Репликация вирусных ДНК. Механизм репликации вирусных молекул ДНК.

томский государственный университет
кафедра органической химии

При жизни организма непрерывно происходят процессы обновления тканей, клеток и т.д., которые неизбежно включают процессы копирования и передачи информации, хранящейся в геноме.

Направления передачи наследственной (генетической) информации выделяют в четыре группы:

  • 1. Репликация (от ДНК к ДНК)
  • 2. Транскрипция (от ДНК к РНК)(
  • 3. Трансляция (от РНК к белку)
  • 4. Обратная транскрипция (от РНК к кДНК)

Репликация вирусных ДНК. Механизм репликации вирусных молекул ДНК.

Долгое время считалось, что передача информации от РНК к ДНК невозможна, однако, впоследствии выяснилось, что это не так. Некоторые вирусы способны встраивать информацию со своей вирусной РНК в ДНК генома клетки-хозяина.

Возможность «обратного» направления информации в настоящее время все шире используется в различных целях, от исследовательских до терапевтических. Так называемые энзимы- реверс-транскриптазы— способны осуществлять синтез кДНК на матрице РНК.

О происходящих в клетках млекопитающих (эукариот) процессах передачи информации известно достаточно много, но далеко не все, и изложение хотя бы известных на данный момент времени сведений потребовалось бы слишком много места.

Поэтому далее будут изложены лишь самые основы протекающих в клетках простейших организмов (прокариот) этапов передачи наследственной информации.

РЕПЛИКАЦИЯ

В процессе копирования информации происходит синтез дочерних молекул ДНК на основе информации, «записанной» в родительской молекуле ДНК. Ясно, что дочерние молекулы должны представлять собой точные копии родительской.

  1. Репликация может осуществляться тремя способами: а) консервативным; б) полуконсервативным;
  2. в) дисперсивным.

Репликация вирусных ДНК. Механизм репликации вирусных молекул ДНК. При консервативной репликации вновь синтезированные цепи ДНК находятся в дочерней молекуле. При полуконсервативной репликации полученные молекулы состоят из родительской и вновь синтезированной цепей. Дисперсивный способ репликации означает наличие перемежающихся родительских и вновь синтезированных участков на каждой из цепей образованных молекул ДНК. Для животных организмов и человека ХАРАКТЕРЕН только ПОЛУКОНСЕРВАТИВНЫЙ путь РЕПЛИКАЦИИ ДНК.

В процессе репликации участвует целый ряд энзимов (ферментов) с определенными функциями. Только синтезирующих ферментов в клетках прокариот насчитывается три. Их называют ДНК- полимеразами I, II и III. Сведения о функциональных особенностях ДНК-полимераз приведены в таблице.

ДНК- зависимые ДНК-полимеразы E. Coli

Проявляемая функция (активность) Полимераза
Pol I Pol II Pol III Фрагмент Кленова
Полимеразная 5'-3' есть есть есть есть
Экзонуклеазная 3'-5' есть есть есть есть
Экзонуклеазная 5'-3' есть нет нет нет
молекул в клетке 400 нет данных 10-20 нет
производительность (нуклеотидов в мин, 37 С, на 1 молекулу Pol) 600 30 9000

Фрагмент Кленова- результат частичного протеолиза ДНК-полимеразы I E. Coli субтилизином. Основная функция полимеразы III- синтез цепи, полимеразы I- синтез и исправление ошибочно вставленных нуклеотидов. Полимераза II осуществляет особые, спе циализированные функции.

Репликация начинается с расплетания цепей ДНК специальными расплетающими белками, которые называют ГЕЛИКАЗАМИ (или Rep-протеином). Геликазы используют энергию АТФ в процессе расплетания цепей. Скорость расплетания составляет около 6000 мин-1.

Для того, чтобы расплетенные цепи не могли вновь соединиться, имеются специальные SSB-белки (single-strand binding proteins), которые присоединяются к комплементарным цепям, удерживая их от ассоциации.

По мере продвижения репликационной вилки SSB-протеины передвигаются по цепи, диссоциируя с одного места и присоединяясь на другом. Этот процесс не требует затрат энергии АТФ. После освобождения достаточного места начинается синтез праймера- затравки, необходимой для работы ДНК-полимеразы.

Наличие затравки является необходимым условием функционирования ДНК-полимераз (как и наличие комплементарной цепи). В качестве затравки на каждой из разделенных цепей синтезируются маленькие отрезки молекул РНК при помощи фермента ПРИМАЗЫ.

Синтез новой цепи ДНК осуществляется всегда в направлении 5'-3', поэтому если по одной матричной цепи возможен непрерывный синтез, то по комплементарной ей цепи синтез осуществляется только участками. Эти участки синтеза называют фрагментами Оказаки.

Когда синтез на одном из фрагментов Оказаки достигает праймера другого фрагмента, РНК-овый праймер удаляется имеющейся у полимераз 5'-3' экзонуклеазной активностью и достраивается дезоксирибонуклеотидами. После этого сахарофосфатный остов между фрагментами сшивается ковалентной связью при помощи фермента ДНК-лигазы. Репликация вирусных ДНК. Механизм репликации вирусных молекул ДНК.

Частота возникновения ошибок при репликации и транскрипции НЕ ПРЕВЫШАЕТ 10-8-10-9, то есть возможна лишь одна ошибка на сотни миллионов нуклеотидов. Такая точность не может быть обеспечена одним только лишь правилом комплементарности нуклеотидов (обеспечивающим точность 1:10000-1:100000).

Репликационный аппарат имеет собственные механизмы «поддержания точности» копирования генетической информации. Этими функциями обладают все ДНК-полимеразы. Модель структуры и функциональных участков (на примере ДНК-полимеразы I) показана на рисунке.

