В прошлой части эссе вы познакомились с химиотерапевтическими стратегиями, которые могут помочь бороться с вирусными заболеваниями, блокируя возбудителя на ранних этапах его попадания в клетку.
Однако урон вирусу современная химия может нанести и тогда, когда он собрался размножаться, то есть заниматься тем единственным делом, которое отличает его от неживой материи.
Хочу сразу сказать, что вирусы — существа бесполые, так что о сексе нам говорить не придётся. Ну только если в контексте продирания сквозь кучу новой информации. Этакое химико-биологическое чтиво с налётом BDSM.
Как вы поняли из предыдущей части, вирусы, несмотря на морфологическое сходство, очень неоднородны в своей физиологии, т. е. в том, как они взаимодействуют с клеткой организма хозяина.
Эта разнородность, т. е. множество используемых этими организмами жизненных стратегий, ещё лучше видна при переходе к рассмотрению следующей точки возможного лекарственного приложения противовирусных препаратов — их размножению.
Размножение вирусов сводится к тиражированию их нуклеиновой кислоты (НК). Часть вирусов, такие как ВИЧ и вирус гриппа, высвобождает НК прямо в цитоплазму клетки, а часть вирусов доставляет её непосредственно в ядро. Это первый пример разнообразия их внутриклеточного поведения, которого, правда, мы касаться не будем.
Гораздо важнее то, какая именно НК и каким образом копируется. Дальше будет немного скучно, но без этого понять, как можно бороться с тем или иным вирусом на стадии его размножения, невозможно.
Прежде всего, спасибо стоит сказать нобелевскому лауреату Дэвиду Балтимору, который в 1971 году предложил классификацию вирусов в зависимости от содержащейся в них НК и способа её репликации.
Чтобы понять таблицу, надо дать несколько пояснений.
Вирусы в качестве НК могут содержать как ДНК, так и РНК. НК может быть как однонитевой, онНК, так и двухнитевой, днНК. Кроме того, все однонитевые РНК, которые содержатся в вирионе, надо сравнить с матричной РНК, на которой идёт синтез вирусных белков. Этой матричной РНК условно присвоили знак +. Если однонитевая РНК вириона такая же, то её обозначают (+)онРНК, если она «противоположная» (комплементарная), то её обозначают (-)онРНК соответственно.
Репликация заключается в том, что НК первичного вириона, который попал в клетку-хозяина, становится матрицей для получения НК дочерних вирионов, которые выходят из клетки. Поскольку молекула НК является полимером, то фермент, который её копирует, именуется полимеразой. ДНК-полимераза синтезирует ДНК, а РНК-полимераза синтезирует РНК. Важно, что является матрицей для копирования. Если матрица — РНК, то фермент является РНК-зависимым, если матрица — ДНК, то ДНК-зависимым. Итого имеется 4 варианта.
Вирус — паразит, ему желательно по максимуму задействовать в своей жизнедеятельности аппарат клетки. Поскольку клетка размножается и синтезирует белок, то в ней тоже есть ДНК-полимеразы и РНК-полимеразы. Но надо чётко помнить, что в клетке возможно только движение от ДНК к ДНК при размножении или от ДНК к РНК при транскрипции для синтеза белка. То есть в клетке могут быть только ДНК-зависимые ДНК-полимеразы или ДНК-зависимые РНК-полимеразы и никаких других.
Первый пример. Предположим, что вирус содержит однонитевую РНК, которая «противоположна» (т. е. комплементарна) той, с которой идёт трансляция вирусных белков. Таким образом, перед нами (-)онРНК-вирус. Следовательно, для размножения вирус будет использовать фермент РНК-полимеразу. Считываться будет одна РНК со второй, то есть фермент будет РНК-зависимой РНК-полимеразой. В клетке хозяина такого фермента нет!
Второй пример. Имеем однонитевую ДНК в вирионе. Значит фермент — ДНК-зависимая ДНК-полимераза. Поскольку переход ДНК->ДНК в клетке возможен, то репликацию вирусной ДНК может вести как фермент клетки хозяина, так и фермент вируса. Можете потренироваться сами на вирусах других классов по классификации Балтимора.
