Główna zawartość

Kurs: AP®︎ Biology (2018) > Rozdział 20

Lekcja 1: Wirusy

Wprowadzenie do wirusów

Co to jest wirus. Budowa wirusa. Jak wirus atakuje komórkę. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości, dzięki wsparciu FUNDACJI HASCO-LEK.

Kluczowe punkty:

Wirus to zakaźna cząsteczka, która namnaża się przez „dowodzenie” komórką gospodarza i wykorzystanie jej maszynerii do wytwarzania większej liczby wirusów.
Wirus składa się z genomu DNA lub RNA wewnątrz płaszcza białkowego zwanego kapsydem. Niektóre wirusy mają zewnętrzną powłokę - otoczkę.
Wirusy są bardzo różnorodne. Mają różne kształty i struktury, posiadają różne rodzaje genomów i infekują różnych gospodarzy.
Wirusy namnażają się infekując komórki gospodarza i przeprogramowując je, aby stały się „fabrykami” wirusów.

Wprowadzenie

Naukowcy szacują, że w danym momencie istnieje około

10^{31}

wirusów

^{1}

. To jest jedynka z

31

zerami po niej! Jeśli w jakiś sposób uda ci się zebrać te wszystkie

10^{31}

wirusów i ustawić je w linii prostej, kolumna z wirusami weszłaby w przestrzeń kosmiczną na odległość prawie

200

lat świetlnych. Innymi słowy, na Ziemi jest ponad dziesięć milionów razy więcej wirusów niż gwiazd w całym wszechświecie

^{2}

Czy to oznacza, że

10^{31}

wirusów tylko czeka, aby nas zakazić? W rzeczywistości większość tych wirusów znajduje się w oceanach, gdzie atakują bakterie i inne mikroby

^{3}

. Może wydawać się to dziwne, że bakterie są atakowane przez wirusy, ale naukowcy uważają, że każdy żywy organizm prawdopodobnie jest nosicielem co najmniej jednego wirusa!

Czym jest wirus?

Wirus jest małą, zakaźną cząsteczką, która może się namnażać tylko po zainfekowaniu komórki gospodarza. Wirusy „dowodzą” komórką gospodarza i wykorzystują jej zasoby do tworzenia większej liczby wirusów, w zasadzie przeprogramowując ją, aby stała się fabryką wirusów. Ponieważ nie mogą się namnażać samodzielnie (bez gospodarza), wirusy nie są uważane za żywe. Wirusy nie są komórkami: są bardzo małe, znacznie mniejsze niż komórki żywych istot i są w zasadzie tylko pakietami kwasu nukleinowego i białka.

Mimo to wirusy mają kilka ważnych cech wspólnych z życiem opartym na komórkach. Na przykład mają genomy w postaci kwasu nukleinowego oparte na tym samym kodzie genetycznym, który jest używany w twoich komórkach (i komórkach wszystkich żywych istot). Ponadto, podobnie jak w życiu opartym na komórkach, u wirusów występuje zmienność genetyczna i mogą one ewoluować. Tak więc, mimo że nie spełniają definicji życia, wirusy wydają się znajdować w „niejasnej” grupie. (Może wirusy są w rzeczywistości nieumarłe, jak zombie lub wampiry!)

Czym różnią się wirusy od bakterii?

Mimo że jedne jak i drugie mogą wywoływać u nas choroby, bakterie i wirusy bardzo się różnią na poziomie biologicznym. Bakterie są małe i jednokomórkowe, ale są żywymi organizmami, których rozmnażanie nie jest zależne od komórek gospodarza. Z powodu tych różnic infekcje bakteryjne i wirusowe są leczone bardzo różnie. Na przykład antybiotyki są pomocne tylko w przypadku walki z bakteriami, a nie wirusami.

Bakterie są również o wiele większe niż wirusy. Średnica typowego wirusa wynosi około

20

-

300

nanometrów

(

1

nm

=

10^{-9}

m

)

^{4}

. Jest to znacznie mniej niż typowa bakteria E. coli, która ma średnicę około

1000

nm

! Dziesiątki milionów wirusów mogą zmieścić się na główce szpilki.

