33 подписчика

Жизненный цикл ВИЧ. Как вирус проникает в клетку? Как происходит его размножение (репликация)?

11 марта 201911 мар 2019

720

9 мин

Кто такие вирусы?

Вирус — это простейшая форма жизни. Некоторые ученые считают, что вирусы назвать живыми можно только с натяжкой. Но есть бесспорное доказательство принадлежности вирусов к живой природе — их способность размножаться.

Среди вирусов есть две большие группы. Первая группа вирусов способна размножаться самостоятельно, так как обладает генетической памятью в виде ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Таким вирусам нужно лишь найти источник нужного материала, который они преобразуют в новые вирусы. Этот материал они обычно находят в клетках человека, разрушая их.

Ко второй группе, в которую входит и ВИЧ, относятся вирусы, имеющие генетическую информацию лишь в форме РНК (рибонуклеиновая кислота), что не дает им возможности самостоятельного размножения. Для размножения ВИЧ требуется чья-либо ДНК, в которую он внедрит свою генную информацию. После этого клетка, которой принадлежит ДНК, начинает работать как «фабрика» по производству вирусов. В конце концов, истощившись, она погибает.

Строение ВИЧ

ВИЧ имеет очень простое строение. Он состоит из двух оболочек (внешней и внутренней), спиралей РНК и специальных ферментов, участвующих в процессе репликации (размножения) вируса.

Внешняя оболочка предназначена для присоединения вируса к будущей клетке-жертве. Для этого на ее поверхности есть специальные белки, которыми, как крючками, вирус цепляется за нужные ему клетки нашего организма. После этого другие белки, располагающиеся на поверхности внешней оболочки, разрывают поверхность клетки и впрыскивают внутрь внутреннюю оболочку вируса.

Внутренняя оболочка имеет форму капсида — конуса с усеченной вершиной. Ее так и назвали — капсид. Капсид содержит спирали РНК вируса и набор ферментов для репликации. Цель капсида — доставить все это в ядро клетки. После проникновения в клетку капсид дрейфует к ее ядру и внедряет туда РНК и ферменты.

РНК — как магнитофонная лента с записью, не вставленная в кассету. То есть информация записана, а воспроизвести ее нет возможности. Такой кассетой и станет ДНК клетки.

Существуют три фермента, которые участвуют в процессе размножения ВИЧ: обратная транскриптаза (ревертаза), Интеграза и протеаза. Задача этих ферментов — внедрить вирусную информацию в ДНК клетки и поддержать процесс выработки новых вирусов.

Для того чтобы вставить пленку в кассету, ее нужно свернуть определенным образом. Именно это и делает ревертаза. Она превращает пару спиралей РНК в ДНК-подобную структуру, сворачивая их друг с другом.

Интеграза выбивает из ДНК клетки центральную часть и заполняет ее место скрученными РНК вируса. То, что происходит с клеткой, можно сравнить с подменой чертежей в слесарном цехе: вроде все работает, как и раньше, но продукция получается совершенно другая. Вместо того, что клетка производила до заражения, она начинает производить составные части для новых вирусов.

Третий фермент — протеаза — отвечает за то, чтобы собрать из произведенных кусочков новые вирусы, которые отправятся на поиск новых клеток и постараются заставить их производить все новые и новые копии ВИЧ.

В каких клетках предпочитает «селиться» вирус?

Вирус иммунодефицита может проникать в различные клетки организма человека, но в одних клетках он способен только находиться, а другие использует для репликации. Важно знать, что для своего размножения ВИЧ использует клетки нашей иммунной системы. Эти клетки называются CD 4 клетки, или Т-4хелперы.

Давайте рассмотрим жизненный цикл вируса. Проще говоря, разберёмся, что происходит с вирусом иммунодефицита человека после его попадания в кровь. Зная особенности жизненного цикла ВИЧ, в последующем будет проще понять механизм действия антиретровирусных препаратов.

Жизненный цикл ВИЧ. Как вирус проникает в клетку? Как происходит его размножение (репликация)?