Она имеет три зоны активности- полимеризующую в направлении 5'-3', и экозонуклеазные в направлениях 5'-3' и 3'-5'. Области активности разделены пространственно. Вперед (по ходу продвижения полимеразы по матричной цепи ДНК) обращена зона 5'-3' экзонуклеазной активности.

Она служит для удаления попадающихся на пути РНК-овых праймеров (затравок). Далее идет собственно синтетическая зона и наконец, зона с экзонуклеазной активностью в направлении 3'-5'.

С этой зоной связана так называемая PROOF-READING активность (способность узнавать неправильно встроенные нуклеотиды) и исправлять их вырезанием ряда уже встроенных нуклеотидов. Для этого молекула ДНК-полимеразы смещается (не отсоединяясь от ДНК-овой матрицы) к месту синтеза и последовательно вырезает нуклеотиды, после чего возобновляется нормальный синтез. Репликация вирусных ДНК. Механизм репликации вирусных молекул ДНК.

В процессе репликации вновь синтезированные цепи получаются короче на несколько десятков нуклеотидов вследствие того, что содержали РНК-овый праймер (затравку), впоследствии удаленный. Однако, получение более коротких копий является совершенно недопустимым в процессе репликации явлением.

Положение исправляется при помощи так называемых теломераз. Теломераза, содержащая в себе последовательность нуклеотидов, за несколько приемов удлиняет укороченную цепь, создавая пространство для работы примазы и ДНК-полимеразы, после чего избытки нуклеотидов удаляются: Репликация вирусных ДНК. Механизм репликации вирусных молекул ДНК.

Воздействие на организм неблагоприятных факторов (химические соединения, ультрафиолет и др.

) приводит к постоянному накоплению ошибок в геноме, которые, в конечном итоге, вызывают появление патологии, в частности, невыясненный до сих пор механизм раковых заболеваний.

Пока лишь существуют только предположения о том, что причиной раковых заболеваний являются дефекты в носителях информации- ДНК.

ТРАНСКРИПЦИЯ

Транскрипция- синтез молекул РНК на основании информации, записанной в ДНК. Осуществляется в ядрах при участии ДНК-зависимых РНК-полимераз, существующих в типах I, II и III (в порядке выхода в гель-хроматографии). РНК-полимеразы I синтезируют рибосомальные РНК в нуклеолях. РНК-полимеразы II синтезируют матричные и вирусные РНК.

РНК-полимеразы III синтезируют транспортные РНК.

В процессе транскрипции копируется не вся информация с ДНК, а только выборочная, часто отрезками. Сигналом для присоединения полимеразы служат так называемые промотеры, в районе которого (35 нуклеотидных пар до и 10 пар после него) и присоединяется РНК-полимераза.

Происходит разделение цепей ДНК и начинается синтез молекулы РНК в направлении 5'-3', только на одной из цепей. При этом по месту тиминовых нуклеотидов комплементарной цепи встают уридиловые нуклеотиды. Весь комплекс передвигается по молекуле ДНК, пока не будет закончен синтез требуемого участка РНК.

ДНК с «отсканированной» информацией репарирует, ассоциируя в двунитевые молекулы. Репликация вирусных ДНК. Механизм репликации вирусных молекул ДНК. РНК-полимераза II очень чувствительна к некоторым соединениям, изменяющим ее активность. Так, сродство к альфа-аманитину (компонент грибного яда) составляет KL=10-8-10-9 M. Таким образом, аманитин является сильнейшим ингибитором РНК-полимеразы II, в результате при отравлении белой поганкой вначале развивается расстройство желудочно-кишечного тракта, а через 48 часов наступает смерть в результате тяжелого поражения печени, вследствие прекращения синтеза требуемых белков (нет РНК). Терапия при этой патологии отсутствует, за исключением пересадки печени.

Возбудитель туберкулеза Micobacterium tuberculosis (точнее, его РНК-полимераза) весьма чувствителен к антибиотику РИФАМПИЦИНУ, в то время как человеческая РНК-полимераза к нему мало чувствительна. На этом свойстве рифампицина основано его использование в терапии туберкулеза.

  • Молекулы РНК очень часто претерпевают посттранскрипционную модификацию, заключающуюся в удалении участков построенной цепи. Наглядно это можно проследить на примере синтеза молекулы транспортной РНК: Репликация вирусных ДНК. Механизм репликации вирусных молекул ДНК.
  • ВЕРНУТЬСЯ НА НАЧАЛЬНУЮ СТРАНИЦУ
  • ВЕРНУТЬСЯ НА НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
  • СЕКВЕНИРОВАНИЕ ДНК
  • РЕКОМБИНАНТНЫЕ ДНК
  • ЭКСПРЕССИЯ ДНК В ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Процесс репликации ДНК

Информация, записанная в ДНК, должна быть не только реализована в процессе развития клеток и организмов, но и в полном объеме передана следующему поколению. С этой целью перед делением клетки в ней осуществляется процесс репликации, т.е. удвоения количества ДНК.

Информация о механизме репликации содержится в самой ДНК: одни гены кодируют ферменты, синтезирующие предшественники ДНК — нуклеотиды, другие — ферменты, обеспечивающие соединение активированных нуклеотидов в единую цепочку. Механизм репликации был впервые постулирован Дж. Уотсоном и Ф.

Криком, которые отмечали, что комплементарность цепей ДНК наводит на мысль, что эта молекула может удваивать саму себя. Они предположили, что для удвоения необходим разрыв водородных связей и расхождение цепей, каждая из которых играет роль матрицы при синтезе комплементарной цепи.

В результате одного акта удвоения образуются две двунитиевые молекулы ДНК, в каждой из которых имеется одна материнская нить и одна новая (см. рис.).

Репликация вирусных ДНК. Механизм репликации вирусных молекул ДНК.