Вирусы типов VI и VII по классификации Балтимора реплицируют свою НК не напрямую, а через интермедиат, то есть промежуточную молекулу НК. Посмотрите таблицу. Если вы поняли то, что написано выше, разобраться с этими вирусами вам тоже не составит труда. Скажу только, что РНК-зависимую ДНК-полимеразу, которую используют эти вирусы при манипуляциях с НК-интермедиатом, принято называть обратной транскриптазой.
Я надеюсь, что теперь вы самостоятельно сможете предложить химиотерапевтическую стратегию для лечения заболевания, вызванного тем или иным вирусом!
Стратегия это заключается в блокировании фермента, участвующего в репликации вируса. Поскольку вирус III-V классов содержит РНК, то надо блокировать РНК-зависимую РНК-полимеразу. В организме человека такого фермента нет, поэтому побочных эффектов, связанных с непосредственным действием лекарства, быть не должно (что не исключает побочных эффектов другого рода).
Если вирус содержит ДНК, то надо выяснить, чей фермент участвует в её репликации. Если это фермент хозяйской клетки, то, скорее всего, химотерапевтическую стратегию, основанную на подавлении репликации вируса, применять не стоит, так как будет заблокировано деление клеток, что может обернуться проблемой. Если же ДНК-зависимая ДНК-полимераза у вируса своя, то можно пробовать поискать её ингибитор.
Ну и, наконец, для вирусов VI и VII надо блокировать обратную транскриптазу.
Теперь, наконец-то, переходим к химии и рассмотрим примеры лекарственных молекул для лечения вирусных заболеваний, которые ингибируют полимеразы НК.
Один из подходов к созданию лекарственных средств, которые блокируют ферменты, основан на устаревшей, но очень наглядной концепции ключа и замка. Согласно ей, фермент представляет собой замок, к которому, как известно, подходит не каждый ключ, олицетворяющий субстрат данного фермента. Известно, что «нормальный» ключ повторяет по форме внутренности замка, и его применение приводит к открыванию двери. А вот если взять ключ, который повторяет внутренности замка не полностью, то внутри замка его может заклинить. Иногда именно по такому принципу и создают ингибиторы. Сначала выясняют структуру субстрата фермента, который является «правильным» ключом, а потом изменяют его таким образом, чтобы в замочную скважину он входил легко, а «высунуть» его назад было бы невозможно.
Помнящие биологию могут предположить, что в качестве таких неправильных ключей применительно к полимеразам НК могут быть использованы аналоги азотистых оснований, слагающих нуклеиновые кислоты, т. е. аналоги аденина, тимина, цитозина, гуанина и урацила.
Ладно, не буду томить, перейду к примерам.
Самый известный пример — ацикловир, который используется для лечения проявлений герпеса, вызываемого одноименным вирусом, содержащим двунитевую молекулу ДНК и собственную ДНК-зависимую ДНК-полимеразу.
Ацикловир очень похож на дезоксинуклеозид дезоксигуанозин.
Действует ацикловир так.
Сначала ферменты (как вирусные, так и клетки-хозяина) привешивают к нему последовательно 3 остатка фосфорной кислоты. Далее вирусная ДНК-полимераза «берётся» за ацикловиртрифосфат, «думая», что это необходимый для синтеза ДНК дезоксигаунозинтрифосфат, но на этом глохнет, так как работать с таким дефектным нуклеотидом не может. На человеческую ДНК-зависимую ДНК-полимеразу лекарство практически не влияет.
Второй очень известный и важный пример — это азидотимидин, или зидовудин, первое лекарство против СПИДа.
Азитотимидин, как это следует из названия, является аналогом дезокситимидина. Он также фосфорилируется, но уже клеточными ферментами, и блокирует работу вирусной РНК-зависимой ДНК-полимеразы, т.е. обратной транскриптазы, что останавливает размножение вируса.
И зидовудин, и ацикловир являются так называемыми нуклеозидными ингибиторами, так как похожи по строению на нуклеозиды, из которые строятся НК. Обратите внимание, что в обоих структурах модификации подверглась углеводная часть молекулы, а часть от азотистого основания осталась неизменной.
Конечно, для получения нуклеозидного ингибитора модифицировать можно не только углеводную часть молекулы, но и фрагмент азотистого основания. Примером может служить такой ингибитор обратной транскриптазы как эмтрицитабин, применяемый для терапии ВИЧ и гепатита В, вирус которого относится к VII классу по Балтимору и также использует обратную транскриптазу.
