Wyrażenia molekularne Biologia komórki: Struktura Wirusów

Wirusy nie są roślinami, zwierzętami ani bakteriami, ale są kwintesencją pasożytów żywych królestw. Chociaż mogą wydawać się organizmami żywymi ze względu na ich niezwykłe zdolności reprodukcyjne, wirusy nie są organizmami żywymi w ścisłym znaczeniu tego słowa.

Bez komórki gospodarza wirusy nie mogą wykonywać swoich funkcji podtrzymujących życie ani się rozmnażać. Nie mogą syntetyzować białek, ponieważ brakuje im rybosomów i muszą wykorzystywać rybosomy komórek gospodarza do przekształcania wirusowego RNA w białka wirusowe. Wirusy nie mogą wytwarzać ani magazynować energii w postaci trójfosforanu adenozyny (ATP), ale muszą czerpać energię i wszystkie inne funkcje metaboliczne z komórki gospodarza. Pasożytują one również na komórce w poszukiwaniu podstawowych materiałów budulcowych, takich jak aminokwasy, nukleotydy i lipidy (tłuszcze). Chociaż spekuluje się, że wirusy są formą proto-życia, ich niezdolność do przetrwania bez żywych organizmów sprawia, że jest mało prawdopodobne, aby poprzedzały życie komórkowe podczas wczesnej ewolucji Ziemi. Niektórzy naukowcy spekulują, że wirusy zaczęły się jako zbłąkane segmenty kodu genetycznego, które przystosowały się do pasożytniczej egzystencji.

Wszystkie wirusy zawierają kwas nukleinowy, albo DNA, albo RNA (ale nie oba), oraz płaszcz białkowy, który otacza kwas nukleinowy. Niektóre wirusy są również otoczone otoczką składającą się z cząsteczek tłuszczu i białka. W swojej infekcyjnej formie, poza komórką, cząstka wirusa nazywana jest wirionem. Każdy wirus zawiera co najmniej jedno unikalne białko syntetyzowane przez specyficzne geny w jego kwasie nukleinowym. Wirusy (co oznacza „wirusopodobne”) są organizmami chorobotwórczymi, które zawierają tylko kwas nukleinowy i nie mają białek strukturalnych. Inne wirusopodobne cząstki zwane prionami składają się głównie z białka ściśle zintegrowanego z małą cząsteczką kwasu nukleinowego.

Wirusy są ogólnie klasyfikowane przez organizmy, które infekują, zwierzęta, rośliny lub bakterie. Ponieważ wirusy nie mogą przenikać przez ściany komórkowe roślin, praktycznie wszystkie wirusy roślinne są przenoszone przez owady lub inne organizmy, które żywią się roślinami. Niektóre wirusy bakteryjne, takie jak bakteriofag T4, rozwinęły skomplikowany proces infekcji. Wirus posiada „ogon”, który przyczepia do powierzchni bakterii za pomocą białkowych „szpilek”. Ogon kurczy się, a wtyczka ogonowa penetruje ścianę komórkową i błonę podstawną, wstrzykując wirusowe kwasy nukleinowe do wnętrza komórki. Wirusy są dalej klasyfikowane do rodzin i rodzajów w oparciu o trzy czynniki strukturalne: 1) typ i rozmiar ich kwasu nukleinowego, 2) rozmiar i kształt kapsydu, oraz 3) czy mają lipidową otoczkę otaczającą nukleokapsyd (kapsyd zawierający kwas nukleinowy).

Wśród wirusów dominują dwa rodzaje kształtów: pręciki, czyli włókna, oraz kule. Kształt pręta wynika z liniowego ułożenia kwasu nukleinowego i podjednostek białkowych tworzących kapsyd. Kształt kuli jest w rzeczywistości 20-bocznym wielobokiem (dwudziestościanem).

Natura wirusów nie została zrozumiana aż do XX wieku, ale ich działanie było obserwowane od wieków. Brytyjski lekarz Edward Jenner odkrył nawet zasadę szczepienia pod koniec XVIII wieku, po tym jak zaobserwował, że ludzie, którzy zachorowali na łagodną chorobę, jaką jest ospa krowia, byli na ogół odporni na śmiertelniejszą ospę. Pod koniec XIX wieku naukowcy wiedzieli, że jakiś czynnik wywołuje chorobę roślin tytoniu, ale nie chce rosnąć na sztucznym podłożu (jak bakterie) i jest zbyt mały, by można go było zobaczyć przez mikroskop świetlny. Postępy w hodowli żywych komórek i mikroskopii w XX wieku pozwoliły naukowcom w końcu zidentyfikować wirusy. Postępy w genetyce znacznie poprawiły proces identyfikacji.

