Вирус – устройство и размножаване. Видове вируси.

Вирус е неклетъчна форма на живот, която се размножава единствено в живи клетки – гостоприемници на различни видове организми. Вирусите инвазират както хора и животни, така и растения и прокариоти, като „превземат” клетките им и използват техните органели, за да произвеждат вирусните структури.

Превземайки клетките-гостоприемници, вирусите стават причинители на редица болести по различните видове организми. За съществуването на болестотворни агенти с размери, много по-малки от тези на бактериите, учените подозирали много преди да установят точното устройство и механизъм на инфекция на вирусите.

Откриване на вирусите

През 1892 година руският биолог Дмитри Ивановски установява, че заболяването по тютюневите листа (днес наричано вирус на тютюневата мозайка – детайлно проучен вирусен модел) не се причинява от бактерии, а от по-микроскопични патогени. Хипотезите за небактериалните патогени били доразвивани в следващите години от много изследователи: холандецът Мартин Бейжеринк забелязал, че тези патогени се развиват само в живи клетки на гостоприемника, а Фредерик Туорт и Феликс д’Ерел открили, че могат да инфектират дори бактерии.

Съществуването на тайнствените микроорганизми обаче се потвърждава категорично едва през 1931 година, когато немските инженери Ернст Руска и Макс Кнол успяват да получат първите изображения на вируси чрез електронен микроскоп. Оттогава са открити множество видове вируси, разпространени по цялата планета и виреещи в разнообразни екологични условия.

Това, което е характерно за всички вируси, е неспособността им да осъществяват метаболитни процеси извън клетката-гостоприемник, т.е. те са облигатни паразити. Именно това е причината за нескончаемите дебати в научните среди дали вирусите всъщност са живи. Все пак поради свойството им да се възпроизвеждат и да еволюират вирусите са признати като форма на живот, но с по-особена класификация.

Устройство на вирус

Формата, в която вирусите съществуват извън гостоприемника, се нарича вирион или вирусна частица. Повечето вириони са с размери между 10 и 300 нм, но са познати и изключения, достигащи дължина до 1400 нм и диаметър 80 нм. Поради изключително малките им размери вирионите могат да се наблюдават само под електронен микроскоп.

Типично съставните части на вириона включват нуклеинова киселина (1) (ДНК или РНК) и предпазна белтъчна обвивка, т.нар. вирусен капсид (3). Капсидът е изграден от повтарящи се протеинови молекули – капсомери (2). Основната роля на вирусния капсид е да защитава генетичната информация на вируса, закодирана в нуклеиновата киселина, а също и да опосредства навлизането на вириона в клетката-гостоприемник. Според разположението на капсомерите капсидите се делят на такива със спирална, кубична и смесена симетрия.

При спиралната симетрия капсомерите се разполагат спираловидно около вирусната нуклеинова киселина, което придава нишковидна структура на вириона. Пример за вирус със спирална симетрия е вирусът на тютюневата мозайка. Кубичната вирусна симетрия е най-разпространената, вероятно поради най-оптималното опаковане на вирусния геном, което предоставя.

При кубичната симетрия капсидът е изграден от минимум 12 еднакви капсомера, като всяка от тях е съставена от по 5 субединици. В този случай вирусите обикновено са с формата на двадесетостенник (икосаедрална симетрия). Капсидите на някои вируси (например представители на бактериофагите, инфектиращи бактерии) имат по-сложна структура, комбинираща глава с кубична форма и спираловидна опашка.

Някои видове вируси освен нуклеиновата киселина и капсида, имат и допълнителна обвивка – суперкапсид. Тази допълнителна обвивка се формира при преминаването на вируса през ядрената или цитоплазмената мембрана на клетката-гостоприемник и е съставена от нейни липиди и протеини, което осигурява допълнителна защита на вируса спрямо имунния отговор на гостоприемника.

По повърхността на суперкапсидната обвивка се откриват симетрично разположени гликопротеинови образувания (пепломери), които се кодират от вирусния геном и служат за разпознаване и свързване с определени участъци от клетъчаната мембрана на клетките-гостоприемници. Сред вирусите със суперкапсидни обвивки са херпесния и вирусът причиняващ СПИН.

