участком молекулы нуклеиновой кислоты и определяется уникальными последовательностями нуклеотидов в некодирующей части вирусного генома. С этого узнавания участка генома вирусными капсидными белками начинается процесс сборки вирусной частицы. Присоединение остальных белковых молекул осуществляется за счет специфических белок-белковых взаимодействий или неспецифических белок-нуклеиновых взаимодействий.

Объединение белка с вирусными нуклеиновыми кислотами в клетке происходит спонтанно как чисто физико-химическая реакция агрегации, требующая участия дополнительных факторов (рН, ионной силы, ионов металлов, осмоса и т.п.). После того как концентрация вирусных РНК и белка достигает критического уровня; у сложно устроенных вирусов принципы самосборки обеспечивает от начала до конца морфогенез вирионов.

Для того чтобы представить этап созревания дочерних вирусных частиц у парамиксовирусов, необходимо выяснить, каким образом молекула 50S РНК, около 10 тыс. молекул белков, липидов и сахара собираются в зараженной клетке и образуют морфологически и биологически полноценную частицу. Созревание можно разделить на три этапа: 1) образование внутриклеточных нуклеокапсидов; 2) организация вирусной мембраны; 3) выход зрелой вирусной частицы из клетки с помощью так называемого почкования.

Образование нуклеокапсидов . Быстрое включение 50S РНК в капсид обусловлено сравнительно быстрым и в избытке накоплением в. зараженной клетке структурных белков нуклеокапсидов. Формирование (ассемблирование) вирионов происходит путем самосборки, которая обусловлена «узнаванием» РНК белками. Полагают, что узнающим белком является белок Р, поскольку он наиболее жестко связан с РНК в вирусных частицах. Считают, что узнаваемый участок РНК локализуется на 5"-конце молекулы. Нуклеокапсиды накапливаются в цитоплазме зараженных клеток, причем скорость образования внутриклеточных нуклеокапсидов гораздо выше, чем скорость образования вируса. Образование внутриклеточных нуклеокапсидов сопряжено во времени с биосинтезом 50S РНК.