Virusdefinition

Ein Virus ist eine Kette von Nukleinsäuren (DNA oder RNA), die in einer Wirtszelle lebt, Teile der zellulären Maschinerie zur Reproduktion verwendet und die replizierten Nukleinsäureketten freisetzt, um mehr Zellen zu infizieren. Ein Virus ist oft in einer Proteinhülle oder Proteinhülle untergebracht, einer Schutzhülle, die es dem Virus ermöglicht, zwischen den Wirten zu überleben.

Virusstruktur

Ein Virus kann eine Vielzahl unterschiedlicher Strukturen annehmen. Das kleinste Virus ist nur 17 Nanometer groß, kaum länger als ein durchschnittlich großes Protein. Das größte Virus ist mit 1.500 Nanometern fast tausendmal so groß. Das ist wirklich klein. Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von etwa 20.000 Nanometern. Dies bedeutet, dass die meisten Viruspartikel weit über die Fähigkeit eines normalen Lichtmikroskops hinausgehen. Unten ist ein Rasterelektronenmikroskop (SEM) Bild des Ebola-Virus.

Hier sehen Sie nur die Proteinhülle des Ebola-Virus. Jeder Virus sieht aus wie ein kleiner verbogener Wurm. Dies sind jedoch keine Zellen. Im Inneren der Proteinhülle befindet sich ein sorgfältig gefaltetes RNA-Molekül, das die Informationen enthält, die notwendig sind, um die Proteinhülle, das RNA-Molekül und die Komponenten zu replizieren, die notwendig sind, um die natürlichen Prozesse einer Zelle zu entführen, um diese Aufgaben zu erfüllen.

Die genaue Struktur eines Virus hängt davon ab, welche Spezies als Wirt dient. Ein Virus, das sich in Säugetierzellen repliziert, hat eine Proteinhülle, die es ihm ermöglicht, sich an Säugetierzellen anzuheften und diese zu infiltrieren. Die Form, Struktur und Funktion dieser Proteine ändert sich je nach Virusart. Ein typisches Virus ist unten zu sehen.

Das obige Virus zeigt die typische Struktur eines Virus, ein virales Genom, das von einem Schild aus Proteinen umgeben ist. Die verschiedenen Hüllproteine ermöglichen es dem Virus, mit der Wirtszelle zu interagieren, die es findet. Ein Teil der Proteinhülle öffnet sich dann, durchsticht die Zellmembran und lagert das virale Genom in der Zelle ab. Die Proteinhülle kann dann verworfen werden, da sich das virale Genom nun innerhalb der Wirtszelle repliziert. Die replizierten Virusmoleküle werden in ihre eigenen Proteinhüllen verpackt und in die Umwelt freigesetzt, um einen anderen Wirt zu finden. Während viele Viruspartikel eine einfache Form wie die oben genannte annehmen, sind einige viel komplizierter.

Das obige Bild zeigt einen Phagen, eine Art Virus, der sich auf bakterienzellen. Die Proteinhülle eines Phagen ist viel komplexer und weist eine Vielzahl spezialisierter Teile auf. Der Kopfteil enthält das virale Genom. Der Kragen, die Hülle, die Grundplatte und die Schwanzfasern sind Teil eines komplizierten Systems, um das Genom in eine Bakterienzelle zu injizieren. Die Schwanzfasern greifen die Bakterienzelle und ziehen die Grundplatte bis zur Zellwand oder Membran. Die Hülle und der Kragen komprimieren, durchstechen die Zelle und lagern die DNA in der Bakterienzelle ab.

Einige Virusmoleküle haben überhaupt keine Proteinhülle oder wurden noch nie identifiziert. Bei einigen Pflanzenvirusarten wird das Virus innerhalb der Pflanze von Zelle zu Zelle weitergegeben. Wenn Samen in der Pflanze erzeugt werden, breitet sich das Virus auf die Samen aus. Auf diese Weise kann das Virus seine gesamte Existenz in Zellen leben und benötigt niemals eine Proteinhülle, um es in der Umwelt zu schützen. Andere Virusmoleküle haben noch größere und komplexere Proteinhüllen und spezialisieren sich auf verschiedene Wirte.

