Was sind viren
Was sind Viren?
Viren sind mikroskopisch kleine Krankheitserreger, die keinen eigenen Stoffwechsel und keinen Bewegungsapparat besitzen. Sie sind auf die Stoffwechselfunktionen ihres Wirtes angewiesen, um sich selbst replizieren zu können. Die unterschiedlichen Viren sind zwischen 10 und 2000 Nanometern groß (ein Nanometer ist der Millionste Teil eines Millimeters). Viruspartikel, auch Virionen genannt, können sich nur in lebendigen Zellen vermehren.Sie bestehen aus einem Nukleinsäurekern, dem Nukleoid, der entweder einzelsträngige oder doppelsträngige DNA oder RNA, niemals beides, enthält und aus einer Hülle aus verschiedenen Proteinen besteht, dem Kapsid. Diese Hülle hat nicht nur die Aufgabe die genetischen Informationen zu schützen, sondern sie hat darüber hinaus noch die Fähigkeit, das ganze Virus oder auch nur das Erbmaterial in die Zelle einzuschleusen.
Das Kapsid eines Virus kann entweder die Form eines Stäbchens, die helikale Form, oder die des Ikosaeders, das ist ein zwölfeckiger Körper aus 20 gleichseitigen Dreiecksflächen, besitzen.Nukleinsäure plus Proteinmantel nennt man Nukleokapsid.Gelegentlich enthalten Viren auch noch einige Enzyme, z. B. Polymerasen besonders im Fall der RNA-Viren, doch im allgemeinen benutzt das Virusgenom für seine Vermehrung alle in der Zelle vorhandenen Mechanismen. Das Virusgenom trägt die Gesamtinformation für alle Virusfunktionen, um das Virion zu vermehren.
Die Virusvermehrung zielt darauf hinaus möglichst viele identische Kopien herzustellen und dazu sind sie vollkommen auf den Syntheseapparat der Zelle angewiesen. Sie haben deswegen Mechanismen entwickelt, um die Vermehrung der Wirtsgenome zu hemmen oder ganz zum erliegen zu bringen.Man unterscheidet die Virenarten unter anderem auch durch die Wirte, die ein Virus infiziert, dementsprechend gibt es, Bakteriophagen, die Bakterienviren, animale Viren, zu denen auch die Humanviren zählen, und die Pflanzenviren. Viren sind hochspezialisiert, so dass nur Zellen in einem bestimmten Organismus oder sogar nur eine bestimmte Zellenart infiziert werden kann.Wenn die Virushülle aus einer Proteinart oder verschiedenen Proteinarten bestehen, spricht man von nackten Viren, diese können alle oben genannten Formen aufweisen. Viele Viren nehmen bei ihrer Reifung einen Teil der Wirtszellmembran mit in die sie sich einhüllen, sie rauben der Zelle einen Teil ihrer Wand und schaffen sich so einen eigenen Mantel.
Diese Viren bezeichnet man als membrantragende, umhüllte Viren.Eines der Grundprinzipien alles Lebendigen, also auch der Viren, liegt in der Vermehrung der eigenen Art. Manche betreiben die eigene Vermehrung (Selbstreplikation) rücksichtslos und vernichten damit die Wirtszelle, manchmal auch den gesamten Wirtsorganismus. Andere Viren sind und schädigen die Wirtszelle nur wenig. Sie können sich so noch besser und über längere Zeit vermehren sowie auch wirkungsvoller ausbreiten.
Allgemeiner Vermehrungszyklus von Viren
1.
AdsorptionViren bedienen sich bestimmter in ihrer Oberfläche verankerter Proteine, um sich an spezifische Proteinanker (Rezeptoren) anzuheften. Dieser Vorgang des Anheftens an die Wirtsmembran wird als Adsorption bezeichnet. Die erste Kontaktaufnahme ist wahrscheinlich elektrostatisch bedingt, temperaturunabhängig und reversibel. Nicht jedes Zusammentreffen eines Virus mit einer Zelle führt zur Haftung. Den Viren ist es gelungen, einige ihrer Hüllenproteine so anzupassen, dass sie sie an die Rezeptoren der Wirtszellen binden und so ins Zellinnere gelangen können.
2.
