Молекула днк и рнк вируса
ДНК-СОДЕРЖАЩИЕ ВИРУСЫ И ФАГИ
Вирусы — это внеклеточная форма жизни, обладающая собственным геномом и способная к воспроизведению только в клетках живых организмов.
Вирион (или вирусная частица) состоит из одной или нескольких молекул ДНК или РНК, заключенных в белковую оболочку (капсид), иногда содержащую также липидные и углеводные компоненты
Говорят: в. это переход от химии к живому
Вирусы являются внутриклеточными паразитами на генетическом уровне и используют для своего размножения белок-синтезирующий аппарат клетки-хозяина.
Жизненный цикл вируса начинается
с проникновения внутрь клетки.
Для этого он связывается со специфическими рецепторами на ее поверхности и
а) либо вводит свою нуклеиновую кислоту внутрь клетки, оставляя белки вириона на ее поверхности,
3. В результате этой процедуры вирусный геном становится доступным для ферментных систем клетки, обеспечивающих экспрессию генов вируса.
4. Именно после проникновения вирусной геномной нуклеиновой кислоты в клетку заключенная в ней генетическая информация расшифровывается генетическими системами хозяина и используется для синтеза компонентов вирусных частиц.
По сравнению с геномами других организмов вирусный геном относительно мал и кодирует лишь ограниченное число белков, в основном белки капсида и один или несколько белков, участвующих в репликации и экспрессии вирусного генома. Необходимые метаболиты и энергия поставляются хозяйской клеткой.
ДНК-содержащие вирусы несут в качестве генетического материала либо одно-, либо двухцепочечную ДНК, которая может быть как линейной, так и кольцевой. В ДНК закодирована информация о всех белках вируса. Вирусы классифицируют в зависимости от того, одно или двухцепочечная у них ДНК, и про- или эукариотической является клетка-хозяин. Вирусы заражающие бактерии называются бактериофагами.
1 — вирусы оспы; 2 — вирусы герпеса; 3 – аденовирусы; 4 — паповавирусы; 5 — гепаднавирусы; 6 — парвовирусы;
Первая группа — вирусы с двуцепочечной ДНК,
- они получили название ретроидные вирусы.
- п редставителями этой группы вирусов являются вирус гепатита В и вирус мозаики цветной капусты.
1. Репликация ДНК-генома этих вирусов осуществляется при посредстве промежуточных молекул РНК:
2. Молекулы РНК образуются в результате транскрипции вирусных ДНК в клеточном ядре хозяйским ферментом ДНК-зависимой РНК-полимеразой.
3. Транскрибируется только одна из нитей вирусной ДНК.
4. Синтез ДНК на РНК-матрице происходит в результате реакции, катализируемой обратной транскриптазой; сначала синтезируется (-) нить ДНК,
5. а затем на вновь синтезированной (-) нити ДНК тот же фермент строит (+) нить.
В целом общая схема репликации генома ретроидных вирусов поразительно похожа на схему репликации генома ретровирусов. По-видимому, данное сходство имеет под собой и эволюционную основу, так как первичная структура обратных транскриптаз этих вирусов выявляет определенное сходство между собой.
Вторая группа — вирусы с двуцепочечной ДНК,
- репликация осуществляется по схеме ДНК -> ДНК.
- с генома этих вирусов в зараженной клетке ДНК-зависимая РНК-полимераза транскрибирует молекулы мРНК (т.е. (+) РНК),
- мРНК (т.е. (+) РНК) принимает участие в синтезе вирусных белков,
- размножение вирусного генома осуществляет фермент ДНК-зависимая ДНК-полимераза: (±) днк → (+)РНК
В одних случаях производством как мРНК, так и ДНК занимаются клеточные ферменты; в других случаях вирусы используют собственные ферменты. Бывает, что те и другие ферменты обслуживают процесс репликации и транскрипции. К этой группе относятся вирусы герпеса, оспы и др.
Оспа – естественный враг СПИДа (нет оспы – есть СПИД). О СПИДе есть информация в Ветхом завете. В нашем геноме есть генетические метки прежних пандемий СПИДа
Вирусные заболевания периодичны: ОСПА → ПРОКАЗА→ЧУМА → †
Третья группа — вирусы с одноцепочечной ДНК, либо с негативной, либо с позитивной полярностью.
