Viren sind winzig klein: Je nach Art sind sie zwischen 10 und 300 Nanometer groß (ein Nanometer, 1 nm, ist ein Milliardstel Meter). Sie können daher erst mithilfe eines Elektronenmikroskops sichtbar gemacht werden. Obwohl Viren aus Substanzen aufgebaut sind, die typisch für die Zellen von Lebewesen sind, zählen sie nach der heutigen Definition nicht zur belebten Natur. Ein entscheidendes Kriterium für "Leben" ist die Fähigkeit eines Lebewesens, sich ohne fremde Hilfe zu vermehren. Viren benötigen dazu jedoch Wirtszellen, die von der Erbsubstanz der Viren so umprogrammiert werden, dass der Stoffwechsel der Wirtszelle praktisch ausschließlich im Dienst der Virenvermehrung abläuft.
Der Kern eines Virus, fachsprachlich auch als Core
bezeichnet, besteht aus Nucleinsäuren, den Trägern der Erbinformation.
Der Kern ist von einer Proteinhülle,
dem Capsid, umgeben. Die Hülle
ist aus Capsomeren genannten Untereinheiten
aufgebaut, die zum Beispiel beim Tabakmosaikvirus eine Röhre aus
helikal (schraubenförmig) angeordneten Proteinmolekülen bilden.
Bei den isometrisch (nicht schraubenförmig) aufgebauten Viren hat
das Capsid die Form eines annähernd kugelförmigen Polyeders.
In den meisten Fällen, beispielsweise bei Adenoviren, ist dies ein
Ikosaeder (Zwanzigflächner). Das Capsid erfüllt zwei wesentliche
Funktionen: Es schützt den Virenkern und es ermöglicht die
Anlagerung an die Oberfläche von Wirtszellen. Das Immunsystem von
Wirbeltieren kann Proteinstrukturen an der Capsidoberfläche als Antigen
erkennen und daraufhin spezifische Antikörper bilden, die oft für
eine lebenslange Immunität gegen Neuinfektion sorgen.
Core und Capsid bilden zusammen das Nucleocapsid. Diese Kombination entspricht in den meisten Fällen dem kompletten infektiösen Viruspartikel. Manche Viren sind jedoch etwas komplexer aufgebaut. So besitzen Myxoviren, Herpesviren oder das HIV (human immunodeficiency virus) eine zusätzliche Hülle (Envelope) aus Lipiden, Polysacchariden und Proteinen. Diese leitet sich im Wesentlichen von der Zell- oder Kernmembran der infizierten Wirtszelle ab, denn ihre molekulare Zusammensetzung wird von der Erbsubstanz der Wirtszelle codiert. Es sind also die genetischen Informationen der Wirtszelle, die über den Aufbau der Virenhüllmembran bestimmen. Zusätzlich sind in dieser Hülle aber auch virale Proteine zu finden. Solche Envelopes besitzen oft dornen- oder stachelartige Gebilde (Spikes), Strukturen, die bei der Anheftung an die Wirtszelle eine wichtige Rolle spielen.
Auch Bakterienzellen sind vor einer Attacke durch Viren nicht sicher:
Bakteriophagen,
das heißt Bakterienfresser, bestehen aus einem etwa 100 Nanometer
großen Kopf, einem kurzen Hals, einem Kragen, einer kontraktilen
(verengbaren) Scheide und sechs Schwanzfasern. Am Ende der Scheide befindet
sich eine Bodenplatte, die sechs Spikes trägt. Sie dient dem Andocken
an die Bakterienzelle. Der Kopf enthält das Erbmaterial (Desoxyribonucleinsäure).
Es wird bei einer Infektion durch den Hals und die Scheide hindurch in
die Bakterienzelle injiziert. Das ganze Gebilde sieht den Mondfähren,
die während der 1970er-Jahre auf unserem Erdtrabanten gelandet sind,
nicht unähnlich.
Einteilung und Benennung
Das Wort Virus kommt aus dem Lateinischen
und bedeutet so viel wie Schleim, Saft oder Gift. Ursprünglich verstand
man unter Viren allgemein die damals noch unbekannten Erreger verschiedener
Krankheiten. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts bezeichnet man damit infektiöse
Agenzien, die Filter passieren, welche Bakterien zurückhalten, sich
nicht auf Bakteriennährboden entwickeln und lichtmikroskopisch nicht
zu sehen sind. Für Viren gibt es noch immer keine generelle und einheitlich
systematische Benennung, auch wenn das "International Committee on
Taxonomy of Viruses" (ICTV) 1966 ein Klassifizierungsschema für
tierpathogene Viren - hierzu gehören auch die für Menschen
gefährlichen Viren - und Bakteriophagen festlegte.
Entsprechend der in der Biologie üblichen Taxonomie gibt es auch
bei Viren Ordnungen, Familien, Unterfamilien, Gattungen und Arten. Derzeit
kennt man etwa 20 verschiedene Virenfamilien,
die Mensch und Tier befallen können. Bei einer anderen Einteilungsweise
unterscheidet man nach dem Typ der Nucleinsäure. Die Erbinformation
von Viren ist entweder in einer ein- oder doppelsträngigen Desoxyribonucleinsäure
(DNA) codiert (DNA-Viren), oder es liegt eine Ribonucleinsäure (RNA)
vor, die gleichfalls ein- oder doppelsträngig sein kann (RNA-Viren
oder Retroviren). Des Weiteren werden auch die äußere Form
(Helix oder Ikosaeder)
sowie das Vorhandensein oder Fehlen einer Hülle als Kriterium herangezogen.
Schließlich gibt es noch die Möglichkeit, Viren entsprechend
der von ihnen befallenen Wirtszellen, des Eindringmechanismus, der Art
der Virenvervielfältigung und der Überträgerorganismen
einzuteilen.
Bakteriophagen
Viren, die Bakterien befallen, bezeichnet man im Allgemeinen als Phagen
(von griechisch phagein: fressen, verspeisen), während man die Bezeichnung
Virus im engeren Sinn nur für diejenigen Viren verwendet, die eukaryotische
Zellen infizieren, das heißt solche mit einem echten Zellkern (Bakterien
sind Prokaryoten: ihre DNA schwimmt frei im Zellplasma). Phagen
unterscheiden sich in ihrem prinzipiellen Aufbau nicht von den meisten
Viren im engeren Sinn. Ihr genetisches Material ist in einer Proteinhülle
verpackt. Phagen sind für ihre Vermehrung immer auf lebende Bakterienzellen
angewiesen. Die Proteinhülle der Phagen dient nicht nur dem Schutz
ihres genetischen Materials, sondern hat auch eine wichtige Funktion bei
der Selektion der geeigneten Wirtszellen. Hat ein Phage die richtige Bakterienzelle
erkannt, gibt es für die Wirtszelle kein Entrinnen mehr. Bei der Infektion
wird das Phagengenom, also das Erbmaterial des Virus, in die Wirtszelle
injiziert. Die Proteinhülle ist daran oftmals direkt beteiligt. Die
genetische Substanz des Virus verwendet die biochemische "Fabrik"
der Bakterienzelle zu ihrer eigenen Vermehrung, indem der Syntheseapparat
schlichtweg zu diesem Zweck umprogrammiert wird. Jetzt produziert die
Bakterienzelle alle für das Virus notwendigen Enzyme und - sofern
vorgesehen - auch die Hüllproteine der Köpfe. Gegen Ende
des Vermehrungsprozesses wird schließlich noch ein phagenspezifisches
Enzym, das Lysozym,
synthetisiert, das den Abbau der bakteriellen Zellwand auslöst. Die
Bakterienzelle reißt auf und lässt die neu entstandenen Nachkommenphagen
frei. Sie selbst geht dabei zugrunde.
Neben der beschriebenen lytischen Infektion
gibt es noch die lysogene Infektion,
die durch den Befall mit sogenannten temperenten
Viren ausgelöst wird. Hierbei wird die komplette Phagen-DNA
in die Erbsubstanz der Bakterienzelle eingebaut, doch die Infektion macht
sich zunächst nicht bemerkbar. Jedes Mal, wenn sich eine befallene
Bakterienzelle teilt, gelangt auch das Erbmaterial des Phagen in die entstehenden
Tochterzellen. So kann das Phagengenom über viele Generationen im
bakteriellen Genom integriert bleiben. Der "Trick" besteht darin,
dass zunächst nur ein einzelnes Gen des Phagen aktiv ist, welches
die Aufgabe hat, die phagenspezifische Vermehrung zu unterdrücken.
Ändern sich jedoch die Umweltbedingungen (UV-Bestrahlung, Einwirkung
bestimmter Chemikalien), dann wird das unterdrückende Gen selbst
unterdrückt und die Vermehrung des Phagen in Gang gesetzt. Wie schon
im Fall der lytischen Infektion hat dies das Ende der Wirtszelle zur Folge.
Sie löst sich auf, und die freigesetzten Phagennachkommen suchen
sich neue Wirtszellen.
Pflanzenviren
Die äußere Deckschicht von Pflanzen (Cuticula) und ihre harten
Zellwände sind für Viren schwer zu überwindende Hindernisse.
Pflanzenviren verfügen
über keine spezifischen Mechanismen, um in eine pflanzliche Wirtszelle
einzudringen. Deshalb sind sie auf Verletzungen
der Pflanze oder auf eine Übertragung
durch Insekten oder Fadenwürmer angewiesen. So werden Wundtumorviren
von Blattläusen übertragen, wobei diese den Viren als Zwischenwirte
dienen. Dieses Beispiel zeigt, dass sich einige Pflanzenviren auch in
tierischem Gewebe vermehren können.
Viruserkrankungen von Pflanzen sind relativ selten, und die Wirtspflanze
wird meist nicht gravierend beeinträchtigt. Pflanzen besitzen nämlich
einen wirkungsvollen Abwehrmechanismus, der als Hypersensitivität
bezeichnet wird. Er beruht auf dem Absterben von Zellen in unmittelbarer
Nachbarschaft des primären Infektionsherds, wodurch ein Vordringen
des Virus in das übrige Gewebe verhindert wird. Eine Infektion der
Pflanzen durch Viren kann dennoch vor allem in Monokulturen großen
wirtschaftlichen Schaden anrichten.
Zu den Pflanzenviren gehören auch Viroide,
nackte RNA-Moleküle, die auch außerhalb der Zelle keine Proteinhülle
haben und die eine Reihe von Pflanzenkrankheiten hervorrufen können.
Diese Virusinfektionen sind meist an mosaikartig verteilten Hellgrün-Dunkelgrün-Mustern
auf den Blättern zu erkennen. Eine Infektion breitet sich in der
Regel von den Blattadern ausgehend über das ganze Blatt aus. Blätter,
die während ihrer Entwicklung infiziert wurden, sind vielfach deformiert
oder eingerollt.