Moleculaire Expressies Celbiologie: Virus Structure

Virussen zijn geen planten, dieren of bacteriën, maar zij zijn de parasieten bij uitstek van de levende koninkrijken. Hoewel ze door hun enorme voortplantingsvermogen op levende organismen kunnen lijken, zijn virussen geen levende organismen in de strikte zin van het woord.

Zonder een gastheercel kunnen virussen hun levensondersteunende functies niet uitvoeren of zich niet voortplanten. Ze kunnen geen eiwitten aanmaken, omdat ze geen ribosomen hebben en de ribosomen van hun gastcellen moeten gebruiken om viraal boodschapper-RNA om te zetten in virale eiwitten. Virussen kunnen geen energie in de vorm van adenosinetrifosfaat (ATP) genereren of opslaan, maar moeten hun energie, en alle andere metabolische functies, uit de gastheercel halen. Zij parasiteren ook op de cel voor elementaire bouwstoffen, zoals aminozuren, nucleotiden, en lipiden (vetten). Hoewel wordt gespeculeerd dat virussen een vorm van protoleven zijn, maakt hun onvermogen om zonder levende organismen te overleven het hoogst onwaarschijnlijk dat zij tijdens de vroege evolutie van de aarde aan het cellulaire leven voorafgingen. Sommige wetenschappers speculeren dat virussen begonnen als losgeslagen segmenten van de genetische code die zich aanpasten aan een parasitair bestaan.

Alle virussen bevatten nucleïnezuur, hetzij DNA of RNA (maar niet beide), en een eiwitmantel, die het nucleïnezuur omhult. Sommige virussen zijn ook omgeven door een omhulsel van vet- en eiwitmoleculen. In zijn besmettelijke vorm, buiten de cel, wordt een virusdeeltje een virion genoemd. Elk virion bevat ten minste één uniek eiwit, gesynthetiseerd door specifieke genen in zijn nucleïnezuur. Viroïden (wat “virusachtig” betekent) zijn ziekteverwekkende organismen die alleen nucleïnezuur bevatten en geen structurele eiwitten hebben. Andere virusachtige deeltjes, prionen genaamd, bestaan hoofdzakelijk uit een eiwit dat nauw geïntegreerd is met een klein nucleïnezuurmolecuul.

Virussen worden in het algemeen ingedeeld naar de organismen die zij infecteren, dieren, planten of bacteriën. Aangezien virussen niet door de celwanden van planten kunnen dringen, worden vrijwel alle plantenvirussen overgebracht door insecten of andere organismen die zich met planten voeden. Bepaalde bacteriële virussen, zoals de T4 bacteriofaag, hebben een ingewikkeld infectieproces ontwikkeld. Het virus heeft een “staart” die het aan het oppervlak van de bacterie vasthecht met behulp van eiwitachtige “pinnen”. De staart trekt samen en de staartplug dringt de celwand en het onderliggende membraan binnen, waarbij de virale nucleïnezuren in de cel worden geïnjecteerd. Virussen worden verder ingedeeld in families en genera op basis van drie structurele overwegingen: 1) het type en de grootte van hun nucleïnezuur, 2) de grootte en de vorm van de kapside, en 3) of zij een lipidenomhulsel hebben dat de nucleocapside (de kapside die het nucleïnezuur omhult) omgeeft.

Er zijn overwegend twee soorten vormen die bij virussen worden aangetroffen: staafjes, of filamenten, en bolletjes. De staafvorm is het gevolg van de lineaire array van het nucleïnezuur en de proteïnesubeenheden die samen de capside vormen. De bolvorm is eigenlijk een 20-hoekige veelhoek (icosaëder).

De aard van virussen werd pas in de twintigste eeuw begrepen, maar hun effecten waren al eeuwenlang waargenomen. De Britse arts Edward Jenner ontdekte zelfs het principe van inenting aan het eind van de achttiende eeuw, nadat hij had vastgesteld dat mensen die de milde ziekte koepokken hadden opgelopen, over het algemeen immuun waren voor de dodelijker ziekte pokken. Tegen het einde van de negentiende eeuw wisten wetenschappers dat een of ander agens een ziekte veroorzaakte bij tabaksplanten, maar niet wilde groeien op een kunstmatig medium (zoals bacteriën) en te klein was om door een lichtmicroscoop te worden gezien. Dankzij de vooruitgang op het gebied van levende celculturen en microscopie in de twintigste eeuw konden wetenschappers uiteindelijk virussen identificeren. Vooruitgang in de genetica heeft het identificatieproces aanzienlijk verbeterd.