- Попав в клетку, вирусный геном сначала превращается в двуцепочечную форму,
- это превращение обеспечивает клеточная ДНК-зависимая ДНК-полимераза:
Транскрипция и репликация на последующих этапах происходит так же, как и для вирусов, с (±) ДНК-геномом.
- обычно встречаются у нитевидных вирусов.
- образуются путем самосборки асимметричных белковых субъединиц (капсомеров), объединяющихся в трубчатую структуру со спиральной симметрией (например у Pf1).
- Субъединицы в большинстве случаев гомогенны, так, что поверхность вириона состоит из множества копий одного и того же белка, хотя под наружним капсидом могут находиться и другие белки.
- ДНК в таких вирусах либо вытянута, либо может быть туго скручена в комплексе со специальными связывающими белками.
- свойственны большинству сферических ДНК-содержащих вирусов
- икосаэдр – это многогранник с двадцатью треугольными гранями, имеющий кубическую симметрию и приблизительно сферическую форму.
- Вершины треугольников соединяясь образуют двенадцать вершин икосаэдра;
- в местах соединения располагаются обычно пентамерные белковые структуры – пентоны; там же могут находится участки, на которых формируются белковые нити, нередко ассоциированные с вершинами ( например у ф Х174 прозрачка 1).
- Грани икосаэдра заполнены другими белковыми субъединицами, сгруппированными обычно в гексамерные структуры – гексоны (апример, у аденовируса прозрачка 1).
- Количество субъединиц, необходиимое для заполнения граней, определяется размерами вириона в целом, и разные икосаэдрические вирусы содержат поэтому разное число гексонов – обычно при неизменном числе пентонов.
- ДНК обычно плотно свернута внутри капсида;
- иногда она связана с белками или полипептидами, способными стабилизировать ее структуру.
Сложные капсиды без оболочки
- типичны для бактериофагов:
- они состоят из частей с разными типами симметрии.
Сложные капсиды с оболочкой
- есть только у вирусов эукариотических клеток.
- В них ДНК-белковые комплексы окружены одним или несколькими белковыми слоями и наружней мембраной, почти все белковые компоненты которой являются вирусными по своему происхождению, а липидные структуры – клеточными.
- зараженные вирусом клетки либо остаются живыми (тогда говорят, что вирус невирулентен),
- либо подвергаются лизису, приводящему к высвобождению вирусных частиц.
- Неизменным итогом заражения клеток ДНК-содержащими бактериофагами является лизис.
- ДНК-содержащие вирусы животных вызывают лизис редко; однако клетки могут погибнуть из-за возникших при заражении хромосомных повреждений, вследствии иммунологической реакцииорганизма или просто в результате нарушения вирусом нормальных клеточных функций.
Размножение вируса – четко очерченный цикл, приводящий в конечном счете, после синтеза новых молекул вирусных белков и большого числа копий вирусной ДНК, к формированию зрелых вирусных частиц. У вирусов бактерий весь цикл может завершаться менее чем за час, тогда как у многих вирусов животных он занимает не один день.
Адсорбция вируса на клетке-хозяине – первый этап инфицирования. Она происходит на специфических рецепторных участках (белковых или липидных) клеточной поверхности, которые узнаются особыми выступающими частями вириона и к которым он прочно прикрепляется. У вирусов без оболочки такими частями могут быть белковые отростки (например, у аденовируса и бактериофага Т2), а у вирусов с оболочкой это, как правило белки, погруженные в вирусную мембрану. В процессе адсорбции осуществляются, в частности, такие белок-белковые взаимодействия, результатом которых является инициация стадии проникновения ДНК в клетку.