Однако ингибиторы полимераз НК совсем не обязательно должны быть похожими на их обычные субстраты, то есть нуклеозиды. Существует обширный класс ненуклеозидных ингибиторов обратной транскриптазы, структуры которых с выше перечисленными соединениями не имеют ничего общего.
Как действуют эти ингибиторы?
До сих пор мы находились в рамках простой и понятной теории «ключа и замка». На самом деле она неверна. Более правильной является теория «руки и перчатки». Она гласит, что при взаимодействии фермента и субстрата происходит изменение формы белковой молекулы фермента, которая, как перчатка, подстраивается под взаимодействующий с ней субстрат.
Что даёт нам эта теория? Эта теория допускает существование веществ, которые могут изменить форму белковой молекулы фермента не связываясь с её активным центром, в котором происходит «обработка» субстрата.
Ненуклеозидные ингибиторы обратной транскриптазы как раз и являются такими веществами. Они связываются с ферментом и изменяют его форму таким образом, что он больше не может выполнять свою функцию, это останавливает размножение вируса.
Посмотрите коротенький ролик, визуализирующий изменение формы молекулы обратной транскриптазы под действием невирапина. Обратите внимание, что в ходе такого изменения нарушается связь фермента с растущей цепью РНК (показана серым цветом в верхней части):
Итак, я привёл примеры 2 классов ингибиторов обратной транскриптазы, используемых для лечения болезней, вызываемых вирусами VI и VII классов по Балтимору, а также пример ингибитора вирусной ДНК-зависимой ДНК-полимеразы, который блокирует размножение вируса I класса по Балтимору (вируса герпеса).
Что насчёт других РНК-содержащих вирусов?
Широко известным антивирусным препаратом, который применяется при сравнительно большом спектре заболеваний (гепатит С, геморрагические лихорадки и др.), является рибавирин.
Наличие в молекуле рибавирина фрагмента D-рибозы позволяет отнести его к аналогам рибонуклеозидов, из которых строится РНК, и предположить, что он может ингибировать РНК-зависимые РНК-полимеразы. Кроме того, считается, что рибавирин способствует и тому, чтобы РНК-полимераза делала в своей работе огромное количество ошибок. Это приводит к созданию РНК настолько нашпигованной большим количеством мутаций, что многие вирусные белки, структуру которых она кодирует, попросту оказываются нефункциональными, поэтому несущий её вирион не может сделать с клеткой ничего плохого.
Интересно, что рибавирин может угнетать активность и ДНК-содержащих вирусов. Однако причины такой активности до сих пор точно не установлены.
Продолжение следует.
Вопросы для самоконтроля.
1. К какому классу по Балтимору может относится вирус, если спустя некоторое время после попадания его ДНК в клетку, в ней начинает обнаруживаться РНК? Какие уточнения нужны для того, чтобы дать однозначный ответ?
2. Известно, что в репликации вирусной НК изучаемого вами вируса принимает участие ферментный аппарат клетки хозяина. К каким классам по Балтимору он может относится? С какими трудностями может быть сопряжена разработка разработка ингибиторов репликации этого вируса?
3. Почему при терапии ВИЧ не применяют нуклеозидные ингибиторы-аналоги урацила?
4. Как выдумаете, почему практически все нуклеозидные ингибиторы обратной транскриптазы содержат в своей молекуле остаток сахара (модифицированной рибозы или дезоксирибозы)?
4. Как вы думаете, почему при терапии ВИЧ возникла необходимость в ненуклеозидных ингибиторах обратной транскриптазы?
5. Как вы думаете, к какому классу ингибиторов обратной транскриптазы (нуклеозидные или ненуклеозидные) относится препарат, структура действующего вещества которого изображена ниже?
6. Иногда нуклеозидные ингибиторы всё же встраиваются в растущую цепь нуклеиновой кислоты, так как им не удаётся «обмануть» соответствующий фермент. Тем не менее, после такой встройки синтез НК останавливается. На примере эмтрицитабина покажите, какая структурная особенность этих ингибиторов приводит к остановке роста цепи НК.
7. Предложите механизмы действия рибавирина в отношении ДНК-содержащих вирусов.
Автор: superhimik
