Текст книги "Иммунитет умнее мозга. Главная система нашего организма"

Глава пятая
Нюансы глубокого внедрения

Уверен, что все в порядке, поздравляю с успешно проведенным первым этапом операции. Теперь главное – прочно закрепиться, завоевать их доверие. Одновременно изучайте окружающие вас кадры.

Василий Ардаматский, «Сатурн» почти не виден»

Жизнь человека начинается в момент рождения или же в момент оплодотворения яйцеклетки – считайте так, как вам больше нравится. Что же касается вируса, стремительно несущегося через мировое пространство, то тут двух мнений быть не может – жизненный цикл любого вируса начинается с момента прикрепления к оболочке клетки-мишени.

Клетке-мишени в скором времени предстоят тяжелые испытания, но пока еще у нее есть шанс. Вирус, прикрепившийся к мембране, может быть уничтожен иммунной системой. Но счет идет буквально на доли секунды, потому что вирусы обычно не тянут с внедрением в клетку – не успел прикрепиться, как уже внутри.

Напрашивается вопрос – а когда заканчивается жизненный цикл вируса? Условно он заканчивается в тот момент, когда новенькие вириончики выходят из клетки на поиски новых мишеней. С момента выхода из «материнской» клетки и до момента прикрепления к клетке-мишени, вирус считается неживым. Он абсолютно пассивен и никак себя не проявляет.

Мы с вами и вообще все клеточные организмы постоянно проявляем активность. Даже во время отдыха или сна наши клетки работают, в них происходит множество реакций. На эту тему есть известный анекдот:

«Жена пилит биолога:

– Все выходные валяешься на диване! Дома столько всего надо сделать, а ты пальцем о палец не ударишь! Бездельник!

– Дорогая, ты ошибаешься, – отвечает биолог. – Я не бездельник. Даже когда я лежу на диване, на клеточном уровне я делаю множество дел».

Но с вирусами дело обстоит иначе. Своего обмена веществ у вирусов нет. Размножаться они способны только в клетках-жертвах. Вне клетки вирус представляет собой молекулу нуклеиновой кислоты в белковой оболочке. Или же в двух оболочках, потому что у некоторых вирусов, например – у вируса гриппа и ВИЧ, поверх капсида находится оболочка, состоящая из фрагментов мембраны клетки-хозяина и вирусных белков, которые служат для прикрепления к клетке-мишени.

Двойная оболочка дает вирусам тройную выгоду.

Во-первых, дополнительная оболочка повышает устойчивость вирионов, существенно увеличивает время их жизни вне организмов-хозяев. Вирусы с одной оболочкой обычно передаются непосредственно от хозяина к хозяину, а вирусы с двойной оболочкой могут некоторое время сохранять свою вирулентность во внешней среде, на каких-либо поверхностях или предметах.

Во-вторых, дополнительная оболочка, во многом схожая с клеточной мембраной, позволяет вирусам обманывать иммунную систему организма, выдавая себя за обычные клетки. Это не всегда получается, поскольку дополнительная оболочка содержит и специфические вирусные белки, по которым иммунная система распознает чужаков, но шансов выжить в хозяйском организме вне клетки у обладателей дополнительной оболочки больше.

В-третьих, дополнительная оболочка облегчает проникновение вируса в клетку-мишень – она сливается с клеточной мембраной и вирус в капсиде проникает внутрь.

Вирусы, обладающие дополнительной оболочкой, называются оболочечными вирусами. Такое название может ввести несведущего человека в заблуждение – впору решить, что у других вирусов вообще нет оболочки. Разумеется, это не так – капсиды разной степени сложности есть у всех вирусов. Без капсида вирус вне клетки существовать не может. Но капсид принято называть только «капсидом» и никак иначе. А дополнительную оболочку называют просто «оболочкой» или же «суперкапсидом». Ничего «суперского» в бытовом понимании в оболочках нет, капсиды гораздо круче и навороченнее, но «супер» на латыни означает «над» или «сверху», а не «крутой» и не «бесподобный». Суперкапсид – это то, что расположено над капсидом, не более того.

Обзавестись суперкапсидом несложно – покидая хозяйскую клетку, вирионы уносят его «на своих плечах». Это просто верх паразитарного (или паразитического?) цинизма – мало того, что ограбили клетку, лишив ее честно накопленных ресурсов, мало того, что заставили работать на себя, так еще и оболочку утащили! Единственное, что нужно сделать вирусу, так это вставить в суперкапсид свои распознавательно-прикрепительные белки. Без них, конечно же, вирусу было бы спокойнее, потому что тогда он был бы полностью защищен от происков иммунной системы, но тогда бы он не смог найти клетку, а также найти на клетке нужный для прикрепления рецептор.

