Строение и классификация вирусов: схема и группы

Вирусы - это неклеточные формы жизни, которые занимают пограничное положение между живой и неживой материей: вне клетки-хозяина они представляют собой инертную частицу, а внутри неё превращаются в активную систему, перехватывающую биосинтез клетки. Чтобы разобраться в их многообразии, важно понять две вещи: из каких элементов собран сам вирус (строение вириона) и по какому признаку вирусы делят на группы (классификация). Ниже разберём, что такое капсид, нуклеокапсид и оболочка, как устроена самая удобная для студентов классификация по Балтимору, чем отличаются ДНК и РНК вирусы и где чаще всего теряют баллы на экзамене. Чтобы сразу связать тип генома с группой и строением, покрутите калькулятор ниже: он по нескольким признакам определяет класс вируса, рисует схему вириона и оценивает, сколько белков кодирует геном такой длины.

Из чего состоит вирус: строение вириона

Внеклеточная форма вируса называется вирионом. В отличие от клетки, у вириона нет ни цитоплазмы, ни органелл, ни собственного аппарата синтеза белка - это компактная транспортная упаковка для генетического материала. Минимальный набор элементов любого вириона включает всего две части:

• Нуклеиновая кислота - геном вируса, носитель наследственной информации. Это либо ДНК, либо РНК, но никогда не обе сразу. Именно это правило (одна кислота на вирус) лежит в основе классификации.
• Капсид - белковая оболочка, которая защищает геном от разрушения и помогает прикрепиться к клетке. Капсид собран из повторяющихся белковых субъединиц - капсомеров. Комплекс капсида с заключённой в нём нуклеиновой кислотой называют нуклеокапсидом.

Рассчитать для своей задачи

У части вирусов поверх капсида есть дополнительная липидная оболочка (суперкапсид) - фрагмент мембраны клетки-хозяина, в который встроены вирусные белки-шипы (гликопротеины). По этому признаку все вирусы делят на оболочечные (например, вирус гриппа, ВИЧ, коронавирус) и безоболочечные, или голые (например, аденовирус, полиовирус). Оболочка облегчает проникновение в клетку, но делает вирион уязвимым: спирт и мыло разрушают липидную мембрану, поэтому оболочечные вирусы менее устойчивы во внешней среде.

Типы симметрии капсида

Капсомеры укладываются не хаотично, а по строгим геометрическим правилам, поэтому у капсидов выделяют несколько типов симметрии:

• Икосаэдрическая (кубическая) - капсид имеет форму многогранника с 20 гранями и 12 вершинами. Это самый экономичный способ замкнуть оболочку из одинаковых субъединиц, поэтому он встречается чаще всего (аденовирусы, герпесвирусы).
• Спиральная (винтовая) - капсомеры закручены в спираль вокруг нити нуклеиновой кислоты, образуя палочку или нить (вирус табачной мозаики, вирус бешенства).
• Сложная (комбинированная) - сочетает разные элементы; классический пример - бактериофаг с икосаэдрической головкой и спиральным хвостом-отростком.

Рассчитать для своей задачи

Тип симметрии и наличие оболочки - это морфологические признаки. Они удобны для описания, но не подходят для строгой классификации: вирусы с одинаковой формой капсида могут иметь совершенно разные геномы и стратегии размножения. Поэтому современная систематика опирается прежде всего на устройство генома.

Классификация вирусов по Балтимору

Самая удобная для понимания механизма размножения - классификация, предложенная нобелевским лауреатом Дэвидом Балтимором. В её основе один вопрос: как вирус приходит к синтезу матричной РНК (мРНК), с которой рибосомы клетки считывают вирусные белки. Поскольку рибосома умеет читать только (+)-смысловую мРНК, путь к ней у разных вирусов разный - и этот путь однозначно определяется устройством генома. Классификация делит все вирусы на семь групп по четырём признакам: тип кислоты (ДНК или РНК), число цепей (одно- или двуцепочечная), смысл цепи РНК ((+) или (−)) и наличие фермента обратной транскриптазы.

Логика проста. Если геном - это уже (+)-РНК (группа IV), он сам работает как мРНК и сразу транслируется. Если это (−)-РНК (группа V), вирус несёт с собой фермент, чтобы переписать её в (+)-копию. ДНК-вирусы (группы I и II) сначала транскрибируют ДНК в мРНК. А группы VI и VII выделяются наличием обратной транскриптазы - фермента, который синтезирует ДНК на матрице РНК, нарушая обычное направление потока информации. Калькулятор выше воспроизводит ровно эту логику: выбирая признаки, вы видите, в какую из семи групп попадает вирус.

