Biology for Majors II

I virus sono non cellulari, nel senso che sono entità biologiche che non hanno una struttura cellulare. Mancano quindi la maggior parte dei componenti delle cellule, come gli organelli, i ribosomi e la membrana plasmatica. Un virione è costituito da un nucleo di acido nucleico, un rivestimento proteico esterno o capside e talvolta un involucro esterno costituito da membrane proteiche e fosfolipidi derivate dalla cellula ospite. I virus possono anche contenere proteine aggiuntive, come gli enzimi, all’interno del capside o attaccati al genoma virale. La differenza più evidente tra i membri di diverse famiglie virali è la variazione nella loro morfologia, che è piuttosto diversa. Una caratteristica interessante della complessità virale è che la complessità dell’ospite non è necessariamente correlata con la complessità del virione. In effetti, alcune delle strutture virioniche più complesse si trovano nei batteriofagi-virus che infettano gli organismi viventi più semplici, i batteri.

Tipi di acido nucleico

A differenza di quasi tutti gli organismi viventi che utilizzano il DNA come materiale genetico, i virus possono utilizzare DNA o RNA. Il nucleo del virus contiene il genoma – il contenuto genetico totale del virus. I genomi virali tendono ad essere piccoli, contenenti solo quei geni che codificano le proteine che il virus non può ottenere dalla cellula ospite. Questo materiale genetico può essere singolo o doppio filamento. Può anche essere lineare o circolare. Mentre la maggior parte dei virus contiene un singolo acido nucleico, altri hanno genomi divisi in diversi segmenti. Il genoma dell’RNA del virus dell’influenza è segmentato, il che contribuisce alla sua variabilità e continua evoluzione e spiega perché è difficile sviluppare un vaccino contro di esso.

Nei virus a DNA, il DNA virale dirige le proteine di replicazione della cellula ospite per sintetizzare nuove copie del genoma virale e per trascrivere e tradurre quel genoma in proteine virali. Le malattie umane causate da virus del DNA includono varicella, epatite B e adenovirus. I virus a DNA sessualmente trasmessi includono il virus dell’herpes e il virus del papilloma umano (HPV), che è stato associato al cancro cervicale e alle verruche genitali.

I virus a RNA contengono solo RNA come materiale genetico. Per replicare i loro genomi nella cellula ospite, i virus RNA devono codificare i propri enzimi in grado di replicare l’RNA in RNA o, nei retrovirus, in DNA. Questi enzimi RNA polimerasi hanno maggiori probabilità di commettere errori di copia rispetto alle DNA polimerasi e quindi spesso commettono errori durante la trascrizione. Per questo motivo, le mutazioni nei virus a RNA si verificano più frequentemente che nei virus a DNA. Questo li fa cambiare e adattarsi più rapidamente al loro ospite. Le malattie umane causate da virus a RNA includono influenza, epatite C, morbillo e rabbia. Il virus HIV, che viene trasmesso sessualmente, è un retrovirus dell’RNA.

Morfologia

I virus sono disponibili in molte forme e dimensioni, ma queste caratteristiche sono coerenti per ogni famiglia virale. Come abbiamo visto, tutti i virioni hanno un genoma di acido nucleico coperto da un capside protettivo. Le proteine del capside sono codificate nel genoma virale e sono chiamate capsomeri. Alcuni capsidi virali sono semplici eliche o “sfere” poliedriche, mentre altri sono piuttosto complessi nella struttura (Figura 1).

In generale, i capsidi dei virus sono classificati in quattro gruppi: elicoidali, icosaedrici, avvolti e testa e coda. I capsidi elicoidali sono lunghi e cilindrici. Molti virus vegetali sono elicoidali, incluso TMV. I virus icosaedrici hanno forme che sono approssimativamente sferiche, come quelle del poliovirus o degli herpesvirus. I virus avvolti hanno membrane derivate dalla cellula ospite che circonda i capsidi. I virus animali, come l’HIV, sono spesso avvolti. I virus della testa e della coda infettano i batteri e hanno una testa simile ai virus icosaedrici e una coda a forma di virus elicoidali.

