— Если у вирусов есть только нуклеиновая кислота и немного защитного белка, то как же они размножаются?
— В этом главная загадка вирусов. Полное отсутствие ферментов, необходимых для синтеза белков и нуклеиновых кислот! А потомство воспроизводится с необычайной быстротой.
— Как же совместить несовместимое?
— Чтобы понять, нужно увидеть. Вирусологи затратили на это 15 лет.
Известно, что в клетках растений или животных наследственные функции несет дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), а рибонуклеиновые кислоты (РНК) выполняют чисто вспомогательные. Однако у многих вирусов ДНК вообще отсутствует, геном состоит из молекулы РНК, причем не только в однонитевой, но и в двунитевой форме, чего нет у других живых существ на земле.
Простота организации вируса подтверждается небольшим количеством генетического вещества, а следовательно, и заключенного в нем объема генетической информации по сравнению с клеткой-хозяином, в которой вирус размножается и которую подчиняет своим потребностям.
Создается явное противоречие: вирус, имея объем генетической информации, в тысячу раз меньший, чем сложно организованная клетка, никогда не оказывается в подчиненном положении, а, наоборот, почти всегда побеждает. Это противоречит всем известным канонам. Понять это можно, лишь предположив, что у вирусов есть какие-то решающие преимущества перед клетками, позволяющие легко их завоевывать и обращать в своеобразное рабство.
До открытия мира вирусов длительные наблюдения за различными микробами и любыми одноклеточными организмами позволили установить, что все они размножаются совершенно одинаково: путем непрерывного, обычно прямого деления, когда из одной клетки образуются две, из них — четыре и так далее.
В течение многих десятилетий процесс размножения вирусов объясняли по аналогии с привычным и так хорошо изученным размножением у бактерий. Непонятной оставалась лишь огромная быстрота, с которой он идет.
Если бы число вирионов увеличивалось даже с наибольшей скоростью, доступной для бактериальной клетки, то есть три деления в час, потомство вируса проделало бы за три часа девять последовательных делений и составило бы всего тысячу частиц. Однако факты не укладывались в эти расчеты, и приходилось допустить, что каждое деление вируса на две дочерние частицы происходит не через 20 минут, а несоизмеримо быстрее.
Первым, кто подсчитал, сколько же вирусных частиц образуется в ходе размножения, был английский вирусолог К. Эндрюс. Заражая бактериофагами культуру бактерий, он установил, что одна частица бактериофага размножается в 100 тысяч раз быстрее бактерии, давая уже через три часа потомство в 100 миллионов частиц. Какого-либо объяснения для столь небывало быстрого темпа размножения вирусов никто в то время предложить не мог.
Решением этого интересного вопроса занялись многие ведущие вирусологи мира. Вначале установили, что вирион не разделяется на две дочерние частицы, как это происходит со всеми известными на земле клеточными формами. Далее выяснилось, что вирусы вообще не делятся и что у них есть свой особый механизм размножения, отличный от всех остальных живых существ. Оказалось, что каждая вирусная частица сразу же «рождает» потомство в количестве от ста до тысячи и более новых вирионов.
Во всех странах мира ученые в одиночку и целыми коллективами вкладывали свою лепту в познание невидимых процессов, происходивших внутри клеток буквально на молекулярном уровне. В итоге этих обширных исследований удалось составить достаточно четкую схему последовательных этапов размножения, или, как чаще говорят, репродукции вирусов.
Все начинается с избирательной адсорбции вируса на особых рецепторах, расположенных на поверхности клеток. После этого некоторые вирусы, обладающие специальным ферментом проникновения, способным растворить клеточную оболочку (например, нейраминидаза вируса гриппа), внедряются внутрь, другие же клетка поглощает сама, приняв их за вполне съедобный белок.