Транскрипция и репликация генетического материала вируса осуществляется обычно с участием ферментов клетки-хозяина. Сначала вирусная ДНК копируется РНК-полимеразами клетки-хозяина, в результате чего образуется мРНК, которая затем транслируется. На некоторых молекулах вирусной ДНК синтезируются также ее ДНК-копии – с помощью либо клеточной, либо кодируемой вирусом ДНК-полимеразы. Эти ДНК-копии используются в последствии при сборке вирусных частиц. В некоторых случаях, например, у бактериофага Т4 первые же новосинтезированнные молекулы вирусной мРНК транслируются с образованием специальных белков, модифицирующих полимеразы клетки-хозяина таким образом, что те прекращают транскрипцию клеточных генов, не теряя пари этом способности транскрибировать вирусные. В какой части клетки протекают процессы транскрипции и репликации вирусной ДНК эукариотических вирусов: в ядре или цитоплазме? У одних транскрипция и репликация происходит в ядре клетки-хозяина ( например, у вируса герпеса), а у других – в цитоплазме, например, у поксивирусов.
Трансляция вирусной мРНК на рибосомах клетки-хозяина приводит к образованию вирусных белков. Некоторые из этих белков используются в последствии для построения капсидов, другие связываются с вирусной ДНК, стабилизируя ее (у многих вирусов животных), третьи хотя и не войдут никогда в состав зрелых вирионов, участвуют в процессе их сборки в качестве ферментов (например, у бактериофага Т2)
Сборка вируса из его компонентов в клетке-хозяине может происходить спонтанно (самосборка), но может зависеть и от участия вспомогательных белков. Вирусная ДНК обычно покрывается слоем белка – капсидом. Капсид, в свою очередь, может заключаться в мембранную структуру, получаемую вирионом обычно от клетки-хозяина: покидая клетку путем отпочковывания от нее, вирусная частица оказывается окруженной плазматической мембраной.
ДНК-содержащие опухолеродные вирусы разделяются на следующие 5 классов.
| ← Предыдущая глава | Глава 1.6 | Следующая глава → |
| Вирусы — неклеточные формы жизни | ||
Ви́рус (от лат. virus — яд) — микроскопическая частица, состоящая из белков и нуклеиновых кислот и способная инфицировать клетки живых организмов. Вирусы являются облигатными паразитами — они не способны размножаться вне клетки. В настоящее время известны вирусы, размножающиеся в клетках растений, животных, грибов и бактерий (последних обычно называют бактериофагами). Обнаружен также вирус, поражающий другие вирусы (Вирусы тоже болеют вирусными заболеваниями).
Вирусы представляют собой молекулы нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), заключённые в защитную белковую оболочку (капсид). Наличие капсида отличает вирусы от других инфекционных агентов, вироидов. Вирусы содержат только один тип нуклеиновой кислоты: либо ДНК, либо РНК. Ранее к вирусам также ошибочно относили прионы, однако впоследствии оказалось, что эти возбудители представляют собой особые белки и не содержат нуклеиновых кислот.
Роль вирусов в биосфере
Вирусы являются одной из самых распространённых форм существования органической материи на планете по численности: воды мирового океана содержат колоссальное количество бактериофагов (около 10 11 частиц на миллилитр воды), их общая численность в океане — около 4 х 10 30 , а численность вирусов (бактериофагов) в донных отложениях океана практически не зависит от глубины и всюду очень высока [1]. В океане обитают сотни тысяч видов (штаммов) вирусов, подавляющее большинство которых не описаны и тем более не изучены [2][3]. Вирусы играют важную роль в регуляции численности популяций животных.
Вирусные частицы (вирио́ны) представляют собой белковую капсулу — капсид, содержащую геном вируса, представленный одной или несколькими молекулами ДНК или РНК. Капсид построен из капсомеров — белковых комплексов, состоящих в свою очередь из протомеров. Нуклеиновая кислота в комплексе с белками обозначается термином нуклеокапсид. Некоторые вирусы имеют также внешнюю липидную оболочку. Размеры различных вирусов колеблются от 20 нм (пикорнавирусы) до 500 нм (мимивирусы). Вирионы часто имеют правильную геометрическую форму (икосаэдр, цилиндр). Такая структура капсида предусматривает идентичность связей между составляющими её белками, и, следовательно, может быть построена из стандартных белков одного или нескольких видов, что позволяет вирусу экономить место в геноме.
