Wirusy – budowa, infekcja i cykle bakteriofagów

Wirusy są mikroskopijnymi czynnikami zakaźnymi, których podstawowymi składnikami są białko i kwas nukleinowy. Nie mają budowy komórkowej, dlatego nie zalicza się ich do organizmów.

Nie wykazują samodzielnej aktywności metabolicznej: nie oddychają, nie odżywiają się i nie wydalają. Ich namnażanie zachodzi wyłącznie w komórce gospodarza, co uzasadnia określenie molekularne pasożyty.

Kompletną cząstkę zdolną do atakowania komórek, występującą poza komórką, nazywa się wirionem. W jego skład wchodzą materiał genetyczny i kapsyd; osłonka zewnętrzna jest składnikiem tylko części wirusów. Niektóre wiriony zawierają również dodatkowe białka budulcowe lub enzymy wirusowe.

Podział na wirusy DNA i wirusy RNA wynika z rodzaju kwasu nukleinowego tworzącego ich materiał genetyczny. DNA to kwas deoksyrybonukleinowy, a RNA to kwas rybonukleinowy.

Kwas nukleinowy wirusa może być jednoniciowy lub dwuniciowy. Rodzaj kwasu i liczba jego nici są osobnymi cechami opisującymi materiał genetyczny.

Genom obejmuje kompletną informację genetyczną. Genomy wirusów są bardzo małe, a zawarte w nich geny kodują białka wirusowe.

U wirusów roślinnych materiałem genetycznym jest najczęściej RNA. Nie oznacza to, że RNA występuje wyłącznie w tej grupie wirusów.

Kapsyd jest białkowym płaszczem zbudowanym z małych jednostek zwanych kapsomerami. Zabezpiecza kwas nukleinowy poza komórką i uczestniczy w rozpoznawaniu komórek gospodarza.

Osłonka lipoproteinowa stanowi dodatkową warstwę obecną u niektórych wirusów. Jej część lipidowa pochodzi z fragmentu błony komórki gospodarza i ułatwia wniknięcie wirusa do komórki.

Część białkową osłonki tworzą wirusowe glikoproteiny. Pełnią funkcję receptorów i łączą kapsyd z osłonką lipidową.

Wirus grypy zawiera RNA otoczone kapsydem oraz zewnętrzną osłonkę lipoproteinową. Są to odrębne składniki: materiał genetyczny przechowuje informację, kapsyd ją osłania, a osłonka stanowi dodatkową warstwę zewnętrzną.

Wirusy różnią się kształtem kapsydu oraz obecnością osłonki. Najczęstsze podstawowe formy kapsydów to forma spiralna i wielościenna.

• Forma helikalna ma budowę spiralną i często występuje u wirusów roślinnych.
• Forma bryłowa ma kapsyd najczęściej dwudziestościenny, rzadziej dwunastościenny; występuje głównie u wirusów zwierzęcych.
• Forma bryłowo-spiralna łączy wielościenną główkę z helikalnym ogonkiem wyposażonym w białkowe włókna; występuje u bakteriofagów.
• Forma kulista występuje u wirusów mających osłonkę lipoproteinową; znajdujący się pod nią kapsyd może być helikalny albo bryłowy.

Infekcja wirusowa obejmuje wniknięcie wirusa do komórki gospodarza oraz jego namnożenie. Początkowym etapem jest adsorpcja, czyli przyłączenie do odpowiednich receptorów na powierzchni komórki.

Po przyłączeniu następuje wnikanie. Bakteriofag wstrzykuje swój genom, natomiast wirusy roślinne i zwierzęce zazwyczaj dostają się do komórki w całości.

Podczas syntezy kopii genomu materiał genetyczny wirusa jest powielany. U wirusów DNA uczestniczy w tym polimeraza DNA pochodząca z komórki gospodarza lub kodowana przez wirusa. Powielanie genomów wirusów RNA często wymaga enzymów wirusowych, np. polimerazy RNA zależnej od RNA, a u retrowirusów także odwrotnej transkryptazy.

U niektórych bakteriofagów, np. faga lambda, wprowadzony genom przyjmuje postać kolistą. Nie jest to cecha wszystkich fagów. Dalszy przebieg zakażenia może obejmować wytwarzanie nowych fagów albo wejście w stan lizogenii.

Ekspresja genów prowadzi do powstania białek wirusowych. U wirusów DNA informacja zostaje najpierw przepisana na mRNA w procesie transkrypcji, a następnie wykorzystana do syntezy białek podczas translacji.

U niektórych wirusów RNA genom może jednocześnie pełnić funkcję matrycy do syntezy białek kapsydu. U innych wytworzenie mRNA wymaga bardziej złożonych procesów i udziału enzymów wirusowych.

Podczas składania kopie genomu łączą się z wytworzonymi elementami kapsydu, tworząc wiriony potomne. Powielenie kwasu nukleinowego i produkcja białek dostarczają więc różnych składników potrzebnych do zbudowania nowej cząstki.

Uwolnienie następuje przez wypączkowanie wirusów z komórki albo przez jej lizę, czyli rozpad. Sposób opuszczenia gospodarza nie jest taki sam u wszystkich wirusów.

Bakteriofagi to wirusy atakujące bakterie. W cyklu litycznym geny faga przejmują kontrolę nad metabolizmem komórki, kierując go na wytwarzanie wirionów potomnych.

Po przyłączeniu i wprowadzeniu genomu zachodzą jego replikacja oraz ekspresja genów. Powstają kopie materiału genetycznego i białka kapsydu, które następnie są składane w nowe fagi.

Uwolnienie potomnych fagów powoduje lizę komórki gospodarza. Cykl ten zachodzi u bakteriofagów złośliwych, np. bakteriofaga T4.

W cyklu lizogenicznym genom bakteriofaga integruje się z genomem gospodarza. Zintegrowany materiał genetyczny faga nazywa się profagiem. U innych wirusów wbudowany genom określa się jako prowirus.

W stanie lizogenii nie występują objawy choroby. Materiał genetyczny wirusa jest kopiowany razem z genomem gospodarza, a podczas podziału trafia do komórek potomnych. Umożliwia to rozprzestrzenianie genów wirusa bez wyniszczania żywicieli.

Lizogenia występuje u bakteriofagów łagodnych, np. bakteriofaga lambda. Komórki z profagiem mogą dalej się dzielić i przekazywać geny fagowe kolejnym pokoleniom.

Niekorzystne dla zakażonej komórki czynniki zewnętrzne mogą wywołać indukcję profaga, czyli jego uaktywnienie i przejście w cykl lityczny. Lizogenia nie oznacza zatem, że genom wirusa nigdy nie doprowadzi do produkcji wirionów i zniszczenia komórki.