Viren Aufbau & Vermehrung

1.5Genetik von Bakterien und Viren
1.5.3 Bau und Vermehrung von Viren, Transduktion
Viren ( Singular: das Virus)
wurden kurz im Biologiekurs Klasse 11 behandelt.
Außerdem kennen wir schon das HIV-Virus aus der Immunbiologie, Biokurs
Klasse 12
. Wir wissen also, daß Viren definitionsgemäß
keine Lebewesen sind, denn sie bestehen nicht aus
Zellen
. Lebewesen besitzen die Kennzeichen
des Lebens
, Viren benutzen Zellen (eu- und prokaryontisch), um sich
fortzupflanzen. Dies ist das einzige Kennzeichen des Lebens, das sie besitzen.
Man könnte sagen, sie stehen an der Schwelle zum Leben.

r14_ico - Viren Aufbau & Vermehrung

Rhinovirus 14 (Schnupfen)
(Computermodell)

lambda1 - Viren Aufbau & Vermehrung


Lambda-Phage (E.Coli)

tomatov1 - Viren Aufbau & Vermehrung


Tomato Bushy Stunt Virus (TBSV, Computermodell)

Seit mehr als 100 Jahren weiß man von der Existenz dieser potentiellen
Krankheitserreger. Viele Infektionskrankheiten bei Mensch, Tier und Pflanze
haben als Ursache Viren: z.B. Schnupfen, Grippe, Masern, Röteln,
Mumps, Windpocken, Hepatitis, Hirnhautenztündung
usw. Erst seit
der 1959 konnte man sich mit Hilfe des Elektronenmikroskops ein Bild von
ihnen machen. Seit 1966 klassifiziert man Viren nach dem International
Committee on Taxonomy of Viruses (ICTV)
entsprechend den Organismen
in


Taxonomiestufen der Viren
Beispiel:
Ebola-Virus
Ordnung (-Virales)
höchste Taxonomiestufe.
Ordnung Mononegavirales
    •   – dann

Familie

    (-Viridae)

Familie

    Filoviridae (=Fadenviren)
      •  –

Unterfamilie

    • (-Virinae)
        •  –

Gattung

      • (-Virus)
      •  –

Gattung

    • Filovirus (Fadenvirus)
          •  –

Art

        • (Name)
  – Art: Ebola Virus Zaire

Man kennt derzeit 20 verschiedene Virenfamilien, die Mensch und Tier befallen.
Einige wichtige Virus-Familien sind:


DNA-Viren

RNA-Viren
Paramyxoviruses: Masern-Virus, Mumps-Virus
Herpesviridae: Herpes simplex Virus
Myoviridae: T2/4-Phagen bei E.Coli
Poxviridae: Pockenviren bei Wirbeltieren
Totiviridae: Saccharomyces cerevisiae Virus L-A
Flaviviridae: Gelbfieber Virus und verschiedene Pflanzenviren
Picornaviridae: Poliovirus, Rhinovirus, Hepatitis A Virus
Picornaviridae: Tabak-Mosaik-Virus
Paramyxoviridae: Mumps-Virus, Masern-Virus
Orthomyxoviridae: Influenzavirus A,B,C
Retroviridae: HIV

Allgemeiner Aufbau Viren sind Partikel mit einer Größe
zwischen 20 bis 300 Nanometer (nm) und bestehen aus einer Proteinhülle
(= Capsid), die je nach Vermehrungszyklus
noch Lipoide enthalten können. Innerhalb dieser Hülle ist Nukleinsäure
in Form von DNA oder RNA eingeschlossen. Deshalb kann man die Viren auch
in

  • DNA-Viren und
  • RNA-Viren

einteilen.

gvv1 - Viren Aufbau & VermehrungLinks ein relativer Größenvergleich eines großen
Virus mit einer Bakterien- und eukaryontischen Zelle.In einem Stecknadelkopf haben ca. 500 Millionen Rhinoviren (Schnupfen)
Platz.
Die Proteinhülle der meisten Viren besteht besitzt entweder
die

