Viren

Viren – Aufbau

Viren sind mit 20–300 nm Durchmesser noch kleiner als Bakterien. Damit sind Viren nur in seltenen Fällen unter einem Lichtmikroskop sichtbar. Des Weiteren besitzen die Erreger keine typischen Zellorganellen und haben einen vergleichsweise einfachen Aufbau.

Ein Virus-Partikel (Virion) besteht aus einem Genom (Erbgut) und einer Proteinhülle (Kapsid), welches das Genom umgibt. Gemeinsam bilden das Genom und die Proteinhülle das sogenannte Nukleokapsid. Einige Viren haben zusätzlich eine Hülle aus einer Lipidmembran und Hüllproteinen.

Virus-Genom

Das virale Genom besteht entweder aus DNA oder RNA. Es kann einsträngig oder doppelsträngig vorliegen. Das Virus-Genom enthält die genetische Information zur Reproduktion des Viruspartikels. Auf dem Genom liegen Gene, welche die Information für die entsprechenden Bausteine des Virus enthalten.

Kapsid

Das Kapsid der Viren setzt sich aus identischen Strukturuntereinheiten zusammen. Diese werden Kapsomere genannt. Das Kapsid dient zum Schutz des Erbguts. Charakteristisch weist die Kapsid-Hülle eine Symmetrie auf. Viele Kapside sind ikosaederförmig (Form aus 20 gleichseitigen Dreiecken) oder haben eine Helix-Struktur (spiralförmig).

Abb. 1: 3D-Modell einer Iksoaeder Sturktur (typische Form eines viralen Kapsids). Quelle: 3d-meier.de

Virushülle

Die Virushülle ist nicht bei allen Viren vertreten. Sie besteht aus einer Lipidmembran (Phosphorlipid-Doppelschicht) und Hüllproteinen (Lipoproteine und Glykoproteine). Die Eigenschaften der Virushülle verhelfen dem Virus-Partikel in die Wirtszelle einzudringen. So werden beispielsweise einige Hüllproteine genutzt, um an Rezeptoren der Wirtszelle zu binden.

Trotz eines einfachen strukturellen Aufbaus der Viren unterscheiden sich verschiedene Virusgruppen in Gestalt und Größe erheblich voneinander. Aus dem unterschiedlichen Aufbau lassen sich folgende grundlegenden Virustypen ableiten.

Abbildung 2: Schematische Darstellung grundlegender Virustypen.

Viren – Eigenschaften

• Viren sind obligat intrazelluläre Parasiten --> Sie können sich nur innerhalb einer Wirtszelle vermehren.
• Viren haben keine eigene Replikation und sind daher zur Vermehrung auf eine Wirtszelle angewiesen.
• Viren haben keinen eigenen Stoffwechsel und nutzen die Ressourcen und Enzyme ihrer Wirtszelle zur Reproduktion.
• Viren sind ansteckende organische Krankheitserreger, welche sich außerhalb von Zellen (extrazellulär) verbreiten und sich innerhalb einer Wirtszelle (intrazellulär) vermehren.
• Viren sind an bestimmte Organismen angepasst (wirtsspezifisch) und sind innerhalb Ihrer Wirte auf bestimmte Gewebe oder Zelltypen spezialisiert.
• Viren befallen Pflanzen, Tiere, Pilze und Bakterien.

Viren – Klassifikation

Viren werden einerseits anhand ihrer Wirtsgruppe in verschiedene Virustypen eingeteilt. Man differenziert zwischen tierpathogene Viren (Tierviren), Pflanzenviren, Bakteriophagen (Bakterienviren) und Mykoviren (Pilzviren). Des Weiteren werden Viren anhand von morphologischen und biologischen Eigenschaften systematisch gruppiert. Einige wichtige Eigenschaften, welche zur Klassifizierung von Viren dienen, sind:

• Art des Genoms (DNA/RNA und einzelsträngig/doppelsträngig)
• Größe, Symmetrie, Anzahl der Kapsomere und Nachweis einer Virushülle
• Reaktion auf chemische und physikalische Umwelteinflüsse (In der Regel Reaktion auf Ether)
• Übertragungsart
• Krankheitsverlauf und Symptome der ausgelösten Krankheit

