Viren

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.

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Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • 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.

📖 Definition: Virion

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.

  1. Adsorption: Das Virion bindet an einen passenden Rezeptor der Zelloberfläche.
  2. Eintritt: Es gelangt durch Endocytose oder Membranfusion ins Zellinnere.
  3. Uncoating: Das Capsid zerfällt und setzt das Genom frei.
  4. Synthese: Die Zelle vervielfältigt das Genom und bildet virale Proteine.
  5. Zusammenbau: Genome und Capsidproteine lagern sich zu neuen Virionen zusammen.
  6. 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.

Zelle mit nummerierten Schritten vom Andocken eines Virions über das Freisetzen des Genoms bis zum Austritt neuer Viren durch Platzen der Zelle oder Abschnüren aus der Membran.

Grundschema der Virusvermehrung: Die Wirtszelle liefert Energie und Proteinsynthese, das Virus den Bauplan.

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.

Größenskala von 10 nm bis 100 µm mit eingezeichneten Viren, Bakterium und Körperzelle sowie einer Linie für die Auflösungsgrenze des Lichtmikroskops bei 200 nm.

Größenvergleich: Viren liegen meist unter 300 nm und damit unterhalb der lichtmikroskopischen Auflösungsgrenze.

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.

Zwei schematische Viruspartikel nebeneinander, links ein Ikosaeder aus Proteinbausteinen um das Genom, rechts ein Nucleocapsid in einer Lipidmembran mit herausragenden Spikes.

Aufbau unbehüllter und behüllter Virionen: Das Capsid aus Capsomeren umschließt das Genom, behüllte Viren tragen zusätzlich eine Lipidhülle mit Glykoproteinen.

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.

A Unbehüllt

Nackt aus Nucleocapsid. Freisetzung meist durch Lyse. Stabil gegen Lösungsmittel. Beispiele: Poliovirus, Papillomaviren.

B Behüllt

Nucleocapsid plus Lipidhülle mit Glykoproteinen. Freisetzung oft durch Knospung. Empfindlich gegen Lösungsmittel. Beispiele: Influenzavirus (RNA), Herpesviren (dsDNA).

Virale Strukturen als Impfantigene

Impfstoffe präsentieren dem Immunsystem virale Proteine, gegen die es Antikörper bildet. Geeignet sind Oberflächen-Glykoproteine wie das Hepatitis-B-Oberflächenantigen. Auch Capsidproteine eignen sich, etwa als virusähnliche Partikel (VLPs). Das sind leere Capside ohne Genom, wie im HPV-Impfstoff. Attenuierte, also abgeschwächte Viren dienen als Lebendimpfstoffe, etwa gegen Masern. Die Lipidhülle selbst ist ungeeignet. Sie stammt aus der Wirtszelle und bildet keine stabile, immunologisch erkennbare Antigenstruktur.

Virale Genome

Bei Zellen ist stets DNA der Erbträger, bei Viren entweder DNA oder RNA. Ein Virion enthält nie beides. Auch Influenzaviren tragen nur RNA. Beide Typen kommen doppel- oder einzelsträngig vor. Es gibt also dsDNA-, ssDNA-, dsRNA- und ssRNA-Viren. Die DNA von DNA-Viren ist deshalb nicht immer doppelsträngig.

Bei ssRNA zählt die Orientierung. Ein Plusstrang-Genom hat dieselbe Basenfolge wie eine mRNA. Die Ribosomen lesen es direkt ab. Ein Minusstrang-Genom ist zur mRNA komplementär und muss erst umgeschrieben werden. Das leistet die RNA-abhängige RNA-Polymerase. Wirtszellen besitzen dieses Enzym nicht, also bringt das Virion es mit. DNA-Viren nutzen meist die Polymerasen der Zelle. Wie die Transkription abläuft, steht dort, den Sonderfall der Retroviren erklärt eine eigene Einheit.

Schema mit fünf Genomtypen, die jeweils über Pfeile zur mRNA führen, beschriftet mit DNA-Polymerase, RNA-Polymerase der Zelle oder RNA-abhängiger RNA-Polymerase im Virion.

Vom Genom zur mRNA: Welche Polymerase jeder Genomtyp braucht und woher sie stammt.

Daraus folgt ein klassischer Versuch. Bringt man isolierte virale Nucleinsäure in eine Zelle, können vollständige Viren entstehen. Das gelingt etwa mit der Plusstrang-RNA des Poliovirus, denn die Zelle findet alles Nötige vor. Reine Minusstrang-RNA bleibt ohne die mitgebrachte Polymerase stumm.

💡 Merke

Plus wie mRNA: sofort translatierbar. Minus muss erst umgeschrieben werden, und das Enzym dafür liefert das Virion.

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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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