• Kapsyd – Kapsyd jest białkową powłoką, która otacza kwas nukleinowy; wraz z zamkniętym kwasem nukleinowym nazywany jest nukleokapsydem. Powłoka ta składa się z białka zorganizowanego w podjednostki znane jako kapsomery. Są one ściśle związane z kwasem nukleinowym i odzwierciedlają jego konfigurację, albo w kształcie prętowej helisy, albo wielokątnej kuli. Kapsyd pełni trzy funkcje: 1) chroni kwas nukleinowy przed trawieniem przez enzymy, 2) zawiera na swojej powierzchni specjalne miejsca, które umożliwiają wirusowi przyłączenie się do komórki gospodarza oraz 3) dostarcza białek, które umożliwiają wirusowi przenikanie przez błonę komórki gospodarza, a w niektórych przypadkach wstrzyknięcie zakaźnego kwasu nukleinowego do cytoplazmy komórki. W odpowiednich warunkach wirusowe RNA w płynnej zawiesinie cząsteczek białek samoistnie składa kapsyd, stając się funkcjonalnym i zakaźnym wirusem.

• Okładka – Wiele typów wirusów posiada glikoproteinową otoczkę otaczającą nukleokapsyd. Otoczka składa się z dwóch warstw lipidowych przeplatanych cząsteczkami białek (dwuwarstwa lipoproteinowa) i może zawierać materiał pochodzący z błony komórki gospodarza, jak również materiał pochodzenia wirusowego. Wirus pozyskuje cząsteczki lipidów z błony komórkowej podczas procesu pączkowania. Wirus zastępuje jednak białka w błonie komórkowej własnymi białkami, tworząc hybrydową strukturę lipidów pochodzących z komórki i białek pochodzących z wirusa. Wiele wirusów wykształca również na swoich otoczkach kolce zbudowane z glikoprotein, które pomagają im w przyczepianiu się do określonych powierzchni komórkowych.

• Kwas nukleinowy – Podobnie jak w komórkach, kwas nukleinowy każdego wirusa koduje informację genetyczną do syntezy wszystkich białek. Podczas gdy w komórkach prokariotycznych i eukariotycznych odpowiada za to dwuniciowy DNA, tylko nieliczne grupy wirusów wykorzystują DNA. Większość wirusów zachowuje całą swoją informację genetyczną za pomocą jednoniciowego RNA. Istnieją dwa rodzaje wirusów opartych na RNA. U większości z nich genomowy RNA określany jest jako nić plusowa, ponieważ pełni on rolę RNA posłańca do bezpośredniej syntezy (translacji) białka wirusowego. Nieliczne wirusy mają jednak ujemne nici RNA. W tych przypadkach wirus posiada enzym, zwany RNA-zależną polimerazą RNA (transkryptazą), który musi najpierw katalizować produkcję komplementarnego RNA posłańca z genomowego RNA wirionu, zanim może nastąpić synteza białka wirusowego.

Wirus grypy (Influenza) – Obok zwykłego przeziębienia, grypa lub „grypa” jest prawdopodobnie najbardziej znaną infekcją układu oddechowego na świecie. W samych Stanach Zjednoczonych każdego roku na grypę zapada około 25 do 50 milionów osób. Objawy grypy są podobne do tych występujących przy zwykłym przeziębieniu, ale zwykle są bardziej dotkliwe. Powszechne są gorączka, ból głowy, zmęczenie, osłabienie i ból mięśni, ból gardła, suchy kaszel oraz katar lub duszność w nosie, które mogą rozwijać się szybko. Objawy żołądkowo-jelitowe związane z grypą są czasami odczuwane przez dzieci, ale w przypadku większości dorosłych choroby objawiające się biegunką, nudnościami i wymiotami nie są wywoływane przez wirus grypy, choć często są nieprecyzyjnie nazywane „grypą żołądkową”. Szereg powikłań, takich jak zapalenie oskrzeli i zapalenie płuc, może również wystąpić w związku z grypą i są one szczególnie powszechne wśród osób starszych, małych dzieci i wszystkich osób z osłabionym układem odpornościowym.

Ludzki wirus niedoboru odporności (HIV) – Wirus odpowiedzialny za HIV został po raz pierwszy wyizolowany w 1983 roku przez Roberta Gallo ze Stanów Zjednoczonych i francuskiego naukowca Luca Montagniera. Od tego czasu przeprowadzono ogromną ilość badań nad czynnikiem wywołującym AIDS i wiele się dowiedziano o budowie wirusa i jego typowym przebiegu. HIV jest jednym z grupy nietypowych wirusów zwanych retrowirusami, które zachowują swoją informację genetyczną w postaci kwasu rybonukleinowego (RNA). Dzięki wykorzystaniu enzymu zwanego odwrotną transkryptazą, HIV i inne retrowirusy są w stanie wytworzyć kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) z RNA, podczas gdy większość komórek przeprowadza proces odwrotny, przepisując materiał genetyczny DNA na RNA. Aktywność enzymu umożliwia trwałą integrację informacji genetycznej wirusa HIV z genomem (chromosomami) komórki gospodarza.