Cóż, to zależy kiedy pytasz! W ostatnich latach coraz więcej i więcej wirusów jest odkrywanych. Obecnie największy znany wirus to Pithovirus. Zakaża ameby i ma kształt helikalny, o długości

1.5

µm

i średnicy

0.5

µm

^{5}

Jest większy niż niektóre komórki!

Dla jasności, Pithovirus jest zdecydowanie wyjątkiem od reguły. Większość wirusów mieści się w zakresie

20

-

300

nm

i są znacznie mniejsze niż komórki.

Budowa wirusów

Na świecie istnieje wiele różnych wirusów. Wirusy różnią się bardzo pod względem rozmiaru, kształtu i cykli życia. Jeśli jesteś ciekawy, jak bardzo, polecam zapoznać się ze stroną ViralZone. Kliknij na kilka losowych nazw wirusów i zobacz, jakie dziwne kształty i cechy znajdziesz!

Wirusy mają jednak kilka kluczowych cech wspólnych. Obejmują one:

Ochronny płaszcz białkowy, zwany kapsydem
Genom zbudowany z kwasu nukleinowego, DNA lub RNA, znajdujący się wewnątrz kapsydu
Zewnętrzna powłoka zwana otoczką (niektóre, ale nie wszystkie wirusy)

Przyjrzyjmy się bliżej każdej z tych cech.

Kapsydy wirusów

Kapsyd, inaczej płaszcz białkowy, wirusa składa się z wielu cząsteczek białek (nie jednej dużej, pustej). Białka łączą się, tworząc jednostki zwane kapsomerami, które razem tworzą kapsyd. Białka kapsydu są zawsze kodowane przez genom wirusa, co oznacza, że to wirus (a nie komórka gospodarza) zapewnia instrukcje ich tworzenia.

Możesz myśleć o kapsydzie jako piłce nożnej, a o białych sześciokątnych i czarnych pięciokątnych łatach jako kapsomerach.

Kapsydy niektórych wirusów są stosunkowo proste, zbudowane są z wielu kopii jednego białka. Parwowirus psów, bardzo mały wirus atakujący psy, ma kapsyd zbudowany z

60

kopii tego samego białka. Kapsyd jest złożony z

12

kapsomerów, z których każdy jest zbudowany z

5

białek. Kapsydy innych wirusów są bardziej złożone i składają się z wielu kopii kilku różnych białek.

Kapsydy występują w różnych formach, ale często przybierają jeden z poniższych kształtów (lub ich odmianę):

Ikozaedralny (bryłowy) – ikozaedralne kapsydy mają dwadzieścia ścian, a ich nazwa pochodzi od dwudziestościanu zwanego ikosaedrem.
Spiralny – helikalne kapsydy nazywa się po liniowym, cienkim, spiralnym wyglądzie. Mogą być one również nazywane w pałeczkowatymi lub spiralnymi.
Bryłowo-spiralny –Te kapsydy są rodzajem hybrydy kształtów ikozaedralnego i spiralnego. Składają się one zasadniczo z ikozadralnej głowy i helikalnego ogona.
Schemat ikozaedrycznego (w przybliżeniu sferycznego), helikalnego (podobnego do pręta) i bryłowo-spiralnego (ikozaedryczna głowa przymocowana do helikalnego ogona) kształtu kapsydu wirusowego.
Schamat zmodyfikowany na podstawie "Non-enveloped icosahedral virus," "Non-enveloped helical virus," oraz "Head-tail phage," przez Anderson Brito, CC BY-SA 3.0. Zmodyfikowany schemat jest na licencji CC BY-SA 3.0.

Otoczki wirusów

Oprócz kapsydu, niektóre wirusy mają również zewnętrzną powłokę lipidową zwaną otoczką, która otacza cały kapsyd.