Полуконсервативная репликация ДНК

Механизм получил название полуконсервативной репликации. Позже матричная природа и постулированный принцип репликации ДНК были подтверждены многочисленными экспериментальными данными.

Репликация ДНК начинается в специфических точках хромосомы — сайтах инициации репликации (origin). Процесс репликации обслуживается большим количеством ферментов. Наиболее полно изучен аппарат репликации бактериальной ДНК, особенно E. coli.

Функцию расплетания молекулы ДНК у прокариот выполняют специфические ферменты геликазы, которые используют для работы энергию гидролиза АТФ до АДФ. Они часто функционируют в составе белкового комплекса, осуществляющего перемещение вилки и репликацию расплетенных нитей. Удерживают нити ДНК от воссоединения другие специфические белки, связывающиеся с одноцепочечными участками.

Эти участки, разошедшиеся в разные стороны, образуют характерную структуру — репликативную вилку (вилку Кернса). Это — та часть молекулы ДНК, в которой в данный момент осуществляется синтез новой цепи. В продвижении вилки большую роль играет белок гираза, относящийся к разряду топологических изомераз. Он обнаружен только у бактерий.

Читайте также:  Операция Lucius Hill - задняя гастропексия. Задняя гастропексия по Hill.

Гираза — это релаксирующий фермент, который, производя двунитиевые разрывы, снимает положительные (перед вилкой) и способствует образованию отрицательных (сзади вилки) супервитков в релаксированной ДНК.

Каждая цепь материнской ДНК служит матрицей для синтеза дочерних молекул. На одной цепи синтез осуществляется непрерывно в направлении от 5' к 3' концу. Эта цепь называется лидирующей.

Вторая цепь с противоположной направленностью, называемая отстающей, синтезируется в виде отдельных фрагментов, которые затем сшиваются лигазами в непрерывную молекулу. Фрагменты названы по имени американского ученого Р. Оказаки, впервые постулировавшего такой способ синтеза ДНК, фрагментами Оказаки.

В ходе синтеза репликативная вилка перемещается вдоль матрицы, и при этом новые участки ДНК последовательно расплетаются до тех пор, пока вилка не дойдет до точки окончания синтеза (точка терминации).

Схема репликации ДНК у Escherihia coli

Репликация вирусных ДНК. Механизм репликации вирусных молекул ДНК.

Синтез новой цепи ДНК требует затравки в виде небольшого фрагмента РНК, т.к. ведущий его фермент ДНК-полимераза для работы нуждается в свободной 3'OH группе. У прокариот обнаружены три разных ДНК-полимеразы с аналогичными функциями, обозначаемые как polI, polII и polIII. Наиболее полно изучена ДНК-полимераза I.

Она представляет собой одиночный полипептид с мультифункциональной активностью (полимеразной, 3' → 5' экзонуклеазной и 5' → 3' экзонуклеазной). Синтез затравки (праймера) осуществляет фермент праймаза, который иногда входит в состав комплекса — праймосомы из 15-20 белков, активирующих матрицу. Затравка состоит из 10-60 рибонуклеотидов.

После того как ключевой фермент синтеза ДНК у E. coli  — polIII — присоединяет к затравке первые дезоксирибонуклеотиды, она удаляется с помощью polI, обладающей 3' → 5' экзонуклеазной активностью, т.е. способностью отщеплять концевые нуклеотиды с 3'-конца цепи. Затравка синтезируется также и в отстающей цепи в начале каждого фрагмента Оказаки.

Ее отщепление, а также удлинение фрагментов, синтезированных polIII, осуществляет polI. Роль polII в репликации ДНК E. coli до сих пор не совсем ясна.

Схема разных механизмов репликации ДНК у бактерий, эукариот и бактериофагов

Репликация вирусных ДНК. Механизм репликации вирусных молекул ДНК.

При репликации ДНК эукариот процесс репликации осложняется присутствием в составе хромосом белков. Чтобы расплести ДНК, необходимо разрушить сильно конденсированный комплекс ДНК и гистонов, а после репликации вновь осуществить компактизацию дочерних молекул. Раскручивание ДНК вызывает суперспирализацию участков, расположенных рядом с репликационной вилкой.

Для снятия возникающего напряжения и свободного продвижения вилки здесь работают специфические ферменты релаксации — топоизомеразы. В различных организмах идентифицированы два типа топоизомераз: I и II типов.

Они изменяют степень сверхспирализации и тип сверхспирали, производя разрывы в одной (топоизомеразы I типа) или обеих цепях ДНК (топоизомеразы II типа), и устраняют риск спутывания нитей ДНК.

Репликация бактериальной ДНК является двунаправленным процессом с одним сайтом инициации. В отличие от этого хромосома эукариот состоит из отдельных участков репликации — репликонов и имеет много сайтов инициации. Репликоны могут реплицироваться в разное время и с разной скоростью.

Скорость репликации ДНК в эукариотических клетках значительно ниже, чем в прокариотических. У E. coli скорость приблизительно равна 1500 п.н. в секунду, у эукариот — 10-100 п.н. в секунду. Двуцепочечные кольцевые ДНК некоторых вирусов реплицируются по типу катящегося кольца.

В этом случае одна цепь ДНК надрезается в одном месте специфическим ферментом и к образовавшемуся свободному 3'ОН-концу с помощью фермента polIII начинают присоединяться нуклеотиды. Матрицей служит внутренняя кольцевая молекула.

Надрезанная цепь при этом вытесняется, а затем удваивается по типу отстающей цепи E. coli с образованием фрагментов, которые сшиваются лигазами.

