Wirusy , wiroidy i priony
Wirus to stosunkowo mały patogen zbudowany z jednego typu kwasu nukleinowego (DNA lub RNA, chociaż są wirusy, które w swoim cyklu życiowym przechodzą przez fazę DNA oraz RNA). Są to cząstki, które nie mogą się namnażać na sztucznym podłożu. Nie posiadają własnej maszynerii przemiany materii. Wirus może istnieć pozakomórkowo, jednak wtedy nie zachodzą w nim żadne przemiany metaboliczne. Kompletna forma wirusa, wirion, jest cząsteczką zawierającą kwas nukleinowy, otoczoną przez białka i niekiedy posiadającą pewne inne komponenty makrocząsteczkowe. Oprócz wirusów istnieją inne bezkomórkowe czynniki infekcyjne - złożone tylko z RNA wiroidy, wirusoidy oraz białkowe priony.
Istnieje kilka hipotez dotyczących pochodzenia wirusów.
1. Według pierwszej, wirusy są patologicznymi czynnymi cząsteczkami makroorganizmu. Przypomina to raka. Komórki rakowe pochodzą z tego samego organizmu, ale mają zupełnie niezależne, patologiczne właściwości i zachowują się jak pasożyty. Niektórzy uważają, że wirusy roślinne mogą powstać wewnątrzkomórkowo, pod działaniem pewnych wewnętrznych bodźców, wpływających na zaburzenia procesu przemiany materii.
2. Według drugiej hipotezy, wirus jest przedstawicielem pierwotnej, przedkomórkowej postaci życia. Wychodząc z założenia iż wirusy są zaczątkami życia na Ziemi, niektórzy badacze chcieliby je uważać za twory przejściowe między materią martwą a istotami żywymi. Wirusy wykazują pewne analogie do transpozonów (wędrujące fragmenty chromosomów ). Gdyby transpozon "ubrać" w białkową otoczkę i umożliwić mu przedostawanie się do innych komórek, stałby się wirusem. Ale może być też odwrotnie - transpozony to uwstecznione wirusy, które utraciły otoczki i zdolność atakowania innych komórek. Może też być tak, że nie ma między nimi żadnego związku.
3. Trzecia koncepcja wywodzi wirusy od pierwotnych, bardzo prostych, ale jednak samodzielnych organizmów. Początkowo miały one korzystać z zasobów otaczającego je środowiska, a w miarę pojawiania się innych, bardziej złożonych komórek, wejść z nimi we współpracę. Efektem tego okazała się utrata samodzielności przez wirusy i przejęcie funkcji związanych z namnażaniem wirionów przez komórki-gospodarzy
Klasyfikacja.
1. Wirusy można sklasyfikować w oparciu o organizację posiadanego przez nie materiału genetycznego. Materiał genetyczny wirusów może występować w kilku formach: DNA jedno- lub dwuniciowe, RNA jedno- lub dwuniciowe oraz zarówno DNA jak i RNA lecz na różnym etapie istnienia wirionu.
2. Poza tym dokonuje się podziału na grupy w zależności od rodzaju infekowanego organizmu: wirusy roślinne, zwierzęce i bakteryjne.
3. budowy kapsydu
4. rodzaju atakowanej tkanki
5. wywoływanego schorzenia (IV klasy)
6. rodzaju cyklu
BUDOWA WIRUSÓW
Wiriony czyli pojedyncze wirusy, cechuje zarówno różnorodność kształtu jak i wielkości. Są one znacznie mniejsze niż komórki (około 28 - 200 nm) a ponadto mają dużo mniejsze genomy. Kwas nukleinowy znajduje się wewnątrz cząsteczki wirionu i otoczony jest przez białkowy "płaszcz" zwany kapsydem, precyzyjnie uformowany z kilku podjednostek białkowych tzw. kapsomerów. Informacja dotycząca formy kapsydu zawarta jest w strukturze kapsomerów, a tworzenie otoczki zachodzi na zasadzie samoskładania. Kompleks otoczki z kwasem nukleinowym zwany nukleokapsydem, często jest dodatkowo otoczony dwuwarstwową błoną lipidową zawierającą glikoproteiny pochodzenia wirusowego oraz lipidy pochodzące z błony komórki gospodarza.
