Viren: Bau, Genom und Vermehrungsprinzip
Viren sind nichtzelluläre Erreger aus Nucleinsäure und Protein: Größe, Aufbau aus Capsid und Hülle, Genomtypen und das Grundprinzip ihrer Vermehrung in der Wirtszelle.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Virus ist ein nichtzellulärer, obligat intrazellulärer Erreger aus Nucleinsäure und Protein, das infektiöse Partikel heißt Virion.
- Viren sind meist kleiner als 300 nm, im Lichtmikroskop unsichtbar und besitzen weder eigene Ribosomen noch Stoffwechsel; sie vermehren sich nicht durch Teilung.
- Das Capsid aus Capsomeren besteht aus virusgenomcodierten Proteinen und bildet mit dem Genom das Nucleocapsid.
- Die Virushülle behüllter Viren stammt aus Wirtsmembranen, trägt virale Glykoproteine und ist empfindlich gegen Ether, Chloroform und Detergentien.
- Ein Virusgenom ist DNA oder RNA, nie beides; Minusstrang-RNA-Viren bringen eine RNA-abhängige RNA-Polymerase im Virion mit.
Worum es geht
Viren verursachen Erkrankungen von Herpes bis Influenza, sind aber selbst keine Zellen. Wer ihren Aufbau kennt, versteht, warum Antibiotika gegen sie nichts ausrichten, warum Detergentien manche Viren rasch inaktivieren und woran Impfstoffe und antivirale Arzneistoffe ansetzen.
Was ist ein Virus?
Ein Virus ist ein infektiöses Partikel aus Nucleinsäure und Protein. Es vermehrt sich nur mithilfe einer Wirtszelle und zählt deshalb zu den nichtzellulären Erregern. Außerhalb der Zelle liegt es als ruhendes Partikel vor.
Das Virion ist das vollständige, infektiöse Viruspartikel außerhalb der Zelle. Es besteht aus dem Genom und dem schützenden Capsid, bei manchen Viren zusätzlich aus einer Hülle.
Die Vermehrung folgt bei allen Viren demselben Grundmuster. Das Virus liefert nur den Bauplan. Energie, Bausteine und Proteinsynthese stellt die Zelle.
- Adsorption: Das Virion bindet an einen passenden Rezeptor der Zelloberfläche.
- Eintritt: Es gelangt durch Endocytose oder Membranfusion ins Zellinnere.
- Uncoating: Das Capsid zerfällt und setzt das Genom frei.
- Synthese: Die Zelle vervielfältigt das Genom und bildet virale Proteine.
- Zusammenbau: Genome und Capsidproteine lagern sich zu neuen Virionen zusammen.
- Freisetzung: Die Nachkommen verlassen die Zelle durch Lyse oder Knospung.
Bei der Lyse platzt die Zelle und stirbt. Bei der Knospung stülpen sich die Partikel durch eine Zellmembran nach außen und schnüren sich ab. Dabei nehmen sie ein Stück Membran als Hülle mit. Viren, die Bakterien befallen, behandelt die Einheit Bakteriophagen.
Viren im Vergleich zu Zellen
Viren sind in der Regel kleiner als 300 nm. Bakterien messen dagegen einige Mikrometer, eukaryotische Zellen 10 bis 100 µm. Das Lichtmikroskop löst nur bis etwa 200 nm auf. Viren erkennt man deshalb erst im Elektronenmikroskop.
Ein Virion besteht nur aus Genom, Protein und gegebenenfalls Hülle. Ihm fehlen Organellen wie Ribosomen und Mitochondrien, ebenso Zellwand und Geißeln. Auch Sporen bildet es nicht, denn Sporen sind Dauerformen von Bakterien. Den Bau echter Zellen zeigt die Einheit Bakterienzelle.
Ohne eigene Ribosomen betreibt ein Virion außerhalb der Wirtszelle keine Translation. Es hat keinen eigenen Stoffwechsel. Viren sind daher obligat intrazellulär: Sie replizieren sich ausschließlich in lebenden Zellen. Sie teilen sich auch nicht wie Bakterien, sondern werden aus Einzelteilen neu montiert. Man kann sich das wie eine Fabrik vorstellen, die ein fremder Bauplan übernimmt.
