Как происходит размножение вирусов?

Размножение вирусов — это процесс, при котором вирус не “делится” сам по себе, как бактерия, а заставляет клетку хозяина производить новые вирусные частицы. У вирусов нет собственного набора “станков” для синтеза белков и получения энергии, поэтому они обязаны использовать ресурсы заражённой клетки. В общих чертах цикл размножения (репликации) включает несколько стадий; детали зависят от типа вируса (ДНК-вирус, РНК-вирус, ретровирус и т. д.), но логика похожая.

1) Прикрепление к клетке (адсорбция)

Снаружи клетки есть молекулы-рецепторы — белки или сахара на мембране. У вируса на оболочке или капсиде тоже есть структуры, которые могут “узнать” подходящий рецептор (например, шипы у оболочечных вирусов). Если рецептор подходит, вирус фиксируется на поверхности клетки. Это во многом определяет, какие ткани и виды организмов вирус может заражать (тропизм).

2) Проникновение внутрь клетки

Дальше вирусу нужно доставить свой генетический материал внутрь. Способов несколько:

Слияние мембран — характерно для оболочечных вирусов: оболочка вируса сливается с мембраной клетки, и содержимое попадает внутрь.
Эндоцитоз — клетка как бы “заглатывает” вирус в пузырёк (эндосому), после чего вирус “выходит” из неё.
Инъекция генома — типично для многих бактериофагов: вирус прикрепляется к бактерии и вводит нуклеиновую кислоту, оставляя капсид снаружи.

3) “Раздевание” (разупаковка, uncoating)

После попадания в клетку вирус избавляется от капсида/оболочки, чтобы его геном стал доступен для копирования и считывания. Это может происходить в цитоплазме или в ядре (зависит от вируса).

4) Перехват управления: синтез вирусных молекул

Дальше вирусная нуклеиновая кислота начинает “командовать” клеткой. На этой стадии обычно идут два ключевых процесса:

Синтез вирусных белков (ферменты, белки капсида, поверхностные белки).
Копирование вирусного генома (репликация ДНК или РНК).

Но конкретный путь сильно зависит от типа генома:

ДНК-вирусы

Часто (не всегда) идут в ядро, где используют ферменты клетки для репликации ДНК и транскрипции (создания мРНК). Затем мРНК выходит в цитоплазму, где на рибосомах синтезируются вирусные белки. Некоторые крупные ДНК-вирусы имеют свои ферменты и могут меньше зависеть от ядра.

РНК-вирусы

Многие РНК-вирусы размножаются в цитоплазме. Проблема в том, что клеточные ферменты обычно не умеют копировать РНК с РНК, поэтому таким вирусам нужен собственный фермент — РНК-зависимая РНК-полимераза (вирус приносит её с собой или быстро синтезирует после заражения).

(+)-РНК вирусы: их геном похож на готовую мРНК — клетка может сразу начать переводить его в белки.
(−)-РНК вирусы: их геном “противоположен” мРНК, поэтому сначала нужно сделать мРНК с помощью вирусной полимеразы (обычно вирус приносит её в составе частицы).
Двухцепочечные РНК вирусы: тоже требуют специальных вирусных ферментов, потому что клетка такой РНК обычно не обслуживает.

Ретровирусы (например, ВИЧ)

У них РНК-геном, но размножаются они через ДНК-промежуточную форму:

Вирусный фермент обратная транскриптаза делает ДНК по РНК-матрице.
Эта ДНК встраивается в геном клетки (фермент интеграза).
Дальше клетка сама считывает встроенную вирусную ДНК, производя вирусные РНК и белки.

5) Сборка новых вирусных частиц (ассемблирование)

Когда накопились копии генома и белки капсида, они начинают самособираться в новые вирионы:

формируется капсид,
внутрь упаковывается геном,
добавляются необходимые ферменты (у некоторых вирусов).

Для оболочечных вирусов важно ещё встроить в клеточные мембраны вирусные поверхностные белки, которые потом окажутся на оболочке будущего вируса.

6) Созревание (maturation)

У ряда вирусов “собранная” частица ещё не полностью заразна. Нужна стадия созревания — например, расщепление определённых белков вирусными протеазами, перестройка структуры капсида и т. п. Без этого новые частицы могут быть дефектными.

7) Выход из клетки

Готовые вирионы должны покинуть клетку и заразить новые.

Основные варианты:

Лизис клетки — клетка разрушается, и вирусы массово выходят наружу. Это часто бывает у многих безоболочечных вирусов и у бактериофагов.
Почкование — характерно для оболочечных вирусов: вирус “выпячивается” через мембрану и получает оболочку из клеточной мембраны, в которую заранее встроены вирусные белки. Клетка при этом может жить какое-то время, выпуская вирусы постепенно.
Экзоцитоз — выход в составе пузырьков, особенно у вирусов, которые собираются внутри клеточных компартментов.

Почему вирусы размножаются так эффективно

Они быстро перенастраивают клеточный синтез на свои нужды.
У многих РНК-вирусов копирование идёт с ошибками чаще, чем у ДНК-организмов, что создаёт множество вариантов и помогает адаптироваться (например, обходить иммунитет).
Некоторые вирусы подавляют противовирусные механизмы клетки.

Важное уточнение

Вирус сам по себе вне клетки — это по сути “упаковка” генома. Активное размножение возможно только внутри живой клетки, потому что все основные ресурсы (энергия, рибосомы, строительные молекулы) вирус берёт у хозяина.

Итого: размножение вирусов — это последовательность шагов от распознавания клетки до выхода новых частиц, причём ключевая идея в том, что вирус использует клетку как фабрику для копирования своего генома и сборки новых вирионов.