  • kubische Symmetrie eines Eicosaeders
    (20-Flächner) mit dreieckigen Flächen wie z. B. beim
    Herpes Virus oder
  • helikale Symmetrie aus identischen Proteinmolekülen
    wie beim Tabakmosaikvirus (TMV).
_helix02 - Viren Aufbau & Vermehrung_icosa2 - Viren Aufbau & Vermehrung
_tmv-col - Viren Aufbau & VermehrungLinks ist ein gefärbtes ELMI-Bild eines
TMV-Virus zu sehen, (außergewöhnlich ist die Stäbchenform)
unten des
Influenza-Virus oder Grippe-Virus.

_flu3s - Viren Aufbau & Vermehrung

Neben den vielen rundlich gebauten Viren mit Eicosaeder-Capsid, wie dem
sehr kleinen Parvovirus B19 (DNA), der zu den kleinsten Viren gehört
und der die Erythrozyten von Menschen, Säugetieren und Vögeln
befällt, gibt es noch viele andere, die sich in Größe, Capsidaufbau
und Wirtszelle unterscheiden.

viren3 - Viren Aufbau & Vermehrung

Die Abbildung oben zeigt Computermodelle vom Poliovirus (gehört
zu den Picornaviren), der Kinderlähmung hervorruft, dem doppelt
so großen Hepatitis B-Virus, dem Erreger der Leberentzündung
und dem krebserregenden Papovavirus SV40, der DNA enthält.
Bemerkenswert unterschiedlich sind z.B. die T-Phagen gebaut, die
sich in E.Coli-Zellen vermehren.

tphage1 - Viren Aufbau & Vermehrung_t4anim - Viren Aufbau & VermehrungLinks ist der T2-Phage abgebildet (Myoviridae; DNA-Virus).

Seine gesamte Proteinhülle ist dazu ausgelegt, um das eine
DNA-Molekül in seinem Kopf in E.Coli zu injizieren. Er besteht
aus dem ca. 100nm großen Kopf, dem Hals, dem
Kragen, einer kontraktilen Scheide, an deren Ende
6 Schwanzfasern sitzen.

Die Bodenplatte besitzt 6 Spikes um die Bakterienwand
anzustechen.

Vermehrung Viren befallen spezifische Wirtszellen,
wobei sowohl eukaryontische ( Tiere, Pflanzen, Pilze) als auch prokaryontische
Zellen als Wirt vorkommen. Viren, die Bakterienzellen befallen nennt man
Bakteriophagen oder Phagen.
Manche Viren haben eine breitere Spezifität und befallen verschiedene
Organismengruppen. Nach dem Befall einer Wirtszelle kann die Vermehrung
in 2 Formen ablaufen: als

  • lytischer Zyklus und als
  • lysogener Zyklus.

Die Art des Zyklus ist von Virus zu Virus verschieden. Letztendlich wird
die Wirtszelle zu einer Virenfabrik umfunktioniert, wobei am Ende bis zu
500 neue Viren die Zelle durch Knospung (=Abschnüren von Viren)
oder durch Aufplatzen der Membran (= Lyse) verlassen. Dabei sterben
die Wirtszellen meist. Bei der Knospung (Exocytose) erhält das
Virus eine Hülle aus Lipoid der Wirtszelle (Grippe-Virus, HIV).
Die Generationszeiten können sehr kurz sein (ca. 20 Minuten), sodaß
bei einer Infektion an einem Tag eine gigantische Zahl an neuen Viren entsteht,
die fast jeden Taschenrechner überfordert. Viren sind also immer potentiell
pathogen. Beide Vermehrungsarten sind am Beispiel eines T-Phagen dargestellt:

vermerv1 - Viren Aufbau & Vermehrung
Der lytische Zyklus verläuft in 4 Phasen ab (siehe
HIV-Virus
) :

