Virale Morphologie
Viren aller Formen und Größen bestehen aus einem Nukleinsäurekern, einer äußeren Proteinhülle oder Kapsid und manchmal einer äußeren Hülle.
Lernziele
Beschreiben Sie die Beziehung zwischen dem viralen Genom, dem Kapsid und der Hülle
Schlüsselpunkte
Schlüsselpunkte
- Viren werden anhand ihrer Form in vier Gruppen eingeteilt: fadenförmig, isometrisch (oder ikosaedrisch), umhüllt und mit Kopf und Schwanz.
- Viele Viren heften sich an ihre Wirtszellen, um das Eindringen in die Zellmembran zu erleichtern und ihre Replikation innerhalb der Zelle zu ermöglichen.
- Nicht umhüllte Viren können resistenter gegenüber Temperaturschwankungen, pH-Wert und einigen Desinfektionsmitteln sein als umhüllte Viren.
- Der Viruskern enthält das kleine einzel- oder doppelsträngige Genom, das die Proteine kodiert, die das Virus nicht von der Wirtszelle erhalten kann.
Schlüsselbegriffe
- Kapsid: die äußere Proteinhülle eines Virus
- Hülle: eine umschließende Struktur oder Abdeckung, wie eine Membran
- fadenförmig: die Form von Fäden oder Filamenten habend
- isometrisch: Ein geometrisches System mit drei gleichen Achsen, die im rechten Winkel zueinander liegen (besonders in der Kristallographie)
Virale Morphologie
Viren sind azellulär, d.h. sie sind biologische Einheiten, die keine zelluläre Struktur haben. Daher fehlen ihnen die meisten Bestandteile von Zellen, wie Organellen, Ribosomen und die Plasmamembran. Ein Virion besteht aus einem Nukleinsäurekern, einer äußeren Proteinhülle oder einem Kapsid und manchmal einer äußeren Hülle aus Protein- und Phospholipidmembranen, die von der Wirtszelle stammen. Das Kapsid besteht aus Proteinuntereinheiten, den so genannten Kapsomeren. Viren können auch zusätzliche Proteine, wie z. B. Enzyme, enthalten. Der offensichtlichste Unterschied zwischen den Mitgliedern der Virusfamilien ist ihre Morphologie, die recht vielfältig ist. Ein interessantes Merkmal der viralen Komplexität ist, dass die Komplexität von Wirt und Virion nicht miteinander korreliert sind. Einige der kompliziertesten Virionstrukturen werden bei Bakteriophagen beobachtet, Viren, die die einfachsten lebenden Organismen infizieren: Bakterien.
Morphologie
Beispiel für die Anheftung eines Virus an seine Wirtszelle: Das KSHV-Virus bindet an den xCT-Rezeptor auf der Oberfläche von menschlichen Zellen. Diese Bindung ermöglicht das spätere Eindringen in die Zellmembran und die Replikation im Inneren der Zelle.
Viren gibt es in vielen Formen und Größen, die jedoch für jede Virusfamilie einheitlich und unterschiedlich sind. Im Allgemeinen werden die Formen von Viren in vier Gruppen eingeteilt: fadenförmig, isometrisch (oder ikosaedrisch), umhüllt sowie Kopf und Schwanz. Filamentöse Viren sind lang und zylindrisch. Viele Pflanzenviren sind fadenförmig, darunter TMV (Tabakmosaikvirus). Isometrische Viren haben eine annähernd kugelförmige Gestalt, wie z. B. Polioviren oder Herpesviren. Umhüllte Viren haben Membranen, die Kapside umgeben. Tierviren, wie HIV, sind häufig umhüllt. Kopf- und Schwanzviren infizieren Bakterien. Sie haben einen Kopf, der ikosaedrischen Viren ähnelt, und einen Schwanz, der die Form von Fadenviren hat.