• Capsid – Het capsid is het eiwitomhulsel dat het nucleïnezuur omhult; met het ingesloten nucleïnezuur wordt het het nucleocapsid genoemd. Dit omhulsel bestaat uit eiwitten die zijn georganiseerd in subeenheden die capsomeren worden genoemd. Zij zijn nauw verbonden met het nucleïnezuur en weerspiegelen de configuratie ervan, hetzij een staafvormige helix, hetzij een veelhoekige bol. De capside heeft drie functies: 1) het beschermt het nucleïnezuur tegen vertering door enzymen, 2) het bevat speciale plaatsen op zijn oppervlak waardoor de virion zich kan hechten aan een gastheercel, en 3) het levert eiwitten die de virion in staat stellen het membraan van de gastheercel te penetreren en, in sommige gevallen, het infectieuze nucleïnezuur in het cytoplasma van de cel te injecteren. Onder de juiste omstandigheden zal viraal RNA in een vloeibare suspensie van eiwitmoleculen zelf een capside samenstellen tot een functioneel en infectieus virus.

• Envelope – Veel virustypen hebben een glycoproteïne-omhulsel dat de nucleocapside omhult. Het omhulsel bestaat uit twee lagen lipiden, afgewisseld met eiwitmoleculen (lipoproteïne-bilaag) en kan zowel materiaal van het membraan van een gastheercel als materiaal van virale oorsprong bevatten. Het virus verkrijgt de lipidemoleculen van het celmembraan tijdens het virale ontluikingsproces. Het virus vervangt echter de eiwitten in het celmembraan door zijn eigen eiwitten, waardoor een hybride structuur ontstaat van van de cel afkomstige lipiden en van het virus afkomstige eiwitten. Veel virussen ontwikkelen ook pieken van glycoproteïne op hun omhulsel die hen helpen om zich aan specifieke celoppervlakken te hechten.

• Nucleïnezuur – Net als in cellen codeert het nucleïnezuur van elk virus de genetische informatie voor de synthese van alle eiwitten. Hoewel het dubbelstrengs DNA hiervoor verantwoordelijk is in prokaryote en eukaryote cellen, maken slechts enkele groepen virussen gebruik van DNA. De meeste virussen behouden al hun genetische informatie met het enkelstrengige RNA. Er zijn twee soorten op RNA gebaseerde virussen. Bij de meeste wordt het genomische RNA een plusstreng genoemd, omdat het fungeert als boodschapper-RNA voor de directe synthese (translatie) van virale eiwitten. Enkele virussen hebben echter negatieve RNA-strengen. In deze gevallen beschikt het virion over een enzym, RNA-afhankelijk RNA-polymerase (transcriptase) genoemd, dat eerst de productie van complementair boodschapper-RNA uit het virionaire genomische RNA moet katalyseren alvorens virale eiwitsynthese kan plaatsvinden.

Het influenza(griep)-virus – Naast verkoudheid is influenza of “de griep” misschien wel de bekendste infectie van de luchtwegen ter wereld. Alleen al in de Verenigde Staten krijgen elk jaar ongeveer 25 tot 50 miljoen mensen griep. De symptomen van griep lijken op die van een gewone verkoudheid, maar zijn vaak ernstiger. Koorts, hoofdpijn, vermoeidheid, spierzwakte en -pijn, keelpijn, droge hoest en een loopneus of verstopte neus komen vaak voor en kunnen zich snel ontwikkelen. Maagdarmklachten die met influenza gepaard gaan, komen soms bij kinderen voor, maar bij de meeste volwassenen worden aandoeningen die zich uiten in diarree, misselijkheid en braken niet door het influenzavirus veroorzaakt, hoewel ze vaak ten onrechte als “buikgriep” worden aangeduid. Een aantal complicaties, zoals het ontstaan van bronchitis en longontsteking, kan ook optreden in combinatie met influenza en komt vooral voor bij ouderen, jonge kinderen en iedereen met een onderdrukt immuunsysteem.

Het humane immunodeficiëntievirus (HIV) – Het virus dat verantwoordelijk is voor HIV werd in 1983 voor het eerst geïsoleerd door Robert Gallo uit de Verenigde Staten en de Franse wetenschapper Luc Montagnier. Sindsdien is een enorme hoeveelheid onderzoek verricht naar de verwekker van AIDS en is veel geleerd over de structuur van het virus en zijn typische werkingsmechanisme. HIV behoort tot een groep atypische virussen, retrovirussen genaamd, die hun genetische informatie bewaren in de vorm van ribonucleïnezuur (RNA). Door het gebruik van een enzym dat reverse transcriptase wordt genoemd, zijn HIV en andere retrovirussen in staat desoxyribonucleïnezuur (DNA) uit RNA te produceren, terwijl de meeste cellen het omgekeerde proces uitvoeren, waarbij het genetisch materiaal van DNA in RNA wordt getranscribeerd. Door de activiteit van het enzym kan de genetische informatie van HIV permanent in het genoom (de chromosomen) van een gastheercel worden geïntegreerd.