Из этой главы вы узнаете, как удалось измерить вирусы, определить их химический состав, строение и внешний вид.
Химический состав вирусов
О нуклеиновых кислотах и белках школьники узнают на уроках биологии в старших классах, а ведь именно из них построены вирусы.
Нуклеиновые кислоты подразделяют на рибонуклеиновые (сокращенно — РНК) и дезоксирибонуклеиновые (сокращенно — ДНК). Они состоят из большого числа оснований, называемых нуклеотидами. В состав РНК входят урацил, гуанин, аденин, цитозин. В состав ДНК вместо урацила входит тимин. Важная особенность нуклеиновых кислот — комплементарность (взаимная дополняемость) их оснований. Это зависит от того, как при определенной ориентации в пространстве основания взаимодействуют между собой. При этом аденин всегда взаимодействует с урацилом или тимином, а гуанин — с цитозином.
Нуклеиновые кислоты — наиболее важная часть вирусной частицы. Важно знать, что если клетки человека, животных, растений и бактерий всегда содержат обе нуклеиновые кислоты, то в состав вирусов, в отличие от них, входит лишь одна нуклеиновая кислота. Именно поэтому их делят на две большие группы: ДНК-содержащие и РНК-содержащие.
Небольшое отступление. Любопытно, что на модели вирусов природа попробовала все четыре возможные формы нуклеиновых кислот: однонитчатую и двунитчатую РНК, однонитчатую и двунитчатую ДНК. Такого разнообразия не знают другие формы жизни — их генетический аппарат всегда состоит из двунитчатой ДНК, а однонитчатой РНК отведена роль источника и переносчика информации. Таким образом, природа с помощью вирусов нашла наиболее совершенную форму хранения генетической информации и создала уникальный способ ее воспроизводства (ДНК — РНК — белок), которым осталась верна в течение миллиардов лет эволюции.
Размеры молекулы нуклеиновой кислоты вирусов колеблются в широких пределах: так, молекулярная масса РНК самых мелких вирусов не превышает 1 млн дальтон, а ДНК наиболее крупных вирусов имеет молекулярную массу около 250 млн дальтон. Если в первом примере геном вируса содержит всего 3000 нуклеотидов, то во втором их уже 750 тыс.
Количество ДНК или РНК в составе различных вирусов варьирует в весьма широких пределах. Так, вирус гриппа содержит около 1% РНК, а остальные 99% приходятся на долю белка; в вирусе табачной мозаики количество РНК составляет 6%, в вирусе полиомиелита — 24%, а в некоторых бактериофагах содержание ДНК достигает 50%.
Белки. Еще сложнее устроен второй обязательный компонент вирусной частицы — белок — высокомолекулярное соединение, состоящее из низкомолекулярных частей, называемых аминокислотами. Всего известно 20 аминокислот. Это как будто немного. Между тем они-то и создают все разнообразие белков в природе.
А сколько белковых нитей можно составить из 20 аминокислот? Несложный математический подсчет количества возможных сочетаний из 20 даст весьма внушительную цифру. Даже не знаю, как назвать это число, равное 243 000 000 000 000 000! Но если учесть, что каждая из 20 аминокислот входит в состав существующих в природе белков не один, а несколько раз, то становится ясно, что количество возможных сочетаний практически бесконечно. И каждый такой вариант — это белок со строго определенными свойствами! Более того, доказано, что замена (или перемещение) в молекуле белка хотя бы одной аминокислоты приводит к заметному изменению свойств новообразованного белка.
Каким же образом обеспечивается правильный синтез белков, кто дает приказ на производство белка именно с данной аминокислотной последовательностью? Эта великая тайна жизни была раскрыта в начале 1960‐х гг., когда было установлено существование генетического кода, зашифрованного в структуре ДНК. Каждые три последовательных нуклеотида называются триплетом. Простой расчет показывает, что из различных комбинаций нуклеотидов можно получить 64 разных триплета, а это означает, что каждая из 20 аминокислот имеет в среднем три кодирующих ее триплета. Триплеты в молекуле нуклеиновой кислоты и аминокислотные остатки в молекуле белка расположены линейно, поэтому последовательность триплетов определяет последовательность аминокислотных остатков и тем самым строение белка. Чтобы расшифровать генетический код, необходимо перенести код с четырехбуквенного нуклеинового алфавита (четыре вида нуклеотидов) на двадцатибуквенный белковый алфавит (20 аминокислот).
Ученые долго считали, что наследственная информация находится в белках. Лишь к середине ХХ в. классическими экспериментами с помощью радиоактивных изотопов было однозначно доказано, что только ДНК служит носителем генетической информации. О сущности этих экспериментов будет рассказано в главе 4.
В целом вирусы устроены весьма целесообразно — каждый компонент вирусной частицы, как мы увидим в дальнейшем, выполняет определенные и весьма сложные функции. Нуклеиновая кислота (геном) находится в центре частицы и защищена белковой оболочкой, как бы одета в нее. Эта «одежда» состоит из однотипных белковых молекул, уложенных определенным образом. Более сложно устроенные вирусы, кроме белков и нуклеиновых кислот, содержат углеводы, жироподобные вещества (липиды) и ферменты.
Попробуем сравнить объем генетической информации вируса с объемом генетической информации, содержащейся в обычной клетке млекопитающего. Масса генома вируса полиомиелита составляет 5×10–15 мг, а масса генома клетки — 5×10–9 мг. Это означает, что нуклеиновая кислота вируса содержит лишь одну миллионную долю генетической информации, содержащейся в клетке! Это все равно что сравнивать горошину с небоскребом. А ведь вирус полиомиелита не самый мелкий в царстве вирусов, есть и поменьше! Но самое парадоксальное, что при встрече такого ничтожного существа, как вирусы, с такой сложнейшей системой, как клетки, победа часто остается за вирусом!