Вирусы и вирусные инфекции: от строения до ВИЧ

Вирусы: общая характеристика и природа неклеточных агентов

Долгое время природа многих тяжелых заболеваний оставалась для человечества загадкой. Ученые находили бактерии, грибки и простейших, но некоторые инфекции упорно не поддавались изучению — их возбудители были настолько малы, что проходили через самые тонкие фильтры и оставались невидимыми в обычные световые микроскопы. Ситуация изменилась в 1892 году, когда русский биолог Дмитрий Иосифович Ивановский исследовал мозаичную болезнь табака. Он доказал, что сок больного растения остается заразным даже после пропускания через специальный керамический фильтр, задерживающий любые известные на тот момент клетки. Так были открыты вирусы.

> Вирусы никогда не исчезают, они только прячутся. > > Ричард Престон

Слово вирус происходит от латинского virus, что в переводе означает «яд». Сегодня науке известно, что вирусы — это неклеточные инфекционные агенты, которые занимают пограничное положение между живой и неживой природой. Вне клетки-хозяина они представляют собой просто сложные химические комплексы, не проявляющие никаких признаков жизни.

Уникальные свойства вирусов

Чтобы понять, почему вирусы выделяют в отдельное царство (а иногда и империю) Virae, необходимо рассмотреть их фундаментальные отличия как от неживой материи, так и от полноценных клеточных организмов.

От неживой природы вирусы отличает способность к размножению (репродукции), а также наличие наследственности и изменчивости. Они эволюционируют, приспосабливаются к новым условиям и мутируют. Однако их отличия от привычных нам клеток гораздо более внушительны:

* Отсутствие клеточного строения. У вирусов нет цитоплазмы, мембранных органоидов или рибосом для синтеза белка. * Облигатный внутриклеточный паразитизм. Вирусы могут размножаться только внутри живых клеток других организмов (бактерий, растений, животных и человека). * Отсутствие собственного метаболизма. Они не питаются, не дышат и не вырабатывают энергию. * Наличие только одного типа нуклеиновой кислоты. В отличие от клеток, которые содержат и ДНК, и РНК одновременно, вирус несет в себе либо только ДНК, либо только РНК. * Особый способ размножения. Вирусы не делятся пополам, как бактерии. Они собираются из отдельных деталей (белков и нуклеиновых кислот), которые синтезирует зараженная клетка по вирусной генетической инструкции.

Для лучшего понимания можно использовать аналогию из мира технологий. Вирус похож на флеш-накопитель с вредоносным программным кодом. Сама по себе флешка не может ничего сделать: она не потребляет электричество и не выполняет вычисления. Но как только ее вставляют в компьютер (живую клетку), код активируется, заставляет систему копировать самого себя и рассылать на другие устройства, что в итоге приводит к поломке компьютера.

Строение вирусной частицы

Полноценная, сформированная вирусная частица, находящаяся вне клетки, называется вирионом. Несмотря на огромное разнообразие, все вирусы имеют общий принцип строения, который подчиняется строгой геометрической симметрии.

Основой любого вируса является его генетический аппарат — молекула ДНК или РНК. Чтобы защитить эту хрупкую инструкцию от разрушения во внешней среде, она упакована в прочную белковую оболочку, которая называется капсид. Капсид состоит из множества одинаковых белковых субъединиц — капсомеров.

Вирусы, состоящие только из нуклеиновой кислоты и капсида, называются простыми. Примером простого вируса является вирус табачной мозаики или аденовирус.

Однако существуют и сложные вирусы. Поверх капсида они имеют дополнительную оболочку — суперкапсид. Эта оболочка состоит из липидов (жиров) и специфических вирусных белков (гликопротеинов). Интересно, что липидную часть суперкапсида вирус «крадет» у клетки-хозяина в момент выхода из нее. К сложным вирусам относятся вирусы гриппа, герпеса, коронавирусы и вирус иммунодефицита человека.