Все дело в рецепторах! Вирусу абсолютно безразлично, в какой именно клетке какого именно организма размножаться. Все клеточные организмы на нашей планеты произошли от одного предка – клетки-Праматери и потому их клетки имеют схожее строение и схожий обмен веществ. В любой клетке любой вирус найдет нужные ему ресурсы, потому что при всем разнообразии нуклеиновых кислот, белков, жиров и углеводов, их молекулы образованы из довольно ограниченного количества фрагментов-«кирпичиков», а вирусу именно «кирпичики» и нужны. Вирус же не отбирает у хозяйской клетки ее белки или ее нуклеиновые кислоты, а заставляет клетку собирать из фрагментов то, что ему требуется. Но белковые рецепторы у разных клеток разные, и у разных вирусов они тоже разные. Вот здесь условный ключ должен подходить к условному замку, и потому каждый вирус способен паразитировать только в определенных клетках, к «замкам» которых подходит его «ключ».

Но каждая клетка имеет много разных рецепторов, поэтому к одним и тем же клеткам могут прикрепляться (и поражать их) разные вирусы. Вирусы – однолюбы, а вот клетки – нет.

Капсид и суперкапсид раздирают два противоречия. С одной стороны, защитные оболочки должны быть крепкими, чтобы надежно защищать молекулу нуклеиновой кислоты, дороже которой у вируса ничего нет и быть не может. С другой стороны, в нужный момент эти оболочки должны быстро разрушаться, освобождая вирусную нуклеиновую кислоту. Вирусы не могут обладать суперпрочными капсидами, потому что такие капсиды не смогут разрушаться при покорении клетки. Как говорится, хорошего должно быть в меру.

А теперь давайте ненадолго отвлечемся от вирусов и вспомним из школьного курса о фагоцитозе, пиноцитозе и экзоцитозе.

Клеточная мембрана участвует в процессах поглощения и выведения наружу крупных частиц, капель жидкости или гигантских молекул, которые ни при каких обстоятельствах не способны пройти через мембранные каналы. Такие «громадины» надо поглощать или «выплевывать».

Процесс поглощения клеткой крупных частиц (а иногда – и других клеток целиком) называется фагоцитозом. Это название можно перевести как «поедание клеткой». Суть фагоцитоза заключается в том, что поглощаемые вещества окружаются впячивающейся клеточной мембраной с образованием пузырька, который по-научному называется вакуолью. Затем вакуоль перемещается в глубь клетки.

Если поглощаются жидкие вещества, то говорят не о фагоцитозе, а о «пиноцитозе» («питье клеткой»).

У фагоцитоза и пиноцитоза есть обобщающее название – эндоцитоз, которое переводится как «поглощение клеткой чего-то извне».

Эндоцитоз

Экзоцитоз («выведение из клетки наружу») представляет собой процесс, обратный эндоцитозу, – вывод ненужных веществ за пределы клетки. Внутриклеточные везикулы приближаются изнутри к клеточной мембране и сливаются с ней, в результате чего их содержимое попадает во внешнюю среду.

Экзоцитоз

Обратите внимание вот на что. Размножившиеся вирусы при деликатном выходе из клетки, когда не происходит ее разрушения, выходят наружу не посредством экзоцитоза, а иначе (об этом уже говорили). Они давят изнутри на клеточную мембрану и отпочковываются от нее в пузырьке, который может сохраниться в виде суперкапсида.

Выход вируса из клетки путем почкования

Многим оболочечным вирусам (не всем, а многим) не требуются особые приспособления для проникновения в клетку, ведь у них есть суперкапсид, который прекрасно справляется с этой задачей, решая ее двумя вариантами.

Вариант первый представляет собой классический пример эндоцитоза, который правильнее было бы назвать «насильственным эндоцитозом», поскольку он происходит без желания клетки, точнее – без активного участия ее мембраны. Мембрана не формирует впячивания вокруг вируса самостоятельно – вирус давит на нее снаружи, формируя везикулу, стенки которой становятся его третьей оболочкой. Везикула с вирусом перемещается внутрь клетки и пассивно передвигается с током цитоплазмы до тех пор, пока не встретится с лизосомой.

Настало время расширить знания о клеточном строении.

Лизосомами называются везикулы, заполненные ферментами, способными расщеплять органические вещества. Лизосомы – это органы пищеварения клетки.