другие статьи темы 6 «Молекулярные основы наследственности»:

 Вопросы и задания по теме «Молекулярные основы наследственности»

Перейти к чтению других тем книги «Генетика и селекция. Теория. Задания. Ответы»:

Заключительные стадии репродукции вирусов. Сборка и выход вирусов из клетки

Лекция 6

РЕПЛИКАЦИЯ

Репликацией называется синтез молекул нуклеиновой кислоты, гомологичных геному. В клетке происходит репликация ДНК, в результате которой образуются дочерние двунитчатые ДНК. Репликация происходит на расплетенных участках ДНК и идет одновременно на обеих нитях от 5'-конца к З'-концу.

Поскольку две нити ДНК имеют противоположную полярность, а участок репликации («вилка») движется в одном направлении, одна цепь строится в обратном направлении отдельными фрагментами, которые назы­ваются фрагментами Оказаки (по имени ученого, впервые предложившего такую модель).

После синтеза фрагменты Оказаки «сшиваются» лигазой в единую нить.

Репликация ДНК осуществляется ДНК-полимеразами. Для начала репликации необходим предварительный синтез короткого участка РНК на матрице ДНК, который называется затравкой. С затравки начинается синтез нити ДНК, после чего РНК быстро удаляется с растущего участка.

Репликация вирусных ДНК. Репликация генома ДНК-содержащих вирусов в основном катализируется клеточными фрагментами и механизм ее сходен с механизмом репли­кации клеточной ДНК.

Каждая вновь синтезирован­ная молекула ДНК состоит из одной родительской и одной вновь синтезированной нити. Та­кой механизм репликации назы­вается полуконсервативным.

У вирусов, содержащих коль­цевые двунитчатые ДНК (паповавирусы), разрезается одна из нитей ДНК, что ведёт к раскру­чиванию и снятию супервитков на определенном участке моле­кулы.

При репликации однонитчатых ДНК (семейство парвовирусов) происходит образование двунитчатых форм, которые представляют собой промежуточные репликативные формы.

Репликация вирусных РНК. В клетке нет ферментов, спо­собных осуществить репликацию РНК. Поэтому ферменты, участ­вующие в репликации, всегда вирусспецифические. Реплика­цию осуществляет тот же фер­мент, что и транскрипцию; репликаза является либо модифи­цированной транскриптазой, ли­бо при репликации соответствующим образом модифицируется матрица.

Репликация однонитчатых РНК осуществляется в два этапа: вначале синтезируются комплементарные геному нити, которые в свою очередь становятся матрицами для синтеза копий генома. У «минус-нитевых» вирусов первый этап репликации — образование комплементарных нитей сходен с процессом транскрипции.

Однако между ними есть существенное отличие: если при транскрипции считываются определенные участки генома, то при репли­кации считывается весь геном. Например, иРНК парамиксовирусов и рабдовирусов являются короткими молеку­лами, комплементарными разным участкам генома, а иРНК вируса гриппа на 20—30 нуклеотидов короче каждого фрагмента генома.

В то же время матрицы для репликации являются полной комплементарной последовательностью генома и называются антигеномом. В зараженных клетках существует механизм переклю­чения транскрипции на репликацию.

У «минус-нитевых» вирусов этот механизм обусловлен маскировкой точек терминации транскрипции на матрице генома, в результате чего происходит сквозное считывание генома. Точки терминации маскируются одним из вирусных белков.

При репликации растущая «плюс-нить» вытесняет ранее синтезированную «плюс-нить» либо двухспиральная матри­ца консервируется. Более распространен первый механизм репликации.

Репликативные комплексы. Поскольку образующиеся нити ДНК и РНК некоторое время остаются связанными с матрицей, в зараженной клетке формируются реплика­тивные комплексы, в которых осуществляется весь процесс репликации (а в ряде случаев также и транскрипции) генома.

Репликативный комплекс содержит геном, репликазу и связанные с матрицей вновь синтезированные цепи нуклеиновых кислот. Вновь синтезированные геномные молекулы немедленно ассоциируются с вирусными белками, поэтому в репликативных комплексах обнару­живаются антигены.

В процессе репликации возникает частично двунитчатая структура с однонитчатыми «хвоста­ми», так называемый репликативный предшественник (РП).

Репликативные комплексы ассоциированы с клеточ­ными структурами либо с предсуществующими, либо вирусиндуцируемыми.

Например, репликативные комплек­сы пикорнавирусов ассоциированы с мембранами эндоплазматической сети, вирусов оспы — с цитоплазматическим матриксом, репликативные комплексы аденовирусов и вирусов герпеса в ядрах находятся в ассоциации со вновь сформированными волокнистыми структурами и связаны с ядерными мембранами. В зараженных клетках может происходить усиленная пролиферация клеточных структур, с которыми связаны репликативные комплексы, или их формирование из предсуществующего материала. Напри­мер, в клетках, зараженных пикорнавирусами, происходит пролиферация гладких мембран. В клетках, зараженных реовирусами, наблюдается скопление микротрубочек; в клетках, зараженных вирусами оспы, происходит формиро­вание цитоплазматического матрикса.

Репликация вирусных ДНК. Механизм репликации вирусных молекул ДНК.

В репликативных комплексах одновременно с синтезом геномных молекул осуществляется транскрипция и происходит сборка нуклеокапсидов и сердцевин, а при некоторых инфекциях — и вирусных частиц.

О сложной структуре репликативных комплексов говорит, например, такой состав репликативного комплекса аденовирусов: реплицирующиеся ДНК, однонитчатые ДНК, однонитчатые РНК, ферменты репликации и транскрипции, структурные и неструктурные вирусные белки и ряд клеточных белков.

Регуляция репликации. Вновь образованная молекула геномной РНК может быть использована различным образом.

Она может ассоциироваться с капсидными белками и войти в состав вириона, служить матрицей для синтеза новых геномных молекул, либо — для об­разования иРНК, наконец, у «плюс-нитевых» вирусов она может выполнять функции иРНК и связываться с рибосомами. В клетке существуют механизмы, регу­лирующие использование геномных молекул.