Otoczka wirusa jest pierwszym elementem wchodzącym w interakcje z komórką gospodarza i jej pochodzenie wpływa na sposób infekcji oraz penetracji wirusa wewnątrz komórki. Wewnątrz wirionu mogą znajdować się specyficzne enzymy odgrywające pewną rolę w procesie infekowania komórki gospodarza. Wiele wirusów zawiera własne polimerazy, natomiast retrowirusy (wirusy z RNA, które przepisują swoją informację na DNA i wbudowują ją w genom gospodarza) posiadają odwrotne transkryptazy i integrazy. Ponadto w wirusach występują neuroaminidazy, które rozrywając wiązania glikozydowe glikoprotein i glikolipidów ułatwiają wirusom penetrację tkanek zwierzęcych oraz lizozym, który umożliwia wniknięcie wirusów bakteryjnych (bakteriofagów) do komórki oraz powoduje jej lizę.
Wirus wścieklizny (a) i HIV (c) mają ściśle przylegające osłonki, wirus Herpes simplex (d) ma słabo przylegającą osłonkę, podczas gdy adenowirus (b) nie ma osłonki. Wielkości wirusów: (a) 180 nm, (b) 45 nm, (c) 100 nm, (d) 90 nm.
Wirusy posiadają pewną symetrię budowy. Symetria wirusów odnosi się do nukleokapsydu a nie do całego wirusa z błoną. Wyróżniamy dwa podstawowe typy symetrii:
· spiralna - podjednostki białkowe są ułożone w heliks (obrazowo można porównać do okrągłej klatki schodowej), którego długość zależy od długości kwasu nukleinowego a szerokość od wielkości i upakowania podjednostek. Przykładem jest tu wirus RNA mozaiki tytoniowej TMV
· bryłowa - jednostki białkowe tworzą dwudziestościan
· bryłowo – spiralna u fagów
ZASADY REPRODUKCJI WIRUSA
Podstawowym problemem jaki wirus napotyka na swej drodze w namnażaniu jest wzbudzenie komórki gospodarza do produkcji elementów niezbędnych do wytworzenia następnych cząsteczek wirusa.
Etapy namnażania
1. adsorpcja wirionu na podatnej komórce gospodarza.
2. penetracja, która polega na iniekcji wirionu lub jego kwasu nukleinowego do wnętrza komórki.
3. replikacji polega na przystosowaniu maszynerii biosyntetycznej komórki gospodarza do syntezy kwasu nukleinowego wirusa. Produkowane są enzymy wirusowe., replikacja kwasu nukleinowego wirusa, a następnie synteza podjednostek białkowych otoczki i ich
4. składanie oraz upakowanie kwasu nukleinowego w nowe cząsteczki wirusa i
5. uwolnienie (elucja) ich z komórki. W genomie wirusa kodowane są niektóre enzymy niezbędne do jego replikacji jednak reszta czyli: systemy zapewniające energię, rybosomy, tRNA (z pewnymi wyjątkami) oraz enzymy aktywujące aminokwasy są dostarczane przez komórkę gospodarza.
Etap replikacji wirusa charakteryzuje się dużą specyficznością interakcji pomiędzy wirusem a gospodarzem. Cząsteczka wirusa posiada na swojej powierzchni białka, które oddziałują ze specyficznymi elementami powierzchniowymi na komórce zwanymi receptorami. Zwykle pełnią one w komórce normalne funkcje np. białka transportowe czy białka otoczki bakteryjnej lub w przypadku grypy jest to glikoproteina na erytrocytach. Jeśli receptor nie występuje lub jest zmieniony, wirus nie może adsorbować i infekcja nie zajdzie - gospodarz staje się odporny na wirusa, oczywiście dopóki w wirusie nie zajdzie mutacja umożliwiająca mu adsorpcję do zmutowanego receptora. Przyłączanie się wirusa może zachodzić również na niespecyficznej drodze poprzez pinocytozę lub inne procesy endocytozy (powszechne wśród wirusów zwierzęcych i roślinnych).