Чем отличаются ДНК и РНК вирусы

Тип нуклеиновой кислоты влияет не только на номер группы, но и на биологию вируса. ДНК-вирусы обычно несут более крупный и стабильный геном: фермент, копирующий ДНК, умеет исправлять ошибки, поэтому такие вирусы мутируют медленнее. РНК-вирусы копируются ферментами без коррекции ошибок, поэтому накапливают мутации быстро - именно поэтому вирусы гриппа и коронавирусы дают новые штаммы, под которые приходится обновлять вакцины.

Размер генома задаёт и кодирующую ёмкость вируса. Грубая оценка: на один белок приходится около 1000 нуклеотидов (примерно 333 аминокислоты). Поэтому крошечный цирковирус с геномом менее 2 тысяч нуклеотидов кодирует буквально пару белков, а гигантский мимивирус с геномом более миллиона нуклеотидов - больше тысячи. Эту зависимость показывает ползунок длины генома в калькуляторе: сдвигая его, вы видите оценку числа белков и место вашего вируса на шкале реальных геномов.

Другие способы классификации

Помимо системы Балтимора, вирусы классифицируют и по другим признакам, которые полезно знать для полноты ответа:

• По хозяину - вирусы животных, растений, грибов и бактерий (бактериофаги).
• По типу симметрии и наличию оболочки - морфологическая классификация, описанная выше.
• Таксономическая (ICTV) - официальная иерархия Международного комитета по таксономии вирусов: порядок, семейство (окончание -viridae), род (-virus), вид. Например, SARS-CoV-2 относится к семейству Coronaviridae.

Эти классификации не противоречат, а дополняют друг друга: одну и ту же частицу можно одновременно описать как (+)-оцРНК-вирус по Балтимору, оболочечный икосаэдрический вирус по морфологии и представителя семейства Coronaviridae по таксономии ICTV.

Частые ошибки

• Утверждение, что вирус содержит и ДНК, и РНК. В вирионе всегда только одна нуклеиновая кислота. Исключение - стадия размножения, где у ретровирусов временно появляется ДНК-копия РНК-генома.
• Путаница капсида и оболочки. Капсид есть у всех вирусов, он белковый. Липидная оболочка есть только у части вирусов и происходит из мембраны клетки-хозяина.
• Смешение смысла (+) и (−) РНК. (+)-РНК сама служит матрицей для трансляции, (−)-РНК сначала переписывается в (+)-копию ферментом, который вирус приносит с собой.
• Зачисление всех РНК-вирусов в одну группу. РНК-вирусы занимают группы III, IV, V и VI - они различаются по числу цепей, смыслу и наличию обратной транскриптазы.
• Отнесение вирусов к царствам клеточных организмов. Вирусы не входят ни в одно царство клеточной жизни; они неклеточные формы и выделяются в отдельную систематику.

FAQ

Чем вирион отличается от вируса? Вирион - это конкретная внеклеточная частица: нуклеиновая кислота в капсиде (иногда с оболочкой). Термин вирус шире и включает все формы существования, в том числе внутриклеточную стадию размножения, когда отдельной частицы уже нет.

Сколько всего групп вирусов по классификации Балтимора? Семь групп (I-VII). Деление идёт по типу нуклеиновой кислоты, числу цепей, смыслу РНК и наличию обратной транскриптазы. Каждая группа отвечает своему пути синтеза матричной РНК.

Почему РНК-вирусы мутируют быстрее ДНК-вирусов? Ферменты, копирующие РНК, не исправляют ошибки репликации, тогда как ДНК-полимеразы обладают корректирующей активностью. Поэтому в РНК-геноме мутации накапливаются быстрее, что даёт новые штаммы гриппа и коронавируса.

Коротко

Вирион состоит из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК, но не обеих) и защитного белкового капсида из капсомеров; у части вирусов поверх есть липидная оболочка с шипами. Морфологически вирусы различают по типу симметрии капсида и наличию оболочки, но строгая классификация по Балтимору делит их на семь групп по устройству генома и пути к синтезу мРНК. Тип кислоты задаёт стабильность генома, а его длина - число кодируемых белков, что и сводит вместе калькулятор выше.