Регуляция идет по принципу саморегуляции и реализуется путем взаимодействия вирусных РНК и белков благодаря возможности белокнуклеинового и белок-белкового узнавания. Например, роль терминального белка пикорнавирусов заключается в запрещении трансляции иРНК и отборе молекул для формирования вирионов.

Белок, связывающийся с 5'-концом геномной РНК, в свою очередь узнается капсидными белками и служит сигналом для сборки вирусной частицы с участием данной молекулы РНК.

По тому же принципу отбираются геномные молекулы РНК у «минус-нитевых» вирусов: к З'-концу геномных РНК присоединяется молекула капсидного вирусного белка, к которой подстраиваются другие белковые субъединицы в результате белок-белкового узнавания, и такая молекула РНК войдет в состав вириона или послужит матрицей для репликации. Для переключения ее на транскрипцию должен возникнуть запрет белок-нуклеинового взаимодействия. В репликации ДНК аденовирусов участвует молекула белка, которая связывается с концом вирусной ДНК и необходима для начала репликации. Таким образом, для начала репликации необходим синтез вирусных белков: в при­сутствии ингибиторов белкового синтеза отсутствует переключение транскрипции на репликацию.

Читайте также:  Сопротивление дыхательных путей. Сопротивление легких. Воздушный поток. Ламинарный поток. Турбулентный поток.

СБОРКА ВИРУСНЫХ ЧАСТИЦ

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: аденовирусы, паповавирусы, парвовирусы, вирусы герпеса.

Вирусы, реплицирующиеся в цитоплазме, называют цитоплазматическими. К ним относятся из ДНК-содержащих вирус оспы и большинство РНК-содержащих вирусов, за исключением ортомиксовирусов 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 дисъюнктивном 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, солевых 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 специфичеческих белокбелковых взаимодействий или неспецифиче­ских белокнуклеиновых взаимодействий.

В связи с разнообразием структуры вирусов животных разнообразны и способы формирования вирионов, однако можно сформулировать следующие общие принципы сборки.

1. У просто устроенных вирусов формируются провирионы, которые затем в результате модификаций белков превращаются в вирионы. У сложно устроенных вирусов сборка осуществляется многоступенчато. Сначала форми­руются нуклеокапсиды или сердцевины, с которыми взаимодействуют белки наружных оболочек.

2. Сборка сложно устроенных вирусов (за исключе­нием сборки вирусов оспы и реовирусов) осуществляется на клеточных мембранах. Сборка ядерных вирусов проис­ходит с участием ядерных мембран, сборка цитоплазматических вирусов — с участием мембран эндоплазматической сети или плазматической мембраны, куда независимо друг от друга прибывают все компоненты вирусной части­цы.

3. У ряда сложно устроенных вирусов существуют специальные гидрофобные белки, выполняющие функции посредников между сформированными нуклеокапсидами и вирусными оболочками. Такими белками являются матриксные белки у ряда «минус-нитевых» вирусов (ортомиксовирусов, парамиксовирусов, рабдовирусов).

4. Сборка нуклеокапсидов, сердцевин, провирионов и вирионов происходит не во внутриклеточной жидкости, а в специальных структурах, предсуществующих в клетке или индуцированных вирусом («фабриках»).

5.

Сложно устроенные вирусы для построения своих частиц используют ряд элементов клетки-хозяина, например липиды, некоторые ферменты, у ДНК-геномного SV40 — гистоны, у оболочечных РНК-геномных виру­сов — актин, а в составе ареновирусов обнаружены даже рибосомы. Клеточные молекулы несут определенные функции в вирусной частице, однако включение их в вирион может явиться и следствием случайной контами­нации, как, например, включение ряда ферментов клеточ­ных оболочек или клеточных нуклеиновых кислот.

Сборка РНК-содержащих вирусов. Сборка просто устроенных РНК-содержащих вирусов заключается в ассоциации вирусного генома с вирусными капсидными белками с образованием нуклеокапсида.

У сложно устроенных РНК-содержащих вирусов про­цессы сборки нуклеокапсидов, сердцевин и зрелых вирио­нов обычно разобщены.

Нуклеокапсиды мигрируют к месту сборки вирусных частиц — плазматической мембране (или мембранам эндоплазматическои сети) и упорядочение выстраиваются под участками мембран, с наружной стороны которых уже встроены вирусные суперкапсидные белки.

Сборка заключается в том, что участки, содержащие гликопротеиды с примыкающими к ним нуклеокапсидами, постепенно выпячиваются через модифицированную клеточную мембрану. В результате выпячивания образуется «почка», содержащая нуклеокапсид и оболочку с суперкапсидными белками.

«Почка» отделяется от клеточной мембраны с образо­ванием свободной вирусной частицы. Такой способ формирования вирусных частиц называется почкованием.

Почкование может происходить через плазматическую мембрану клетки в наружную среду, как у ортомиксови­русов, парамиксовирусов, рабдовирусов и альфа-вирусов, либо через мембраны эндоплазматическои сети в вакуоли, как у аренавирусов и буньявирусов, В основе выпячивания почки через мембрану лежат обычные клеточные процессы, направленные на отторже­ние непригодного для клетки материала и обновление мембран. Участок будущей почки содержит фиксирован­ный нуклеокапсид, ассоциированный с суперкапсидными белками, но движение мембранных липидов продолжается в силу их текучести, липиды обволакивают будущую почку и вместе с ними из «почки» вытесняются клеточные мембранные белки. В результате этого движения проис­ходит выбухание «почки» над клеточной мембраной. Механизм образования «почки» объясняет, почему в составе почкующихся вирусов не содержится клеточных мембранных белков.

