Molekulare Ausdrücke Zellbiologie: Struktur der Viren

Viren sind keine Pflanzen, Tiere oder Bakterien, aber sie sind die Parasiten der lebenden Reiche schlechthin. Obwohl sie aufgrund ihrer enormen Fortpflanzungsfähigkeit wie lebende Organismen erscheinen mögen, sind Viren keine lebenden Organismen im strengen Sinne des Wortes.

Ohne eine Wirtszelle können Viren ihre lebenserhaltenden Funktionen nicht ausüben oder sich nicht fortpflanzen. Sie können keine Proteine synthetisieren, weil ihnen Ribosomen fehlen und sie die Ribosomen ihrer Wirtszellen nutzen müssen, um virale Boten-RNA in virale Proteine zu übersetzen. Viren können keine Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) erzeugen oder speichern, sondern müssen ihre Energie und alle anderen Stoffwechselfunktionen von der Wirtszelle beziehen. Außerdem parasitieren sie in der Zelle, um grundlegende Baustoffe wie Aminosäuren, Nukleotide und Lipide (Fette) zu gewinnen. Obwohl man spekuliert hat, dass Viren eine Form von Protoleben sind, ist es aufgrund ihrer Unfähigkeit, ohne lebende Organismen zu überleben, höchst unwahrscheinlich, dass sie dem zellulären Leben in der frühen Evolution der Erde vorausgegangen sind. Einige Wissenschaftler spekulieren, dass Viren als abtrünnige Segmente des genetischen Codes entstanden sind, die sich an ein parasitäres Leben angepasst haben.

Alle Viren enthalten Nukleinsäure, entweder DNA oder RNA (aber nicht beides), und eine Proteinhülle, die die Nukleinsäure umschließt. Einige Viren sind auch von einer Hülle aus Fett- und Proteinmolekülen umgeben. In seiner infektiösen Form, außerhalb der Zelle, wird ein Viruspartikel als Virion bezeichnet. Jedes Virion enthält mindestens ein einzigartiges Protein, das von bestimmten Genen in seiner Nukleinsäure synthetisiert wird. Viroide (d. h. „virusähnliche“) sind krankheitsverursachende Organismen, die nur Nukleinsäure enthalten und keine Strukturproteine besitzen. Andere virusähnliche Partikel, so genannte Prionen, bestehen hauptsächlich aus einem Protein, das eng mit einem kleinen Nukleinsäuremolekül verbunden ist.

Viren werden im Allgemeinen nach den Organismen klassifiziert, die sie infizieren: Tiere, Pflanzen oder Bakterien. Da Viren die Zellwände von Pflanzen nicht durchdringen können, werden praktisch alle Pflanzenviren durch Insekten oder andere Organismen übertragen, die sich von Pflanzen ernähren. Bestimmte bakterielle Viren, wie z. B. der T4-Bakteriophage, haben einen ausgeklügelten Infektionsprozess entwickelt. Das Virus hat einen „Schwanz“, den es mit Hilfe von proteinhaltigen „Stiften“ an der Oberfläche des Bakteriums anheftet. Der Schwanz zieht sich zusammen, und der Schwanzpfropfen durchdringt die Zellwand und die darunter liegende Membran und injiziert die viralen Nukleinsäuren in die Zelle. Viren werden anhand von drei strukturellen Aspekten in Familien und Gattungen eingeteilt: 1) die Art und Größe ihrer Nukleinsäure, 2) die Größe und Form des Kapsids und 3) ob sie eine Lipidhülle haben, die das Nukleokapsid (die im Kapsid eingeschlossene Nukleinsäure) umgibt.

Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Formen, die bei Viren vorkommen: Stäbchen oder Fäden und Kugeln. Die Stäbchenform ist auf die lineare Anordnung der Nukleinsäure und der Proteinuntereinheiten zurückzuführen, die das Kapsid bilden. Die Kugelform ist eigentlich ein 20-seitiges Vieleck (Ikosaeder).

Das Wesen der Viren wurde erst im zwanzigsten Jahrhundert verstanden, aber ihre Auswirkungen wurden schon seit Jahrhunderten beobachtet. Der britische Arzt Edward Jenner entdeckte Ende des 18. Jahrhunderts sogar das Prinzip der Impfung, nachdem er beobachtet hatte, dass Menschen, die an der leichten Kuhpockenerkrankung erkrankt waren, im Allgemeinen gegen die tödlichere Pockenerkrankung immun waren. Jahrhunderts wussten die Wissenschaftler, dass ein Erreger eine Krankheit der Tabakpflanzen verursachte, der jedoch auf einem künstlichen Medium (wie Bakterien) nicht wuchs und zu klein war, um mit einem Lichtmikroskop gesehen zu werden. Die Fortschritte in der Lebendzellkultur und Mikroskopie im zwanzigsten Jahrhundert ermöglichten es den Wissenschaftlern schließlich, Viren zu identifizieren. Fortschritte in der Genetik verbesserten den Identifizierungsprozess dramatisch.