Wirusy z otoczkami nie zawierają w genomie instrukcji dotyczących lipidów z otoczki. Zamiast tego „pożyczają” je z błon gospodarza podczas wnikania do komórki. Otoczki zawierają jednak białka specyficzne dla wirusa, które często pomagają w przyłączeniu wirusa do komórek gospodarza.

Chociaż otoczki są popularne, zwłaszcza wśród wirusów zwierzęcych, nie występują one w każdym wirusie (tj. nie są uniwersalną cechą wirusa).

Genomy wirusów

Wszystkie wirusy posiadają materiał genetyczny (genom) zbudowany z kwasu nukleinowego. Ty, podobnie jak wszystkie inne organizmy żywe, wykorzystujesz DNA jako swój materiał genetyczny. Wirusy z kolei mogą wykorzystywać RNA lub DNA, z których oba są rodzajem kwasu nukleinowego.

Często myślimy o DNA jako o cząsteczce dwuniciowej i o RNA jako o pojedynczej nici, ponieważ zazwyczaj tak jest w przypadku naszych własnych komórek. Wirusy mogą jednak mieć wszystkie możliwe kombinacje ilości nici i typów kwasu nukleinowego (dwuniciowy DNA, dwuniciowy RNA, jednoniciowy DNA lub jednoniciowy RNA). Genomy wirusowe występują również w różnych kształtach, rozmiarach i odmianach, chociaż są zazwyczaj znacznie mniejsze niż genomy organizmów komórkowych.

Co najważniejsze, wirusy DNA i RNA zawsze stosują ten sam kod genetyczny co żywe komórki. Jeśli by tego nie robiły, nie miałyby możliwości przeprogramowania komórek gospodarza!

Czym jest infekcja wirusowa?

W życiu codziennym mamy tendencję do myślenia o infekcji wirusowej jako o nieprzyjemnym zestawie objawów, które pojawiają się, gdy złapiemy wirusa, takiego jak wirus grypy lub ospy wietrznej. Ale co faktycznie dzieje się w Twoim organizmie gdy masz wirusa?

W skali mikroskopowej infekcja wirusowa oznacza, że wiele wirusów wykorzystuje Twoje komórki do tworzenia większej liczby swoich kopii. Cykl życia wirusa jest szeregiem kroków, w których wirus rozpoznaje i dostaje się do komórki gospodarza, "przeprogramowuje" gospodarza poprzez dostarczenie instrukcji w postaci wirusowego DNA lub RNA, i wykorzystuje zasoby gospodarza do wytwarzania większej ilości cząsteczek wirusowych (produkt "programu" wirusa).

W przypadku typowego wirusa, cykl życia można podzielić na pięć ogólnych etapów (chociaż szczegóły dotyczące tych etapów będą różne dla każdego wirusa):