Unterschiede zwischen Viren und Bakterien

Häufig werden Bakterien und Viren als Krankheitserreger nicht eindeutig voneinander differenziert. Dabei handelt es sich um zwei unterschiedliche Pathogene. In der folgenden Tabelle sind die wesentlichen Unterschiede zwischen Bakterien und Viren verdeutlicht:

Vermehrung Viren

Zur Vermehrung schleusen Viren ihr Genom in eine Wirtszelle. Typischerweise enthält das Viren-Genom den Bauplan für neue Virus-Partikel. Innerhalb der Wirtszelle wird das Virus-Genom in neue Virus-Partikel umgesetzt.

Hierbei werden Enzyme und Ressourcen der Wirtszelle genutzt, wobei es in der Regel zur Schädigung der Wirtszelle beziehungsweise des Wirtsorganismus kommt. Im folgenden Abschnitt lernst du, wie die Vermehrung der unterschiedlichen Virustypen abläuft.

Vermehrungszyklus Viren

1. Absorption: Das Virus heftet sich an die Wirtszelle. Bestimmte Hüllproteine interagieren mit Membranproteinen der Wirtszelle und ermöglichen das Anheften. Häufig sind Viren hierbei auf ganz bestimmte Membranproteine spezifischer Zelltypen angewiesen.

2. Penetration: Das Virus dringt in die Wirtszelle ein. Dies geschieht über sogenannte Phagozytose oder über die Fusion der Virushülle mit der Zellmembran. Bei der Membranfusion verbindet sich die Virushülle mit der Membran der Wirtszelle. Bei diesem Vorgang wird der Inhalt des Virus-Partikels in die Wirtszelle entlassen.

Abbildung 3: Darstellung von verschiedenen Mechanismen der Penetration.

3. Uncoating: Das virale Genom wird innerhalb der Wirtszelle aus dem Kapsid und gegebenenfalls aus dem Vesikel freigesetzt. Der genaue Ablauf des Uncoatings ist bei vielen Virenarten unbekannt.

4. Vermehrung: Das Genom der Viren wird vervielfältigt (repliziert) und mithilfe des Proteinsynthese-Apparats der Wirtszelle in Virus-Proteine umgesetzt. DNA-Viren schleusen ihr DNA Erbgut in der Regel in den Zellkern ein. In dem Zellkern wird dieses vervielfältigt und in mRNA umgesetzt. Anschließend kann die mRNA in Proteine umgewandelt werden. Das Erbgut der RNA-Viren kann direkt in dem Zytoplasma in Proteine umgesetzt werden.

5. Reifung: Aus den neu synthetisierten viralen Proteinen und Genomen werden Virus-Partikel zusammengesetzt. Diese akkumulieren sich in der Wirtszelle.

6. Freisetzung: Die neuen Viruspartikel werden freigesetzt und können neue Zellen befallen. Die Freisetzung der Viren kann durch unterschiedliche Wege stattfinden. Bei einer Lyse der Zelle bringen die Viren die Wirtszelle zum platzen und werden so freigesetzt. Andere Viren haben die Möglichkeit, die Zellmembran zu durchwandern. Wiederum andere Viren werden durch eine sogenannte Ausknospung freigesetzt. Bei einer Ausknospung wird der Virus-Partikel von einem Teil der Zellmembran der Wirtszelle umhüllt und dann ausgeschleust. Gleichzeitig erhält so der Erreger seine Virushülle.

Vermehrung in Bakterien

Viren von Bakterien (Bakteriophagen) schleusen ihr Genom von außen in die Wirtszelle. Je nach Virusart kann die Virusinfektion für die Bakterien einen unterschiedlichen Verlauf nehmen.

Virulente Bakteriophagen

Virulente Phagen injizieren ihr Erbgut in eine Wirtszelle, wo dieses vervielfältigt und in Viruspartikel umgesetzt wird. Haben sich genügend Virus-Partikel gebildet, wird die Membran der Wirtszelle aufgelöst (lysiert) und die neuen Bakteriophagen werden freigesetzt.

Temperente Bakteriophagen

Temperente Phagen haben zwei alternative Vermehrungsstrategien innerhalb der Bakterienzellen. Welche der beiden Strategien angewandt wird, ist von dem physiologischen Zustand der Bakterien und den Umweltbedingungen, in denen sie sich befinden, abhängig.