Условно процесс вирусного инфицирования в масштабах одной клетки можно разбить на несколько взаимоперекрывающихся этапов:
Нобелевский лауреат, биолог Дэвид Балтимор, предложил свою схему классификации вирусов, основываясь на различиях в механизме продукции мРНК и связанных с этим особенностях жизненного цикла вирусов. .Эта система включает в себя семь основных групп:
- (VII) Вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК и имеющие в своем жизненном цикле стадию синтеза ДНК на матрице РНК, ретроидные вирусы (например, вирус гепатита B).
В 1901 г. было обнаружено первое вирусное заболевание человека — жёлтая лихорадка. Это открытие было сделано американским военным хирургом У. Ридом и его коллегами.
В 1911 г. Фрэнсис Раус доказал вирусную природу рака — саркомы Рауса (лишь в 1966 г, спустя 55 лет, ему была вручена за это открытие Нобелевская премия по физиологии и медицине).
В последующие годы изучение вирусов сыграло важнейшую роль в развитии эпидемиологии, иммунологии, молекулярной генетики и других разделов биологии. Так, эксперимент Херши-Чейз стал решающих доказательством роли ДНК в передаче наследственных свойств. В разные годы еще как минимум шесть Нобелевских премий по физиологии и медицине и три Нобелевских премии по химии были вручены за исследования, непосредственно связанные с изучением вирусов.
В 2002 году, в университете Нью-Йорка был создан первый синтетический вирус (вирус полиомиелита).
К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения, распадающиеся при гидролизе на пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Нуклеиновые кислоты содержат углерод, водород, фосфор, кислород и азот. Различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).
Строение и функции ДНК
ДНК — полимер, мономерами которой являются дезоксирибонуклеотиды. Модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком (для построения этой модели они использовали работы М. Уилкинса, Р. Франклин, Э. Чаргаффа).
Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль (исключение — некоторые ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочечную ДНК). Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами — 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров. Молекулярный вес — десятки и сотни миллионов. Суммарная длина ДНК ядра клетки человека — около 2 м. В эукариотических клетках ДНК образует комплексы с белками и имеет специфическую пространственную конформацию.
Мономер ДНК — нуклеотид (дезоксирибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания ДНК (имеют в составе своей молекулы одно кольцо) — тимин, цитозин. Пуриновые основания (имеют два кольца) — аденин и гуанин.
Моносахарид нуклеотида ДНК представлен дезоксирибозой.
Название нуклеотида является производным от названия соответствующего основания. Нуклеотиды и азотистые основания обозначаются заглавными буквами.
| Азотистое основание | Название нуклеотида | Обозначение |
|---|---|---|
| Аденин | Адениловый | А (A) |
| Гуанин | Гуаниловый | Г (G) |
| Тимин | Тимидиловый | Т (T) |
| Цитозин | Цитидиловый | Ц (C) |
Полинуклеотидная цепь образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3'-углеродом остатка дезоксирибозы одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает фосфоэфирная связь (относится к категории прочных ковалентных связей). Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5'-углеродом (его называют 5'-концом), другой — 3'-углеродом (3'-концом).
Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой.
Функция ДНК — хранение и передача наследственной информации.
Репликация (редупликация) ДНК
Репликация ДНК — процесс самоудвоения, главное свойство молекулы ДНК. Репликация относится к категории реакций матричного синтеза, идет с участием ферментов. Под действием ферментов молекула ДНК раскручивается, и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципам комплементарности и антипараллельности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной. Такой способ синтеза называется полуконсервативным.
В репликации участвуют следующие ферменты:
С помощью геликаз в определенных участках ДНК расплетается, одноцепочечные участки ДНК связываются дестабилизирующими белками, образуется репликационная вилка. При расхождении 10 пар нуклеотидов (один виток спирали) молекула ДНК должна совершить полный оборот вокруг своей оси. Чтобы предотвратить это вращение ДНК-топоизомераза разрезает одну цепь ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй цепи.
