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Wenn jemand an Grippe erkrankt, sagen wir oft, die Person habe sich „ein Virus eingefangen“. Viren sind azelluläre Partikel und daher nicht als vollständige Zellen aufgebaut. Bakterien sind dagegen Zellen.
Ein vollständiges Viruspartikel heißt Virion. Es trägt ein Genom, also Erbmaterial aus DNA oder RNA. Das Genom wird von einem Kapsid geschützt, einer Proteinhülle aus kleineren Untereinheiten, den Kapsomeren. Manche Viren besitzen zusätzlich eine Lipidhülle außerhalb des Kapsids. Diese membranähnliche Schicht stammt von der Wirtszelle.
Genomtyp, Kapsidstruktur, das Vorhandensein einer Hülle, Genexpressionsstrategie, Wirtsspektrum und Sequenzverwandtschaft dienen zur Klassifikation von Viren.
Viren lassen sich anhand ihrer Zusammensetzung, Struktur, Klassifikation und Wirkung auf Wirte vergleichen. Die folgende Tabelle zeigt die Hauptbestandteile vieler Viren.
| Bestandteil des Virions | Funktion | Unterschiede zwischen Viren |
|---|---|---|
| Genom | Trägt die genetische Information | Je nach Virustyp besteht es aus DNA oder RNA |
| Kapsid | Schützt das Genom | Proteineinheiten verbinden sich zu dieser Schutzhülle |
| Lipidhülle | Trägt Virusproteine in einer Lipidschicht | Manche Viren besitzen sie, andere nicht |
| Oberflächenprotein | Bindet an passende Moleküle einer Zielzelle | Form und Ziel unterscheiden sich je nach Virustyp |
Ein Virion trägt Erbinformation und Schutzstrukturen. Proteinproduktion, Energieversorgung und weitere Schritte der Replikation übernimmt eine Wirtszelle.
Das nächste Modell zeigt die Oberfläche von SARS-CoV-2 genauer als die allgemeine Darstellung darüber. Kryoelektronentomografie intakter Virionen zeigte eine Lipiddoppelschicht, aus der Spike-Trimere herausragen. Diese Spikes binden an den ACE2-Rezeptor und vermitteln den Eintritt in geeignete Zielzellen. Dieses Modell steht für ein umhülltes Virus. Andere Viren können anders geformt und aufgebaut sein.
Lebende Zellen besitzen normalerweise eine Zellmembran, Zytoplasma, Ribosomen und einen eigenen Stoffwechsel. Als Stoffwechsel bezeichnet man die chemischen Reaktionen, mit denen eine Zelle Energie gewinnt und ihre Bestandteile aufbaut. Ein Virus besitzt weder Ribosomen noch einen vollständigen eigenen Stoffwechsel.
Viren können deshalb weder eigene Proteine herstellen noch selbst die für ihre Vermehrung benötigte Energie gewinnen. Sobald das Virusgenom in eine geeignete Wirtszelle gelangt, nutzt das Virus die Ribosomen und die Energie der Zelle. Enzyme des Virus, der Wirtszelle oder beider Seiten kopieren das Virusgenom. Die Ribosomen der Wirtszelle stellen Virusproteine her, anschließend werden die neuen Bestandteile zu Virionen zusammengesetzt.
Außerhalb einer Wirtszelle kann ein Virion eine Zeit lang bestehen, an eine geeignete Zelle binden und sein Genom übertragen. Die Vermehrung beginnt, sobald das Virus auf Ribosomen und Energie der Wirtszelle sowie auf die Enzyme zum Kopieren seines Genoms zugreifen kann.
Außerhalb einer Zelle betreibt ein Virion keinen Stoffwechsel, stellt keine Proteine her und kopiert sein Genom nicht. In einer geeigneten Zelle kann das Virusgenom die Herstellung von Virusproteinen und neuen Genomkopien steuern. Ein Virus vermehrt sich daher nur in einer passenden Wirtszelle.
Viren umfassen einen großen Größenbereich. Viele bekannte Virionen sind einige Dutzend bis mehrere Hundert Nanometer groß, Riesenviren können jedoch größer sein. Ein Nanometer entspricht einem Tausendstel Mikrometer. Da viele Virionen unterhalb des Auflösungsvermögens eines gewöhnlichen Lichtmikroskops liegen, wird ihre Feinstruktur mit Methoden wie der Elektronenmikroskopie untersucht.
Viren unterscheiden sich in ihrer Form, weil Kapsomere und äußere Schichten verschieden angeordnet sind. Manche sind helikal, andere polyedrisch. Einige besitzen eine abgerundete Hülle, andere haben komplexe Formen wie Bakteriophagen, die Bakterien infizieren. Die Form eines Virus beeinflusst, wie es sein Genom schützt, an eine Zelle bindet und in sie gelangt.
Auch die Passung zur Zelle ist entscheidend. Bei vielen Viren muss ein Oberflächenprotein oder eine Stelle am Kapsid an ein passendes Molekül auf der Wirtszelle binden. Dieses Molekül kann ein Protein, Glykan oder Glykolipid sein und als Anheftungsfaktor, Eintrittsrezeptor oder Teil eines größeren Rezeptorsystems wirken. Die Wechselwirkung kann mehrere molekulare Kontakte umfassen.
Das Genom enthält die Erbinformation für Virusbestandteile. Das Kapsid schützt dieses Genom. Oberflächenproteine binden an passende Moleküle einer Wirtszelle und beeinflussen dadurch, welche Zellen das Virus erreichen kann.
Die Virusvermehrung folgt dieser Reihenfolge. Zuerst gelangt das Virusgenom in eine geeignete Zelle. Enzyme des Virus, der Wirtszelle oder beider Seiten kopieren das Genom. Die Ribosomen der Wirtszelle stellen Virusproteine her, anschließend werden diese Proteine zusammen mit dem Genom zu neuen Virionen verpackt.
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Das Kapsid ist eine Proteinhülle, die das Virusgenom außerhalb einer Wirtszelle schützt.
SARS-CoV-2 erscheint als umhülltes Virion mit rauer Oberfläche und vielen Proteinfortsätzen.
Helikale Kapside ordnen wiederholte Proteine um das Genom an, polyedrische Kapside bilden Facetten, umhüllte Viren ergänzen eine Lipidschicht mit möglichen Fortsätzen und komplexe Viren können Kopf und Schwanz besitzen.