Видове вирусни геноми

Оцеляването и размножаването на вирусите се осъществява благодарение на генетичната им информация, закодирана и съхранявана във вирусната нуклеинова киселина. Съществува голямо разнообразие във видовете вирусни нуклеинови киселини. Молекулите могат да бъдат ДНК или РНК, кръгови или линейни, ендоверижни или двуверижни. Те съдържат различен брой вирусни гени (при РНК вирусите 3 – 15, при тези с ДНК молекула: от 30 до 60), които кодират различни структурни и регулаторни вирусни протеини, например капсидните протеини, ензима репликаза, гликопротеините за суперкапсида и други, необходими за оцеляването на вирусните частици, протеини.

Нуклеиновите киселини на някои вируси (например от семейство Hepadnaviridae) са едноверижни в едни участъци и двуверижни в други. При някои видове вируси ДНК или РНК е сегментирана, т.е. геномът е разделен на няколко части. Пример за такъв случай е грипният вирус, който има 8 гена, разположени на 8 отделни РНК молекули.

Благодарение на малкия брой гени в генома им вирусите могат да се размножават много бързо, което води до получаването на голям брой нови вирусни частици, готови да инфектират нови клетки. Освен това вирусният геном често мутира, в резултат на което се получава нов вирусен щам.

Механизъм на възпроизвеждане на вирусите

Начинът, по който вирусите се възпроизвеждат, се обуславя от особеностите на тези неклетъчни форми. Те нямат собствен синтетичен апарат, а използват този на клетките-гостоприемници. Основните фази на вирусния жизнен цикъл са контакт с госторпиемник, проникване в клетката, репликация и сглобяване на нови вирусни частици.

Начален етап

Първото условие за вирусната инфекция е адсорбция на вириона върху повърхността на клетката-гостоприемник. Това събитие се осъществява чрез взаимодействие между вириона и гликопротеинови рецепторни молекули по клетъчната мембрана на клетката-гостоприемник. Различните вируси разпознават комплементарно определени рецептори на конкретен вид клетки, т.е. взаимодействието вирус – клетка е специфично. На това се дължи селективността на вирусните инфекции спрямо вида гостоприемник.

Веднъж прикрепил се към клетката-гостоприемник, вирионът трябва да вкара своя геном вътре в нея, за да осъществи размножаването си. Проникването (пенетрацията) на вируса в клетката най-често става чрез ендоцитоза. Вирионът попада във вгъване на клетъчната мембрана, което после се оформя във везикула. След разпадане на везикуларната обвивка и вирусния капсид, вирусният геном се освобождава в клетъчната цитоплазма.

Другият механизъм, чрез който вирусният геном попада в клетката-гостоприемник, е сливането (фузия) на вирусния суперкапсид с клетъчната мембрана. Такова е проникването например на вируса, причиняващ заушка. Бактериофагите вкарват генома си в инвазираната бактериална клетка чрез механизъм, наподобяващ инжектиране. След прикрепянето към бактерията, дългата опашка на вируса се съкращава и доближава главата на вируса. Нуклеиновата киселина на вириона се инжектира през пробивите, направени в бактериалната мембрана чрез ензимно разграждане.

В някои случаи вирусните нуклеинови киселини се предават от заразена на здрава клетка чрез обмяна на клетъчни продукти. След успешното проникване на вирусния геном в клетката-гостоприемник, клетъчните лизозомни ензими разграждат капсида на вируса и „оголват“ вирусния геном. Това разсъбличане на вирусния геном става в цитоплазмата или в ядрото на инфектираната клетка, в зависимост къде ще протече след това вирусната репликация.

Междинен етап (етап на затъмнение)

Наименованието на този етап от вирусната репродукция се дължи на невъзможното установяване на вирусните частици в клетките на гостоприемника. За протичане на тази фаза е необходима температура на организма 37 – 39^о С. Именно това е фазата, в която вирусът заставя инфектираната клетка да произвежда нужните му молекули.

