Biologie für die Hauptfächer II

Viren sind nicht zellulär, dh sie sind biologische Einheiten, die keine Zellstruktur haben. Ihnen fehlen daher die meisten Bestandteile von Zellen wie Organellen, Ribosomen und die Plasmamembran. Ein Virion besteht aus einem Nukleinsäurekern, einer äußeren Proteinbeschichtung oder einem Kapsid und manchmal einer äußeren Hülle aus Protein- und Phospholipidmembranen, die von der Wirtszelle abgeleitet sind. Viren können auch zusätzliche Proteine, wie Enzyme, innerhalb des Kapsids oder an das virale Genom gebunden enthalten. Der offensichtlichste Unterschied zwischen Mitgliedern verschiedener Virusfamilien ist die Variation ihrer Morphologie, die sehr unterschiedlich ist. Ein interessantes Merkmal der viralen Komplexität ist, dass die Komplexität des Wirts nicht unbedingt mit der Komplexität des Virions korreliert. Tatsächlich finden sich einige der komplexesten Virionenstrukturen in den Bakteriophagen — Viren, die die einfachsten lebenden Organismen, Bakterien, infizieren.

Nukleinsäuretypen

Im Gegensatz zu fast allen lebenden Organismen, die DNA als genetisches Material verwenden, können Viren entweder DNA oder RNA verwenden. Der Viruskern enthält das Genom — den gesamten genetischen Inhalt des Virus. Virale Genome sind in der Regel klein und enthalten nur die Gene, die für Proteine kodieren, die das Virus nicht aus der Wirtszelle erhalten kann. Dieses genetische Material kann einzel- oder doppelsträngig sein. Es kann auch linear oder kreisförmig sein. Während die meisten Viren eine einzelne Nukleinsäure enthalten, haben andere Genome, die in mehrere Segmente unterteilt sind. Das RNA-Genom des Influenzavirus ist segmentiert, was zu seiner Variabilität und kontinuierlichen Entwicklung beiträgt und erklärt, warum es schwierig ist, einen Impfstoff dagegen zu entwickeln.In DNA-Viren leitet die virale DNA die Replikationsproteine der Wirtszelle an, neue Kopien des viralen Genoms zu synthetisieren und dieses Genom in virale Proteine zu transkribieren und zu übersetzen. Menschliche Krankheiten, die durch DNA-Viren verursacht werden, umfassen Windpocken, Hepatitis B und Adenoviren. Sexuell übertragbare DNA-Viren umfassen das Herpesvirus und das humane Papillomavirus (HPV), das mit Gebärmutterhalskrebs und Genitalwarzen in Verbindung gebracht wurde.

RNA-Viren enthalten nur RNA als genetisches Material. Um ihre Genome in der Wirtszelle zu replizieren, müssen die RNA-Viren ihre eigenen Enzyme kodieren, die RNA in RNA oder in den Retroviren in DNA replizieren können. Diese RNA-Polymerase-Enzyme machen eher Kopierfehler als DNA-Polymerasen und machen daher häufig Fehler bei der Transkription. Aus diesem Grund treten Mutationen in RNA-Viren häufiger auf als in DNA-Viren. Dadurch verändern sie sich und passen sich schneller an ihren Wirt an. Menschliche Krankheiten, die durch RNA-Viren verursacht werden, umfassen Influenza, Hepatitis C, Masern und Tollwut. Das HIV-Virus, das sexuell übertragen wird, ist ein RNA-Retrovirus.

Morphologie

Viren gibt es in vielen Formen und Größen, aber diese Merkmale sind für jede Virusfamilie konsistent. Wie wir gesehen haben, haben alle Virionen ein Nukleinsäuregenom, das von einem schützenden Kapsid bedeckt ist. Die Proteine des Kapsids sind im viralen Genom kodiert und werden Capsomere genannt. Einige virale Kapside sind einfache Helices oder polyedrische „Kugeln“, während andere in ihrer Struktur ziemlich komplex sind (Abbildung 1).

Im Allgemeinen werden die Kapside von Viren in vier Gruppen eingeteilt: helikal, ikosaedrisch, umhüllt und Kopf und Schwanz. Helikale Kapside sind lang und zylindrisch. Viele Pflanzenviren sind helikal, einschließlich TMV. Ikosaedrische Viren haben Formen, die ungefähr kugelförmig sind, wie die von Poliovirus oder Herpesviren. Umhüllte Viren haben Membranen, die von der Wirtszelle abgeleitet sind, die die Kapside umgibt. Tierviren wie HIV sind häufig umhüllt. Kopf- und Schwanzviren infizieren Bakterien und haben einen Kopf, der ikosaedrischen Viren ähnelt, und einen Schwanz, der wie helikale Viren geformt ist.