Жизненный цикл ВИЧ после проникновения в организм носит последовательный характер:

связывание вириона с поверхностью клетки,
слияние мембран вириона и клетки,
проникновение вируса внутрь клетки,
высвобождение нуклеотида и геномной РНК вируса,
интеграция генома вируса в геном инфицированной клетки,
латентная фаза,
фаза активации транскрипции с ДНК провируса и последующая транскрипция белков вируса,
наработка всех компонентов вируса с формированием новых вирионов и их высвобождением из клетки, влекущим за собой гибель клетки‑мишени.

Как известно, ВИЧ состоит из оболочки, под которой находятся две молекулы РНК, фермент под названием обратная транскриптаза (p66), а также ферменты интеграза (p32) и протеаза (p11). На поверхности вируса, помимо прочего, располагаются молекулы-рецепторы – gp120. Это гликопротеиды – сложные комплексы, состоящие из белкового и углеводного компонентов. Когда ВИЧ встречается с лимфоцитом, вирусные молекулы gp120 химически связываются с молекулами-рецепторами CD4, расположенными на поверхности лимфоцита (см. рисунок 1, 2). Кроме CD4-рецептора, для связывания ВИЧ с лимфоцитом необходим ещё один рецептор (корецептор) – CCR5, который также находится на поверхности лимфоцита и связывается с вирусным gp120 (см. рисунок 3).

Рисунок 2 - Вирусный гликопротеид gp120 взаимодействует с CD4-рецептором

Рисунок 3 - Вирусный гликопротеид gp120 взаимодействует с корецептором CCR5

Как только ВИЧ связался с клеткой (T-лимфоцитом), начинается его слияние с мембраной клетки для того, чтобы проникнуть внутрь. В процессе слияния вируса с клеткой важную роль играет вирусный гликопротеид gp41, который цепляется за клетку и как бы притягивает оболочку вируса и клеточную мембрану друг к другу (см. рисунок 4). В итоге, оболочка вируса сливается с мембраной клетки (см. рисунок 5) и вирусные молекулы РНК, вместе с обратной транскриптазой, протеазой и интегразой, попадают в клетку.

Рисунок 4 - Вирусный гликопротеид gp41 цепляется за мембрану клетки и притягивает к ней ВИЧ

Итак, носителем генетической информации ВИЧ является молекула РНК, в то время как у подавляющего большинства организмов, в том числе и у человека, носителем генетической информации является ДНК. ВИЧ, проникнув в клетку человека, помимо собственных ферментов, использует также ресурсы самой клетки для того, чтобы размножиться. Однако, человеческая клетка способна считывать наследственную информацию только с ДНК. Поэтому, с помощью обратной транскриптазы, ВИЧ создаёт молекулу ДНК на основе своей РНК. Происходит как бы переписывание генетической информации с РНК на ДНК. Чтобы понять, что представляет собой процесс создания ДНК на основе РНК, рассмотрим вкратце строение данных молекул.

Итак, любая молекула ДНК состоит из четырёх типов нуклеотидов – аденина (А), гуанина (Г), тимина (Т) и цитозина (Ц), чередующихся друг с другом в определённом порядке и формирующих длинную цепь. В молекуле РНК нуклеотид тимин отсутствует, а вместо него присутствует другой нуклеотид – урацил (У). Молекула РНК ВИЧ состоит из более чем 9000 нуклеотидов. Причём молекула РНК ВИЧ состоит из одной цепи, а ДНК, в которой хранится генетическая информация у человека (и у других организмов), состоит из двух цепей. С помощью обратной транскриптазы, на основе молекулы РНК ВИЧ создаётся молекула ДНК, которая несёт генетическую информацию вируса. Происходит это так: возле каждого нуклеотида РНК встаёт нуклеотид будущей ДНК. Так возникают пары. Причём пары формируются таким образом, что нуклеотид А соседствует с Т (или с У), а нуклеотид Г соседствует с Ц. После построения одной цепи ДНК, начинается построение второй – в результате образуется двухцепочечная молекула ДНК ВИЧ (см. рисунок 6).