• Kapsid – Das Kapsid ist die Proteinhülle, die die Nukleinsäure umschließt; mit der eingeschlossenen Nukleinsäure wird es Nukleokapsid genannt. Diese Hülle besteht aus Proteinen, die in Untereinheiten, den so genannten Kapsomeren, organisiert sind. Sie sind eng mit der Nukleinsäure verbunden und spiegeln deren Konfiguration wider, entweder eine stäbchenförmige Helix oder eine polygonförmige Kugel. Das Kapsid hat drei Funktionen: 1) Es schützt die Nukleinsäure vor der Verdauung durch Enzyme, 2) es enthält spezielle Stellen auf seiner Oberfläche, die es dem Virion ermöglichen, sich an eine Wirtszelle anzuheften, und 3) es liefert Proteine, die es dem Virion ermöglichen, die Membran der Wirtszelle zu durchdringen und in einigen Fällen die infektiöse Nukleinsäure in das Zytoplasma der Zelle zu injizieren. Unter den richtigen Bedingungen baut die virale RNA in einer flüssigen Suspension von Proteinmolekülen selbst ein Kapsid auf und wird zu einem funktionsfähigen und infektiösen Virus.

• Hülle – Viele Virustypen haben eine Glykoproteinhülle, die das Nukleokapsid umgibt. Die Hülle besteht aus zwei mit Eiweißmolekülen durchsetzten Lipidschichten (Lipoprotein-Doppelschicht) und kann sowohl Material aus der Membran einer Wirtszelle als auch solches viralen Ursprungs enthalten. Die Lipidmoleküle erhält das Virus während des viralen Knospungsprozesses von der Zellmembran. Allerdings ersetzt das Virus die Proteine in der Zellmembran durch seine eigenen Proteine, so dass eine Hybridstruktur aus zellulären Lipiden und virusbedingten Proteinen entsteht. Viele Viren entwickeln auf ihren Hüllen auch Stacheln aus Glykoprotein, die ihnen helfen, sich an bestimmte Zelloberflächen zu heften.

• Nukleinsäure – Wie in den Zellen kodiert die Nukleinsäure jedes Virus die genetische Information für die Synthese aller Proteine. Während in prokaryotischen und eukaryotischen Zellen die doppelsträngige DNA dafür verantwortlich ist, verwenden nur wenige Gruppen von Viren DNA. Die meisten Viren erhalten ihre gesamte genetische Information mit der einzelsträngigen RNA. Es gibt zwei Arten von RNA-basierten Viren. Bei den meisten wird die genomische RNA als Plus-Strang bezeichnet, weil sie als Boten-RNA für die direkte Synthese (Translation) von viralen Proteinen dient. Einige wenige Viren haben jedoch auch negative RNA-Stränge. In diesen Fällen verfügt das Virion über ein Enzym, die so genannte RNA-abhängige RNA-Polymerase (Transkriptase), die zunächst die Produktion der komplementären Boten-RNA aus der genomischen RNA des Virions katalysieren muss, bevor die virale Proteinsynthese stattfinden kann.

Das Influenza (Grippe)-Virus – Neben der Erkältung ist die Influenza oder „Grippe“ vielleicht die bekannteste Atemwegsinfektion der Welt. Allein in den Vereinigten Staaten erkranken jedes Jahr etwa 25 bis 50 Millionen Menschen an Grippe. Die Symptome der Grippe ähneln denen der Erkältung, sind aber meist schwerer. Fieber, Kopfschmerzen, Müdigkeit, Muskelschwäche und -schmerzen, Halsschmerzen, trockener Husten und eine laufende oder verstopfte Nase sind häufig und können sich schnell entwickeln. Magen-Darm-Symptome, die mit der Influenza in Verbindung gebracht werden, treten manchmal bei Kindern auf, aber bei den meisten Erwachsenen werden Krankheiten, die sich in Durchfall, Übelkeit und Erbrechen äußern, nicht durch das Influenzavirus verursacht, obwohl sie oft fälschlicherweise als „Magengrippe“ bezeichnet werden. Eine Reihe von Komplikationen, wie das Auftreten von Bronchitis und Lungenentzündung, können auch in Verbindung mit der Influenza auftreten und sind besonders häufig bei älteren Menschen, kleinen Kindern und Personen mit einem geschwächten Immunsystem zu beobachten.

Das Humane Immundefizienz-Virus (HIV) – Das für HIV verantwortliche Virus wurde erstmals 1983 von Robert Gallo aus den Vereinigten Staaten und dem französischen Wissenschaftler Luc Montagnier isoliert. Seitdem wurden zahlreiche Forschungsarbeiten über den Erreger von AIDS durchgeführt, und man hat viel über die Struktur des Virus und seine typische Wirkungsweise gelernt. HIV gehört zu einer Gruppe von atypischen Viren, den so genannten Retroviren, die ihre genetische Information in Form von Ribonukleinsäure (RNS) speichern. Mit Hilfe eines Enzyms, der so genannten reversen Transkriptase, sind HIV und andere Retroviren in der Lage, Desoxyribonukleinsäure (DNA) aus RNA zu produzieren, während die meisten Zellen den umgekehrten Prozess durchführen und das genetische Material der DNA in RNA umschreiben. Die Aktivität des Enzyms ermöglicht es, die genetische Information von HIV dauerhaft in das Genom (die Chromosomen) einer Wirtszelle zu integrieren.