Proces penetracji wirusa do wewnątrz komórki gospodarza zależny jest od charakteru tej komórki, szczególnie od jej struktur powierzchniowych w wyniku czego penetracja zachodzi inaczej w komórkach zwierzęcych pozbawionych ściany komórkowej niż w roślinnych i bakteryjnych. Przykładem skomplikowanego mechanizmu penetracji jest infekcja komórki bakterii E. coli bakteriofagiem T4. Wirion T4 posiada strukturę głowową, osadzoną na ogonku, który kończy się zestawem włókien ogonowych. Włókna te jako pierwsze przyłączają się do powierzchni komórki a następnie obkurczają co powoduje zbliżenie się rdzenia ogonka do powierzchni komórki. Enzym wirusowy o charakterze lizozymu powoduje powstanie niewielkiego otworu w ścianie komórkowej, przez który wnika DNA wirusowe. Na tym etapie istnieje jeszcze możliwość usunięcia kwasu nukleinowego wirusa poprzez działanie enzymów restrykcyjnych znajdujących się na terenie komórki. Jednakże wirusy wykształciły pewne mechanizmy, dzięki którym mogą przeciwdziałać temu procesowi - modyfikują kwasy nukleinowe w podobny sposób jak komórki gospodarza lub hamują działanie systemów restrykcyjnych przez specyficzne białka. W celu powstania nowych białek wirusowych muszą zostać utworzone specyficzne mRNA. Synteza mRNA wirusowego zależy od typu wirusa i jego materiału genetycznego. W przypadku gdy informację genetyczną wirusa stanowi RNA możliwe jest kilka rozwiązań dla produkcji mRNA. Gdy mamy do czynienia z wirusem zawierającym jednoniciowe RNA pozytywne (+), oznacza to, że służy ono bezpośrednio jako mRNA. Jeśli natomiast wyjściowym materiałem genetycznym jest jednoniciowe RNA negatywne (-) lub dwuniciowe RNA sytuacja się nieco komplikuje, gdyż nie może ono pełnić bezpośrednio funkcji mRNA. Aby powstało mRNA konieczna jest RNA-zależna polimeraza RNA, która występuje w wirusach i prowadzi do syntezy mRNA. Retrowirusy (wirusy RNA) replikują się dzięki pośrednictwu DNA. Proces kopiowania informacji genetycznej z RNA na DNA jest to odwrotna transkrypcja i zachodzi on pod wpływem enzymu tzw. odwrotnej transkryptazy. Po zainfekowaniu komórki, RNA wirionu kopiowane jest na dwuniciowy DNA, który służy jako matryca do syntezy mRNA. Gdy powstanie już mRNA możliwa jest synteza białek wirusowych. Białka te należą do trzech głównych grup:
· wczesne białka o charakterze enzymatycznym, niezbędne do replikacji kwasu nukleinowego wirusa, syntetyzowane w niewielkich ilościach
· późne białka czyli m.in. białka płaszcza wirusowego, białka strukturalne, syntetyzowane w dużych ilościach
· białka lityczne, które umożliwiają otworzenie komórki gospodarza i uwolnienie cząsteczek wirusa.
Wirusy bakteryjne
Istnieje ogromna liczba wirusów bakteryjnych (bakteriofagów), wiele z nich ma skomplikowaną strukturę, tylko niektóre posiadają lipidową otoczkę. Większość badanych wirusów atakuje E. coli lub Salmonella typhimurium. Zawierają głównie DNA, ale są również bakteriofagi RNA
Większość wirusów bakteryjnych przechodzi cykl lityczny prowadzący do zabicia komórki bakteryjnej. Jednakże jest wiele wirusów, które pomimo możliwości zabicia komórki wybierają drogę lizogeniczną czyli łagodną kiedy to większość genów faga nie ulega ekspresji a genom fagowy wbudowany do bakteryjnego ulega synchronicznej replikacji i wraz z podziałami komórkowymi jest przekazywany następnym pokoleniom bakterii. Koniecznie Bakteria zainfekowana wirusem w łagodnej postaci jest odporna na następne ataki nowych cząsteczek tego wirusa. Wirusy łagodne istnieją w komórkach zazwyczaj w formie zwanej prowirusem. Prowirus posiada taką samą
informację genetyczną jak wirus. Jednak jest ona zablokowana przez specjalny fagowy represor i nie ulega ekspresji. Ta sytuacja może ulec zmianie pod wpływem specyficznych czynników (np. promieniowanie X, UV) powodujących inaktywację represora - indukcja lizogeniczna. Wirus łagodny może istnieć w dwóch formach zależnych od warunków. Czasem jako niezależna jednostka, kontrolująca swoją replikację (cykl lityczny), lub jako DNA wintegrowane w materiał genetyczny komórki gospodarza (cykl łagodny - lizogeniczny).