ДНК-полимераза может присоединять нуклеотид только к 3'-углероду дезоксирибозы предыдущего нуклеотида, поэтому данный фермент способен передвигаться по матричной ДНК только в одном направлении: от 3'-конца к 5'-концу этой матричной ДНК. Так как в материнской ДНК цепи антипараллельны, то на ее разных цепях сборка дочерних полинуклеотидных цепей происходит по-разному и в противоположных направлениях. На цепи 3'–5' синтез дочерней полинуклеотидной цепи идет без перерывов; эта дочерняя цепь будет называться лидирующей. На цепи 5'–3' — прерывисто, фрагментами (фрагменты Оказаки), которые после завершения репликации ДНК-лигазами сшиваются в одну цепь; эта дочерняя цепь будет называться запаздывающей (отстающей).
Купить проверочные работы
по биологии
Репликация протекает сходно у прокариот и эукариот. Скорость синтеза ДНК у прокариот на порядок выше (1000 нуклеотидов в секунду), чем у эукариот (100 нуклеотидов в секунду). Репликация начинается одновременно в нескольких участках молекулы ДНК. Фрагмент ДНК от одной точки начала репликации до другой образует единицу репликации — репликон.
Репликация происходит перед делением клетки. Благодаря этой способности ДНК осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним.
Наиболее изучены три механизма репарации: 1) фоторепарация, 2) эксцизная, или дорепликативная, репарация, 3) пострепликативная репарация.
Изменения структуры ДНК происходят в клетке постоянно под действием реакционно-способных метаболитов, ультрафиолетового излучения, тяжелых металлов и их солей и др. Поэтому дефекты систем репарации повышают скорость мутационных процессов, являются причиной наследственных заболеваний (пигментная ксеродерма, прогерия и др.).
Строение и функции РНК
РНК — полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды. В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение — некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Нуклеотиды РНК способны образовывать водородные связи между собой. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.
Мономер РНК — нуклеотид (рибонуклеотид) — состоит из остатков трех веществ: 1) азотистого основания, 2) пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и 3) фосфорной кислоты. Азотистые основания РНК также относятся к классам пиримидинов и пуринов.
Пиримидиновые основания РНК — урацил, цитозин, пуриновые основания — аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой.
Выделяют три вида РНК: 1) информационная (матричная) РНК — иРНК (мРНК), 2) транспортная РНК — тРНК, 3) рибосомная РНК — рРНК.
Все виды РНК представляют собой неразветвленные полинуклеотиды, имеют специфическую пространственную конформацию и принимают участие в процессах синтеза белка. Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК. Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией.
Рибосомные РНК содержат 3000–5000 нуклеотидов; молекулярная масса — 1 000 000–1 500 000. На долю рРНК приходится 80–85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы — органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках. Функции рРНК: 1) необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом; 2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК; 3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания, 4) формирование активного центра рибосомы.
Информационные РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке. Функции иРНК: 1) перенос генетической информации от ДНК к рибосомам, 2) матрица для синтеза молекулы белка, 3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.
Строение и функции АТФ
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — универсальный источник и основной аккумулятор энергии в живых клетках. АТФ содержится во всех клетках растений и животных. Количество АТФ в среднем составляет 0,04% (от сырой массы клетки), наибольшее количество АТФ (0,2–0,5%) содержится в скелетных мышцах.
АТФ состоит из остатков: 1) азотистого основания (аденина), 2) моносахарида (рибозы), 3) трех фосфорных кислот. Поскольку АТФ содержит не один, а три остатка фосфорной кислоты, она относится к рибонуклеозидтрифосфатам.
Для большинства видов работ, происходящих в клетках, используется энергия гидролиза АТФ. При этом при отщеплении концевого остатка фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту), при отщеплении второго остатка фосфорной кислоты — в АМФ (аденозинмонофосфорную кислоту). Выход свободной энергии при отщеплении как концевого, так и второго остатков фосфорной кислоты составляет по 30,6 кДж. Отщепление третьей фосфатной группы сопровождается выделением только 13,8 кДж. Связи между концевым и вторым, вторым и первым остатками фосфорной кислоты называются макроэргическими (высокоэнергетическими).
Запасы АТФ постоянно пополняются. В клетках всех организмов синтез АТФ происходит в процессе фосфорилирования, т.е. присоединения фосфорной кислоты к АДФ. Фосфорилирование происходит с разной интенсивностью при дыхании (митохондрии), гликолизе (цитоплазма), фотосинтезе (хлоропласты).
