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Schule > Biologie > Abstammungslehre und Evolution > Viren und die Vermehrung von Bakteriophagen

Yasemin Horozoglu

Viren
Geschichte (Entdeckung) der Viren
Aufbau und Funktion der Viren
Vermehrung der Bacteriophagen
Genübertragung bei Viren

1.1 Geschichte der Viren
Nach der Erfindung des Mikroskops im 17. Jahrhundert konnte man Bakterien als Krankheitserreger entdecken. Die ersten Anzeichen auf die Existenz von Viren dauerten jedoch bis ins 19. Jahrhundert. Bei der Tabakmosaikkrankheit und der Tollwut ging man zunächst von einem Bakterienbefall aus. Um diese vermuteten Erreger nachzuweisen und zu isolieren wurde bei einer erkrankten Tabakpflanze der Gewebesaft durch ein bakteriendichtes Filter gegossen, der alle Bakterien auf der Filteroberfläche zurücklassen sollte. Doch es ließen sich keine Bakterien nachweisen. Bei der Tollwutkrankheit konnten ebenfalls keine Bakterien nachgewiesen werden. Daraus schloss man, dass diese Krankheitserreger kleiner als Bakterien sein mussten und nannte sie Viren (sing. Virus, lat.: Gift).
Erst mit der Erfindung des Elektronenmikroskops 1934 konnte man sich ein Bild von den Viren machen. Somit gelang es auch Forschern Viren zu isolieren und ihre Struktur und ihren Aufbau exakt aufzuklären.

Die Verbreitung der Viren geschieht durch:
Inhalation von Aerosolen (Tröpfcheninfektion)
Nahrungsaufnahme
direktem Kontakt (Haut/Schleimhaut, oder
 indirektem Kontakt über Überträger.
1.2 Aufbau und Funktion der Viren

Viren sind kleinste Parasiten, die sich grundlegend von anderen Parasiten unterscheiden. Sie sind durch folgende Eigenschaften charakterisiert:
Sie enthalten nur eine Nukleinsäureart, entweder RNA oder DNA. Diese kommt entweder als Einzelstrang oder Doppelstrang vor.
Sie besitzen keine zelluläre Organisation und verfügen weder über Zellorganellen noch über Enzymsysteme für die Energiegewinnung oder Proteinsynthese.
Sie vermehren sich nicht selbständig, sondern zwingen die Wirtszelle zur Realisierung der in ihrer Erbsubstanz gespeicherten Information. Die Virusbausteine werden von der Zelle produziert und fügen sich zu neuen Viruspartikeln zusammen.
Mit diesen Eigenschaften kann man die Viren nicht als Lebewesen bezeichnet. Sie sind sozusagen an der Schwelle des Lebens stehen geblieben. Ein Virus ist ohne seine Wirtszelle leblos und verliert nach einiger Zeit seine Infektiösität. Sobald jedoch ein Virus in seine Wirtszelle, auf die es spezialisiert ist, eindringt wird es lebendig und benutzt die Wirtszelle um sich mehrfach zu Vermehren.
Die unterschiedlichen Viren sind Partikel mit einer Größe von 10 bis 2000 Nanometern (Abk. nm; ein Nanometer ist der Millionste Teile eines Millimeters).
Viren bestehen aus einer Proteinhülle (auch Capsid genannt), in der sich Nucleinsäure in Form von DNA oder RNA befindet (beides kommt nicht zusammen vor). Man nennt sie deshalb auch DNA-Viren und RNA-Viren. Die Nucleinsäure bildet mit dem Capsid das Nucleocapsid.
Es gibt zwei verschiedene Grundformen, die das Nucleocapsid besitzen kann;
Die kubische Symmetrie eines Eicosaeders (20 Flächner) mit vielen dreieckigen Flächen. Bsp.: Reo oder Levi (siehe Abb.1)
2. Die helikale Symmetrie aus identischen Proteinmolekülen, die aneinander angelagert sind (spiralenförmig).
Aber nicht alle Virusarten kann man in diese zwei Grundarten unterbringen. So sind einige Bakterienviren und die Pockenviren komplex aufgebaut und werden deshalb auch als Viren mit komplexer Symmetrie bezeichnet.
Als Beispiel für diese komplexe Form sind die gut untersuchten T-Phagen (Abb.2), die sich in Escherichia coli (E. coli) Zellen vermehren, gut geeignet.
Die T-Phage ist auffällig gebaut und gegliedert in Kopf, Schwanz und Schwanzfäden.
Die Proteinhülle (der Kopf) ist 100 nm lang und hat eine Vieleckstruktur. Der Schwanz ist ebenfalls 100 nm lang und ist von einer kontraktilen hohlen Hülle umgeben. Zwischen dem Kopf und dem Schwanz befindet sich der Kragen, der diese beiden miteinander verbindet. Am Ende des Schwanzes befindet sich eine Bodenplatte mit sechs kurzen Spikes und sechs langen Schwanzfäden (auf die Funktion der einzelnen Teile werde ich bei der „Vermehrung von Bacteriophagen“ eingehen).
1.3 Vermehrung von Bacteriophagen
Viren befallen spezifische Wirtszellen, wobei sowohl eukaryontische (Tiere, Pflanzen, Pilze) als auch prokaryontische Zellen als Wirte vorkommen. Viren, die Bakterienzellen befallen nennt man Bacteriophagen oder einfach Phagen. Manche Viren haben eine breitere Spezifität und können verschiedene Organismengruppen befallen.
Nach dem Befall einer Wirtszelle kann die Vermehrung in zwei Formen ablaufen: als
lytischer Zyklus und als

lysogener Zyklus.
Die Art des Zyklus ist von Virus zu Virus verschieden. Letztendlich wird die Wirtszelle zu einer Virenfabrik umfunktioniert, wobei am Ende bis zu 500 neue Viren die Zelle entweder durch Knospung (= Abschnüren von Viren) oder durch Aufplatzen der Membran (= Lyse) verlassen. Meistens sterben die Wirtszellen bei der Vermehrung.
Beide Vermehrungsarten sind in Abbildung 3 (siehe Anhang) am Beispiel eines T-Phagen dargestellt.
Lytischer Zyklus