Rys. - Cykl życiowy faga litycznego.
Rys. - Cykl życiowy faga lizogenicznego.
Wirusy zwierzęce
Wirusy zwierzęce posiadają materiał genetyczny zarówno w formie RNA jak i DNA. Jedną z ważniejszych grup wirusów zwierzęcych są retrowirusy, gdyż powodują one choroby bardzo groźne dla człowieka (AIDS). Wirusy dzieli się na różne grupy w zależności od typu kwasu nukleinowego, obecności otoczki i niekiedy według stosowanego modelu replikacyjnego. Wirusowa infekcja komórki zwierzęcej może mieć rożne efekty. Wirus może spowodować rozpadnięcie się komórki, trwałą infekcję z powolnym uwalnianiem cząsteczek wirusa lub infekcję utajoną kiedy to symptomy pojawiają się ze znacznym opóźnieniem w stosunku do czasu infekcji. Ponadto wirusy mogą powodować powstawanie nowotworów (np. wirus opryszczki przyczynia się do raka szyjki macicy).
Wirusy zwierzęce RNA to:
Do tej grupy wirusów należą: wirus hepatitis A, wirusy przeziębieniowe. ludzki wirus grypy, różyczki, ponadto świnki, odry, wirusowego zapalenia mózgu, Heinego - Medina.
Wirusy zwierzęce DNA
Wśród wirusów DNA można wyróżnić cztery główne rodziny; wirusy herpes - opryszczki, pox , papovawirusy, adenowirusy , brodawek (kurzajki)
Wirusy herpes są dużą grupą DNA wirusów powodujących wiele chorób u zwierząt i człowieka (np. ospę wietrzną), mają zdolność do pozostawania w formie utajonej w komórkach gospodarza, niektóre mogą prowadzić do transformacji nowotworowej (np. wirus Epsteina-Barr). Najbardziej skomplikowane i największe wirusy zwierzęce należą do grupy wirusów pox. Unikatową właściwością tych wirusów jest zdolność do przeprowadzania replikacji DNA na terenie cytoplazmy komórki gospodarza. Do tej grupy należy wirus ospy prawdziwej, wietrznej i półpaśćca, który jako pierwszy został szczegółowo zbadany, oraz wirus krowianki (cowpox), który powoduje bardzo łagodną i niegroźną infekcję w komórkach ludzkich. Wirus krowianki służy jako szczepionka przeciw ospie prawdziwej oraz jest używany w eksperymentach genetycznych do wprowadzania obcych genów do komórek zwierzęcych i ludzkich. Adenowirusy zostały po raz pierwszy wyizolowane z migdałków, powodują one łagodne infekcje dróg oddechowych i występują często w zdrowych osobnikach i są wykorzystywane w inżynierii genetycznej do alternatywnego leczenia chorób bakteryjnych, zamiast stosowania antybiotyków .