Adsorpcja. Wirus rozpoznaje i wiąże się z komórką gospodarza poprzez cząsteczkę receptora na powierzchni komórki.
Wirus łączy się z receptorem na powierzchni komórki.
Schamat zmodyfikowany na podstawie "Viral attachment to host cell," przez ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4.0.
Podczas adsorpcji, specyficzne białko znajdujące się na kapsydzie wirusa fizycznie „przylega” do określonej cząsteczki na błonie komórki gospodarza.
Cząsteczka ta, nazywana receptorem, jest zwykle białkiem. Wirus rozpoznaje komórki gospodarza na podstawie posiadanych przez nie receptorów, a komórka bez receptorów nie może zostać zainfekowana tym wirusem.
Wnikanie. Wirus lub jego materiał genetyczny wnika do komórki.
Jedną z typowych dróg wnikania wirusa jest fuzja z błoną, która jest najczęściej wykorzystywana przez wirusy z otoczkami. Wirusy mogą również skłaniać komórkę do pochłaniania ich na drodze transportu masy, zwanego endocytozą. Niektóre nawet wstrzykują swoje DNA do komórki!
Drogi wnikania obejmują endocytozę (w której błona wpukla się do wewnątrz w celu wprowadzenia wirusa do komórki w pęcherzyku) oraz bezpośrednią fuzję cząsteczek wirusa z błoną, z jednoczesnym uwolnieniem ich zawartość do komórki.
Scemat zmodyfikowany na podstawie "Virus entry," przez ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4.0.
Replikacja genomu i ekspresja genu. Genom wirusa jest kopiowany, a jego geny ulegają ekspresji, aby wytwarzać białka wirusowe.
Genom wirusowy jest kopiowany, a jego geny ulegają ekspresji w celu wytwarzania białek wirusowych.
Schemat zmodyfikowany na podstawie "Positive stranded RNA virus replication, przez ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4.0.
Ten etap polega na tworzeniu kopii genomu wirusa i wytwarzaniu większej ilości białek wirusowych, tak aby nowe cząsteczki wirusa mogły zostać złożone.
Materiały do tych procesów (takie jak nukleotydy do tworzenia nowego DNA lub RNA) pochodzą z komórki gospodarza, a nie z wirusa. Większość „maszynerii” do replikacji i ekspresji genów jest również dostarczana przez komórkę gospodarza. Na przykład RNA informacyjne (mRNAs) kodujące geny wirusa, ulegają translacji do białek wirusowych przy użyciu rybosomów komórek gospodarza. Jednak niektóre kroki, takie jak tworzenie kopii genomu RNA wirusa, nie mogą być wykonywane przez enzymy komórkowe gospodarza. W takich przypadkach wirusy muszą kodować swoje własne enzymy.
Wytworzone białka wirusowe różnią się w zależności od wirusa. Wszystkie wirusy muszą kodować białka kapsydowe, a wirusy posiadające otoczkę zazwyczaj kodują również białka otoczki (które często pomagają w rozpoznawaniu gospodarza). Wirusy mogą również kodować białka, które manipulują genomem gospodarza (np. blokując obronę gospodarza lub kierując ekspresją genów na korzyść wirusa), pomagają w replikacji genomu wirusa lub odgrywają rolę w innych cyklach życia wirusa.
Składanie. Nowe cząsteczki wirusa są składane z kopii genomu i białek wirusowych.
Podczas składania, nowo wyprodukowane białka kapsydu łączą się, tworząc kapsomery, które wiążą się z innymi kapsomerami w wyniku czego powstaje kompletny kapsyd.
Niektóre wirusy, takie jak wirusy bryłowo-spiralne, najpierw składają „pusty” kapsyd, a następnie umieszczają w środku genom. Inne wirusy tworzą kapsyd wokół genomu, jak pokazano poniżej.
Białka kapsydu gromadzą się wokół genomu wirusa, tworząc nową cząsteczkę wirusową z genomem w środku (otoczonym przez kapsyd).
Schamt zmodyfikowany na podstawie "Cytoplasmic capsid assembly/packaging, przez ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4.0.
Uwalnianie. Kompletne cząsteczki wirusa opuszczają komórkę i mogą infekować inne komórki.
Wirusy mogą zostać uwolnione poprzez rozpad komórki, egzocytozę lub pączkowanie z błony komórkowej.
Schemat zmodyfikowany na podstawie "Virus exit," przez ViralZone/Swiss Institute of Bioinformatics, CC BY-NC 4.0.
Ostatnim etapem cyklu życia wirusa jest uwolnienie nowo wytworzonych wirusów z komórki gospodarza. Różne typy wirusów opuszczają komórkę różnymi drogami: niektóre powodują rozerwanie komórek gospodarza (proces zwany lizą), podczas gdy inne opuszczają komórkę na drodze transportu komórkowego (egzocytozy), a jeszcze inne pączkują z błony plazmatycznej, zabierając jej część w miarę potrzeb.
W niektórych przypadkach, uwolnienie nowych wirusów zabija komórkę gospodarza. (Na przykład komórka gospodarza, która pęknie nie przetrwa.) W innych przypadkach, uwalniane wirusy pozostawiają komórki gospodarza nienaruszone, dzięki czemu mogą kontynuować produkcję większej ilości cząsteczek wirusa.