Viren als Krankheitserreger
Jedes humanpathogene Virus ist obligat intrazellulär. Das gilt für Papillomaviren genauso wie für Rotaviren oder Influenzaviren. Die Tabelle ordnet bekannte Viruserkrankungen ihren Erregern zu.
| Erkrankung | Erreger | Genom | Hülle |
|---|---|---|---|
| Herpes simplex | Herpes-simplex-Virus | dsDNA | behüllt |
| Windpocken | Varizella-Zoster-Virus | dsDNA | behüllt |
| Influenza | Influenzavirus | (−)-ssRNA | behüllt |
| Poliomyelitis | Poliovirus | (+)-ssRNA | unbehüllt |
| Tollwut | Rabiesvirus | (−)-ssRNA | behüllt |
| Warzen, Zervixkarzinom | Papillomaviren | dsDNA | unbehüllt |
| Durchfall bei Kleinkindern | Rotaviren | dsRNA | unbehüllt |
Die einzelnen Familien vertiefen die Einheiten zu Herpesviren, Influenzaviren und Picornaviren.
Capsid und Hülle
Jedes Virus enthält Nucleinsäure und Proteine. Die Proteine bilden das Capsid, eine Schutzschale um das Genom. Sie setzt sich aus vielen gleichartigen Untereinheiten zusammen, den Capsomeren. Capsid und Genom zusammen heißen Nucleocapsid. RNA-Viren besitzen ebenso ein Capsid wie DNA-Viren.
Capsomere bestehen aus Proteinen. Anders als die Bakterienzellwand enthalten sie kein N-Acetylglucosamin. Die Capsidproteine codiert das Virusgenom, nicht die DNA der Wirtszelle. Die Zelle stellt nur ihre Ribosomen für die Synthese bereit.
Viele Viren tragen zusätzlich eine Virushülle. Diese Lipiddoppelschicht stammt aus einer Membran der Wirtszelle, in der sich das Virus vermehrt hat. Sie entsteht bei der Knospung und besteht nicht aus Capsomeren. In ihr stecken virale Glykoproteine als Spikes. Sie vermitteln die Bindung an den Rezeptor und sind wichtige Antigenstrukturen.
Lipide lösen sich in organischen Lösungsmitteln. Deshalb ist die Hülle empfindlich gegen Ether, Chloroform und Detergentien. Behüllte Viren verlieren dabei ihre Infektiosität, unbehüllte Viren sind deutlich widerstandsfähiger.
Nackt aus Nucleocapsid. Freisetzung meist durch Lyse. Stabil gegen Lösungsmittel. Beispiele: Poliovirus, Papillomaviren.
Nucleocapsid plus Lipidhülle mit Glykoproteinen. Freisetzung oft durch Knospung. Empfindlich gegen Lösungsmittel. Beispiele: Influenzavirus (RNA), Herpesviren (dsDNA).
Quiz
Aussage 1
Die Capsidproteine eines Virus werden von der DNA der Wirtszelle codiert.
Das Virusgenom codiert die Capsidproteine. Die Wirtszelle liefert nur Ribosomen und Bausteine für die Synthese.
Aussage 2
Viren mit Minusstrang-RNA-Genom tragen im Virion eine RNA-abhängige RNA-Polymerase.
Minusstrang-RNA muss erst in mRNA umgeschrieben werden. Wirtszellen besitzen dafür kein Enzym, deshalb bringt das Virion es mit.
Aussage 3
Die Lipidhülle behüllter Viren stammt aus einer Membran der Wirtszelle und enthält virale Glykoproteine.
Bei der Knospung nimmt das Virus ein Stück Wirtsmembran mit, in das virale Glykoproteine als Spikes eingelagert sind.
Aussage 4
Die virale Lipidhülle ist ein besonders geeignetes Impfantigen, weil sie die gesamte Oberfläche des Virions bedeckt.
Die Lipidhülle stammt aus der Wirtszelle und bildet keine stabile, immunologisch erkennbare Antigenstruktur. Geeignet sind Glykoproteine, Capsidproteine, VLPs und attenuierte Viren.
Aussage 5
Die meisten Viren lassen sich mit einem guten Lichtmikroskop gerade noch erkennen.
Viren sind meist kleiner als 300 nm und liegen damit unter der Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops von etwa 200 nm. Man sieht sie erst im Elektronenmikroskop.
Aussage 6
Isolierte Plusstrang-RNA des Poliovirus kann nach Aufnahme in eine Zelle zur Bildung vollständiger Viren führen.
Plusstrang-RNA wirkt direkt als mRNA. Die Zelle findet alles vor, um virale Proteine und neue Virionen zu bilden.
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