Retrowirusy
Jedną z najbardziej skomplikowanych i niewątpliwie najciekawszych grup wirusów zwierzęcych są retrowirusy. Przyczyn, dla których znajdują się one w centrum zainteresowania jest wiele. Po pierwsze, to one zostały początkowo zidentyfikowane jako czynniki indukujące powstawanie nowotworów. Po drugie, jeden z retrowirusów jest przyczyną jednej z najgroźniejszych i najbardziej kontrowersyjnych współcześnie chorób czyli AIDS. Ponadto mogą one specyficznie wintegrowywać w genom komórki gospodarza przez pośrednią formę jaką jest tu DNA. Proces ten jest badany pod kątem wprowadzania obcych genów do komórek w terapii genowej. Poza tym retrowirusy posiadają enzym - odwrotną transkryptazę, która stosując RNA jako matrycę kopiuje informacje genetyczną z RNA na DNA. Enzym ten jest powszechnie stosowany w inżynierii genetycznej. Należy tutaj zaznaczyć, że odwrotna transkryptaza nie jest "narzędziem" zarezerwowanym wyłącznie dla retrowirusów. Retrowirusy posiadają otoczkę o nieokreślonej symetrii. Genom retrowirusów ma bardzo nietypową budowę. Składa się on z dwóch jednakowych pojedynczych nici RNA (+) , połączonych wiązaniami wodorowymi poprzez parowanie nukleotydów ze specyficznymi cząsteczkami tRNA. Ogólnie proces replikacji retrowirusów zachodzi w kilku etapach. Na początku wirus dostaje się do komórki, następnie jedna z nici RNA jest odwrotnie transkrybowana w DNA Kolejnym etapem jest wintegrowanie powstałego DNA retrowirusa w genom komórki gospodarza za pomocą drugiego enzymu integrazy. Potem zachodzi transkrypcja DNA wirusowego, powstaje mRNA i "potomne" wirusowe RNA, które zostaje upakowane w kapsydzie na terenie cytoplazmy. W końcu nowe cząsteczki wirusa są odcinane z błony cytoplazmatycznej i uwalniane z komórki. Pierwszym etapem po wejściu wirusa do komórki jest transkrypcja RNA na DNA przy zastosowaniu odwrotnej transkryptazy. Enzym ten wykazuje kilka rodzajów aktywności; synteza DNA z wykorzystaniem RNA jako matrycy (odwrotna transkryptaza), synteza DNA z wykorzystaniem DNA jako matrycy (polimeraza DNA) oraz degradowanie nici RNA w hybrydzie RNA-DNA. Jak wszystkie polimerazy DNA enzym ten wymaga primeru do syntezy DNA. W reakcji przeprowadzanej przez odwrotną transkryptazę primerem jest specyficzne tRNA komórkowe. Rodzaj użytego tRNA jest związany z typem wirusa. Wintegrowany fragment wirusa nazywany jest prowirusem (śpiący wirus)i staje się stabilnym elementem genetycznym.
Choroby wirusoweWirusy atakują nie tylko ludzi i zwierzęta, lecz również rośliny, a nawet bakterie. Biorąc pod uwagę organizm gospodarza, w którym pasożytuje wirus, wirusy dzielimy na:
· bakteriofagi - wirusy bakteryjne, np. bakteriofag T4, bakteriofag l (lambda)
· wirusy roślinne - np. wirus mozaiki tytoniu
· wirusy zwierzęce - atakują zarówno kręgowce jak i bezkręgowce.W wyniku zarażenia wirusem u roślin mogą wystąpić następujące objawy: zmiany koloru (plamy, smugi), martwica tkanek (nekroza), zaburzenia wzrostu (karłowatość) lub rozwoju. Istotną rolę w przenoszeniu wirusów roślinnych odgrywają roślinożerne zwierzęta (np. owady lub nicienie). Wirusy roślinne mogą namnażać się w zaatakowanej komórce, osiągając ogromną liczbę kopii. Na przykład wirus mozaiki tytoniowej może stanowić ponad 10 procent suchej masy zaatakowanej rośliny. Inne wirusy roślinne to: wirus mozaiki kalafiora, wirus X ziemniaka, wirus plamistej rdzy pomidorów, wirus mozaiki ogórka, wirus żółtej karłowatości jęczmienia, wirus żółtaczki buraków, wirus utajonej choroby goździka.Ostre, zakaźne, wirusowe choroby zwierząt to np.:- pryszczyca - zaraza pyska i racic występuje u przeżuwaczy i świń; zoonoza - nosówka - (nie należy jej mylić z nosacizną, która jest chorobą wywoływa...
cirelly