Все вирусные компоненты — нуклеокапсиды и супер­капсидные белки прибывают к месту сборки незави­симо друг от друга. Первыми к месту сборки прибывают суперкапсидные белки.

Обычно этими белками являются гликопротеиды, которые синтезируются в полисомах, связанных с мембранами, и через шероховатые, а затем гладкие мембраны в результате слияния с ними везикул комплекса Гольджи транспортируются на наружную поверхность плазматических мембран или остаются в составе везикул.

Включение гликопротеидов в определенные зоны кле­точных мембран приводит к модификациям мембран. Нуклеокапсид узнает эти участки и подходит к ним с внутренней стороны липидного бислоя.

Узнавание осу­ществляется с помощью одного из двух механизмов, 1) нуклеокапсид взаимодействует с участком гликопротеида, пронизывающим клеточную мембрану и вышедшим на ее внутреннюю поверхность.

Такой ме­ханизм имеет место у альфа-вирусов; гидрофобный фраг­мент гликопротеида Е1 проникает через липидный слой на его внутреннюю поверхность, и с этим фрагментом связываются нуклеокапсиды, которые позже войдут в сос­тав «почки»; 2) в сборку вовлекается еще один вирус­ный белок, являющийся медиатором сборки, который назы­вается мембранным, или матриксным белком. М-белок синтезируется на свободных полисомах, но сразу после синтеза встраивается в клеточные мембраны с внутрен­ней цитоплазматической стороны липидного бислоя. Этот белок в высокой степени гидрофобен и поэтому способен к белок-белковым и белоклипидным взаимодействиям.

Включение М-белка в клеточные мембраны является сигналом для сборки вирусной частицы: вслед за включе­нием немедленно следует связывание нуклеокапсидов с мембранами и почкование вирусной частицы. Тем самым М-белок обладает функцией лимитирующего сборку фактора.

Сборка ДНК-содержащих вирусов. В сборке ДНК-содержащих вирусов есть некоторые отличия от сборки РНК-содержащих вирусов.

Как и у РНК-содержащих вирусов, сборка ДНК-содержащих вирусов является мно­гоступенчатым процессом с образованием промежуточных форм, отличающихся от зрелых вирионов по составу по­липептидов.

Первый этап сборки заключается в ассоциа­ции ДНК с внутренними белками и формировании сердце­вин или нуклеокапсидов. При этом ДНК соединяется с предварительно сформированными «пустыми» капсидами.

В результате связывания ДНК с капсидами появляет­ся новый класс промежуточных форм, которые называют­ся неполными формами.

Помимо неполных форм с раз­ным содержанием ДНК, существует другая промежуточ­ная форма в морфогенезе — незрелые вирионы, отличаю­щиеся от зрелых тем, что содержат ненарезанные пред­шественники полипептидов.

Таким образом, морфогенез вирусов тесно связан с модификацией (процессингом) белков.

Сборка ядерных вирусов начинается в ядре, обычно — с ассоциации с ядерной мембраной.

Формирующиеся в ядре промежуточные формы вируса герпеса почкуются в перинуклеарное пространство через внутреннюю ядерную мембрану, и вирус приобретает таким путем оболочку, которая является дериватом ядерной мембраны.

Дальней­шая достройка и созревание вирионов происходит в мем­бранах эндоплазматической сети и в аппарате Гольджи, откуда вирус в составе цитоплазматических везикул транс­портируется на клеточную поверхность.

У непочкующихся липидсодержащих вирусов — виру­сов оспы сборка вирионов происходит в уже описанных цитоплазматических вирусных «фабриках». Липидная обо­лочка вирусов в «фабриках» формируется из клеточных липидов путем автономной самосборки, поэтому липидный состав оболочек значительно отличается от состава липи­дов в клеточных мембранах.

ВЫХОД ВИРУСНЫХ ЧАСТИЦ ИЗ КЛЕТКИ

Существуют два способа выхода вирусного потомства из клетки: 1) путем «взрыва»; 2) путем почкования.

Выход из клетки путем взрыва связан с деструкцией клетки, нарушением ее целостности, в результате чего находящиеся внутри клетки зрелые вирусные частицы ока­зываются в окружающей среде.

Такой способ выхода из клетки присущ вирусам, не содержащим липопротеидной оболочки (пикорна-, рео-, парво-, папова-, аденовирусы).

Однако некоторые из этих вирусов могут транспортиро­ваться на клеточную поверхность до гибели клетки.

Выход из клеток путем почкования присущ вирусам, содержащим липопротеидную мембрану, которая является дериватом клеточных мембран. При этом способе клетка может длительное время сохранять жизнеспособность и продуцировать вирусное потомство, пока не произойдет полное истощение ее ресурсов.

Биология. 11 класс

Клеточный цикл.Все новые клетки образуются путем деления уже существующих. Этот принцип, как уже отмечалось, сформулировал Р. Вирхов еще в середине XIX в.

Деление клеток обеспечивает непрерывность существования жизни на нашей планете. Именно благодаря ему осуществляются различные способы бесполого и полового размножения организмов.

В основе процессов роста, регенерации и индивидуального развития многоклеточных организмов также лежит деление клеток.

Период существования клетки от момента ее образования из материнской клетки до собственного деления (включая это деление) или гибели называется клеточным циклом.

Продолжительность клеточного цикла у разных организмов и различных клеток в составе одного организма варьирует. Так, у бактерий в благоприятных условиях он длится примерно 20 мин.

Короткие клеточные циклы (30—60 мин) характерны для бластомеров рыб и земноводных на этапе дробления, в то время как у млекопитающих промежуток времени между делениями бластомеров может достигать 10 ч и более.

У взрослых мышей клетки кишечного эпителия делятся каждые 11—22 ч, а роговицы глаза — приблизительно один раз в трое суток. Для регулярно делящихся клеток многоклеточных организмов длительность клеточного цикла обычно составляет 12—36 ч.