Проникнув внутрь клетки, вирус исчезает в прямом смысле этого слова, и никакими самыми чувствительными методами не удается обнаружить в клетке ни цельной частицы, ни отдельных ее компонентов. Ученые даже назвали эту стадию размножения вируса эклипсом, что соответствует русскому слову «затмение».
Разгадка этого парадокса получена совсем недавно. Оказалось, что в стадии эклипса вирусная частица распадается на белок и нуклеиновую кислоту. Такое «раздевание» вируса, как это ни странно, производит сама клетка с помощью ферментов. Они реагируют на проникший вирус как на кусочек белковой пищи и стараются его растворить и переварить.
Все основные события последующих часов, определяющие сущность процесса размножения вирусов, связаны не с белковым компонентом вируса, а с нуклеиновой кислотой. Именно она определяет весь ход дальнейшего размножения вирусов.
В нормальных условиях жизнь клетки регулируется деятельностью ее собственных нуклеиновых кислот, руководящих синтезом клеточных белков и других химических соединений. В хромосомах клетки содержатся многочисленные молекулы ДНК. Длинная молекула этой кислоты по своему строению несколько похожа на велосипедную цепь, закрученную в пространстве в виде спирали. Наследственная информация клетки о структуре всех без исключения белков, входящих в ее состав, записана в огромной полимерной нити, в двойной спирали молекулы ДНК. Она хранится в клеточном ядре.
Каждое звено цепочки ДНК — своеобразная ячейка, группа из трех генов, которая называется «оперон», так как она производит операцию выдачи заложенной в ней информации. Ведь каждый ген служит носителем какой-то определенной наследственной информации. В одном из генов содержится информация о структуре и последовательности подбора молекулярных кирпичиков для синтеза строго определенной белковой молекулы, или молекулы фермента, или молекулы новой нуклеиновой кислоты. Два других играют роли включателя и выключателя процесса считывания информации, заложенной в первом гене.
В нужный момент оперон получает импульс, поступивший от включающего гена-оператора. Происходит выдача информации, заложенной в ячейке и необходимой для синтеза новых молекул белка или нуклеиновой кислоты. С участков ДНК снимаются копии, чертежи поменьше. Это молекулы информационных РНК (иРНК). Они двигаются из ядра в цитоплазму, где находятся рибосомы — своеобразные станки по производству белка. В каждой клетке много тысяч рибосом. Диаметры каждой 200—300 ангстрем, а молекулярный вес 2—5 миллионов дальтон.
Из нескольких рибосом информационная РНК. формирует так называемый полисомный комплекс, своеобразную матрицу, на которой, как в типографии с набранного шрифта, начинается отпечатывание (репликация) новых копий белковых молекул. Транспортные РНК (тРНК) подвозят к рибосоме строительные блоки — аминокислоты. Находящиеся на рибосомах иРНК (они крупнее тРНК) служат шаблоном, определяющим последовательность стыковки друг за другом каждой из привезенных аминокислот. Каждая тРНК присоединяется к определенному участку иРНК. Так вдоль всей молекулы иРНК в соответствии с заложенным в ней кодом выстраиваются молекулы тРНК с аминокислотами. В рибосоме эти аминокислотные блоки сшиваются друг с другом, их цепочка полимеризуется в молекулу белка.
Одна молекула белка собирается на рибосоме за 20—30 секунд. Когда синтезируется достаточное количество таких молекул, в процесс вступает ген-регулятор. Он дает сигнал, участок ДНК, ведающий синтезом одного из белков, выключается и не функционирует до тех пор, пока в клетке опять не возникнет потребность в этом белке.
Следовательно, в хромосоме здоровой клетки все участки ДНК работают по принципу «включено» — «выключено», непрестанно регулируя количество и набор синтезируемых белков, необходимых клетке в каждый момент ее жизнедеятельности. Основа всех нормальных процессов клеточного синтеза заключается в том, что они контролируются и направляются информацией, передаваемой как бы по конвейеру от ядерной ДНК к исполнительной (информационной) РНК клеток.