Ciencias naturales básicas



Virus: estructura, replicación, clases, origen y enfermedades

Un virus es una pequeña partícula hecha de ácido nucleico y proteína. Sus características son tales que caen en algún lugar entre las células verdaderas y las cosas no vivas. Es decir, no son microorganismos. Fueron descubiertos en 1892 por el biólogo ruso Dimitri Ivanowski.

Sin embargo, el término virus fue acuñado por el botánico holandés Martinus Willem Beijerinck, seis años después. Ivanowski y Beijerinck estudiaron una enfermedad de las plantas de tabaco llamada enfermedad del mosaico.

Tamaño de un virus
Figura 1. Relación de tamaño (aproximado) entre una célula animal, una bacteria y un virus

La causa de la enfermedad del mosaico es un virus. Es demasiado pequeño para ser visto con un microscopio óptico. En consecuencia, solo con el microscopio electrónico se puede observar directamente. Un virus grande tiene aproximadamente una décima parte del volumen de una bacteria pequeña (figura 1).

virus
Figura 2. Un bacteriófago es un virus tan inusualmente complejo, que el del resfriado parece simple en comparación.

Estructura de los virus

El ácido nucleico de un virus puede ser una molécula de ADN monocatenario o bicatenario. Otros, pueden tener ARN monocatenario o bicatenario como ácido nucleico. No obstante, la cantidad de información genética en cualquiera de ellos es muy pequeña. Muchos de ellos tienen menos de 10 genes. Los más grandes pueden tener hasta 100 genes. En comparación, una bacteria E. coli tiene alrededor de 2000 genes.

El ácido nucleico de un virus, está rodeado por una capa de proteína llamada cápside. La cápside generalmente está compuesta de varios cientos de moléculas de proteínas agrupadas en un patrón geométrico. Algunos virus más grandes, como el de la gripe humana, tienen una envoltura compleja que rodea la cápside. Su envoltura tiene picos de proteínas que lo ayudan a reconocer y unirse a una célula huésped.

Los genes virales llevan instrucciones para la producción de nuevas partículas de virus. Sin embargo, al no tener ribosomas u otras estructuras citoplasmáticas para llevar a cabo sus instrucciones genéticas, utilizan los mecanismos productores de energía y proteínas de una célula huésped para producir nuevas partículas. En consecuencia, los virus No pueden vivir independientemente. En otras palabras, todos los virus son «parásitos» de las células vivas.

Cada tipo de virus, infecta un tipo particular de célula en un organismo huésped. El del mosaico del tabaco, por ejemplo, sólo infecta las células de la hoja del tabaco. Los del resfriado, infectan las células que recubren el tracto respiratorio humano.

Un virus que infecta bacterias se llama bacteriófago o fago para abreviar. El fago que infecta a E. coli. Por ejemplo, tiene una estructura inusual. Tiene una cola unida a su capa proteica. En la base de la cola hay fibras largas que parecen patas de araña (figura 2).

Replicación de los virus

Debido a que los virus no son células, el término replicación, se usa en lugar de reproducción, para describir la producción de nuevas partículas. La mayoría se replican mediante ciclos líticos y lisogénicos.

El ciclo de replicación del fago de E. coli, es el típico ciclo lítico de muchos virus.

  1. Inicialmente, el fago se adhiere a la superficie celular. La adhesión ocurre porque las proteínas en las fibras de la cola del virus tienen una forma que se adapta a las moléculas en la superficie de la célula huésped. Este proceso de correspondencia molecular, explica por qué, la mayoría de ellos, reconocen e infectan solo un tipo de célula huésped.
  2. La cola del fago libera una enzima que descompone la superficie celular. Después de eso, la porción externa de la cola se contrae, y el ácido nucleico viral se inyecta en la célula. En algunas infecciones virales, la cápside se deja afuera. En otras, todo el virus ingresa a la célula y luego se destruye la cápside.
  3. Dentro de la célula, el ácido nucleico viral se hace cargo. Entonces, el ADN de la célula huésped queda inactivo. El metabolismo celular normal se detiene. La célula huésped se dirige a hacer copias de ácido nucleico viral y proteínas.
  4. La proteína viral y los ácidos nucleicos se ensamblan en nuevos virus.
  5. La célula huésped produce una enzima que digiere la membrana celular desde el interior. En consecuencia, la célula se abre, liberando cientos de nuevos virus. Este último paso se llama lisis. Después de la lisis, los nuevos virus pueden infectar otras células. Un ciclo de replicación como el del fago de E. coli se llama ciclo lítico (figura 3).
Ciclo lítico de un virus
Figura 3. Representación del ciclo lítico.

Ciclo lisogénico

No todos los virus causan destrucción celular rápida. Algunos ingresan a una célula huésped pero no controlan el metabolismo de la célula. En cambio, el ADN viral se combina y se convierte en parte del ADN de la célula huésped. Como parte del ADN del huésped, el ADN viral no dirige la producción de nuevos virus. Cuando la célula huésped copia su ADN, los genes virales también se duplican. El ADN viral puede copiarse a través de muchas generaciones de la célula sin dañar al huésped. La introducción de ADN viral en el ADN de la célula huésped, de esta manera, se llama lisogenia. Después de varias generaciones, el ADN viral en una célula lisogénica puede volverse activo. Entonces, el ADN viral dirige la formación de nuevos virus que salen de la célula como en el ciclo lítico (figura 4).

Cuando el ADN lisogénico se activa, se libera del ADN del huésped. Al hacerlo, el ADN viral puede llevar consigo varios genes del huésped. En el próximo ciclo de infección, el virus puede transportar genes desde la célula huésped anterior al nuevo huésped. El proceso de transportar genes de una célula a otra por un fago lisogénico se llama transducción. Además de la conjugación y transformación, la transducción es una forma en que las bacterias pueden aumentar su variedad genética. Por lo tanto, los científicos usan virus lisogénicos en la investigación de ADN recombinante para transferir un gen deseado de un organismo a otro.

ciclo lisogénico de un virus
Figura 4. Ciclo lisogénico.

Otro ciclo de replicación

Los ciclos líticos y lisogénicos no describen adecuadamente la replicación de todos los virus.

Por ejemplo, el virus de la gripe humana no lisa su célula huésped, sino que sale al empujar a través de la membrana celular. Como resultado, la envoltura externa del virus está hecha de membrana de la célula huésped. Incrustadas en esa membrana, hay proteínas virales que permiten que el virus se una a otra célula huésped y se continúe replicando

Dado que los virus de la gripe en realidad no rompen la célula. La célula no muere. Sin embargo, las células infectadas se alteran. Otros virus, como los que causan paperas, sarampión y rabia, tienen un ciclo de replicación similar al de la gripe.

Replicación en virus con ARN

Los virus de ARN no siguen con precisión los ciclos líticos o lisogénicos estándar. Muchos de estos, traen consigo una enzima que puede usar el ARN viral como modelo a partir del cual se producen moléculas de ARN mensajero. (La célula huésped solo tiene enzimas que producen ARN mensajero a partir del ADN). Una vez que se produce el ARN mensajero viral, la célula huésped puede producir proteínas virales. Todos los virus de ARN de este tipo, tienen ciclos líticos, ya que no hay forma de que el ARN viral se convierta en parte del ADN del huésped.

Otra clase de virus de ARN, llamados retrovirus lisogénicos, ha recibido especial atención. Los retrovirus llevan una enzima especial llamada transcriptasa inversa. Cuando un retrovirus inserta su ARN en una célula huésped, la transcriptasa inversa hace una copia de ADN desde el ARN viral. Este proceso es el inverso de lo que normalmente sucede en las células. El ADN generalmente es el modelo para el ARN. Después de eso, el ADN viral puede incorporarse al ADN del huésped y volverse lisogénico.

Los retrovirus han sido objeto de mucha atención porque varios han sido identificados como causantes de cáncer en animales. Un cáncer de sangre en gatos (leucemia felina), por ejemplo, se sabe que se transmite por un retrovirus. A principios de la década de 1980, se identificó otro retrovirus como la causa de un tipo raro de leucemia humana.

Clases de virus

David Baltimore, propuso un sistema de clasificación de los virus, basado en el tipo de ácido nucleico que poseen.

Este sistema, tiene en cuenta el tipo de cadenas que forman esos ácidos. Además, si esas cadenas se consideran negativas o positivas, a la hora de producir el ARN mensajero viral.

Hay otras clasificaciones basadas en la forma de la cápside. Sin embargo, la de Baltimore es una de las más aceptadas. La tabla 1, es una pequeña muestra de este sistema de clasificación.

Origen de los virus

Al igual que los seres vivos, los virus contienen ácidos nucleicos y proteínas. La presencia de estas moléculas podría indicar que ellos son seres vivos. Sin embargo, recuerde que por sí mismos no pueden producir ni utilizar alimentos, ni pueden crecer, ni reproducirse. La célula huésped realiza estas funciones para ellos.

Hay tres hipótesis actuales sobre el origen de los virus. Una hipótesis es que son descendientes de estructuras que se desarrollaron en los primeros océanos antes de que aparecieran las primeras células. Posteriormente, estas estructuras se convirtieron en parásitos de las primeras células vivas. Según esta hipótesis, nunca fueron organismos vivos independientes.

Una segunda hipótesis afirma que evolucionaron a partir de móneras similares a las rickettsias parasitarias y micoplasmas. Mediante la selección natural, estas células perdieron todas las estructuras, excepto las necesarias para transferir genes de un huésped a otro.

Una tercera hipótesis es que son genes que se han escapado de los cromosomas de las células vivas. En la actualidad, hay poca evidencia para apoyar cualquiera de estas ideas, y la pregunta, como muchas otras en la ciencia, sigue sin respuesta.

Tratamiento de enfermedades virales

Se han desarrollado vacunas para prevenir una serie de enfermedades virales. Pero las vacunas solo reducen la intensidad de la infección inicial. Es decir, no pueden ayudar al organismo huésped, una vez que está infectado. Como resultado, casi todos los tratamientos médicos para enfermedades virales simplemente ayudan a las propias defensas de su cuerpo, en lugar de atacar directamente al virus en sí.

Es fácil entender por qué los virus son difíciles de tratar como se tratan las enfermedades bacterianas. Como células procariotas, las bacterias tienen muchos procesos metabólicos que no se encuentran en los eucariotas. Los antibióticos son sustancias que interfieren con las reacciones químicas específicas de las células procariotas. Por lo tanto, tienen pocos efectos secundarios en sus propias células y son seguros de tomar.

Sin embargo, los virus usan los mecanismos metabólicos de su célula huésped. En consecuencia, si se usara un medicamento para intentar interferir con la proteína o la síntesis de ácido nucleico de un virus, la célula huésped también se destruiría.

En conclusión, en los últimos años, ha habido un éxito limitado con los tratamientos para los virus de ARN. Estos tienen enzimas que no se encuentran en el huésped eucariota para hacer copias de su ARN. Las sustancias químicas que interfieren con estas enzimas alterarán la replicación del virus sin dañar la célula huésped. Se ha usado un medicamento llamado aciclovir para tratar el virus del herpes genital y, además, se ha usado con éxito, otro medicamento llamado AZT, contra el retrovirus del SIDA. Sin embargo, el enfoque más exitoso para tratar enfermedades virales es movilizar las propias defensas del cuerpo.

Taller de lectura

  1. ¿Qué es un virus, quién los descubrió y cómo es posible verlos directamente?
  2. ¿Cuáles son los tipos de ácido nucleico en los virus y cuántos genes pueden llegar a tener?
  3. ¿Cómo está compuesta la cápside de un virus?
  4. Sabiendo que los virus no tienen ribosomas u otras estructuras citoplasmáticas para llevar a cabo sus instrucciones genéticas, ¿Qué utilizan para replicarse?
  5. ¿Un virus determinado, puede infectar cualquier célula? Responda si o no. Además, justifique la respuesta.
  6. ¿Qué nombre recibe un virus que infecta bacterias y cómo es su estructura?
  7. Resuma los 5 pasos de un ciclo lítico.
  8. Describa el ciclo lisogénico.
  9. ¿A qué se le llama transducción?
  10. Describa el proceso de replicación del virus de la gripe.
  11. Haga un resumen del proceso de replicación en virus con ARN.
  12. ¿Cómo se replican los retrovirus?
  13. ¿En qué se basa el método de clasificación Baltimore?
  14. Copie la tabla 1.
  15. ¿Cuáles son las 3 hipótesis acerca del origen de los virus?
  16. Cite 3 aspectos importantes en el tratamiento de enfermedades virales.