Читайте также:  Специфические источники кровотечения. Дуоденальная язва. Постбульбарная дуоденальная язва.

Репликация вирусных ДНК. Механизм репликации вирусных молекул ДНК.Клеточный цикл состоит из интерфазы и деления клетки (рис. 16.1). Интерфаза — это часть клеточного цикла между двумя последовательными делениями. Как правило, она занимает больше времени, чем само деление. Рассмотрим основные периоды интерфазы на примере эукариотической клетки.

Пресинтетический, или G1-период (от англ. gap — промежуток), начинается с момента образования новой клетки в результате деления материнской. Обычно это самый длительный период интерфазы и клеточного цикла в целом.

В течение G1-периода молодая клетка интенсивно растет, в ней увеличивается количество органоидов и синтезируются различные соединения, необходимые для протекания процессов жизнедеятельности.

В том числе образуются вещества, которые будут нужны для последующего удвоения молекул ДНК.

Вы уже знаете, что набор хромосом обозначают как n: например, 1n  — гаплоидный набор, 2n — диплоидный. Набор молекул ДНК в клетках принято записывать с помощью буквы с.

Из § 14 вам известно, что каждая хроматида содержит одну молекулу ДНК, т. е. количество молекул ДНК и хроматид в составе хромосом всегда совпадает.

Таким образом, записи типа 1с, 2с, 4с отражают содержание в клетках не только молекул ДНК, но и соответствующих хроматид.

В пресинтетическом периоде каждая хромосома состоит из одной хроматиды. Следовательно, в G1-периоде число хромосом (n) и хроматид (с) в клетке одинаковое. Набор хромосом и хроматид диплоидной клетки в G1-периоде клеточного цикла можно выразить записью 2n2c.

В синтетическом, или S-периоде (от англ. synthesis — синтез), происходит удвоение молекул ДНК — репликация, а также удвоение центриолей клеточного центра (в тех клетках, где он имеется).

После завершения репликации каждая хромосома состоит уже из двух идентичных сестринских хроматид, которые соединены друг с другом в области центромеры. Количество хроматид в каждой паре гомологичных хромосом становится равным четырем.

Таким образом, набор хромосом и хроматид диплоидной клетки в конце S-периода (т. е. после репликации) выражается записью 2n4c.

Постсинтетический, или G2-период, продолжается от окончания синтеза ДНК (репликации) до начала деления клетки.

В это время клетка активно запасает энергию и синтезирует белки для предстоящего деления (например, белок тубулин для построения микротрубочек, образующих впоследствии веретено деления).

В течение всего G2-периода набор хромосом и хроматид в клетке остается неизменным — 2n4c.

Итак, интерфаза обычно включает три периода: пресинтетический (G1), синтетический (S) и постсинтетический (G2). На протяжении всей интерфазы хромосомы не спирализованы. Они располагаются в ядре клетки в виде хроматина.

После завершения интерфазы начинается деление клетки. Основным способом деления клеток эукариот является митоз, поэтому данный этап клеточного цикла обозначают как М-период. При митозе происходит спирализация хроматина.

Это приводит к формированию компактных двухроматидных хромосом. После этого сестринские хроматиды каждой хромосомы отделяются друг от друга и затем попадают в разные дочерние клетки.

Значит, дочерние клетки, образовавшиеся в результате митоза и вступающие в новый клеточный цикл, имеют набор 2n2c.

Обобщенная информация об основных периодах клеточного цикла представлена в таблице 16.1.

Таблица 16.1. Основные периоды клеточного цикла

Период Содержание наследственного материала в диплоидной клетке Краткая характеристика
Интерфаза Пресинтетический (G1) 2n2c Рост клетки, образование органоидов, подготовка к репликации
Синтетический (S) 2n2c (в начале) → 2n4c (в конце) Репликация ДНК, удвоение центриолей клеточного центра
Постсинтетический (G2) 2n4c Завершение подготовки к делению
Митоз (М) 2n4c (в материнской клетке) → 2n2c (в каждой дочерней клетке) Деление клетки на две дочерние

Некоторые клетки многоклеточных организмов, образовавшиеся при митозе, проходят далее G1-, S- и G2-периоды интерфазы и снова вступают в митоз. Это характерно, например, для клеток покровных эпителиев (росткового слоя эпидермиса кожи, эпителия желудочно-кишечного тракта и др.), красного костного мозга, образовательных тканей растений.

В  отличие от них многие клетки после прохождения части G1-периода вступают в так называемый период покоя, или G0-период.

Клетки, находящиеся в G0-периоде, выполняют свои функции в организме, однако в них не происходит подготовка к репликации.

Это свойственно, прежде всего, высокоспециализированным клеткам — нейронам, клеткам сердечной мышцы, хрусталика глаза и др. Такие клетки, как правило, навсегда утрачивают способность к делению.

Однако некоторые клетки, пребывающие в G0-периоде (например, клетки печени, эндокринных желез, лейкоциты), сохраняют способность к выходу из периода покоя, продолжению клеточного цикла и последующему делению. Такое явление наблюдается, например, при повреждении органа, в состав которого данные клетки входят.

*Прохождение клетками определенных этапов клеточного цикла регулируется целым рядом механизмов. На протекание цикла влияют как внеклеточные сигналы (для одноклеточных организмов это действие факторов внешней среды, для многоклеточных — главным образом БАВ: гормоны, цитокины и др.), так и внутриклеточные.

Важную роль в осуществлении контроля клеточного цикла играют белки циклины. Содержание тех или иных циклинов в клетках закономерно изменяется по мере прохождения определенных периодов цикла.

Нарушение механизмов регуляции клеточного цикла может приводить к неконтролируемому размножению клеток, что является причиной образования опухолей.