PenetrationDas Eindringen in das Zellinnere wird Penetration genannt, dieser Vorgang erfordert die aktive Mitarbeit der Zelle und ist deshalb temperaturabhängig und nicht mehr reversibel. An dieser Stelle kommt es zu einem wesentlichen Unterschied zwischen Bakteriophagen und anderen Virenarten.Die Penetration der membranumhüllten Viren verläuft noch etwas anders als die der beiden oben erklärten Vorgänge von nackten Viren. Eines der Proteine an der Virusoberfläche hat die Fähigkeit und Funktion, die Membran des Virus mit der der zukünftigen Wirtszelle zu verschmelzen. Es kommt zu einer Fusion von Viruspartikel und Zelle.
3.
UncoatingIm Inneren der Zelle kommt es schließlich zur Freisetzung der Virusnukleinsäure aus dem Proteinmantel, was auch Uncoating genannt wird. Dabei entsteht oft nicht völlig freie DNA oder RNA, sondern die Nukleinsäure bleibt mit einzelnen im Virion vorhandenen Proteinen (z. B. Polymerasen oder mit DNA- bzw. RNA-bindenden Proteinen) in einem Komplex verbunden.
4.
BiosyntheseViren, die eukaryontische Zelle befallen, können sich entweder im Zellkern oder im Zytoplasma vermehren, wobei letzteres die häufigere Vermehrungsart ist. Bei Bakterienviren ist diese Unterscheidung logischerweise nicht notwendig, da Bakterien keinen Zellkern besitzen, ansonsten ist die Biosynthese mit den eukaryontischen Viren allerdings identisch.Die Proteinbiosynthese läuft bei Viren ebenso ab wie beim Menschen, obwohl es je nach Eigenart des Virus zu verschieden zu verschieden zwischen Prozessen kommt. Wie zum Beispiel bei der reversen Transkriptase, wo die Virus-RNA erst in DNA umgeschrieben wird.Da die Wirtszellen mit ihren DNA-Genomen im allgemeinen wenig Bedarf haben, RNA-Genome zu vermehren, müssen RNA-Viren die erforderlichen RNA-Polymerasen meist selbst „mitbringen“, entweder als fertige, funktionsfähige Enzyme und Bestandteile des Virions oder als Information in ihren Genomen, während die DNA-Viren die natürlichen Ressourcen nutzen. Die Funktion „Polymerase“ gehört dann immer zu den früh übersetzten genetischen Funktion des Virus; denn sie wird sehr früh nach der Infektion benötigt, um die virusspezifische Genomvermehrung oder -überschreibung sofort nach der Infektion beginnen zu können.
Bei vielen Viren tragen die spät nach der Infektion überschriebenen Gene die Information für die Hüllenproteine des Virions, die sog. Strukturproteine.
5. MaturationNachdem in der Wirtszelle größere Mengen von Virusbausteinen (genauer Virusstrukturproteinen) gebildet worden sind, setzten sich diese zu einem kompletten infektionstüchtigen Viruspartikel zusammen. Der Prozess läuft ohne enzymatische Mithilfe von Seiten der Zelle ab. Man nimmt an, dass für das Self-assembly (Sich-von-selbst-Zusammenfügen) häufig keine oder nur vereinzelte Hilfsfunktionen erforderlich sind.
Allerdings kennt man bei manchen Viren, z. B. beim Bakteriophagen 8 oder manchen RNA-Viren Gerüstproteine, die dazu beitragen, dass die Virushülle in einer bestimmten Art und Weise zusammengebaut wird. Das Gerüstprotein wird anschließend wie das Baugerüst eines Hauses wieder entfernt und nicht als Bestandteil des Virions gebraucht.Diese Phase wird als Maturation bezeichnet.
6.
FreisetzungLetztendlich sollen die neugebildeten Viruspartikel aus der Wirtszelle freigesetzt werden. Viren haben auch dafür ganz unterschiedliche Mechanismen entwickelt.Bei einer lytischen Bakteriophageninfektion wird die Bakterienzellwand nach der Replikation durch das virale Enzym Lysozym aufgebrochen, und der Zellinhalt mit den neugebildeten Phagen ergießt sich in die Umgebung. Das Auflösen der Zellwand des Bakteriums bezeichnet man als Lyse und spricht daher von einer lytischen Infektion.Bei tierischen Viren hingegen kommt es nicht immer zu einer Lyse der Zelle. Der größte Teil der neugebildeten Adenoviren z.
