Особенности симметрического строения вирусов

При возникновении трудностей с пониманием строения вирусов следует убедиться, что школьники помнят из курса биологии 9-го класса о строении белков и нуклеиновых кислот. Поскольку вирион представляет собой нуклеиновую кислоту (ДНК или РНК), окруженную преимущественно белками, могут возникнуть следующие вопросы:- каким образом происходит формирование симметрично организованного капсида вокруг нуклеиновой кислоты? - почему вирусы имеют именно симметрическое строение?- в чем особенности симметрического строения вирусов?- какое значение имеет симметрическое строение? - чем удобно такое строение для вирусов? - как симметрическое строение помогает вирусам выживать и размножаться, каковы эволюционные преимущества такого строения?Сборка вирусных компонентов в корпускулярную частицу является сложным процессом, и в ее основе лежит самопроизвольный механизм белок-нуклеиновой сборки. Начинается она с формирования нуклеокапсидов (сердцевин).Информация для сборки оболочки вируса заключена в самом строении его субъединиц (капсидов), которые могут быть соединены в пространственную структуру только строго определенным образом [7]. Каждый белок имеет свою уникальную геометрию, и может соединяться с нуклеиновой кислотой и другими белками только определенным способом (как детали конструктора).Очевидно, что если все субъединицы одинаковые, то и созданная ими структура будет симметричной(аналогиясформированием кристаллов).Так, наиболее изученный процесс самосборки ВТМ с позиций симметрийного подхода можно интерпретировать следующим образом. Вирус ВТМ представляет собой единственную молекулу нити РНК, заключенную в оболочку. Каждый белок оболочки во внутренней части спирали связывает три нуклеотида гена РНК(рис. 5). Рис. 5 Сборка ВТМСимметричное строение удобно не только тем, что для построения вириона необходимы одинаковые белки, для синтеза которых нужен минимум генетической информации, но и тем, что оно обусловлено процессом самосборки вируса.Можно привести простой пример для облегчения понимания принципа самосборки. Представим группу людей, которые медленно произвольно передвигаются в комнате, вытянув руки горизонтально перед собой. Если одна из рук кого-либо коснется плеча другого человека (в положении лицом друг к другу), они оба должны положить руку на соответствующее плечо партнера и продолжать двигаться парой на тех же условиях. При этом возникают пары либо замкнутые, либо открытые, и открытые пары будут продолжать находить себе партнеров, что в конечном счете приведет к образованию цепочки (рис. 6).→Рис. 6. Наглядный пример самосборки симметричной структуры.Поэтому при проникновении в клетку вирусу достаточно запуститьтолько процесс синтеза НК и белков (за счет ресурсов клетки-хозяина), а формирование новых вирионов происходит само собой, и очень быстро. Капсид собирается из ограниченного числа вариантовбелковых субъединиц, и построение их в симметричную структуру является наиболее рациональным и экономичным. Так, симметричная икосаэдрическая форма вириона придает ему определенные физические свойства (устойчивость, прочность, угловая жесткость) что обеспечивает защиту вируса от воздействий внешней среды.Какое же преимущество дало симметрическое строение вирусам с эволюционной точки зрения? В процессе эволюции шел отбор таких молекул, агрегация которых автоматически приводила бы к построению все более биологически целесообразных структур. Вариации сочетания различных аминокислот и их последовательности в белках обеспечивает любые необходимые вариации их свойств. Эволюция вирусов шла в направлении отбора белковых молекул, способных к быстрой ассоциации в симметричные структуры, что минимизировало затраты на обеспечение разнообразия капсидных белков, упрощало механизм сборки, обеспечивало быструю сборку устойчивых капсидов, защищающих вирусов от влияния внешней среды. Это дало вирусам эволюционное преимущество. Таким образом, определенные трудности у школьников при изучении особенностей симметрического строения вирусов могут вызвать такие вопросы, как роль симметрического строения в самоорганизации и самосборке вирусов, а также эволюционное значение симметричности. Для облегчения понимания темы следует использовать наглядные изображения строения вирусов.5. Макет плаката по симметрии вирусовОСОБЕННОСТИ СИММЕТРИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ВИРУСОВЗаключениеБольшинство вирусов с любым типом структуры (с различной симметрией нуклеокапсида и вириона) можно рассматривать как нанобиочастицы, которые построены из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и нескольких типов повторяющихся молекул белка, которые образуют правильно упорядоченные структуры, даже кристаллы.Значение симметричного строения вирусов в том, что он позволяет им осуществлять в клетке при размножении «самосборку», напоминающую рост кристалла, что значительно ускоряет процесс размножения вирусов. Это дало вирусом эволюционное преимущество, сделав их самыми распространенными живыми существами на Земле. Дальнейшие исследования строения и функциональных особенностей вирусов позволят не только находить эффективные меры профилактики и лечения вирусных заболеваний, но и открывает новые перспективы нанотехнологий. Так, присущие вирусам механизмы самосборки вирионов сталипринципиально новым направлением для конструирования вирусоподобных частиц с полезными свойствами (например, адресная доставка лекарств).ЛитератураЖданов В. М. Место вирусововобиосфере/ Жданов В.М., Львов Д.К., Забережный А.Д.// Вопросыовирусологии. 2012. №S1. – С. 21-32Кучумова, Н.А. Изучение темы «вирусы» в школьной курсе биологии / Кучумова Н.А. // Методика обучения дисциплин естественнонаучного цикла: проблемы и перспективы материалы XVII Всероссийской научно-практ. конф.– . 2018. С. 102-104.Макаров В. В. Гирусы / В.В. Макаров, В.М. Бондаренко// БОНЦ УрО РАН. 2012. №2. – С. 4.Сорокин, Б.П. Симметрияов науке, техникеои технологиях. Принцип симметрииов живой и неживойоприроде / Б.П. Сорокин, Т.П. Сорокина // Вестник КрасГАУ. 2006. №10. – С. 276-280.Теоретические и практические основы общей микробиологии / Лыков И.Н., Шестакова Г.А. - Калуга, 2002. -212 сУрываев Л.В. Вирусы как объекты и инструменты нанобиотехнологий / Л.В, Урываев [и др.] // Вопросы вирусологии. 2012. №S1. – С. 52-65.Шевченко В. Я.оСтруктурнаяхимияонаномира — новая страница неорганической химии / В.Я. Шевченко // Физика и химия стекла. 2011. Т. 37. № 5. С. 635-650.