Figura 2. Un virus e la sua proteina del recettore ospite. Il virus HIV lega il recettore CD4 sulla superficie delle cellule umane. I recettori CD4 aiutano i globuli bianchi a comunicare con altre cellule del sistema immunitario quando producono una risposta immunitaria. (credito: modifica del lavoro di NIAID, NIH)

Molti virus usano una sorta di glicoproteina per attaccarsi alle loro cellule ospiti tramite molecole sulla cellula chiamate recettori virali. Per questi virus, l’attaccamento è richiesto per la successiva penetrazione della membrana cellulare; solo dopo la penetrazione può il virus completare la sua replicazione all’interno della cellula. I recettori utilizzati dai virus sono molecole che si trovano normalmente sulle superfici cellulari e hanno le loro funzioni fisiologiche. Sembra che i virus si siano semplicemente evoluti per utilizzare queste molecole per la propria replicazione. Ad esempio, l’HIV utilizza la molecola CD4 sui linfociti T come uno dei suoi recettori (Figura 2). CD4 è un tipo di molecola chiamata molecola di adesione cellulare, che funziona per mantenere diversi tipi di cellule immunitarie in prossimità l’una dell’altra durante la generazione di una risposta immunitaria dei linfociti T.

Uno dei virioni più complessi conosciuti, il batteriofago T4 (che infetta il batterio Escherichia coli), ha una struttura della coda che il virus utilizza per attaccare alle cellule ospiti e una struttura della testa che ospita il suo DNA.

L’adenovirus, un virus animale non avvolto che causa malattie respiratorie negli esseri umani, utilizza picchi di glicoproteina che sporgono dai suoi capsomeri per attaccarsi alle cellule ospiti. I virus non avvolti includono anche quelli che causano la poliomielite (poliovirus), le verruche plantari (papillomavirus) e l’epatite A (virus dell’epatite A).

I virioni avvolti, come il virus dell’influenza, sono costituiti da acido nucleico (RNA nel caso dell’influenza) e proteine capsidiche circondate da un involucro a doppio strato fosfolipidico che contiene proteine codificate dal virus. Le glicoproteine incorporate nell’involucro virale vengono utilizzate per attaccarsi alle cellule ospiti. Altre proteine della busta sono le proteine della matrice che stabilizzano la busta e spesso svolgono un ruolo nell’assemblaggio dei virioni della progenie. Varicella, HIV e parotite sono altri esempi di malattie causate da virus con buste. A causa della fragilità della busta, i virus non avvolti sono più resistenti ai cambiamenti di temperatura, pH e alcuni disinfettanti rispetto ai virus avvolti.

Nel complesso, la forma del virione e la presenza o l’assenza di un involucro ci dicono poco su quale malattia il virus può causare o quali specie potrebbe infettare, ma sono comunque mezzi utili per iniziare la classificazione virale (Figura 3).

Domanda pratica

Figura 3. Virus complessi. I virus possono essere di forma complessa o relativamente semplice. Questa figura mostra tre virioni relativamente complessi: il batteriofago T4, con il suo gruppo di testa contenente DNA e le fibre della coda che si attaccano alle cellule ospiti; adenovirus, che utilizza picchi dal suo capside per legarsi alle cellule ospiti; e il virus dell’influenza, che utilizza glicoproteine incorporate nel suo involucro per legarsi alle cellule ospiti. Il virus dell’influenza ha anche proteine di matrice, interne all’involucro, che aiutano a stabilizzare la forma del virione. (credito “batteriofago, adenovirus”: modifica del lavoro di NCBI, NIH; credito “virus dell’influenza”: modifica del lavoro di Dan Higgins, Centers for Disease Control and Prevention)

Quale delle seguenti affermazioni sulla struttura del virus è vera?

1. Tutti i virus sono racchiusi in una membrana virale.
2. Il capsomero è costituito da piccole subunità proteiche chiamate capsidi.
3. Il DNA è il materiale genetico di tutti i virus.
4. Le glicoproteine aiutano il virus ad attaccarsi alla cellula ospite.

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