Der lytische Zyklus ist dem Lebenszyklus der virulenten Bakteriophagen gleichzustellen. Im lysogenen Zyklus dagegen wird das virulente Genom in das Erbgut des Bakteriums integriert. Bakterien, die integriertes Erbgut von Bakteriophagen in sich tragen, werden als lysogene Bakterien bezeichnet.

Während des lysogenen Zyklus nimmt die Bakterienzelle keinen weiteren Schaden. Nun kommt es zur Vermehrung der Bakterienzelle durch Zellteilung. Im Zuge der Zellteilung wird auch das virale Erbgut verdoppelt und auf die Tochterzellen übertragen. So wird das virale Erbgut an die kommenden Generationen des infizierten Bakteriums weitergegeben.Bei bestimmten Umweltbedingungen wird jetzt der lytische Zyklus eingeleitet und es werden Bakteriophagen in allen Bakterien mit dem entsprechenden Erbgut gebildet.

Viren – Krankheiten Virusinfektionen

Wird ein Organismus durch Viren infiziert, vermehren sich diese innerhalb der Wirtszellen. Bei Einzellern führt eine Infizierung durch virale Erreger häufig zum Zelltod. In höheren Organismen kann eine Virusinfektion unterschiedliche Krankheitsverläufe einschlagen.Wie eine Virusinfektion in unterschiedlichen Organismen abläuft, welche Abwehrstrategien beziehungsweise Behandlungen es gibt und wie sich die Erreger verbreiten, kannst du im folgenden Abschnitt näher betrachten.

Pflanzeninfektionen

Pflanzenviren dringen häufig passiv durch Verletzungen in das Pflanzengewebe ein, können aber auch über Krankheitsüberträger (Vektoren) wie Insekten verbreitet werden. Die Vermehrung der Viren führt in den Zellen zu Schädigungen und zum Absterben des Gewebes (Läsionen und Nekrosen). Zahlreiche Pflanzenkrankheiten werden durch Viren ausgelöst.

Bakterieninfektionen

Eine Virusinfektion kann für eine Bakterienkolonie verheerende Auswirkungen haben. Eine Infektion durch Bakteriophagen zeichnet sich häufig durch die rasche Verbreitung und Zerstörung sämtlicher Bakterienzellen aus. Einige Bakterien bilden Abwehrmechanismen gegen Virusinfektionen. Ein Beispiel für eine Immunantwort sind die sogenannten CRISPR-Cas-Systeme.

CRISPR-Cas-Systeme sind Enzymkomplexe, welche fremdes Erbgut erkennen können und dieses daraufhin zerschneiden. Die CRISPR-Cas-Systeme speichern die Genomsequenzen der Bakteriophagen, um eine erneute Infektion zu verhindern. Diese Information kann an folgende Generationen weitergegeben werden, wodurch eine Resistenz gegenüber bestimmter Bakteriophagen entsteht.

Tier- und Menschinfektionen

Bei Menschen und Tieren lösen Viren eine Vielzahl von verschiedenen Krankheiten aus. Krankheitsverläufe können je nach Art des Erregers und des Gesundheitszustandes des infizierten Organismus stark variieren. Folgende Krankheitsverläufe sind möglich:

Asymptomatische Infektionen

Häufig kann das Immunsystem die Viren komplett eliminieren, bevor diese sich im Körper ausreichend vermehren und Krankheitssymptome hervorrufen. Aber auch Virusinfektionen mit entsprechender Vermehrung der Viren können mit schwachen oder ohne Symptomen einhergehen.

Akute Virusinfektion

Bei einer akuten Virusinfektion kommt es durch die Vermehrung der Viren zur Ausprägung von mehr oder weniger starken Symptomen. Neben durch das Immunsystem induzierte Symptome wie Fieber können je nach Virusart auch ganz spezifische Symptome auftreten. Im Normalfall heilen die meisten Virusinfektionen nach einiger Zeit aus.