Lebt ein Virus?

Das ist eine komplizierte Frage. Eine Zelle gilt als lebend, weil sie alle notwendigen Komponenten enthält, um ihre DNA zu replizieren, zu wachsen und sich in neue Zellen zu teilen. Dies ist der Prozess, den alles Leben nimmt, wo es ein einzelliger Organismus oder ein mehrzelliger Organismus ist. Manche Menschen betrachten ein Virus nicht als lebend, da ein Virus nicht alle Mechanismen enthält, die zur Replikation erforderlich sind. Sie würden sagen, dass sich ein Virus ohne Wirtszelle nicht alleine replizieren kann und daher nicht lebt.

Doch nach der Definition des Lebens, die zuvor dargelegt wurde, scheint es, dass ein Virus, wenn es sich in einer Wirtszelle befindet, über alle Maschinen verfügt, die es zum Überleben benötigt. Die Proteinhülle, in der sie sich außerhalb einer Zelle befindet, entspricht einer Bakterienspore, einer kleinen Kapsel, die Bakterien um sich herum bilden, um raue Bedingungen zu überleben. Wissenschaftler, die ein Virus als lebenden Organismus unterstützen, bemerken die Ähnlichkeit zwischen einem Virus in einer Proteinhülle und einer Bakterienspore. Keiner der beiden Organismen ist in seinem Schutzmantel aktiv, sie werden nur aktiv, wenn sie günstige Bedingungen erreichen.

Tatsächlich betrifft uns ein Virus nur deshalb, weil es in unseren Zellen aktiv wird. Außerdem neigt ein Virus dazu, sich mit seinem Wirt zu entwickeln. Die gefährlichsten Viren sind erst kürzlich zu einer neuen Art gesprungen. Die Biochemie, die sie entwickelt haben, um innerhalb der anderen Spezies zu leben, ist nicht mit der neuen Spezies kompatibel, und Zellschäden und Tod treten auf. Dies verursacht eine Reihe von Reaktionen, abhängig davon, welche Zellen infiziert wurden. Das HIV-Virus zum Beispiel greift ausschließlich Immunzellen an. Dies führt zu einem totalen Verlust der Immunfunktion bei Patienten. Mit dem Virus, das die Erkältung verursacht, greift das Virus die Atmungszellen an und schädigt sie bei seiner Arbeit.

Dennoch sind nicht alle Virusinfektionen schädlich für den Wirt. Ein Virus, das den Wirt tötet, wird im Laufe der Zeit weniger erfolgreich sein, verglichen mit einem Virus, das den Wirt nicht schädigt. Ein gesunder Wirt erhöht die Anzahl der in die Umwelt freigesetzten Virusmoleküle, was das ultimative Ziel des Virus ist. Tatsächlich können einige Viruspartikel dem Wirt tatsächlich zugute kommen. Ein gutes Beispiel ist eine Form von Herpes-Virus, in Mäusen gefunden. Dieses Virus, während es eine Maus infiziert, bietet der Maus eine gute Verteidigung gegen die Bakterien, die die Pest tragen. Während der Mechanismus nicht klar ist, verhindert das Virus irgendwie, dass sich die Bakterien im System der Maus festsetzen.

In diesem Licht ist es leicht zu erkennen, wie ein Virus einem Bakterium sehr ähnlich ist. Die Bakterien erzeugen und pflegen die Werkzeuge, die zur Reproduktion der DNA benötigt werden, wo das Virus sie stiehlt. Dies ist der einzige wirkliche Unterschied zwischen einem Virus und einem Bakterium. Aus diesem Grund betrachten viele Wissenschaftler ein Virus als lebenden Organismus. Wissenschaftler, die Viren untersuchen, Virologen, stellen fest, dass sich Viruspartikel (lebendig oder nicht) wahrscheinlich mit dem Leben entwickelt haben, solange die ersten Zellen vorhanden waren. Aus diesem Grund gibt es ein Virus, das sich auf fast jede einzelne Spezies auf dem Planeten spezialisiert hat.