При слиянии вирусной везикулы с лизосомой, вирус освобождается от третьей оболочки. Этот процесс происходит пассивно, без участия вируса. Оболочку растворяют ферменты, содержащиеся в лизосоме. Но сразу же после этого вирус начинает проявлять активность – вызывает слияние суперкапсида с мембраной лизосомы по типу экзоцитоза и, в результате, оказывается за пределами лизосомы, на свободе. Остается лишь добраться до ядра клетки и запустить процесс самокопирования. Таким образом проникает в клетку вирус гриппа.

Обратите внимание на то, что вирусам, не имеющим суперкапсида, такой метод проникновения в клетку недоступен. Без суперкапсида они не смогут выйти из лизосомы и будут переварены в ней.

Проникновение оболочечного вируса в клетку посредством эндоцитоза

А вот ВИЧ действует проще – после фиксации вируса на клеточной мембране его оболочка сливается с мембраной и в результате вирус оказывается в клетке. Про второй вариант можно сказать: все гениальное просто. Это поистине гениальное проникновение инфекционного агента, которому клетка не может ничего противопоставить, которому вообще ничто не может помешать, потому что вирус, образно говоря, открывает дверку «родным» ключом – оболочкой, созданной из клеточной мембраны.

Второй вариант проникновения оболочечного вируса в клетку

Что делать вирусам, у которых есть только капсид, образованный белковыми молекулами? Белковый капсид не может слиться с липидной клеточной мембраной. Как сказал поэт: «В одну телегу впрячь не можно коня и трепетную лань». Если кто-то из читателей думает, что можно, то пусть попробует поставить простейший эксперимент. Поместите в одну емкость яичный белок и пару ложек растительного масла, а затем несколько раз встряхните ее. Вы увидите, что белок и масло не образовали единую смесь.

Несчастным «безоболочечникам» приходится идти на различные ухищрения для того, чтобы внедрить свою нуклеиновую кислоту внутрь клетки. Кстати говоря, ухищрениями пользуются и многие оболочечные вирусы. Так, например, широко известный оболочечный коронавирус для проникновения в клетку пускается на обман вместо того, чтобы просто открыть дверцу ключом по примеру ВИЧ…

Знаете ли вы, от какой короны коронавирусы получили свое название. Художники любят изображать коронавирус с символом монархической власти на голове, но с этой короной данный вирус не имеет ничего общего. Название произошло от солнечной короны – самой внешней части солнечной атмосферы. Шиповидные отростки суперкапсида коронавируса под микроскопом в двумерной проекции напоминают нимб, окружающий Солнце.

Солнечная корона

Коронавирусы под микроскопом

По-научному отростки суперкапсида называются пепломерами. Это название не имеет ничего общего с пеплом. Оно образовано от греческого слова «пеплос», означающего «покров».

На пепломерах коронавирусов находятся молекулы белка, способные связываться с одним видом рецепторов клеточной мембраны, а именно – с рецепторами ангиотензинпревращающего фермента-2. Эти рецепторы представляют собой белковые молекулы, пронизывающие мембрану и служащие транспортными каналами.

Рецепторы принимают вирусный белок за свой, и связываются с ним, обеспечивая тем самым фиксацию вируса на наружной поверхности клеточной мембраны. Затем вирус продавливает рецептор внутрь клетки, а следом за рецептором в клетку проникает вирусная нуклеиновая кислота.

Напрашивается вопрос – зачем оболочечному вирусу нужен столь сложный механизм проникновения внутрь клетки? Есть ли эволюционный смысл у такого проникновения? Или Ее Величество Эволюция в данном случае изменило своему принципу «не усложнять понапрасну»?

Смысл есть. Коронавирусы внедряются в клетки очень быстро. Раз – и вирус уже внутри. Прикрепляться к какому-то рецептору обязательно нужно, ведь без фиксации на мембране никакого внедрения не будет. А сразу же после фиксации, буквально – в тот же миг, в клетке оказывается вирусная РНК (коронавирусы относятся к РНК-содержащим вирусам), причем – уже свободная от оболочек, полностью готовая к действиям. Благодаря наличию подобного механизма проникновения, коронавирусы могут позволить себе такую «роскошь», как прочный капсид. Комбинация прочного капсида с суперкапсидом позволяет коронавирусам сохраняться вне хозяйских организмов в течение нескольких часов, что увеличивает число зараженных.

«Альтернативные» методы проникновения оболочечных вирусов, в которых не происходит слияния суперкапсида с клеточной мембраной или же с мембраной лизосом, существуют постольку, поскольку они являются более эффективными, нежели два основных варианта. Иначе бы естественный отбор не подхватил и не закрепил бы их.