Точните механизми на вирусна репликация се различават в зависимост от вида на вирусния геном. При РНК вирусите от определящо значение е полярността на молекулата и дали е от една или две вериги. РНК молекулата може да служи като матрица за рибозомите на клетката-гостоприемник за синтез на репликазни ензими, които по-нататък осъществяват вирунсата репликация. При ДНК вирусите първо протича транскрипция, за да се синтезира матрична РНК, която да послужи за синтез на вирусните протеини. Намножаването на вирусния геном става чрез репликация, като резултатът е огромен брой нови копия на вирусната РНК или ДНК.

Заключителен етап

След намножаването на вирусните нуклеинови киселини протича сглобяването на вирусните части. Този процес се нарича още зреене на вирусите и представлява присъединяване на протеини към вирусната нуклеинова киселина. В някои случаи са възможни и посттранслационни модификации. Тъй като клетката-гостоприемник е увредена от изпълнението на вирусните нужди, тя вече не е от полза за вируса. Ето защо новосинтезираните вирусни геноми напускат клетката и се насочват към нови клетки.

При напускането на клетката-гостоприемник от вируса са възможни няколко изхода за нея. Първият е бързо напускане на вируса, съпроводено с пълно разрушение на клетката-гостоприемник. Вторият е освобождаване на вирусите чрез пъпкуване. Пъпкуването е по-бавен процес и е характерно за представителите със суперкапсиди, които всъщност са части от мембрана на клетката-гостоприемник, получени от вириона по време на пъпкуването.

Класификация на вирусите

Към момента са открити над 30 000 вида вируси, групирани в 164 рода и 71 семейства. В началното развитие на вирусологията имената на новооткритите вируси са имали предимно описателен произход. Те са обозначавали някаква морфологична особеност на вируса или симптомите, които предизвиква при инфекция. Поради споменатите вече особености на вирусите и противоречивите нагласи относно тяхната биологична природа класифицирането им също е било обект на много спорове.

Все пак се определят таксономични параметри за вирусите – видовете се подреждат в класове с окончание –virales, семейства (-viridae), родове (-virus). Критериите за класификация взимат предвид вирусната морфология, размери, капсидна симетрия, наличие или липса на суперкапсид. Също така отчита и заболяванията, които вирусите причиняват, както и какви биологични видове инфектират.

Освен чрез класическите таксономични единици, вирусите се групират и по други подходи. През 1971 година нобеловият лауреат Дейвид Балтимор предлага класификация на вирусите, позната днес като „класификация на Балтимор“. Тя се основава на вида вирусен геном. Състои се от седем групи, а видовете вируси се разпределят в тях в зависимост от това дали имат ДНК или РНК геном, дали нуклеиновата киселина е едноверижна или двуверижна и според механизма на репликация.

Значение за човека: вирусни инфекции и приложение в науката

Много от тежките заболявания, поразяващи човека, се причиняват именно от вируси. От широко разпространени опасни болести като грип, херпес и дребна шарка, до по-тежките смъртоносни заболявания като ебола, бяс и СПИН. Някои вируси могат да предизвикат изменения в ДНК на клетките на заразения организъм. Те впоследствие могат да доведат до развитие на онкологични заболявания. Такива са някои видове човешки папилома вирус – причинители на рака на маточната шийка.

Вирусните частици бързо се предават от заразен на нов гостопримник по различни пътища: полов, въздушно-капков и чрез кожен контакт. Често се стига до епидемии, засягащи населението на големи територии и дори в глобален мащаб (пандемия). Затова голяма част от усилията на съвременната наука и медицина са насочени към откриване на ваксини, които да предотвратят възникването на вирусните заболявания.

Тъй като вирусите са облигатни паразити, изцяло зависими от намирането на гостоприемник, когато не успеят да инфектират нов такъв, те загиват бързо. Благодарение на ваксинациите например едрата шарка се смята за унищожена към днешна дата. Освен негативната им роля като паразити, вирусите са и ключов елемент за много успешни научни изследвания.

Поради малкия им геном, вирусите са били модел за много експерименти, довели до по-доброто разбиране на различни биологични процеси и състояния. Всъщност първият секвениран геном е на бактериофаг. Като цяло, въпреки изключително малките си размери и необичайния начин на съществуване, вирусните частици са неизменна част от живота на планетата с огромно значение за всички други видове.