Virusklassifizierung

Wissenschaftler klassifizieren Viren danach, wie sie ihr Genom replizieren. Einige Virusgenome bestehen aus RNA, andere aus DNA. Einige Viren verwenden einen einzelnen Strang, andere einen Doppelstrang. Die Komplexität bei der Replikation und Verpackung dieser verschiedenen Moleküle unterteilt Viren in sieben verschiedene Kategorien.

Klasse-I-Virus-Genome bestehen aus doppelsträngiger DNA, die dem menschlichen Genom entspricht. Dies macht es diesen Virusmolekülen leicht, die natürliche Maschinerie der Zelle zu nutzen, um Proteine aus der Virus-DNA herzustellen. Damit jedoch die DNA-Polymerase (das Molekül, das die DNA kopiert) aktiv ist, muss sich die Zelle teilen. Einige Klasse-I-Virusmoleküle enthalten DNA-Abschnitte, die die Zelle dazu bringen, sich aktiv zu teilen. Diese Virusmoleküle können zu Krebs führen. Das humane Papillomavirus ist ein sexuell übertragbares Virus der Klasse I und kann Gebärmutterhalskrebs verursachen.

Ein Klasse-II-Virus enthält nur einen einzigen DNA-Strang. Bevor es von den DNA-Polymerase-Enzymen des Wirts gelesen werden kann, muss es in doppelsträngige DNA umgewandelt werden. Dies geschieht durch Entführung der Histone (DNA-Proteine) und der DNA-Polymerase der Wirtszelle. Anstatt darauf zu warten, dass sich die Zelle teilt oder dazu zwingt, enthält die Klasse-II-Virus-DNA die Codierung für ein Protein namens Rep. Dieses Replikationsenzym repliziert das ursprüngliche einzelsträngige Virusgenom. Andere Proteine werden aus der DNA erzeugt und verwendet, um Proteinmäntel mit der zellulären Maschinerie zu erzeugen. Die einzelsträngige DNA wird dann in diese Proteinhüllen verpackt, und neue Viruspakete werden erstellt.

Klasse-III-Virus-Genome werden aus doppelsträngiger RNA erzeugt. Obwohl dies ungewöhnlich ist, enthalten diese Viruspakete ein eigenes Protein, die RNA-Polymerase. Dieses Protein kann Boten-RNA (mRNA) aus der doppelsträngigen Virus-RNA herstellen. Die Virus-RNA verbleibt daher in der Viruskapsel und nur die mRNA gelangt in das Zytoplasma des Wirts. Hier wird die mRNA in Proteine umgewandelt, von denen einige mehr RNA-Polymerase enthalten. Diese RNA-Polymerase erzeugt eine neue doppelsträngige RNA, die von den Proteinen eingekapselt und aus der Zelle freigesetzt wird.

Viren der Klasse IV sind einzelsträngige RNA, die fast identisch mit der von der Wirtszelle produzierten mRNA ist. Bei diesen Viren wird die gesamte Proteinhülle von einer nicht infizierten Wirtszelle umhüllt. Das kleine RNA-Genom entweicht der Proteinhülle und gelangt in das Zytoplasma. Dieser eine mRNA-ähnliche Strang kodiert für ein großes Polyprotein, das von den Wirtsribosomen erzeugt wird. Das Polyprotein zerfällt natürlich in verschiedene Teile. Einige erzeugen Proteinmäntel, während andere den ursprünglichen Strang der viralen RNA lesen und replizieren. Das Virus vermehrt sich weiter und erzeugt neue, voll gepackte Viruspartikel. Wenn die Zelle vollständig gefüllt ist, reißt sie und setzt die Viruspartikel in das Blut oder die Umgebung frei. Bis zu 10.000 Viruspartikel können aus einer einzigen Zelle freigesetzt werden.