Некоторые оболочечные вирусы способны проникать в клетку двумя способами. Так, например, представители семейства пикорнавирусов, к которому относится вирус полиомиелита, проникают внутрь клетки как путем насильственного эндоцитоза, так и посредством продавливания своей РНК через клеточную мембрану. Трудно сказать, какой из способов возник раньше. Возможно, что изначально пикорнавирусы не имели суперкапсида и могли попадать в клетки только посредством продавливания своей РНК через мембрану, а затем в результате какой-то мутации получили суперкапсид, а в придачу к нему и эндоцитозное проникновение в клетку. Но могло быть и наоборот – мутация дала возможность вводить РНК в клетку без каких-либо «заморочек».

К слову будь сказано, что из всех РНК-содержащих вирусов, коронавирусы имеют самое большое генетическое досье, представленное однонитевой положительной молекулой РНК. Досье включает в себя сведения о 10 коронавирусных белках.

А вот у бактериофагов, которые пожирают, то есть – поражают бактерии, для введения нуклеиновой кислоты в клетку имеется нечто вроде «шприца». Вирион бактериофага состоит из головки и хвоста, длина которого обычно в 2–4 раза превышает диаметр головки. На конце хвоста находятся ножки, предназначенные для поиска жертвы и прикрепления к ней. Внешне бактериофаги выглядят как паучки с длинной вертикальной шеей и крупной головой.

Бактериофаг приближается к бактериальной клетке

Прикрепляется к ее поверхности

Впрыскивает ДНК в бактериальную клетку

Нащупав ножками бактерию, бактериофаг вонзает ножки в ее оболочку и прижимает к оболочке свой хвост. Затем наружная часть хвоста сокращается, проталкивая вперед поршень с иглой, протыкающей мембрану бактерии. Через поршень в бактерию вводится вирусная нуклеиновая кислота, хранившаяся в головке.

Игла у бактериофагов двойного действия – механического и химического. Надо сказать, что «голая» механика в биологии большая редкость. Практически все биологические процессы основаны на биохимических реакциях. Но бактериофаги представляют собой исключение из этого правила. Они начинают с механического прободения оболочки бактерии, используя для этого особый белок с очень плотной структурой, а завершают процесс химическим путем, при помощи фермента под названием лизоцим, который растворяет то, что не проткнула белковая игла.

Скажите, пожалуйста, а у вас до сих пор не возникло вопроса – откуда вирион, находящийся вне клетки, берет энергию? Собственного обмена веществ и энергии у вируса нет, и вне клетки он представляет собой скопище белковых молекул вокруг молекулы нуклеиновой кислоты. До клетки-хозяина вирус продвигается пассивно – с током крови, с проглатываемой слюной, с вдыхаемым воздухом. Но перфорация клеточной мембраны требует энергии, разве не так? Откуда она берется и как вообще вирус ее использует?

Запасами энергии и средствами ее генерации вирусы не обладают, это точно. Все необходимые им активные движения обеспечиваются изменениями конфигураций белковых молекул.

Вспомните из курса химии, что белковые молекулы имеют 4 уровня пространственной организации. Нитевидные белковые молекулы сворачиваются в спирали, имеющие вид растянутой пружины, спирали сворачиваются в клубочки, а клубочки могут объединяться друг с другом в комплексы. Все это происходит благодаря возникновению химических связей между атомами (группами атомов) и неравномерному распределению электрического заряда в молекулах.

При определенных условиях конфигурация белковых молекул может изменяться. Если сказать предельно просто, то отдельные белковые молекулы капсидов изначально «запрограммированы» на определенное изменения конфигурации, которые возникают при контакте капсида с мембраной клетки-мишени. Можно сравнить капсид вируса с заводной игрушкой, которая «заводится» в момент изготовления. Дальше в эту тему лучше не углубляться, потому что в ней можно накрепко увязнуть.

Каких-то специфических механизмов, направленных на предотвращение проникновения вирусов через мембраны, у клеток нет. У них есть только общая защита – двухслойная мембрана, обладающая избирательной проницаемостью. Мембрана не должна пропускать в клетку ничего ненужного и вредного, но против вирусов мембрана устоять не может.

Как таковой «внутриклеточной противовирусной службы» не существует. Можно к месту вспомнить про белки-интерфероны, которые клетка начинает вырабатывать в ответ на заражение вирусом, но интерфероны прямым противовирусным действием не обладают и вообще предназначены не для пораженной клетки, а для ее соседок.

Интерфероны выделяются зараженной клеткой в межклеточное пространство и оказывают влияние на соседние клетки, стимулируя в них выработку ферментов, способных разрушать вирусные белки и нуклеиновые кислоты. Также интерфероны оказывают стимулирующее действие на некоторые клетки иммунной системы.

Зараженная вирусом клетка посылает сигнал опасности соседним клеткам и заряд бодрости иммунной системе, но самой себе она помочь не в состоянии.

Попав в клетку, ДНК и РНК вирусов ведут себя по-разному.

РНК сразу внедряется в рибосомы, которые, как вы помните, представляют собой скопления клеточной РНК, где служит матрицей для синтеза вирусных белков. Параллельно с этим процессом идет копирование РНК. Копированием занимается фермент под названием РНК-полимераза, который тоже вырабатывается на матрице вирусной РНК. Какое-то время новые молекулы РНК тоже служат матрицами для синтеза белков, а затем начинается процесс упаковки. Вокруг новой молекулы РНК из белков собирается капсид – и новый вирус готов!

На молекуле вирусной ДНК сначала синтезируются РНК-матрицы, на которых затем синтезируются белки, а дальше все идет так, как было описано, только помимо РНК-полимеразы, копирующей матрицы, в образовании новых вирусов участвует фермент ДНК-полимераза, копирующий вирусную ДНК.

Если вирусу положено иметь суперкапсид, то образовавшиеся в клетке (на рибосомах) вирусные белки сначала устанавливаются на наружной поверхности клеточной мембраны в виде шипов-пепломер. При этом пепломеры вытесняют клеточные белки. И только после того, как все пепломеры будут установлены, вирион отпочковывается на этом участке от клетки. Образно говоря, вирус сначала шьет себе мантию-оболочку и надевает ее лишь после того, как она будет полностью готова.

Некоторые вирусы, как, например, представители семейства ретровирусов, наиболее известным из которых является ВИЧ, обладают способностью встраивать свою нуклеиновую кислоту в ДНК клетки-хозяина.

В ДНК можно вставить только ДНК, но не РНК. Оба этих вещества относятся к нуклеиновым кислотам, но в их состав входят разные сахара – рибоза или дезоксирибоза, а кроме того, есть разница в веществах, с которыми эти сахара связаны. Вещество под названием «тимин» присутствует только в ДНК, а вещество под названием «урацил» – только в РНК.[18]18
  Если кому интересно, то речь идет о так называемых азотистых основаниях, производных пиримидина и пурина, входящих в состав нуклеиновых кислот.


[Закрыть]

У ВИЧ и других ретровирусов генетическая информация закодирована в молекулах РНК, которые необходимо перевести в ДНК. Для этой цели вирус использует фермент под названием обратная транскриптаза, превращающий РНК в ДНК, а если точнее – то синтезирующий молекулу ДНК на матрице РНК. После такого превращения нуклеиновую кислоту вируса в виде ДНК можно вставлять в ДНК клетки-хозяина.

Латинское слово «ретро» означает «обратный». Ретровирусы получили такое название, потому что их размножение зависит от обратной транскриптазы, а этот фермент называется «обратной» по причине «переделывания» РНК в ДНК, ведь обычно наблюдается противоположный процесс – на молекуле ДНК синтезируются молекулы РНК.

Что делать, если вирус внедрился в клетку?

Внедрившийся вирус из клетки не выковырять. Иммунной системе остается только одно – уничтожить пораженную вирусом клетку. Но пораженная клетка может покончить жизнь самоубийством. Регулируемый процесс программируемой клеточной гибели, в результате которого клетка распадается на отдельные фрагменты, ограниченные плазматической мембраной, называется апоптозом.

Фрагменты погибшей клетки поглощаются другими клетками, расщепляются и используются в процессе жизнедеятельности. Апоптоз следует отличать от некроза, альтернативного процесса гибели клетки, во время которого одновременно с разрушением всех клеточных структур разрушается и клеточная мембрана. Разрушение мембраны приводит к выходу продуктов распада в межклеточное пространство, что вызывает воспалительную реакцию. При апоптозе же никакой воспалительной реакции не происходит и вреда организму не наносится.

Существует гипотеза, связывающая эволюционное появление апоптоза у одноклеточных безъядерных организмов, которые являются самыми древними клетками в качестве способа защиты клеточных популяций от поражения вирусами. До появления апоптоза инфицированные клетки погибали в процессе некроза, создавая при этом соседним клеткам крупные проблемы в виде воспалительной реакции. Апоптоз же позволил клеткам гибнуть «культурно», не нанося вреда окружающим клеткам и всей клеточной популяции в целом. Так что и от вирусов может быть польза, причем – немалая.