АТФ является основным связующим звеном между процессами, сопровождающимися выделением и накоплением энергии, и процессами, протекающими с затратами энергии. Кроме этого, АТФ наряду с другими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) является субстратом для синтеза РНК.
Смотреть оглавление (лекции №1-25)
Генетический материал эукариот имеет сложную надмолекулярную организацию, определяющую формирование хромосом. Кроме того, в клетках различных организмов обнаружены экстрахромосомные (внеядерные, цитоплазматические) молекулы ДНК.
Хромосомы вирусов и прокариот
Генетический материал зрелой вирусной частицы (вириона) представлен одной молекулой нуклеиновой кислоты (ДНК либо РНК), которая окружена защитной белковой оболочкой (капсидом). Наряду с вирусами, содержащими двухцепочечную либо одноцепочечную молекулу ДНК в замкнутой (кольцевой) форме, имеются представители, у которых эта молекула является незамкнутой (линейной) структурой и также может быть двухцепочечной либо одноцепочечной. В случае РНК-содсржащих вирусов известны как одноцепочечные, так и двухцепочечные варианты молекул РНК. Размеры хромосом таких вирусов значительно меньше, чем у большинства ДНК-co держащих вирусов, и чаше всего варьируют в пределах от 3 000 до 7 000 рибонуклеотидов.
Молекулы вирусных ДНК как правило имеют длину от 0,5 до 100 микрометров (мкм), тогда как длина вирионов обычно колеблется от 0,02 до 0,3 мкм. Столь явное несоответствие между размерами генетического материала и вмещающего его белкового капсида устраняется путем многократного закручивания молекулы ДНК вокруг оси ее спирали, что приводит к образованию значительно более короткой по длине суперспирализованной (суперзакрученной) структуры, формирующей хромосому вируса (рис. 5.32).
Рис. 5.32. Супсрспирализованная молекула ДНК: а - принцип строения суперзакрученной молекулы ДНК, превращающейся в открытую кольцевую форму при разрыве одной цепочки молекулы; б - электронная микрофотография открытой и закрытых молекул ДНК бактериофага
В результате образования супервитков линейные размеры вирусной хромосомы оказываются в несколько сотен раз меньше, чем размеры составляющей ее ДНК. Это наглядно демонстрирует электронно-микроскопическое изображение бактериофага (фага) Т2 после его последовательной обработки гипертоническим солевым раствором и дистиллированной водой (осмотического шока) (рис. 5.33). Такая обработка привела к разрыву белкового капсида фага и освобождению его молекулы ДНК, которая ранее была плотно упакована в хромосомную структуру. Измеренная длина этой молекулы составила около 50 мкм, что более чем в 500 раз превышает размеры фаговой головки, в которой она находилась.
Рис. 5.33. Электронная микрофотография молекулы ДНК бактериофага Т2, подвергнутого действию осмотического шока
Весьма незначительные размеры геномов мелких вирусов позволяют им кодировать лишь единичные белки, синтезируемые метаболической системой клетки-хозяина, в которую проник генетический материал вируса.
Так, например, в РНК самого мелкого из известных вирусов, выделяемого при некрозе листьев табака, которая состоит из 1 200 рибонуклеотидов, был обнаружен лишь один структурный ген, кодирующий белок оболочки этого вируса. Вместе с тем ДНК мелкого фага 3 пар нуклеотидов) благодаря наличию в ней перекрывающихся генов кодирует 9 различных белков, обеспечивающих формирование зрелых фаговых частиц. С другой стороны, хромосомная ДНК достаточно крупного фага Т4 (1,8 х 10 5 пар нуклеотидов) могла бы содержать не менее 100 структурных генов среднего размера (идентифицировано более 40 белков этого фага, синтезируемых зараженными клетками Е. со И).
Вирусы обладают специфичностью в отношении клеток организмов- хозяев (бактерий, растений, животных, человека), в которых они могут размножаться. После проникновения генетического материала вируса в клетку в ней начинается процесс синтеза вирусных белков и нуклеиновой кислоты на основе генетической программы этого вируса и с помощью метаболической системы хозяина. При этом проникшая РНК ретровирусов служит матрицей для синтеза комплементарной вирусной ДНК по механизму обратной транскрипции, тогда как у других РНК-содержащих вирусов может происходить лишь копирование их первичного генетического материала (молекул РНК).