В клеточном цикле существуют так называемые контрольные точки. Если клетка проходит такую точку, она продолжает «движение» по клеточному циклу. Если же какие-либо причины мешают клетке пройти через контрольную точку, то клеточный цикл останавливается. Следующей фазы цикла не наступает до устранения препятствий, которые не позволили клетке пройти контрольную точку.

Известны как минимум четыре контрольные точки клеточного цикла. Так, в конце G1-периода происходит проверка ДНК на наличие повреждений перед вступлением в S-период. При непрохождении этой точки, как правило, запускается процесс устранения повреждений — репарация ДНК (от лат.

reparatio — восстановление). Следующий контроль осуществляется в конце S-периода — проверяется полнота репликации ДНК. В G2-периоде ДНК снова проверяется на наличие повреждений и завершенность репликации.

Наконец в ходе митоза осуществляется контроль прикрепления ко всем хромосомам нитей веретена деления.*

Репликация вирусных нуклеиновых кислот

В зависимости от типа генетического материала (ДНК или РНК), образование дочерних копий геномов протекает по-разному.

У ДНК-содержащих вирусов, как в прокариотических, так и в эукариотических клетках, репликация вирусной ДНК происходит при участии клеточной ДНК-зависимой ДНК-полимеразы.

При этом у однонитевых ДНК- содержащих вирусов сначала образуется комплементарная нить, — так называемая репликативная форма, которая служит матрицей для дочерних молекул ДНК.

Репликация вирусных РНК, как минус, так и плюс-нитей, осуществляется через репликативную форму РНК (комплементарную исходной), синтез которой обеспечивает РНК-зависимая РНК-полимераза. Это геномный белок, который есть у всех РНК-овых вирусов.

Исключение составляют ретровирусы, их +РНК служит матрицей для синтеза ДНК. Синтез ДНК на матрице РНК осуществляет вирусная РНК-зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза), необходимая для переписывания информации с РНК на ДНК.

Синтезируемая вирусная ДНК интегрируется в клеточный геном в форме ДНК-провируса.

Репликативная форма РНК минус-нитевых вирусов (плюс нить) служит не только матрицей для синтеза дочерних молекул вирусной РНК (минус нитей), но и выполняет функции и-РНК, т.е. идет на рибосомы и обеспечивает синтез вирусных белков (трансляция).

Репликация однонитевых РНК вирусов. Репликация протекает в два этапа: первый включает образование матрицы, комплементарной геному; второй — образование копий РНК с этой матрицы. При репликации +РНК-вирусов количество копий -РНК (на матрице родительской нити +РНК) строго контролируется, а количество копий +РНК (с матрицы синтезированной нити -РНК) не контролируется.

Репликация двухнитевых РНК вирусов. В качестве матрицы для синтеза +РНК вирусные репликазы используют минус-нить РНК и наоборот. Часть молекул -РНК соединяется с +РНК и образует двухнитевую молекулу РНК, а другая часть молекул -РНК функционирует как матрица для синтеза мРНК.

_________________________________________ добавка от Заикиной. Я не сравнивала содержание

3) У ДНК-содержащих вирусов, как в прокариотических, так и в эукариотических клетках, репликация вирусной ДНК происходит при участии клеточной ДНК-зависимой ДНК-полимеразы.

При этом у однонитевых ДНК-содержащих вирусов сначала образуется комплементарная нить, так называемая репликативная форма, которая служит матрицей для дочерних молекул ДНК. При участии ДНК-зависимой РНК-полимеразы синтезируются и-РНК, которые поступают на рибосомы клетки, где и синтезируются вирусспецифические белки. У двунитевых ДНК-содержащих вирусов, геном которых транскрибируется в цитоплазме клетки хозяин. Вирусы, геномы которых транскрибируются в ядре клетки, используют содержащуюся там клеточную ДНК-зависимую РНК-полимеразу.

Репликация вирусных РНК, как минус, так и плюс-нитей, осуществляется через репликативную форму РНК (комплементарную исходной), синтез которой обеспечивает РНК-зависимая РНК-полимераза. Репликативная форма РНК минус-нитевых вирусов (плюс нить) служит не только матрицей для синтеза дочерних молекул вирусной РНК (минус нитей), но и выполняет функции и-РНК.

У плюс-нитевых РНК-содержащих вирусов функцию трансляции выполняют ее копии, синтез которых осуществляется через репликативную форму (минус нить) при участии вирусных РНК-зависимых РНК-полимераз. У некоторых РНК-содержащих вирусов имеется совершенно уникальный механизм транскрипции.

Он обеспечивается специфическим вирусным ферментом — ревертазой (обратной транскриптазой), и называется обратной транскрипцией. Суть ее состоит в том, что в начале на матрице вирусной РНК при участии обратной транскриптазы образуется транскрипт, представляющий собой одну нить ДНК.

На нем с помощью клеточной ДНК-зависимой ДНК-полимеразы синтезируется вторая нить и формируется двунитевой ДНК-транскрипт. С него обычным путем через образование и-РНК происходит реализация информации вирусного генома.

Результатом описанных процессов репликации, транскрипции и трансляции является образование дочерних молекул вирусной нуклеиновой кислоты и вирусных белков, закодированных в геноме вируса. После этого наступает третий, заключительный период взаимодействия вируса и клетки.

Из структурных компонентов на мембранах цитоплазматического ретикулюма клетки собираются новые вирионы. Вновь сформировавшиеся вирионы пассивно или активно покидают клетку и оказываются в окружающей ее среде. Таким образом, синтез вирусных нуклеиновых кислот и белков и сборка новых вирионов происходят в определенной последовательности и в разных структурах клетки в связи с чем способ репродукции вирусов и был назван дисъюнктивным.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector