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Viren: die Vermehrung von Viren

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Team Digital
Viren: die Vermehrung von Viren
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Grundlagen zum Thema Viren: die Vermehrung von Viren

Inhalt

Vermehrung von Viren – Biologie

Wir alle sind schon oft mit Viren in Kontakt gekommen. Die meisten Erkältungen werden zum Beispiel von Viren ausgelöst. Es gibt aber auch Viren, die schwerwiegende Erkrankungen auslösen und die unser Immunsystem nicht immer bekämpfen kann, beispielsweise Influenzaviren. Aber wie verbreiten und vermehren sich Viren?

Bau und Vermehrung von Viren

Viren sind keine Lebewesen, da ihnen wichtige Eigenschaften fehlen: Sie haben keinen eigenen Stoffwechsel und können sich nicht eigenständig fortpflanzen. Ein Virus braucht zur Vermehrung eine Wirtszelle. Diese Wirtszelle kann zu einer Pflanze, einem Tier oder einem Menschen gehören. Auch Bakterien können von Viren befallen und als Wirtszelle genutzt werden. Viren, die Bakterien befallen, bezeichnet man in der Biologie als Phagen. Bevor wir uns die Vermehrung von Viren genauer anschauen, befassen wir uns mit ihrem Aufbau.

Viren – Aufbau

Viren weisen eine große Vielfalt in Form, Größe und auch Aufbau auf. Der allgemeine Aufbau von Viren ist jedoch sehr einfach. Viren haben ihr eigenes Erbmaterial, das auch als Genom bezeichnet wird. Dieses ist von einem Proteinmantel, dem sogenannten Kapsid, umgeben. Genom und Kapsid zusammen bezeichnet man in der Biologie als Nukleokapsid. Viren, die nur aus dem Nukleokapsid bestehen, bezeichnet man als „nackte“ Viren. Weiterhin gibt es auch „behüllte“ Viren mit einer zusätzlichen, äußeren Hülle aus einer Lipiddoppelschicht. In dieser Virushülle sind auch virusspezifische (Glyco-)Proteine eingebaut. Bei manchen Viren ähneln diese Strukturen einer „Krone“ und werden als Spikes bezeichnet (z. B. bei Coronaviren). Die Hülle stammt von der Wirtszelle ab, dient aber auch dem Eintritt des Virus in diese.

Viren – Vermehrung

Aber wie infizieren uns Viren und wie vermehren sie sich? Die Vermehrung von Viren gliedert sich in folgende Schritte:

  • Anheftung des Virus an eine Wirtszelle
  • Eindringen des Virus in die Wirtszelle
  • Freisetzung des Virusgenoms
  • Vermehrung von Virenbestandteilen
  • Zusammenbau neuer Viren
  • Freisetzung neuer Viren

Zunächst einmal heftet sich das Virus an die Zelloberfläche der Wirtszelle (adsorption, engl. für Anheften). Bei behüllten Viren sind es die Spike-Proteine, die an bestimmte Zielstrukturen der Wirtszelle binden. Das passiert nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Diese Zielstrukturen (targets, engl. für Ziel) können beispielsweise Rezeptoren sein. Abhängig vom Vorkommen der Zielstrukturen infizieren Viren spezielle Zelltypen und Organe oder alle Arten von Zellen. Bei unbehüllten (nackten) Viren sind es Oberflächenmoleküle im Kapsid, die ebenfalls nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip den Eintritt in die Wirtszelle ermöglichen. Im Folgenden dringt das Virus in die Zelle ein (penetration, engl. für Eindringen). Bei den meisten behüllten Viren verschmilzt die Virushülle mit der Membran der Wirtszelle und nur das Kapsid mit dem Erbgut wird in die Zelle geschleust. Man spricht hierbei von Fusion. Bei den unbehüllten und einigen behüllten Viren erfolgt das Eindringen in die Zelle durch Endozytose. Dabei stülpt sich die Zellmembran der Wirtszelle um das Virus und es bildet sich ein Vesikel. Danach lösen sich Hülle und Kapsid auf und das Viruserbgut wird freigesetzt (uncoating, engl. für Enthüllen). Beim weiteren Verlauf der Virusvermehrung unterscheidet man in der Biologie zwei Arten: Es gibt den lytischen und den lysogenen Vermehrungszyklus.

Wie funktioniert die Vermehrung von Viren? Lytischer und Lysogener Zyklus

Was ist ein lytischer Zyklus?

Ein klassisches Beispiel für den lytischen Zyklus ist die Vermehrung von Phagen. Sobald das Virusgenom in die Zelle transportiert wurde, wird die Wirtszelle auf Virenproduktion umgestellt. Das heißt, das Virusgenom wird kopiert (repliziert) und Virusproteine werden an den Ribosomen hergestellt (translatiert). Sind alle Bauteile vorhanden, wird das Virusgenom in das Kapsid verpackt. Wird eine kritische Menge an Viren erreicht, platzt die Wirtszelle und die neuen Viren werden freigesetzt. Die Wirtszelle wird zerstört (lysiert). Jedoch gibt es noch andere Möglichkeiten der Virusfreisetzung, die nicht die unmittelbare Zerstörung der Wirtszelle zur Folge haben. Bei der Vermehrung von behüllten Viren werden Spike-Proteine in die Zellmembran des Wirts eingebaut. Behüllte Viren verlassen die Wirtszelle meist durch Knospung. Beim Verlassen schnüren die Viren einen Teil der Plasmamembran der Wirtszelle ab. So erhalten behüllte Viren ihre Hülle, die sich von der Wirtszelle ableitet (z. B. das Influenzavirus). Wiederum andere Viren werden aus Vesikeln per Exocytose freigesetzt (z. B. das Hepatitis-B-Virus). Dabei verschmelzen virusgefüllte Bläschen aus dem Zellplasma mit der Zellmembran des Wirts und werden so freigesetzt.

Was ist ein lysogener Zyklus?

Im lysogenen Zyklus wird das Genom des Virus in die DNA der Wirtszelle eingebaut. Im Gegensatz zum lytischen Zyklus werden allerdings keine neuen Viren produziert und die Wirtszelle wird nicht zerstört. Stattdessen wird das integrierte Virusgenom bei jeder Zellteilung verdoppelt und weitergereicht. So wird das Virus unbemerkt vermehrt, ohne der Wirtszelle zu schaden. Unter dem lysogenen Zyklus versteht man auch die Erregerpersistenz von Viren – ein Überdauern oder Ruhen der Virusinfektion. Unter bestimmten Umweltbedingungen können Viren vom lysogenen Zyklus in den lytischen übergehen und schlussendlich freigesetzt werden. Je nach Virusart kann die lysogene Phase recht lange dauern. Das HI-Virus kann beispielsweise bis zu 15 Jahre im lysogenen Zyklus verbleiben, bis es tatsächlich zum Übertritt in den lytischen Zyklus und damit zur Erkrankung kommt.

Transkript Viren: die Vermehrung von Viren

Hach, die Natur! Fortpflanzung und Vermehrung, so etwas schönes, friedliches und manchmal auch niedliches. Dass es auch anders geht, schauen wir uns heute einmal an, denn es geht um „die Vermehrung von Viren“. Dabei wird zwischen dem lytischen und dem lysogenen Vermehrungszyklus unterschieden. Wir schauen uns zuerst einmal den lytischen Vermehrungszyklus an. Dieser gliedert sich in folgende Schritte: Es beginnt mit der Anheftung des Virus an eine Wirtszelle, und dem Eindringen des Virus. Danach folgt die Freisetzung des Virusgenoms und die Vermehrung von Virenbestandteilen. Gefolgt von dem Zusammenbau und der Freisetzung neuer Viren. Nun schauen wir uns das einmal im Detail an. Viren können sich nicht eigenständig vermehren und benötigen dazu andere Zellen, sogenannte „Wirtszellen“. Dazu muss sich das Virus zuerst an die Wirtszelle anheften. Für diesen Schritt werden äußere Strukturen der Viren, zum Beispiel wie hier abgebildet Spikes, also kleine Stacheln in der Virushülle und genau dazu passende Strukturen an der Oberfläche der Wirtszelle benötigt. Das heißt, beide Strukturen sind spezifisch zueinander und passen wie ein Schlüssel und das entsprechende Schloss ineinander. Demnach können viele Viren nur bestimmte Zelltypen befallen. Wenn die Strukturen nicht passen, kann das Virus auch nicht an die Wirtszelle andocken. So passen Grippeviren zum Beispiel an die Schleimhautzellen in der Nase. Trifft nun das Virus auf eine passende Zelle, dringt es in diese ein, indem es von der Membran der Wirtszelle umschlossen und in einem Membranbläschen, Vesikel genannt, aufgenommen wird. Danach lösen sich die äußeren Bestandteile des Virus auf und das Erbgut des Virus wird freigesetzt. Es gibt allerdings auch Viren, die Eindringen, indem sie mit der Zellmembran verschmelzen oder Viren, die ausschließlich ihr Erbgut in die Zelle einschleusen. Das Erbgut wird anschließend zum Zellkern der Wirtszelle transportiert und übernimmt dort deren Steuerung. Das heißt, der Stoffwechsel der Wirtszelle wird so umprogrammiert, dass dabei neue Virenbestandteile, also das virale Erbgut und Hüllproteine, hergestellt werden. Die einzelnen Virusbestandteile verbinden sich und es entstehen neue Viren. Diese so neu geformten Viren sorgen dafür, dass die Wirtszelle platzt und sie auf diese Weise freigesetzt werden. Die Viren haben die Wirtszelle zerstört. Manche Viren verlassen die Wirtszelle jedoch auch durch „Knospung“, wodurch die meisten behüllten Viren ihre Membranhülle erhalten. Hast du eine Idee, was die neuen, frei gewordenen Viren nun so vor haben könnten? Die gehen nun ebenfalls auf die Suche nach passenden Wirtszellen, um diese zu befallen. Das Auflösen der Zelle wird „Lyse“ genannt, daher die Bezeichnung als „lytischer Zyklus“. Manche Viren verhalten sich jedoch anders. Beim so genannten „lysogenen Zyklus“ wird das virale Erbgut nach Eintritt in die Wirtszelle in dessen Erbgut eingebaut und die Zelle nicht zerstört. Somit wird bei jeder Zellteilung nicht nur das Erbgut der Wirtszelle, sondern auch das eingebaute virale Erbgut vervielfältigt. Dadurch findet eine Vermehrung des viralen Erbguts statt. Allerdings kann unter bestimmten Bedingungen das Virus vom lysogenen in den lytischen Vermehrungszyklus übergehen. Dies kann zum Beispiel durch Strahlungen, Temperaturschocks oder Chemikalien, wie zum Beispiel durch Drogen ausgelöst werden. Je nach Virusart, kann die lysogene Phase unterschiedlich lange dauern. So dauert diese beim HI-Virus bis zu fünfzehn Jahre, bis die Virus-DNA aus dem Erbgut der Wirtszelle ausbricht. Fassen wir also noch einmal zusammen: Viren können nur ganz spezifische Wirtszellen befallen. Um neue Viren herzustellen, nutzen Viren den Stoffwechsel der Wirtszelle, indem sie dessen Steuerung übernehmen. Beim lytischen Zyklus werden neue Viren hergestellt und die Wirtszelle wird zerstört. Beim lysogenen Zyklus wird das virale Erbgut durch Zellteilung vervielfältigt und kann durch bestimmte Auslöser in den lytischen Zyklus übergehen. Brrr, ganz schön brutal diese Viren. Damit soll das Video hier aber heute nicht aufhören. Deswegen hier noch einmal eine Erinnerung, wie schön und friedlich Vermehrung sonst aussehen kann. Und damit, bis zum nächsten Mal!

Viren: die Vermehrung von Viren Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Viren: die Vermehrung von Viren kannst du es wiederholen und üben.
  • Stelle dar, welche Schritte beim lytischen Zyklus ablaufen.

    Tipps

    Damit die Viren in die menschliche Wirtszelle eindringen können, müssen sie sich an die Oberflächenrezeptoren der Zelle anheften.

    Die Freisetzung der Viren erfolgt erst, wenn die Zelle sehr viele neue Viren erzeugt hat.

    Die Freisetzung des Genoms erfolgt nach dem Eindringen des Virus in die menschliche Wirtszelle.

    Auch wenn die Schritte nach der Freisetzung des Genoms parallel ablaufen, erfolgt der Zusammenbau der ersten Viren erst nach der Vermehrung der ersten Genomteile.

    Lösung

    Der lytische Zyklus beginnt mit der Anheftung des Virus mit seinen Oberflächenproteinen an die Rezeptoren der Wirtszelle.
    Es folgt das Eindringen des Virus in die Wirtszelle und die Freisetzung des Genoms.
    Falls nur das Genom in die Wirtszelle eingeschleust wurde, entfällt die Freisetzung.
    Dann kann die Wirtszelle mit der Vermehrung des Genoms beginnen und somit auch mit dem Bau neuer Virusproteine und dem Zusammenbau der neuen Viren.
    Erst wenn das gesamte Stoffwechselpotenzial der Zelle ausgeschöpft und sie voll mit Viren ist, erfolgt die Freisetzung der Viren.

  • Beschreibe den Ablauf des lytischen Zyklus.

    Tipps

    Setze zuerst einmal die Begriffe ein, bei denen du dir sicher bist, und lasse Lücken frei, bei denen du dir unsicher bist.

    Nutze auch die dargestellten Bilder, wenn du dir bei Einzelheiten eines Schrittes unsicher bist.

    Lösung

    Viren können sich nicht eigenständig vermehren und benötigen dazu andere Zellen, sogenannte Wirtszellen. Um diese zu befallen, muss sich das Virus zuerst anheften. Für diesen Schritt werden äußere Strukturen der Viren, zum Beispiel Spikes, und genau dazu passende Strukturen an der Oberfläche der Wirtszelle benötigt.
    Trifft nun das Virus auf eine passende Zelle, dringt es in diese ein, indem es zum Beispiel von der Membran der Wirtszelle umschlossen und in einem Membranbläschen, Vesikel genannt, aufgenommen wird.
    Danach lösen sich die äußeren Bestandteile des Virus auf und das Erbgut des Virus wird freigesetzt. Es gibt allerdings auch Viren, die eindringen, indem sie mit der Zellmembran verschmelzen, oder Viren, die ausschließlich ihr Erbgut in die Zelle einschleusen. Dieses wird anschließend entweder zum Zellkern der Wirtszelle transportiert oder es verbleibt (zum Beispiel bei RNA-Viren) im Zellplasma.
    In der Wirtszelle übernimmt das Virus durch sein Erbgut nun den Stoffwechsel. Dabei entstehen neue Virenbestandteile, also das virale Erbgut und Hüllproteine.
    Die einzelnen Virusbestandteile verbinden sich und es entstehen neue Viren. Diese so neu geformten Viren sorgen dafür, dass die Wirtszelle zerstört wird und sie auf diese Weise freigesetzt werden. Manche Viren verlassen die Wirtszelle jedoch auch durch Knospung, wodurch die meisten behüllten Viren ihre Membranhülle erhalten.

  • Charakterisiere die wichtigsten Schritte des lysogenen Zyklus.

    Tipps

    Eine der Antwortmöglichkeiten ist nicht korrekt.

    Lösung

    Beim sogenannten lysogenen Zyklus wird das virale Erbgut nach Eintritt in die Wirtszelle in dessen Erbgut eingebaut und die Zelle wird nicht zerstört. Somit wird bei jeder Zellteilung nicht nur das Erbgut der Wirtszelle, sondern auch das eingebaute virale Erbgut vervielfältigt.
    Allerdings kann unter bestimmten Bedingungen das Virus vom lysogenen in den lytischen Vermehrungszyklus übergehen.
    Dies kann zum Beispiel durch Strahlung, Temperaturschocks oder Chemikalien ausgelöst werden.
    Je nach Virusart kann die lysogene Phase unterschiedlich lange dauern.

  • Zeige die Unterschiede und Gemeinsamkeiten vom lysogenen und lytischen Zyklus auf.

    Tipps

    Manche Bausteine scheinen zunächst mit mehreren Antworten zusammenzupassen. Lies dir alle Satzteile genau durch und achte auf kleine Signalwörter wie „nur“.

    Das Erbgut des Virus wird sowohl im lysogenen als auch im lytischen Stoffwechsel vermehrt. Doch nur bei einem der beiden Zyklen findet die Vermehrung aufgrund von Zellteilung statt.

    Lösung

    Der lysogene und lytische Zyklus haben einige Gemeinsamkeiten und Unterschiede. Die Viren möchten ihr Erbgut vermehren und auf diese Weise früher oder später für eine Erzeugung vieler neuer Viren sorgen, die weitere Wirtszellen befallen können.
    Sowohl beim lytischen als auch beim lysogenen Zyklus muss das Erbgut zuerst in die Wirtszelle eingebracht werden. Doch nur beim lytischen Zyklus beginnt der Stoffwechsel der Wirtszelle sofort nach Eindringen des viralen Erbguts in den Zellkern mit der Virusvermehrung. Und auch wenn das Erbgut in beiden Zyklusarten vervielfältigt wird, wird es nur beim lysogenen Zyklus bei jeder Zellteilung mit vermehrt.
    Durch Umwelteinflüsse wie Temperaturschocks, Strahlung oder Chemikalien kann das Virus vom lysogenen in den lytischen Vermehrungszyklus übergehen. Doch je nach Virusart kann die lysogene Phase unterschiedlich lange dauern.

  • Benenne die möglichen Wege, eine Wirtszelle zu infizieren.

    Tipps

    Eine der Auswahlmöglichkeiten ist falsch.

    Viren infizieren Wirtszellen stets nur durch eine konkrete Interaktion mit den Zellstrukturen.

    Lösung

    Viren haben unterschiedliche Wege, eine Wirtszelle zu infizieren. Sie können dies tun, indem sie an Strukturen der Wirtszelle binden und daraufhin von der Zellmembran umschlossen und in Membranbläschen aufgenommen werden.
    Viren können aber auch in die Wirtszelle eindringen, indem sie direkt mit der Zellmembran verschmelzen.
    Andere Viren heften sich an die Wirtszelle an, bringen aber ausschließlich ihr Erbgut ein.

  • Untersuche, welche Zellen unsere bekanntesten Viren befallen.

    Tipps

    Der Fachbegriff für Leberzellen ist „Hepatozyten“. Moment mal, das klingt doch fast wie ...

    An welchen Körperstellen macht sich ein Ausbruch von Herpes-Viren erkenntlich? Welche Arten von Zellen könnten also betroffen sein?

    Lösung

    Influenza-Viren sind Grippe-Viren und wie im Video bereits erwähnt befallen diese die Zellen der Atemwegsschleimhäute.
    Herpes-Viren verstecken sich im Körper. Doch bei einem Ausbruch erkennst du das oft an kleinen, schmerzhaften Bläschen an der Lippe oder anderen Schleimhäuten. Denn an diesen Haut- und Schleimhautzellen dringen sie hauptsächlich ein.
    HI-Viren greifen die T-Lymphozyten des Immunsystems an.
    Hepatitis-Viren befallen, wie ihr Name vermuten lässt, sogenannte Hepatozyten. Und das sind nichts anderes als Leberzellen.

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