Powyższy schemat przedstawia, jak te kroki mogą wyglądać w przypadku wirusa z genomem w postaci jednoniciowego RNA. W artykułach dotyczących bakteriofagów (wirusów zakażających bakterie) i wirusów zwierzęcych, możesz zapoznać się z prawdziwymi przykładami cyklu życia wirusów.

Zmodyfikowany artykuł może być używany zgodnie z licencją CC BY-NC-SA 4.0.

Cytowane prace:

Weitz, J. S., oraz Wilhelm, S. W. (1 lipca 2013). An ocean of viruses. W The scientist. Źródlo: http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/36120/title/An-Ocean-of-Viruses/.
Zimmer, C. (20 luty 2013). An infinity of viruses. W The loom: A blog by Carl Zimmer. Źródło: http://phenomena.nationalgeographic.com/2013/02/20/an-infinity-of-viruses/.
Suttle, C. A. (2007). Marine viruses - major players in the global ecosystem. Nat. Rev. Microbiol.,. 5(10), 801-12.
Virus. (4 maja 2016). Dostęp 10 maja 2016 z Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Virus.
Pithovirus. (26 marca 2016). Dostęp 10 maja 2016 z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Pithovirus.
How big are genomes? (n.d.). Źródło: http://www.weizmann.ac.il/plants/Milo/images/How%20big%20is%20the%20genome120112Clean.pdf.
Pierson, T. C. (2 listopada 2012). The flavivirus lifecycle. W Labs at NIAID. Źródło: https://www.niaid.nih.gov/research/ted-c-pierson-phd

Dodatkowe źródła

Acheson, N. H. (2007). Introduction to virology. W Fundamentals of molecular virology. (1 ed., pp. 1-17). Hoboken, NJ: Wiley.

Bollati, M., Alvarez, K., Assenberg, R., Baronti, C., Canard, B., Cook, S., Coutard, B., Decroly, E., de Laballerie, X., Gould, E. A., Grard, G., Grimes, J. M., Hilgenfeld, R., Jansson, A. M., Malet, H., Mancini, E. J., Mastrangelo, E., Mattevi, A., Milani, M., Moureau, G., Neyts, J., Owens, R. J., Ren, J., Selisko, B., Speroni, S., Steuber, H., Stuart, D. I., Unge, T., and Bolognesi, M. (2010). Structure and functionality in flavivirus NS-proteins: Perspectives for drug design. Antiviral Res., 87(2), 125-148. http://dx.doi.org/10.1016/j.antiviral.2009.11.009.

Bortman, H. (6 września 2010). Tracking viruses back in time. W Astrobiology magazine. Źródło: http://www.astrobio.net/topic/origins/extreme-life/tracking-viruses-back-in-time/.

Purves, W. K., Sadava, D. E., Orians, G. H., oraz Heller, H.C. (2003). Viruses: Reproduction and recombination. W Life: the science of biology (7 ed., pp. 258-263). Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Racaniello, V. (6 września 2013). How many viruses on Earth? W Virology blog: About viruses and viral disease. Źródło: http://www.virology.ws/2013/09/06/how-many-viruses-on-earth/.

Raven, P. H. i Johnson, G. B. (2002). The nature of viruses. W Biology (6 ed., p. 667). Boston, MA: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., oraz Jackson, R. B. (2011). A borrowed life. W Campbell biology (10 ed., pp. 392-393). San Francisco, CA: Pearson.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., oraz Jackson, R. B. (2011). Structure of viruses. W Campbell biology (10 ed., pp. 394-395). San Francisco, CA: Pearson.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., oraz Jackson, R. B. (2011). Viruses replicate only in cells . W Campbell biology (10 ed., pp. 395-403). San Francisco, CA: Pearson.

Travis, J. (2009). All the world's a phage. Science News, 2(164), 26-27. http://www.jstor.org/stable/3982016.

Zika virus (strain Mr 766). (n.d.) W ViralZone. Źródło: http://viralzone.expasy.org/all_by_protein/6756.html.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się

Sortuj według

Na razie brak głosów w dyskusji

Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.