B. bleibt viele Tage im intakten Kern der in ihrer Funktion aber schwer geschädigten Zelle. Es werden nur wenige Viruspartikel auf bislang unbekannten Weg aus der Zelle freigesetzt.Bei der Virussprossung werden die fertigen Nukleokapside an bestimmten Arealen der Zellmembran angelagert, dort kommt es auf noch unbekannte Weise zu einem virusspezifischen Umbau der Zellmembran an den besetzten Arealen. Schließlich bildet sich an dieser Stelle eine Knospe. Das Nukleokapsid des Virus wird wie der Finger eines Handschuhs aus dem Zellinneren nach außen gestülpt, wo sich das Virusteilchen letztendlich abschnürt und den Freisetzungsvorgang des neuen Virions beendet.
Im Falle einer Lysogenie finden die letzten drei Punkte, zumindest vorläufig, nicht statt. Das Phagengenom wird in die Bakterienzelle integriert, wobei aber fast alle Gene abgeschaltet sind, so dass keine Baktetriophagen gebildet werden und die Zellwand auch nicht lysiert (aufgelöst) werden kann. Die Phagengene sind unterdrückt (reprimiert). Dieser Zustand kann jedoch aufgehoben und die Gene wieder aktiviert werden, worauf sich die Phagen vermehren und die Zellwand auflösen können. Im Ruhezustand des Phagengenoms befindet sich die Zelle im zustand der Lysogenie, d.h.
die Lyse kann jederzeit wieder erzeugt werden. Für die Abschaltung der Bakteriophagengene ist ein virales Repressorprotein verantwortlich.
Wechselwirkungen zwischen Virus und Wirt
Abortive oder nichtproduktive InfektionDas Viruspartikel dringt in das Zytoplasma der Zelle ein - subvirale Partikel können sogar in den Zellkern gelangen -, aber es werden im Verlauf dieser Art von Infektion keine neuen Virionen gebildet; die Infektion bleibt unproduktiv. Die Virusvermehrung kann je nach Virus-Wirt-System in jedem der beschriebenen Schritte der Virusinfektion abbrechen. Manchmal erleichtert eine nichtproduktive Infektion die Transformation der Zelle zu einer tumorähnlichen Zelle, weil sie häufig nicht zur Zellzerstörung führt.
Latente oder persistierende VirusinfektionDiese Art der Virusinfektion führt zu einem tolerierenden Gleichgewicht zwischen Virus und Wirtszelle bzw.
-organismus. Entweder werden laufend geringe Mengen Virus produziert, wobei die Zelle nicht oder minimal geschädigt wird, oder die Virusreplikation erfolgt nur zeitweise und abhängig von den Umweltbedingungen. Perioden der Virusvermehrung wechseln dann mit denen des Verschwindens von Virionen. Dabei kann das Genom entweder direkt in das Erbgut der Zelle eingebaut werden oder in freier Form als Episom im Kern überleben. Ein Episom ist ein Genom, das in freier Form neben dem Zellgenom im Zellkern erhalten bleibt. In beiden Fällen wird das Virusgenom gleichzeitig mit den Erbanlagen der Zelle vermehrt, so dass alle neugebildeten Zellen ebenfalls Virusgene tragen.
Lange Zeit nach der ursprünglichen Infektion kann das Virus wieder auftauchen um mit seiner Vermehrung wider beginnen. Das Herpesvirusgenom z. B. überlebt lange Zeit in den Nervenzellen. Gelegentlich kommt es zur Virusvermehrung und zu Krankheitserscheinungen. Die molekularen Grundlagen der Viruslatenz sind bisher nur wenig erforscht.
Jede der so von Virusgenomen befallenen Zellen kann unter geeigneten Bedingungen wieder zum Ausgangsort ungehemmter Virusvermehrung werden.
Infektion, die zur Tumorbildung führtManche Viren könne Zellen so infizieren, dass diese zu tumorähnlichen Zellen oder Tumoren umgewandelt werden. Der Vorgang heißt onkogene (tumorerzeugende) Transformation. Dabei überlebt das Virusgenom in der Zelle entweder als Episom in freier Form, wobei die Vermehrung von Zelle und Episom synchronisiert wird, oder integriert in das Zellgenom, wobei in beiden Fällen Millionen von Zellen entstehen, die alle das Virusgenom tragen oder enthalten. In manchen Fällen, insbesondere bei Retroviren, werden von den transformierten Zellen weiterhin neue Virionen produziert. In vielen von DNA-Tumorviren transformierten Zellen findet man dagegen keine Virusvermehrung.
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