Chronische Virusinfektionen

Einige Viren können chronische Infektionen hervorrufen. Die Immunabwehr reicht nicht aus, um die Viren dauerhaft zu eliminieren. Das kann daran liegen, dass die Viren gezielt das Immunsystem schwächen. Es kommt zu einer kontinuierlichen und lang anhaltenden Vermehrung der Viren. Unbehandelt können chronische Infektionen zu einem schweren Krankheitsverlauf mit Todesfolge führen.

Latente Virusinfektionen

Bei latenten Virusinfektionen bleibt das Virusgenom nach einer akuten Phase in dem Erbgut des Infizierten erhalten. In einer sogenannten Latenzphase werden keine neuen Viruspartikel gebildet und die Virusinfektion ist nur schwer nachweisbar.

Diese Ruhephase kann mehrere Jahre andauern und symptomatisch als auch asymptomatisch verlaufen. Unter bestimmten Bedingungen (z.B bei einer Schwächung des Immunsystems) kann es erneut zu einer akuten Phase der Infektion kommen und eine aktive Vermehrung der Viruspartikel findet statt.

Behandlungen dienen häufig dazu, einen Krankheitsverlauf abzuschwächen oder einen akuten Ausbruch zu verhindern. Eine vollständige Genesung ist in vielen Fällen nicht mehr möglich. Es kommt zu einer lebenslangen latenten Virusinfektion.

Immunantwort auf Virusinfektionen

Die Immunabwehr höherer Wirbeltiere wie Menschen ist komplex und vielseitig. So gibt es Mechanismen und Immunzellen, welche die Erreger nach dem Eindringen in den Körper direkt bekämpfen und Immunzellen, welche die Virus-Partikel eliminieren können, nachdem diese in die Wirtszelle eingedrungen sind.

Das Immunsystem bildet spezifische Antikörper, welche die Erreger erkennen und unschädlich machen. Nach einer ausgeheilten Virusinfektion verhindern diese Antikörper einen Krankheitsverlauf bei erneuter Infektion. So kann eine Immunität für bestimmte Virusinfektionen gebildet werden.

Schutzimpfung für Virusinfektionen

Während Behandlungen von Virusinfektionen häufig dazu beitragen Symptome der Krankheit zu mildern, werden Schutzimpfungen verwendet um eine Immunität gegen bestimmte virale Erreger aufzubauen.

In der Regel führen Schutzimpfungen dazu, dass unser Körper ohne akute Infektion Antikörper gegen ein bestimmtes Virus bildet. So werden Geimpfte weitgehend vor einer Infektion geschützt. Um dies zu erreichen, gibt es verschiedene Wirkungsmechanismen von Impfstoffen. Antibiotika helfen nicht bei Virusinfektionen. Antibiotika sind Stoffe, welche die Vermehrung von Bakterien verhindern oder diese abtöten.

Verbreitung von Viren

Viren können über verschiedene Wege in einen Organismus gelangen. Bei der Verbreitung von Viren wird zwischen folgenden Verbreitungsformen differenziert.

Tröpfcheninfektionen

Viren, die im Laufe einer Infektion die oberen Atemwege besiedeln, können durch den infizierten Organismus ausgeschieden werden. Hierbei werden die Erreger beim Niesen oder Husten in Form von Tröpfchen auf andere Wirte übertragen.

Schmierinfektion

Bei einer Schmierinfektion werden die viralen Erreger über direkten Kontakt übertragen. Beim Menschen werden so Erreger beispielsweise über Händeschütteln oder kontaminierte Gegenstände übertragen.

Aerosolinfektion

Ähnlich wie bei der Tröpfcheninfektion werden die Erreger in Form von kleinen Partikeln vom Infizierten ausgestoßen. Aufgrund der kleinen Größe können die Aerosole längere Zeit in der Luft schweben und sich so über eine größere Distanz verbreiten.

Infektion durch einen Vektor

Die Erreger können durch einen Organismus von einen Wirt auf einen anderen Wirt übertragen werden (zum Beispiel durch Stechmücken).

Infektion über infektiöse Körperflüssigkeiten

Bestimmte Virustypen akkumulieren sich in bestimmten Körperflüssigkeiten und Sekreten. Eine Übertragung erfolgt dann über Austausch von Körperflüssigkeiten und Aufnahme der Erreger über die Schleimhäute. Typische infektiöse Körperflüssigkeiten sind Blut und Sperma.