1. Adsorptionsphasedas Virus lagert sich an die Wirtszelle durch Kontakt mit Rezeptoren
an
2. Injektionsphasedas Virus injiziert oder schleust seine Erbinformation in die
Zelle
3. Latenzphasedie Virus-DNA (RNA) übernimmt die genetische Kontrolle der
Zelle, es werden Virus-Partikel produziert
4. Lytische Phasefertige Viren verlassen die Zelle, die Zelle stirbt

Es kann jedoch vorkommen, daß das Virus nach der Injektion sich
in das Wirtschromosom integriert (z.B durch das virale Protein Integrase)
und als Provirus (Prophage)
ohne virulente Wirkung weiterexistiert. Bakterienzellen können sich
teilen, die Virus-DNA wird mitrepliziert. Nach einer gewissen Zeit (bei
HIV bis 15 Jahren
) verläßt das Virus das Wirtschromosom
( wiederum durch bestimmte virale Enzyme wie Integrase und Excisase),
übernimmt die Zellkontrolle und der lytische Zyklus beendet das Zellleben.
Solche Phagen nennt man temperente
oder
lysogene Viren
(Phagen).

Ein Bakterium, das einen Prophagen trägt ist immun gegen eine Neuinfektion.
Der am besten studierte temperente Phage ist der Lambda-Phage (siehe
oben
), der E.Coli infiziert. Die Repressor-Proteine CI und
Cro regulieren dort den lytischen und lysogenen Zyklus Beim Menschen
besteht 2% der DNA aus endogenen Retroviren, also in das Chromosom integrierte
Virus-DNA.

Dazu gehören auch Oncogene, also Krebsgene. Typ I Diabetes soll
durch ein endogenes Retrovirus verursacht
werden. Botulismus-, Cholera-, Diphtherie-Toxine usw. werden durch Prophagen
gesteuert, die ihre Wirtszellen vom nicht-pathogenen in den pathogenen
Zustand befördern.

Aufbau und Vermehrung des Grippe-Virus Grippe gehört
wie Schnupfen zu den alltäglichen Erkältungskrankheiten, charakterisiert
durch Fieber, Kopf- und Muskelschmerzen und Halsentzündungen.
Auch Husten kann als Begleiterscheinung auftreten. Die Infektion kann
leicht oder sehr stark wie 1918 in USA ablaufen (ca. 20 Millionen Tote
weltweit). Sie geschieht per Aerosol (Tröpfcheninfektion) durch einen
infizierten Mensch mit einer kurzen Inkubationszeit von 1-3 Tagen. Die
Krankheit wird durch den Influenza- oder Grippe-Virus aus
der Familie der Orthomyxoviren hervorgerufen.
Begleiterscheinungen wie Lungenentzündung erfolgen durch das Virus
selbst oder Adenoviren oder Bakterien wie Haemophilus influenzae,
Staphylococcus aureus
und Streptococcus pneumoniae.

fig2 - Viren Aufbau & VermehrungEs gibt 3 Typen von Grippe-Viren: A, B und C. Influenza A kann
Mensch und Tier infizieren, Influenza B und C nur Menschen. Die
großen Epidemien werden nur vom A oder B-Typ hervorgerufen.Der Grippe-Virus ist rundlich, manchmal länglich und ca.
100 nm im Durchmesser. Die gesamte Hülle hat als Außenbelag
eine Lipoid-Schicht aus der 2 Typen von Proteinmolekülen wie
Spikes herausragen: ein Hämagglutinin
(H) und eine Neuraminidase (N). Diese helfen dem Virus bei
der Adsorption, der Körper erkennt die Viren daran als körperfremd
( sie wirken als Antigen) und bildet Antikörper. Darunter
liegt eine Proteinschicht. Im Innern befinden sich 8 einsträngige
RNA-Moleküle jeweils von Protein umhüllt genannt Nukleoprotein.