Viele Viren verwenden eine Art Glykoprotein, um sich über Moleküle auf der Zelle, die viralen Rezeptoren, an ihre Wirtszellen anzuheften. Für diese Viren ist die Anheftung eine Voraussetzung für das spätere Durchdringen der Zellmembran, damit sie ihre Replikation in der Zelle abschließen können. Die Rezeptoren, die Viren benutzen, sind Moleküle, die normalerweise auf Zelloberflächen zu finden sind und ihre eigenen physiologischen Funktionen haben. Viren haben sich einfach so entwickelt, dass sie diese Moleküle für ihre eigene Replikation nutzen.
Insgesamt sagen 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 dennoch nützliche Mittel, um mit der Klassifizierung von Viren zu beginnen. Zu den komplexesten bekannten Virionen gehört der T4-Bakteriophage, der das Bakterium Escherichia coli infiziert. Er hat eine Schwanzstruktur, mit der sich das Virus an die Wirtszellen anheftet, und eine Kopfstruktur, in der seine DNA untergebracht ist. Das Adenovirus, ein unbehülltes tierisches Virus, das beim Menschen Atemwegserkrankungen verursacht, verwendet Glykoproteinspitzen, die aus seinen Kapsomeren herausragen, um sich an die Wirtszellen anzuheften. Zu den unbehüllten Viren gehören auch die Erreger der Kinderlähmung (Poliovirus), der Dornwarzen (Papillomavirus) und der Hepatitis A (Hepatitis-A-Virus).
Beispiele für Virusformen: Viren können entweder eine komplexe oder eine relativ einfache Form haben. Diese Abbildung zeigt drei relativ komplexe Virionen: den Bakteriophagen T4 mit seiner DNA-haltigen Kopfgruppe und Schwanzfasern, die sich an Wirtszellen anlagern; das Adenovirus, das Stacheln aus seinem Kapsid verwendet, um sich an Wirtszellen zu binden; und HIV, das in seine Hülle eingebettete Glykoproteine verwendet, um sich an Wirtszellen zu binden.
Enveloped virions like HIV consist of nucleic acid and capsid proteins surrounded by a phospholipid bilayer envelope and its associated proteins. Die in die Virushülle eingebetteten Glykoproteine dienen der Anheftung an die Wirtszellen. Zu den anderen Hüllproteinen gehören die Matrixproteine, die die Hülle stabilisieren und oft eine Rolle bei der Bildung von Virionennachkommen spielen. Windpocken, Influenza und Mumps sind Beispiele für Krankheiten, die durch Viren mit Hüllproteinen verursacht werden. Wegen der Zerbrechlichkeit der Hülle sind unbehüllte Viren widerstandsfähiger gegen Temperaturschwankungen, pH-Wert und einige Desinfektionsmittel als behüllte Viren.
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 oder 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 von der Wirtszelle beziehen kann. Dieses genetische Material kann ein- oder doppelsträngig sein. Es kann auch linear oder zirkulär sein. Während die meisten Viren nur eine einzige Nukleinsäure enthalten, haben andere mehrere Genome, die als Segmente bezeichnet werden.
Bei DNA-Viren weist 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. DNA-Viren verursachen menschliche Krankheiten wie Windpocken, Hepatitis B und einige Geschlechtskrankheiten wie Herpes und Genitalwarzen.
RNA-Viren enthalten nur RNA als genetisches Material. Um ihre Genome in der Wirtszelle zu replizieren, kodieren die RNA-Viren Enzyme, die RNA in DNA replizieren können, was die Wirtszelle nicht kann. Diese RNA-Polymerase-Enzyme neigen eher zu Kopierfehlern als DNA-Polymerasen und machen daher häufig Fehler bei der Transkription. Aus diesem Grund treten bei RNA-Viren häufiger Mutationen auf als bei DNA-Viren. Dies führt dazu, dass sie sich schneller verändern und an ihren Wirt anpassen. Zu den menschlichen Krankheiten, die durch RNA-Viren verursacht werden, gehören Hepatitis C, Masern und Tollwut.