Die Virusgenome der Klasse V sind ebenfalls einzelsträngige RNA. Sie laufen jedoch in die entgegengesetzte Richtung von normaler mRNA. Daher kann die Maschinerie der Zelle sie nicht direkt lesen. Diese Virusmoleküle enthalten ein RNA-Polymerase-Molekül, das umgekehrt lesen kann. Diese Virusmoleküle haben große Kapseln, die von Zellmembranen und Proteinen umgeben sind. Wenn sich das Virus einer Zelle nähert, binden seine Membranproteine an die Zelle und es wird in das Zytoplasma gezogen. Hier bricht es auseinander und setzt die rückwärts gerichtete virale RNA und zugehörige Proteine frei. Diese kleinen Komplexe produzieren regelmäßige mRNA, die neue Viruskomplexe erzeugt. Diese unvollendeten Komplexe bewegen sich zur Zelloberfläche, wo sie die Zellmembran mit Proteinen auskleiden, die sie erzeugen. Wenn sie fertig sind, wickeln sie sich in diese Membran ein und reißen sich von der Zelle weg.

Klasse-VI-Virus-Genome sind die gleichen wie Klasse V, aber sie verwenden eine andere Methode zur Replikation. Klasse-VI-Viruspartikel werden als Retroviren bezeichnet. Anstatt mRNA aus der viralen RNA zu erzeugen, arbeiten diese Virusmoleküle mit einem anderen Protein. Bekannt als reverse Transkriptase, ist dieses Enzym in der Lage, DNA aus der Virus-RNA zu erzeugen. Dabei wird die virale RNA in doppelsträngige DNA umgewandelt. Diese DNA produziert dann neue Viren. Die DNA kann sich in die Wirts-DNA integrieren und dabei endogenisiert werden. Dies bedeutet, dass die DNA so lange in der Zelle verbleibt, wie die Zelle lebt. Wenn sich die Zelle in einer Keimbahn wie einem Sperma oder einer Eizelle befindet, wird das Virus dauerhaft Teil des Genoms des Wirts. Es wird geschätzt, dass 5-8% des menschlichen Genoms über Retrovirus-DNA verbleibt.

Die letzte Klasse, Klasse VII, umfasst die Pararetroviren. Ähnlich wie Klasse VI verwenden diese Virusgenome reverse Transkriptase. Diese Virusgenome werden jedoch als DNA und nicht als RNA klassifiziert. Diese Viren fügen sich direkt in das Wirtsgenom ein, das beginnt, die virale DNA in RNA umzuwandeln. Der größte Teil dieser RNA wird mRNA sein, die zur Herstellung eines Polyproteins verwendet wird. Ein Teil des Polyproteins ist die reverse Transkriptase. Diese reverse Transkriptase arbeitet an RNA-Stücken, die als Pregenom bekannt sind. Es liest diese RNA-Moleküle und produziert die ursprüngliche Virus-DNA. Dieses wird dann in virale Proteinhüllen verpackt. Viren der Klasse VII kommen häufig in Pflanzen vor und können mit den Plasmodesmata zwischen Zellen wandern oder von pflanzenfressenden Insekten getragen werden, die sich von den Pflanzen ernähren. Blattläuse tragen viele Pflanzenkrankheiten, da ihr Rüssel Pflanzenzellwände durchbohrt und sie das Zytoplasma trinken.