Das Grippevirus vermehrt sich, wie nachfolgendes Schema zeigt durch einen
lytischen Zyklus.

influenz - Viren Aufbau & VermehrungDas Virus wird durch Endozytose in
die Zelle aufgenommen. Dabei entsteht im Zytoplasma ein Endosom.
Dieses verläßt das Virus unter Verlust seiner Proteinhülle.
Die RNA-Moleküle wandern in den Zellkern und werden repliziert
und transkribiert. Die entstehende mRNA mit den viralen
Genen wird durch Translation an den Ribosomen der Zelle in Virusproteine
umgesetzt. Ein Teil bildet mit der replizierten Viren-RNA die Nukleoproteine.Der Rest wird nach Reifung am ER der Zelle mit dem Nukleoprotein
zum Capsid zusammengebaut.
Diese Partikel verlassen durch Knospung oder Exocytose
die Zelle, wobei sie ihre Lipoidhülle mit den Spikes erhalten. Verlassen
zu viele Viren die Zelle, wird die Zellmembran so stark geschädigt,
daß die Zelle daran zugrunde geht.Sterilisation und Desinfektion

Viren, besonders diejenigen mit einer Lipoidhülle sind außerhalb ihrer Wirtszelle relativ schnell inaktiv. (Ausnahme z.B. Hepatitis B). Die Sterilisation und Desinfektion ist der der Bakterien sehr ähnlich.

Die Verbreitung von Viren geschieht durch:

  1.   Inhalation von Aerosolen (Tröpfcheninfektion)
  2.   Nahrungsaufnahme
  3.   direktem Kontakt (Haut/Schleimhaut, oder
  4.   indirektem Kontakt über Überträger.

Transduktion

Viren können während der Latenzphase oder als Prophage Gene der Wirtszelle mit in ihr Capsid einschließen. Wenn sie dann nach der Lyse eine andere Zelle infizieren, übertragen sie das mitgenommene Wirtsgen in eine andere Zelle. Man nennt diesen Vorgang Transduktion. Diese kommt in 2 Formen vor:

  • allgemeine Transduktion
  • spezielle Transduktion.
transd1 - Viren Aufbau & Vermehrungtransd2 - Viren Aufbau & Vermehrung

Bei der allgemeinen Transduktion werden beliebige Wirtsgene übertragen. Im Viruscapsid befindet sich durch “ein Versehen” nur Wirts-DNA, keine Virus-Nukleinsäure. Der Phage kann zwar eine Zelle infizieren, sich aber nicht vermehren. Wird chromosomale DNA übertragen, rekombiniert sie sich mit der DNA der infizierten Zelle. Ist die DNA die eines Plasmids, kann sie repliziert werden und bleibt erhalten.

Die spezielle Transduktion tritt bei Prophagen auf. Es wird nur ein bestimmter Bereich der Wirts-DNA übertragen, meist Gene, die in der Nachbarschaft des Prophagen lokalisiert waren. Das am besten bekannte System ist der Lambda-Phage.

Die Transduktion wird in der Gentechnik benützt, um gezielt DNA in Zellen zu befördern. Man bezeichnet solche Phagen als Vektoren.

Weiterführende Quellen:

Virologiehttp://www.tulane.edu/~dmsander/garryfavweb.html
Computermodelle von Virenhttp://www.bocklabs.wisc.edu/virusviztop.html
Virenhttp://www.tulane.edu/~dmsander/Big_Virology/BVFamilyGenome.html
http://pc65.frontier.osrhe.edu/hs/science/bvirus.htmhttp://www.uct.ac.za/depts/mmi/jmoodie/welcome1.html
Retrovirenhttp://www.uct.ac.za/depts/mmi/jmoodie/welcome1.html
T-Phagenhttp://life.anu.edu.au/viruses/ICTVdB/43010000.htm
Phagen als Vektorenhttp://www.csun.edu/~hcbio027/Bio572_F97/forms/57207.html
Mutationhttp://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/BioInfo/SD.Mut.HP.html
Infektionenhttp://www.infektionen.com/Begriff.htm
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