Возможны два основных варианта развития вируса в клетке-хозяине, которые в случае бактериальных фагов принято называть литическим н лизогенным циклами (рис. 5.34). Развитие вирулентных вирусов (фагов) обычно происходит только по литическому пути, связанному с синтезом компонентов вирусных частиц (белков, нуклеиновой кислоты), сборкой ви- рионов и последующим разрушением (лизисом) клетки-хозяина. Однако для умеренных (латентных) вирусов, примером которых является бактериофаг X, возможен и второй вариант развития, состоящий в лизогенизации клетки-хозяина (рис. 5.34). При этом ДНК вируса интегрируется в хромосому хозяина по механизму сайт-специфической рекомбинации и существует в ней в форме провируса (профага), реплицируясь и передаваясь в процессе клеточного деления дочерним клеткам как составная часть хромосомы материнской клетки. Вместе с тем под влиянием ряда индуцирующих факторов (ультрафиолет, ионизирующая радиация, различные химические агенты и др.) происходит выход вируса из интегрированного состояния, т. е. из формы провируса (профага), в автономное состояние, что приводит к его размножению и лизису клетки-хозяина (рис. 5.34). Иными словами, возможен переход с пути лизогенизации на литический путь развития вируса и обратно. Аналогичные пути развития известны и в случае ряда вирусов эукариотических клеток, в том числе для ретровируса иммунодефицита человека, являющегося причиной возникновения СПИДа.
Рис. 5.34. Два варианта возможного развития умеренного фага X в клетках Е. coli
В отличие от вирусов хромосома бактериальной клетки содержит молекулу ДНК лишь одного типа, а именно кольцевую двухцепочечную ДНК гораздо более значительных размеров (1 000-2 000 мкм длиной). Поскольку у бактерий нет настоящего ядра, то их генетический материал организован в виде ядерноподобной структуры (нуклеоида), располагающейся в цитоплазме клетки. Каждому нуклеоиду соответствует одна хромосома, т. е. бактерии являются гаплоидными организмами.
Как и у вирусов, линейные размеры генетического материала бактерий явно не соответствуют размерам структурного образования, в котором он находится. Так, например, типичные клетки Е. coli имеют форму палочек длиной 1-5 мкм и толщиной 0,4-0,8 мкм. Это несоответствие также устраняется путем супере пир ализации молекулы ДНК, формирующей хромосому нуклеоида.
В процессе упаковки молекулы участвуют несколько ДНК-связывающих белков, обнаруженных в клетках Е. coli, часть которых по своему аминокислотному составу напоминают гистоны из хромосомы эукариот.
Кроме того, в нуклеоидах этих бактерий найдена РНК, роль которой остается неясной. Посте обработки нуклеоидного комплекса Е. coli ферментами, разрушающими белки и РНК, возникают открытые кольцевые формы хромосомной ДНК, которые изучают с помощью электронномикроскопических и радиобиологических методов (рис. 5.35). При этом можно определить длину молекул.
Рис. 5.35. Радиоавтограф кольцевой молекулы ДНК хромосомы Е. coli. Виден участок начавшейся репликации молекулы
Размеры хромосомного генома бактерий позволяют им иметь более значительное, чем у вирусов, количество структурных генов для синтеза белков, обеспечивающих все процессы жизнедеятельности этих организмов. Так, например, хромосомная ДНК клеток Е. coli содержит 4,2 х 10 б пар нуклеотидов, что было бы достаточным для формирования примерно 4 000 генов среднего размера. К настоящему времени в единственной кольцевой хромосоме (одной группе сцепления) этих бактерий идентифицировано более 650 разных генных локусов.
В хромосомах бактерий, вызывающих инфекционные заболевания животных и человека, обнаружены различные гены, детерминирующие патогенные свойства этих бактерий (формирование антигенных структур, синтез токсинов, способность разрушать эритроциты крови и др.). Значительный клинический интерес представляют также гены устойчивости бактерий к антибиотикам и другим антибактериальным препаратам.
Читайте также:
