Virus: morfología y metabolismo básicos.

Los virus son parásitos obligados de células vivas. Para ser capaces de reproducirse, necesitan estar dentro de una célula viva. Esta célula es específica. Todo virus puede pasar por dos estados: el extracelular y el intracelular (fuera o dentro del huésped respectivamente). Solo cuando está dentro es capaz de dirigir un metabolismo.

Virus de la gripe.

Su estructura se conoce como virión. El virión tiene un tamaño de entre 0,03 y 0,3μm. Por lo tanto, solo son detectables con el microscopio electrónico. Tienen un ácido nucleico, una cápside o cubierta y en algunos casos una envoltura.

Su ácido nucleico puede ser ADN o ARN, pero nunca los dos. Tanto en un caso como en el otro, puede ser mono o bicatenario. Puede ser lineal, es decir, con los cabos libres, o circular. Protegiendo a este ADN está la cápside o cubierta protéica. Está formada por uno o varios tipos de subunidades que se depositan, llamados capsómeros. Si son iguales, ahorrará una gran cantidad de información acumulada (si solo es una proteína, solo se necesita un gen para formar la cubierta). Puede tener proteínas auxiliares o enzimas (para entrar en el huésped, por ejemplo).

Además del ácido nucléico y la cápside, puede tener una envoltura, una bicapa lipídica con sus proteínas, normalmente glicoproteínas. Los glucolípidos son idénticos a los de la célula huésped, son los de la célula del huésped que toma al salir. Las proteínas en cambio son específicas del virus, se forman con la información del virus.

Estructura de virus.

Según el tipo de cápside hay varios tipos de virus.

Los capsómeros pueden formar agrupaciones geométricas: poliédrico, más o menos esférico o helicoidalmente, dando lugar a una forma tubular o una combinación de ambos tipos de simetría.

Los capsóemeros se unen formando una geometría ecosonoédrica, es decir, dando lugar a un ecosonaedro. Un ejemplo son los adenovirus, que posee 252 capsómeros tomando esta forma. Hay dos tipos de capsómeros, los de los vértices y los de las caras:

Adenovirus.

 Hay virus que siguen una geometría helicoidal. Como por ejemplo el TMV, el virus del mosaico del tabaco. Está formado por capsómeros colocados de forma helicoidal, formando un tubo. El capsómero tiene forma más o menos cúbica y hay 16,3 capsómeros por vuelta. El ADN está “pellizcado” en la hendidura de la espiral.

Virus del mosaico del tabaco.

Existen virus que son una combinación de estos dos tipos, tienen una cápside geométrica y una zona helicoidal. Por ejemplo, los fagos de la serie T. Se trata de parásitos de Escherichia coli. Hay siete tipos diferentes de fagos de la serie T (nombrados de T1 a T7). Fago es la abreviatura de la palabra “bacteriófago”.

Fago de la serie T.

 Muchos de los virus icosaédricos poseen envoltura.

Fase vegetativa de los virus.

El material genético de los virus tiene información para todos los capsómeros, suele tener también información para algún enzima calve. Pero en general no tiene nada de información para multitud de cosas que necesita para replicarse.

Desde que el virus entra hasta que salen los viriones se le llama infección viral. Se puede llevar a cabo de maneras diferentes. Es lo que se denomina ciclo lítico.

Ciclo Lítico.

Durante el ciclo lítico el virus se reproduce, pero con muerte de la célula huésped. Vamos a verlo en el caso de los fagos de la clase T. Dentro de los fagos, cuando solo pueden realizar el ciclo lítico, se les conoce como fagos virulentos (su única opción es acabar matando la célula).

Veamos las fases.

La primera fase es la adsorción y fijación a una bacteria. Es específica, hay un reconocimiento específico. En la membrana de la célula, habrá algunos componentes que se unirán a la cola del virus. Este debe hacer actuar, tras la unión, a la lisozima. La lisozima es un enzima de la cola que ataca a la pared de la bacteria, rompiendo enlaces  glicosídicos y debilitando esta parte.

Fase de fijación.

 La segunda fase es la fase de inyección de ADN. El eje tubular se clava en la pared celular (que previamente había sido debilitada).

Fase de inyección.

 La tercera fase se denomina fase de eclipse. Durante esta no se ve ninguna cápside. El material genético se expresa dentro de la célula. Utiliza la maquinaria de la célula y sus materias primas. No se expresa de golpe, se expresa en un orden determinado. Se expresan tres bloques de genes.

Primero, los genes tempranos, que van a dar lugar a las proteínas precoces del virus. El DN se transcribe y da lugar al ARN viral. Usa los ribosomas y demás maquinaria de la bacteria. Las proteínas precoces formadas inactivan e inutilizan el ADN bacteriano para que la maquinaria trabaje solo con el virus.

Traducción de genes tempranos.

Después se expresan los genes del metabolismo del ADN. Da lugar, por un lado, a una DNA-asa vírica, una enzima que se encargará de hidrolizar el ADN de la bacteria, pero que no hidrolizará al DNA vírico. De este modo, se destruirá el ADN bacteriano. Se producirán también enzimas de replicación para el ADN viral.

Por último se expresarán los genes tardíos, que dan lunar a la formación del resto de proteínas virales, las que formarán el virión y algunas proteínas auxiliares importantes, también víricas.

Traducción de virus tardíos y replicación del ADN

La siguiente fase es la fase de ensamblaje. Se empiezan a detectar los primeros viriones hijos. Esto es entre los 10 y 20 minutos siguientes desde la entrada del fago. Es un proceso espontáneo de las distintas piezas del virión, por reconocimiento estereoepecífico entre las diferentes partes. Sigue un orden. Lo normal es que se forme por un lado la cabeza, por otro las colas y por otro las fibras. Posteriormente se van uniendo. A la cabeza se une el ADN. A la cabeza se une la cola y por último las fibras.

En este proceso intervienen las proteínas de andamiaje y las enzimas auxiliares. Son proteínas víricas necesarias para formar el virión, pero que no forman parte del virión. Hacen de andamios, sirven de moldes temporales. Las enzimas auxiliares hidrolizan algunos enlaces, etc. Pero después tampoco formarán parte del virión.

El virus no crece, se forma o no se forma. Solo posee multiplicación, pero no crecimiento.

Por último tiene lugar la fase de liberación. Conduce a la lisis de la célula huésped. Salen como entraron, ayudándose del enzima lisozima. Como ahora son tantos, entre 200 y 250 viriones hijos, destrozan lo que quedaba de la bacteria. La pared bacteriana se destruye. Al proceso se le denomina lisis bacterial. La célula muere. Y de este modo concluye el ciclo lítico de la bacteria.

Los virus que atacan a las células eucariotas poseen una fase vegetativa que no mata forzosamente al huésped. El virus puede entrar, multiplicarse y salir sin matar al huésped.

Lisogenia.

Es llevada a cabo por fagos atenuados o lisogénicos. Cuando infectan a una bacteria pueden desarrollar el ciclo lítico o usar la vía lisogénica.

En la ruta o vía lisogénica el ADN vírico se integra covalentemente en un punto fijo o punto de inserción en el cromosoma bacteriano. En este caso se habla de provirus o, en el caso de virus bacterianos, profago. A la bacteria con el ADN vírico insertado se le denomina bacteria lisogénica. El virus está en estado latente. Prácticamente no se expresa. Cuando la bacteria se duplica, el ADN se replica y las células hijas reciben al profago.

Primeras fases de la lisogenia.

Tras unas cuantas generaciones, con una frecuencia muy baja (alrededor de una por cada millón) el profago se separa del cromosoma bacteriano y entra en ciclo vírico o fase vegetativa.

Esta lisis sucede espontáneamente, pero también se puede hacer que la lisis se provoque. Por ejemplo, con luz ultravioleta.

Un ejemplo de virus de este tipo es el fago λ, que ataca a las Escherichia coli de la cepa K 12 (λ).

Si la bacteria tiene un profago, tiene inmunidad sobre otros fagos de esa especie y sobre algunos afines.

La lisogenia no se da solo en bacterias. El virus del Herpes simple, por ejemplo, que suele aparecer con catarros y provocar fiebres, es un ejemplo de virus lisogénico de eucariotas.

¿Por qué sigue la vía lisogénica o el ciclo lítico? Cuando el ADN de un fago como el del fago λ entra en la bacteria, se encuentra en forma lineal, pero tiene los extremos cohesivos, es decir, tiene unos tramos al final que son monohebra y complementarios con los del otro lado.

ADN del Fago (liean y ciclado).

Cuando se forman las proteínas precoces es cuando va a decidir el camino. El sistema de regulación es muy complicado. En esencia, se debe a dos proteínas reguladoras, la proteína Cro y el represor o proteína represora λ (en realidad son tres proteínas). Cada una inhibe la formación de la otra. Solo hay dos situaciones estables.

Cuando predomina la proteína Cro, en cuyo caso comenzará el ciclo lítico. Esto puede suceder cuando el fago acaba de entrar o bien indirectamente en una bacteria lisogenizada, en la que se rompa el equilibrio, cuando el profago se separa.

Si domina la proteína represora λ la proteína Cro no se va a sintetizar. El represor λ impide la transcripción de prácticamente todos los genes del virus. Solo se transcriben los represores y las proteínas que permiten la integración.

Si el equilibrio se desplaza hacia la proteína represora y se establecerán, por lo tanto, las relaciones lisogénicas.

Inserción del ADN vírico en el ADN bacteriano.

El ADN del virus se integra entre dos operones, ente dos genes relacionados con una vía metabólica. Para la integración se necesitan un conjunto de proteínas que formarán un complejo denominado Integrasa. Se integra en un sitio y solo en uno. El ADN del virus se rompe por un sitio específico. La integrasa rompe las dos hebras de ADN y las une.

Se sabe que el estado fisiológico de la bacteria influye sobre si se va a liberar o no el profago. No se sabe bien como. Si sucediera, el complejo escisionasa + integrasa provocaría la liberación del fago. Deben actuar ambos enzimas, ya que la escisionasa por si misma no reconoce la parte del ADN por la que debe cortar.

El que se siga un camino u otro no es cuestión de azar. Existe alguna razón, aunque no se conoce muy bien. Cuando un cultivo es joven y se reproduce rápido, la relación lisogénica se mantiene estable. Si las bacterias envejecen o se reproducen a menor ritmo, facilitan que se rompan las relaciones lisogénicas.

Estos fagos lisogénicos intervienen en el fenómeno de la transducción, que es uno de los mecanismos de la replicación.

La transducción es el paso de material genético de una bacteria a otra sin que se haya producido contacto. Se lleva a cabo por medio de un fago atenuado.

Supongamos que tenemos un fago λ en una relación de lisogenia. Cuando se produce la escisión para liberarse, por error puede llevar parte del material genético de la bacteria. Hay una liberación errónea y se formará un fago λ con un gen que no tenía antes.

Trasducción.

No es forzoso que el fago pierda parte de su información. Puede coger su ADN y algún gen de la bacteria sin necesidad de soltar parte de sus genes.

Cuando finaliza el ciclo lítico, tendremos algunos viriones de fago λ bio + que tendrán genes de más. Al infectar nuevas bacterias, si esta bacteria receptora no tenía la capacidad que codifica el gen (el gen bio en este caso), ahora adquirirá esa capacidad, adquirirá este nuevo gen.

Transición especializada.

Esto se denomina transición especializada, ya que los genes que se transducen son siempre los mismos, es decir, los próximos a los puntos de inserción. Tanto la bacteria dadora como la aceptora tendrían que mantener relaciones lisogénicas con el fago.

Hay otro tipo de transducción, la generalizada. En esta, se transduce cualquier gen de la bacteria dadora. La dadora no puede ser lisogénica, la aceptora si. La bacteria dadora no mantiene relaciones lisogénicas, solo ciclo lítico. Pero durante este ciclo lítico, por error, algún virión adquiere genes del ADN bacteriano y se lo lleva a otra bacteria, la aceptora, con la que mantendrá relaciones lisogénicas.

Virus con ARN.

Tienen que resolver cómo replicarse por si mismos. Las células huéspedes no tienen enzimas capaces de replicar el ARN. Según el tipo de ARN, cómo se lleve a cabo la síntesis del mensajero, cómo se replica el material, va a haber tres tipos de virus con ARN:

• ARN (+).
• ARN (-).
• ARN (±).

Se entiende como hebra positiva aquella que puede ser un ARN mensajero. Su complementaria es la hebra negativa. Cuando se complementa con un ADN también se considera hebra negativa.

Los cuatro tipos de virus pueden tomar dos estrategias, o bien usar una ARN replicasa o bien usar la transcriptasa inversa. El virus debe poseer la información para seguir por uno de estos dos caminos.

Virus con ARN replicasa.

Los hay de los tres tipos. La ARN replicasa es una ARN polimerasa ARN dependiente. Es decir, sintetiza un polímero de ARN, siempre en la dirección 5’→3’ complementaria a una hebra patrón de ARN.

Son específicas respecto al ARN patrón que replican, replican los ARN víricos. Los virus solo la usan, por lo tanto, para replicarse a si mismos. Un ejemplo, el virus de la polio. Este es un virus con RNA +. Como puede actuar como mensajero, irá directamente a los ribosomas. Lo primero que hará es sintetizar la RNA replicasa.

Virus con ARN replicasa

En resumen, la hebra + sirve de mensajero para sintetizar la ARN replicasa y de molde para fabricar los ARN  -. Posteriormente los ARN – servirán de molde para fabricar multitud de hebras de ARN + que se usaran como mensajeros para sintetizar las proteínas víricas y que además serán las que se empaquetarán con estas proteínas.

Es decir, tras la traducción se produce el ensamblaje y la salida del virus de la célula.

En el caso de los virus con ARN – como por ejemplo el virus de la gripe, el virión debe llevar dentro la ARN replicasa, ya que el ARN – no puede actuar como mensajero.

Virus con ARN-

En cuanto a los virus de ARN de doble hebra, es decir, ARN ±, una vez ha entrado en la célula se obtendrán, en un principio, solo copias de la hebra +, usando como molde la hebra -. De este modo, el ARN + se usa como mensajero para la traducción de proteínas víricas y posteriormente como molde para obtener las hebras de ARN -. Cuando se complete, el ARN + y el ARN – formarán hebras dúplex y se producirá el ensamblaje.

Virus con ARN +/-

Retrovirus: virus con transcriptasa inversa.

El resto de virus con ARN son los retrovirus, que tienen transcriptasa inversa. El ARN debe ser transformado en ADN. Todos los virus de este tipo poseen una hebra monocatenaria de ARN +.

El enzima transcriptasa inversa suele ir ya fabricado dentro del virión y hace tres acciones seguidas:

Virus con transcriptasa reversa o inversa.

1. Sintetiza la hebra de ADN – a partir de la hebra de ARN +. Es decir, actúa como ADN polimerasa ARN dependiente.
2. Hidroliza la hebra de ARN + original que tendría el virión.
3. Sintetiza el ADN + a partir de la hebra de ADN -. Es decir, actúa como una ADN polimerasa ADN dependiente.

Estas tres acciones son catalizadas por la transcriptasa inversa. En realidad no se trata de un solo enzima, sino de un complejo multienzimático.