Abbildung 2. Ein Virus und sein Wirtsrezeptorprotein. Das HIV-Virus bindet den CD4-Rezeptor auf der Oberfläche menschlicher Zellen. CD4-Rezeptoren helfen weißen Blutkörperchen, mit anderen Zellen des Immunsystems zu kommunizieren, wenn sie eine Immunantwort auslösen. (Kredit: modifikation der Arbeit durch NIAID, NIH)

Viele Viren verwenden eine Art Glykoprotein, um sich über Moleküle auf der Zelle, die als virale Rezeptoren bezeichnet werden, an ihre Wirtszellen zu binden. Für diese Viren ist eine Anhaftung für ein späteres Eindringen in die Zellmembran erforderlich; Erst nach dem Eindringen kann das Virus seine Replikation in der Zelle abschließen. Die Rezeptoren, die Viren verwenden, sind Moleküle, die normalerweise auf Zelloberflächen vorkommen und ihre eigenen physiologischen Funktionen haben. Es scheint, dass sich Viren einfach entwickelt haben, um diese Moleküle für ihre eigene Replikation zu nutzen. Zum Beispiel verwendet HIV das CD4-Molekül auf T-Lymphozyten als einen seiner Rezeptoren (Abbildung 2). CD4 ist eine Art Molekül, das als Zelladhäsionsmolekül bezeichnet wird und dazu dient, verschiedene Arten von Immunzellen während der Erzeugung einer T-Lymphozyten-Immunantwort in unmittelbarer Nähe zueinander zu halten.Eines der komplexesten bekannten Virionen, der T4-Bakteriophage (der das Escherichia coli-Bakterium infiziert), hat eine Schwanzstruktur, die das Virus zur Anheftung an Wirtszellen verwendet, und eine Kopfstruktur, in der sich seine DNA befindet.Adenovirus, ein nicht umhülltes tierisches Virus, das Atemwegserkrankungen beim Menschen verursacht, verwendet Glykoproteinspitzen, die aus seinen Kapsomeren herausragen, um sich an Wirtszellen anzuheften. Zu den nicht umhüllten Viren gehören auch solche, die Polio (Poliovirus), Plantarwarzen (Papillomavirus) und Hepatitis A (Hepatitis-A-Virus) verursachen.

Umhüllte Virionen wie das Influenzavirus bestehen aus Nukleinsäure (RNA im Falle der Influenza) und Kapsidproteinen, die von einer Phospholipid-Doppelschichthülle umgeben sind, die viruskodierte Proteine enthält. Glykoproteine, die in die Virushülle eingebettet sind, werden zur Anlagerung an Wirtszellen verwendet. Andere Hüllproteine sind die Matrixproteine, die die Hülle stabilisieren und oft eine Rolle beim Zusammenbau von Nachkommen-Virionen spielen. Windpocken, HIV und Mumps sind weitere Beispiele für Krankheiten, die durch Viren mit Hüllen verursacht werden. Aufgrund der Zerbrechlichkeit der Hülle sind nicht umhüllte Viren resistenter gegen Temperaturänderungen, pH-Wert und einige Desinfektionsmittel als umhüllte Viren.

Insgesamt sagen uns die Form des Virions und das Vorhandensein oder Fehlen einer Hülle wenig darüber aus, welche Krankheit das Virus verursachen oder welche Spezies es infizieren könnte, aber sie sind immer noch nützliche Mittel, um mit der Virusklassifizierung zu beginnen (Abbildung 3).

Übungsfrage

Abbildung 3. Komplexe Viren. Viren können entweder komplex oder relativ einfach geformt sein. Diese Abbildung zeigt drei relativ komplexe Virionen: den Bakteriophagen T4 mit seiner DNA-haltigen Kopfgruppe und den Schwanzfasern, die sich an Wirtszellen anlagern; Adenovirus, das Spikes aus seinem Kapsid verwendet, um an Wirtszellen zu binden; und das Influenzavirus, das Glykoproteine verwendet, die in seine Hülle eingebettet sind, um an Wirtszellen zu binden. Das Influenzavirus hat auch Matrixproteine innerhalb der Hülle, die helfen, die Form des Virions zu stabilisieren. (credit „bacteriophage, Adenovirus“: Modifikation der Arbeit von NCBI, NIH; credit „Influenza Virus“: Modifikation der Arbeit von Dan Higgins, Centers for Disease Control and Prevention)

Welche der folgenden Aussagen über die Virusstruktur ist wahr?

1. Alle Viren sind in einer viralen Membran eingeschlossen.
2. Das Kapsomer besteht aus kleinen Proteinuntereinheiten, den sogenannten Kapsiden.
3. DNA ist das genetische Material aller Viren.
4. Glykoproteine helfen dem Virus, sich an die Wirtszelle anzuheften.

Antwort anzeigen

Anweisung d ist wahr.

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