Der lytische Zyklus lässt sich in mehrere Phasen einteilen:

Adorbtionsphase:
Hier lagert sich das Virus mit seinen Rezeptoren (Schwanzfäden) auf der Oberfläche des E. Coli an, die Phagenendplatte und die Anheftungsstelle müssen sich jedoch entsprechen. Durch diese artverschiedenen Rezeptoren ergibt sich die Wirtsspezifität von Viren.

Injektionsphase:
Als zweites erfolgt die Injektionsphase, in der injiziert der Phagen, die DNA in die Wirtszelle, dies geschieht durch das Zusammenziehen des Schwanzes bis der Kopf des Phagen an der Endplatte ankommt. Der Schwanz durchstößt dann die Bakterienwand und der DNA-Faden gelangt ins Zellinnere. Die leere Phagenhülle bleibt außen zurück.

Latenzphase:
In der Latenzphase übernimmt die injizierte Nucleinsäure die genetische Kontrolle der Zelle und es kommt zu einer Replizierung der Nucleinsäure und die Proteine für die Hülle werden synthetisiert. Diese Bestandteile vereinigen sich dann selbstständig zu vollständigen neuen Phagen.

Lytische Phase:
Bei der Lyse ist die Wirtszelle zu erschöpft und durch die hunderte neu gebildeten Phagen platzt die Zelle letztendlich und stirbt. Die neuen freigesetzten Phagen greifen dann neue Wirtszellen an und der Lytische Vermehrungsprozess geht von vorne los.

Lysogener Zyklus
Bei der zweiten Vermehrungsform sind Adorptionsphase und Injektionsphase mit dem lytischen Zyklus identisch. Bei der lysogenen Vermehrung integriert sich das Virus (DNA-Faden) nach der Injektion in das Wirtschromosom und existiert als Prophage (Provirus) ohne virulente Wirkung weiter. Bei der Zellteilung der Bakterien wird die Virus-DNA dann mitrepliziert. Nach einer gewissen Zeit (kann bis zu Jahren dauern) verlässt das Virus das Wirtschromosom, übernimmt die Zellkontrolle und geht in den Lytischen Zyklus über, der dann das Zellleben beendet. Solche Viren (Phagen) nennt man temperente oder lysogene Viren. Die Integration des Virus in das Wirtschromosom und das Verlassen werden durch Proteine verursacht (Integrase oder Excisase).
1.4 Genübertragung bei Viren

Rekombination
Da Viren genetische Informationen in Form von Nucleinsäure enthalten, können auch bei Viren, wie bei Bakterien, Mutationen und Rekombinationen auftreten. Dies kann man zum Beispiel bei einem Bakterienrasen sichtbar erkennen. Viren hinterlassen nach der Zerstörung ihrer Wirtszellen so genannte Plaques (Löcher) auf den Bakterienrasen, diese zeigen je nach Virusstamm ganz bestimmte Eigenschaften.
Bei einer Doppelinfektion einer Bakterienzelle mit zwei verschiedenen Virusstämmen treten neben den Elterntypen auch Neukombinationen auf. Daraus wurde geschlossen, dass dieser Genaustausch zwischen den Viren innerhalb der Wirtszelle statt findet (Abb. 4).
Wird zum Beispiel eine Bakterienzelle mit einem Virus, das im Bakterienrasen große klare Löcher hervorruft infiziert und gleichzeitig mit einem Virus, das kleine trübe Löcher verursacht, so findet man auch erwartungsgemäß nach der Infektion große klare und kleine trübe Löcher. Es treten aber auch große trübe und kleine klare Löcher im Bakterienrasen auf.

Transduktion

Viren können während der Latenzphase oder als Prophage Gene der Wirtszelle mit in ihr Capsid einschließen. Wenn sie dann nach der Lyse eine andere Zelle infizieren, übertragen sie das mitgenommene Wirtsgen in eine andere Zelle. Diesen Vorgang nennt man Transduktion und sie kommt in zwei Formen vor:
allgemeine Transduktion
Bei der allgemeinen Transduktion kann nach dem Zufallsprinzip jedes Wirtsgen übertragen werden.

spezielle Transduktion..
Die spezielle Transduktion tritt bei Prophagen auf. Es wird immer nur ein bestimmter Bereich der Wirts-DNA übertragen. Meist sind es die Gene, die in der Nachbarschaft des Prophagen lokalisiert sind.
Die Transduktion wird in der Gentechnik benützt, um gezielt DNA in Zellen zu befördern. Solche Phagen werden als Vektoren bezeichnet.
Quellen: Genetik Buch (Schroedel), ww.wissen.de, „Viren“ (Walter Doerfler), Duden Abiturhilfen „Genetik“, Abiturwissen (Klett)

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