Рисунок 6 - Сверху вниз: синтез ДНК ВИЧ с участием обратной транскриптазы; отделение цепей ДНК ВИЧ и РНК ВИЧ друг от друга; синтез двухцепочечной ДНК ВИЧ

Когда ДНК ВИЧ, созданная на основе РНК ВИЧ, полностью готова, она отправляется в ядро клетки, где встраивается в ДНК этой клетки. Доставка ДНК ВИЧ в ядро клетки, а также непосредственно встраивание (интеграция) вирусной ДНК в ДНК клетки происходит с помощью фермента интегразы. Итак, сразу после синтеза вирусной молекулы ДНК, к ней присоединяется интеграза – формируется так называемый преинтеграционный комплекс. Затем интеграза модифицирует ДНК ВИЧ, а именно удаляет по два нуклеотида с обоих концов ДНК (см. рисунок 7). Это необходимо для того, чтобы ДНК ВИЧ смогла встроиться в ДНК клетки. Затем следует так называемый этап переноса цепи интегразой: ДНК ВИЧ доставляется в ядро, где интеграза связывается с молекулой ДНК клетки и интегрирует в неё вирусную ДНК (см. рисунок 8). В том месте, где происходит интеграция, возникают разрывы молекулы ДНК клетки. Эти разрывы восстанавливаются (репарируются) уже с помощью собственных ферментов клетки. Таким образом, вирусная ДНК становится частью ДНК клетки (CD4-лимфоцита).

Рисунок 7 - Интергаза удаляет короткие динуклеотидные участки с концов молекулы ДНК ВИЧ

Рисунок 8 - Сверху вниз: интеграза встраивает ДНК ВИЧ в геном клетки; клеточная РНК-полимераза синтезирует молекулу РНК ВИЧ

Итак, гены вируса становятся частью генома T-лимфоцита (CD4-лимфоцита). После этого уже сама клетка (T-лимфоцит) начинает производить копии вирусной РНК, а также вирусные белки. Происходит это так: вначале на основе генов вируса (вирусной ДНК, встроенной в ДНК клетки) образуется большое количество вирусных РНК. Этот процесс называется транскрипция и происходит аналогично тому, как до этого на основе РНК ВИЧ образовалась ДНК ВИЧ, только как бы в обратном направлении (теперь на основе ДНК образуются молекулы РНК). Данный процесс протекает уже под действием фермента самой клетки – РНК-полимеразы (см. рисунок 8).

Вирусные молекулы РНК несут информацию о свойствах ВИЧ, а именно – о структуре белков, из которых состоит его оболочка, а также о структуре вирусных ферментов (обратной транскриптазы, интегразы, протеазы). На основе этой информации в клетке синтезируются (образуются) компоненты оболочки вируса и вирусные ферменты. Этот процесс называется трансляцией, и происходит он при участии клеточной рибосомы (см. рисунок 9). В процессе трансляции образуются крупные молекулы структурных белков ВИЧ, которые затем разделяются на более мелкие с помощью вирусного фермента протеазы (см. рисунок 10). Таким образом, протеаза ВИЧ принимает участие в «созревании» вирусных белков. Из вновь синтезированных белков и молекул РНК формируются новые вирионы (вирусы). Таким образом, ВИЧ, попав в клетку, размножается.

Рисунок 9 - Рибосома считывает информацию с РНК ВИЧ и синтезирует вирусный белок

Рисунок 10 - Протеаза разрезает вновь синтезированную молекулу белка ВИЧ на более мелкие фрагменты

Репликация вируса иммунодефицита в клетке

Новые вирусы в дальнейшем покидают клетку. Каждый отдельный вирус (вирион), покидая клетку, захватывает с собой часть клеточной мембраны. В итоге, внешняя оболочка вируса, вышедшего из клетки, включает в себя, в том числе, компоненты мембраны этой клетки. В результате клетка разрушается и погибает. Поскольку ВИЧ поражает преимущественно T-лимфоциты, содержащие на своей поверхности CD4-рецепторы, то у человека, инфицированного вирусом иммунодефицита человека, количество этих лимфоцитов постепенно снижается, вплоть до практически полного их исчезновения. Снижение количества иммунных CD4-клеток приводит к СПИДу, характеризующемуся тем, что организм становится крайне уязвимым к большому количеству инфекций. Причём инфекции при СПИДе часто могут вызываться теми микроорганизмами (бактериями, вирусами, грибами), которые для людей с нормальным иммунитетом вообще не представляют опасности.

⠀

Подписывайтесь на нас:

⠀

Источники использованные при написании статьи:

https://vk.com/vichnemif

https://ru.wikipedia.org/wiki/

https://studopedia.ru/

Материал по теме: