АСИММЕТРИЯ СТРОЕНИЯ ВИРИОНОВ ВИРУСА ЯЩУРА - СЛЕДСТВИЕ ДИПОЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ГРУПП В ИХ СТРУКТУРЕ

Молекулярный массив живых систем на 90% состоит из полярных молекул белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и воды, представляющих собой связанные электрические заряды — диполи. При сочетании указанных выше элементов в надмолекулярные структуры сохраняется и нарастает их электрическая анизотропия или асимметрия. На молекулярном уровне асимметрия в структуре биологических молекул проявляется в разделении зарядов и распределении различных полярных групп. Дипольный момент, определенный для макромолекул белка, нуклеиновых кислот, бактериофагов, составляет от десятков до сотен тысяч, а бактерий — порядка миллиона Дебаев. Для сравнения следует отметить, что такая сильно полярная молекула, как молекула воды, имеет дипольный момент около 2 Д [Седунов Б.И., Франк-Каменецкий Д.Л., 1963; Толстой Н. А. и др., 1966; Бергман Э., Вейлер-Фейльхенфельд X.. 1976; Тимашев С.Ф., 1988].

Открытие естественной электрической поляризации живых систем является не только одним из фундаментальных свойств их организации, но, главным образом, указывает на то, что наряду с морфологической структурой в живых системах существует электрическая, проявляющаяся при их взаимодействии макроскопическими электрическими полями и токами. Электрические поля живых организмов получили название биоэлектрических полей, хотя они не отличаются от физических полей других источников.

Давно подмечена связь электрического потенциала клетки с активностью процессов метаболизма. В создании биоэлектрического поля клетки участвуют также электрические явления на границе раздела фаз. Еще один интересный вопрос возник при изучении происхождения биоэлектрического поля клеток. Установлено, что некоторые белки, коллаген, клеточные мембраны и другие структуры благодаря упорядоченному расположению молекул представляют собой электрические диполи и могут быть охарактеризованы как биоэлектреты. В живом организме неравновесность белковой молекулы выражается её асимметричностью. Увеличение асимметрии белка может быть определено по изменению электрических потенциалов. Кроме того, известно, что практически все виды неблагоприятных воздействий имеют электрическую компоненту [Кулин Е.Т., 1980; Протасов В.Р., Сердюк О.А., 1982; Мас-каренас С, 1983; Андреев B.C. и др., 1988].

Известные данные о строении вирусных частиц отражают представления преимущественно об их структурной организации, но не раскрывают всех особенностей строения по следующим причинам:

- строение вирионов рассматривается с позиций их структурной организации, тогда как их функциональной организации должного внимания не уделяется;

- абсолютизация структурной организации вирионов, основанная на принципах симметрии икосаэдра, больше подходит для описания статических структур;

- образование симметричных конструкций возможно в абсолютно однородной среде, а содержимое живых клеток, формирующих вирусные частицы, таковым не является;

- за исключением абстрактных математических представлений, полной симметрии в природе не существует. Всюду симметрии сопутствует асимметрия [Бейли Н., 1970].

Как было отмечено выше, структурно-функциональные особенности строения вирусных частиц визуально характеризуются наличием в структуре вирионов, независимо от типа вируса, одновременно позитивно и негативно окрашенных участков поверхности. Из анализа данных электронной микроскопии следует заключить, что наблюдаемое размежевание противоположно заряженных групп в биосистеме вирионов свидетельствует о наличии в их структуре полярных свойств или признаков асимметрии.

Ориентация вирионов во внешнем электрическом поле. Характерной особенностью поведения вирусных частиц в условиях смешанного контрастирования является то, что частицы на подложке занимают преимущественно «боковое» положение относительно её поверхности. Боковую ориентацию вирионов можно объяснить, проанализировав условия, в которые они попадают при их контрастировании на поверхности подложки. На заключительном этапе нанесения вирусных препаратов при их контрастировании анионным красителем -ФВК, после удаления с подложки избытка жидкости, на ней остается тонкий слой жидкости. По мере испарения жидкости и увеличения концентрации анионов ФВК происходит ориентация частиц вследствие электростатического взаимодействия положительно заряженного участка вирусных частиц с отрицательно заряженным слоем красителя (рис. 15а).

Если данное предположение правильно, то при воздействии внешнего электрического поля вирусные частицы должны ориентироваться в соответствии с приложенным внешним потенциалом. С целью проверки ориентации вирусных частиц при воздействии внешнего электрического поля после удаления избытка жидкости еще влажную сеточку пленкой-подложкой вверх помещали на металлический электрод, подключенный к источнику высокого напряжения (рис. 156). Затем к электроду униполярно прикладывали положительный электрический потенциал 4000-5000 В (величина напряжения подобрана эмпирически). Сеточку оставляли под напряжением до полного испарения жидкости с подложки [Пономарев А.П. и др., 1984].

15

Рис. 15. Схема ориентации вирусных частиц на поверхности пленки-подложки в обычных условиях контрастирования и в униполярном электрическом поле (а); устройство для их ориентации в электрическом поле (б):

Электронно-микроскопические исследования вирусных препаратов, нанесенных с приложением внешнего электрического потенциала, показали, что у большинства частиц позитивно контрастированный участок находится сверху (рис. 16). Это свидетельствует о том, что частицы, обладающие постоянным дипольным моментом, испытывают в жидкости вращающий момент. При полном испарении жидкости вирусные частицы фиксируются на подложке слоем красителя, что позволяет наблюдать их однозначное положение относительно поверхности подложки. Нанесение препаратов в электрическом поле сопровождается воздействием на вирионы, как со стороны внешнего электрического поля, так и со стороны подсыхающего слоя красителя. Противоположное направление сил вращения, действующих на вирионы, вызывает конформационные изменения в их структуре, что выражается искажением размеров и формы позитивно контрастированного участка. В препаратах, приготовленных с приложением к электроду отрицательного электрического потенциала, установлено преобладание у вирусных частиц негативного окрашивания, что свидетельствует об их соответствующей ориентации на пленке-подложке.

16

Рис. 16. 146S частицы вируса ящура с преимущественным боковым расположением на подложке в обычных условиях контрастирования (а) и при ориентации с воздействием положительного электрического потенциала (б), х 300000.

Дипольный характер взаимодействия вирионов в составе солевых кристаллов. При исследовании дипольных свойств вирионов возникает закономерный вопрос: если вирионы обладают постоянными полюсами, почему не отмечается их взаимодействия в случаях близкого взаиморасположения за счет сил электростатического притяжения?

Ответ на данный вопрос следует из результатов опытов по электронно-микроскопическому исследованию высококонцентрированных вирусных препаратов, контрастированных 4%-м раствором калия кремневольфрамово-кислого рН 6,8. При некотором избытке на поверхности пленки-подложки контрастирующего раствора на конечном этапе процесс приготовления препаратов может сопровождаться образованием на подложке плоских солевых кристалликов.

При высокой концентрации вируса часть вирионов включается в состав кристаллов. Внутри солевых кристаллов отдельно лежащие вирионы сохраняют сферическую форму, а близко расположенные вступают во взаимодействие с образованием цепочек из 2-3 и более частиц (рис. 17). Образование агрегатов из вирусных частиц происходит благодаря слиянию их оболочек. В структуре отдельных агрегатов отмечается слияние внутренних ядер - РНК, которые на электронных микрофотографиях выглядят более светлыми по сравнению с оболочками. Вирионы, оставшиеся за пределами кристаллов, сохраняют свое обособленное положение независимо от взаимного расположения. По-видимому, включение вирусных частиц в состав кристалла происходит чисто механическим путем в силу их высокой концентрации на подложке. Вирионы, попадающие в состав кристалла, в процессе кристаллизации соли лишаются защитной сольватной оболочки, что обнажает их полярные участки и создает условия для эффективного электростатического взаимодействия.

Эффект слияния по своему характеру напоминает электрический пробой между заряженными частицами с образованием связующих перемычек как между белковыми оболочками, так и между ядрами РНК, что возможно только при наличии у данных структур участков с противоположным знаком заряда. Межвирионные взаимодействия в виде замкнутых друг на друга цепочек из вирусных частиц также служат подтверждением полярных свойств, как у белковой оболочки, так и у вирионной РНК.

Проявление дипольных свойств вирионов при образовании паракристаллических скоплений. При проведении электронно-микроскопических исследований высококонцентрированных препаратов можно наблюдать паракристаллические скопления вирионов, которые в простейшем случае трактуются как следствие высокой концентрации вирусных частиц на поверхности пленки-подложки. Использование для адсорбции вирионов поляризованных пленок-подложек переводит этот феномен из разряда случайных в закономерно воспроизводимые. В наших опытах для этой цели использовали пленки-подложки после дополнительной поляризации путем воздействия униполярного электрического потенциала +3000 - 4000 В. Поляризованную в течение 15 мин сеточку сразу же помещали на поверхность капли вируссодержащей суспензии и выполняли всю последовательность операций по нанесению и контрастированию вирусных препаратов 4%-м раствором ФВК рН 6,8.

В опытах с очищенной и концентрированной суспензией с преимущественным содержанием 146S частиц на подложке образуются паракристаллические скопления, состоящие из нескольких плотно упакованных слоев вирусных частиц (рис. 18). Нанесение препаратов для электронной микроскопии из вируссодержащих суспензий с преимущественным содержанием «пустых» капсид или 75S частиц также сопровождается образованием паракристаллических скоплений (рис. 19).

Схематическое изображение геометрических фигур, образуемых при различном взаимном расположении сфер из 2-3 слоев на плоскости, соответствует геометрическому орнаменту из вирусных частиц, наблюдаемых под электронным микроскопом. Упорядоченность расположения как полных вирионов, так и «пустых» капсид характеризует не только их структурную гомогенность, но и идентичность по физическим свойствам. Формирование паракристаллических скоплений из вирионов, образующихся при определенных условиях (степень очистки вируссодержащих суспензий, концентрация частиц, заряд поверхности пленки-подложки), позволяет заключить, что данные скопления следует рассматривать не как механические группировки частиц, а как системы, состоящие из отдельных подсистем (вирионов), связанных друг с другом потенциальными силами.

17

Рис. 17. Слияние вирионов с образованием цепочек из 2-3 вирусных частиц (а) и их агрегирование при повышенной концентрации частиц, оказавшихся в составе солевого кристалла (б). В отдельных агрегатах отмечается слияние ядер РНК. х 300000.

18

Рис. 18. Паракристаллическое скопление из полных вирионов при их адсорбции на поверхности поляризованной пленки-подложки, х 350000.

19

Рис. 19. Характерные образования в виде паракристаллов из пустых капсид (х 350000) и схема расположения сфер на плоскости:

При рассмотрении структуры паракристаллов из вирионов можно выделить некоторые принципы системного подхода. Формирование паракристаллов как совокупности модулей — вирионов соответствует принципу системного подхода — принципу модульности. Второй принцип системного подхода — принцип связности или функциональности, проявляется в виде периодической вынуждающей силы, приложенной к отдельным вирионам с образованием плоских скоплений из 2-3 и более слоев плотно упакованных частиц. Адсорбция вирионов на поверхности предварительно поляризованной пленки-подложки вызывает не хаотичное, а упорядоченное формирование паракристаллов. Периодической вынуждающей силой в данном случае является электрическое поле жесткого дипольного момента вирионов, проявляющееся во взаимодействии с заряженной поверхностью пленки-подложки. При многослойном скоплении первый слой упорядочение расположенных частиц является подложкой для второго, который в свою очередь формирует третий слой и т.д. На уровне второго, третьего и более слоев упорядоченность уже определяется межвирионными взаимодействиями, что отражает наличие жесткого дипольного момента у вирусных частиц.

Из данных литературы известно об образовании кристаллоподобных агломератов в ядре и цитоплазме клеток, состоящих из многих тысяч геометрически правильно сгруппированных вирионов, выявляемых при исследовании ультратонких срезов инфицированных клеток. Данный феномен установлен при инфицировании клеток аденовирусом различных типов, вирусом полиомы, вирусом SV40, реовирусом, вирусом полиомиелита, вирусом Менго и др. Б.А. Калнинь и В.И. Кувич-кин (1971) считают, что образование кристаллоподобных структур из многих тысяч вирионов основано лишь на внешнем сходстве правильно построенных частиц.

Выявление наряду с вирусными скоплениями в срезах клеток также и паракристаллических белковых скоплений, по-видимому, является подтверждением общей закономерности строения вирусных частиц и белковых макромолекул, обусловленной наличием в их структуре постоянного дипольного момента.

Обобщая результаты исследований, возможно заключить, что асимметрия в строении частиц вируса ящура обусловлена дипольным распределением электрически заряженных групп в их структуре и связана с функциональной неоднородностью структурных белков вирионов. При этом вирионы в определенных условиях следует рассматривать как постоянно наэлектризованный диэлектрик с разноименными полюсами, которые создают вокруг себя постоянное электрическое поле, определяющее их функциональные свойства. Это положение соответствует представлению о симметрии как законе строения структурных объектов, который включает в свое определение два противоречивых момента: преобразования (изменения) и сохранения (инварианта), а также подтверждает наличие в структуре вирионов белков, различающихся по своим электрофизическим свойствам [Шубников А.В., Копцик В.А., 1972].

Совершенно очевидно, что вирионы, являющиеся репродуктивной формой вируса и обладающие свойством живого только в потенциале, для поддержания своей специфической структуры должны сохранять асимметричное распределение электрически заряженных группировок. Дипольное строение вирусных частиц характеризует механизм аккумуляции энергии, необходимой для их самосохранения и самовоспроизведения, то есть способности к активному взаимодействию с чувствительными клетками, репликации и передачи наследственных признаков, что выдвигается в качестве основного критерия при определении признаков живого организма. Например, наличие запаса энергии в клетке говорит о том, что она находится в напряженном, неравновесном состоянии по отношению к среде. Это постоянное энергетическое напряжение клетки обычно называют потенциалом покоя. В обобщенном случае накопленная организмом энергия служит источником всех биологических процессов во всех формах жизни [Сетров М.И., 1975; Жучков А.В., 1982].

Статистика

Вверх

© Ветеринария 2021