Beispiele für ein Virus

Poliovirus

Das Poliovirus, das Präsident Franklin Roosevelt verkrüppelt hat, ist ein Virus der Klasse III. Dieses doppelsträngige RNA-Virus kodiert für 12 Proteine. Wie andere Klasse-III-Virusgenome reproduziert es sich, indem es mRNA-Stränge in das Cytosol von Wirtszellen freisetzt, die für neue Virusmoleküle kodieren. Interessanterweise war das Poliovirus nicht tödlich, bis die Menschen begannen, ihr Wasser zu behandeln. Vor chloriertem Wasser überlebte Polio in den meisten Wasserquellen. So waren die meisten Säuglinge auf Anhieb Polio ausgesetzt.

Bei Säuglingen gibt es normalerweise keine Symptome von Polio und das Immunsystem reagiert auf das Virus. Nachdem jedoch chloriertes Wasser festgestellt worden war, erkrankten die meisten Kinder nicht an Polio. Die Krankheit wurde jedoch nicht ausgerottet. Viele Menschen waren im Erwachsenenalter Taschen von Polio ausgesetzt, die immer noch anhielten. Diese Menschen litten stark unter der Krankheit, da das Immunsystem nicht schnell genug darauf reagierte. Wie FDR waren sie normalerweise dauerhaft durch die Auswirkungen des Virus auf die Knochengesundheit verkrüppelt. Glücklicherweise kann der Impfstoff gegen Polio, einer der ersten, der jemals entwickelt wurde, leicht hergestellt werden, indem lebende Polioviren mit Hitze abgetötet werden. Die toten Proteinhüllen ermöglichen es dem Körper, eine Immunität gegen das Virus zu entwickeln, ohne dass Zellen infiziert werden.

Tollwutvirus

Das Tollwutvirus ist ein Klasse-V-Virus mit einer kugelförmigen Proteinhülle. Dieses Virus besteht aus linearer, einzelsträngiger RNA. Das Tollwutvirus-Genom kodiert für fünf Proteine aus 12.000 Nukleotiden. Interessanterweise umfassen die Symptome der Tollwut bei vielen Tieren eine erhöhte Aggression. Dieses Merkmal, verursacht durch den Ort, an dem das Virus angreift, und den Schaden, den es anrichtet, führt dazu, dass Tiere häufiger andere Tiere beißen als normalerweise. Die zusammengebauten Tollwutviruspartikel reichern sich im Speichel an. Wenn also ein infiziertes Tier ein anderes beißt, wird das Virus an das neue Tier weitergegeben.Das Tollwutvirus ist beim Menschen fast immer tödlich, wenn es nicht sofort behandelt wird. Jährlich werden fast 15 Millionen Impfungen gegen Tollwut nach Exposition durchgeführt. Der Impfstoff lädt den Körper im Wesentlichen mit dem toten Virus, was eine große Immunantwort gegen das Virus ermöglicht. Dies kann den Virus stoppen, bevor er sich im System etabliert. In diesem Fall besteht kaum eine Chance auf Genesung. Hunde werden üblicherweise vor der Exposition geimpft, was ihren Besitzern einen allgemeinen Schutz bietet, wenn sie von einem mit dem Virus infizierten Tier gebissen werden.

Quiz

1. Welche der folgenden Klassen von Virusgenomen kann direkt von zellulären Maschinen reproduziert werden?
A. Klasse I
B. Klasse III
C. Klasse VI

2. Das humane Rhinovirus A verursacht die Erkältung. Das Genom des Rhinovirus ist eine einzelsträngige RNA, ähnlich wie mRNAs, die von der Wirtszelle produziert werden. Zu welcher Klasse gehört das Rhinovirus?
A. Klasse VII
B. Klasse II
C. Klasse IV

3. Ihr Freund behauptet, dass Viren mit Allergien identisch sind, da beide dazu führen, dass seine Nase läuft. Welche der folgenden wird Ihren Freund anders überzeugen?
A. Nur Viren verursachen eine Immunreaktion
B. Ein Virus verursacht nicht nur eine Reaktion, es reproduziert sich in Ihren Zellen
C. Warum streiten? Dein Freund hat Recht.