Сравнение вирусов и клеточных организмов

| Характеристика | Вирусы | Бактерии (Прокариоты) | Животные клетки (Эукариоты) | | :--- | :--- | :--- | :--- | | Размер | нм | нм | нм | | Нуклеиновые кислоты | Только ДНК или только РНК | ДНК и РНК | ДНК и РНК | | Собственный обмен веществ | Нет | Есть | Есть | | Размножение | Самосборка внутри клетки | Деление клетки надвое | Митоз / Мейоз | | Чувствительность к антибиотикам | Нет | Да | Нет |

Размеры вирусов поражают воображение. Они измеряются в нанометрах (нм). Большинство вирусов имеют диаметр от до нм.

Представим эти масштабы в виде конкретного примера с числами. Если мы увеличим обычную клетку человека до размеров крупного футбольного стадиона (около метров в поперечнике), то бактерия рядом с ней будет размером с легковой автомобиль (около метров). В этой же системе координат типичный вирус, такой как вирус гриппа, будет размером всего лишь с футбольный мяч (около сантиметров).

Визуализация: как выглядят вирусы

Поскольку вирусы меньше длины световой волны, их невозможно увидеть в обычный микроскоп. Их форму изучают с помощью электронных микроскопов, которые создают черно-белые изображения, часто раскрашиваемые учеными позже для наглядности. Форма капсида определяет внешний вид вируса:

Спиральная симметрия. Капсомеры укладываются по спирали вокруг нуклеиновой кислоты, образуя полую трубку. Визуально такие вирусы похожи на длинные палочки или нити (вирус табачной мозаики, вирус Эбола).

Икосаэдрическая (кубическая) симметрия. Капсид имеет форму икосаэдра — правильного многогранника с 20 треугольными гранями. Внешне они напоминают идеальные микроскопические кристаллы или граненые сферы (аденовирусы, вирусы полиомиелита).

Сложная симметрия. Характерна для бактериофагов — вирусов, поражающих бактерии. Они выглядят как инопланетные корабли: имеют икосаэдрическую головку (где хранится ДНК), полый стержень и хвостовые нити, похожие на паучьи лапки, с помощью которых они «садятся» на бактерию.

Заболевания, вызываемые вирусами, и проблема ВИЧ

Вирусы являются причиной огромного количества заболеваний. Они строго специфичны: каждый вирус способен заражать только определенные типы клеток. Например, вирус гепатита поражает клетки печени, вирус бешенства — нервные клетки, а вирус гриппа — клетки эпителия дыхательных путей.

Особое место в вирусологии и медицине занимает ВИЧ — вирус иммунодефицита человека. Это сложный РНК-содержащий вирус, относящийся к семейству ретровирусов (Retroviridae).

Коварство ВИЧ заключается в его мишени. Он специфически связывается с рецепторами на поверхности Т-лимфоцитов (хелперов) — главных клеток нашей иммунной системы, которые в норме должны защищать организм от инфекций. Проникнув в Т-лимфоцит, ВИЧ использует особый фермент — обратную транскриптазу. Этот фермент переписывает вирусную РНК в вирусную ДНК, которая затем встраивается прямо в хромосомы человека.

С этого момента клетка становится фабрикой по производству новых вирионов ВИЧ. В течение суток одна зараженная клетка может произвести от до новых вирусных частиц. В конечном итоге истощенный Т-лимфоцит погибает, а новые вирусы отправляются заражать следующие клетки. Постепенное снижение количества Т-лимфоцитов приводит к развитию СПИДа (синдрома приобретенного иммунодефицита), при котором организм становится беззащитным перед любыми, даже самыми безобидными микробами.

Изучение строения вирусов — это не просто фундаментальная наука. Знание того, из каких белков состоит капсид или суперкапсид, позволяет ученым создавать эффективные вакцины и противовирусные препараты, блокирующие конкретные этапы сборки вируса в клетке.