►Virus a struktura virové částice

► Klasifikace virů

► Obecné rysy reprodukce virů + několik případů

► Základní strukturní charakteristiky biol. membrán…

► …a jejich funkční dopady

► Transportní děje

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

Biologie I

Viry

Biologické membrány

http://biomikro.vscht.cz/

Dnes rozlišujeme 2 hlavní typy buněk

►Oba jsou obklopeny biologickou membránou, ale liší se

složitostí vnitřního uspořádání (membránových systémů)

►Oba obsahují DNA, ale liší se lokalizací genomové DNA

►Oba mohou být napadány viry

► Prvenství „vynálezu“ DNA možná přísluší virům

PROKARYOTA

EUKARYOTA

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999;

© The McGraw-Hill Comp., Inc.

VIRY „Virus is a little piece of bad news wrapped in a protein„

sir Peter Medawar

Tabáková mozaika – choroba čeledi Solanaceae

Adolf Mayer (1883) – infekční

onemocnění přenosné extraktem

napadené rostliny

Dimitrij Ivanovskij (1892) – „toxin“/

„zlá síla“ (lat. virus) je infekční i po

filtraci přes porcelán, kterým bakterie

neprojde

Martinus Beijerinck – v cyklech

infekce/extrakce neztrácí „zlá síla“

na síle = není to toxin, ale cosi co se

v rostlině reprodukuje

Wendell Stanley (1935) – krystaly „zlé síly“,

ale žáná buňka neumí vytvořit pravidelný krystal

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

Objev virů

nukleová kyselina (DNA nebo RNA) = genom (4 až stovky genů) →

→ v komplexu s DNA nebo RNA-vazebnými proteiny = virové „core“→

→ obalené tzv. kapsidovými proteiny (kapsomerami) = virová částice, viriony

živočišné viriony navíc na povrchu často nesou membránový obal

(lipidy hostitele) bohatý na specifické virové proteiny a glykoproteiny.

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999;

© The McGraw-Hill Comp., Inc.

a) Obecná struktura virové částice:

Velká variabilita ve velikosti

-viry 27 nm – polioviry / obrna

-viry s 1 rozměrem až řádu mm - ebola

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999;

© The McGraw-Hill Comp., Inc.

chřipka

H5N1

HIV

ebola

b) Velikost a tvar:

Tvar udává povaha (geometrie) kapsomer

většinou:

-helikálně uspořádané kapsomery

(tabáková mozaika)

-izodiametrické uspořádání

(nejběžněji ikosahedron,

např. adenoviry)

20 ▲ ploch:

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999;

© The McGraw-Hill Comp., Inc.

b) Velikost a tvar:

VIRUS NENÍ ORGANIZMUS

Co virům chybí?

1) Vlastní mechanismus genové exprese

(nemají vlastní aparát proteosyntézy)

2) Vlastní enzymy energetického metabolismu

Viry jsou 100% parazity

-jsou schopné reprodukce pouze v napadené hostitelské buňce

-často napadají specifické buněčné typy v rámci určitého organismu,

-ale některé viry mají hostitelský rozsah široký

(West Nil Virus – komár, ptáci, kůň, člověk)

-napadení je pro buňku často letální → akutní onemocnění

Podle typu nukleové kyseliny

DNA viry

►dvojřetězcová DNA (dsDNA, z angl. double stranded)

►jednořetězcová DNA (ssDNA, z angl. single stranded)

RNA viry

►dvojřetězcová RNA (dsRNA)

►jednořetězcová RNA (ssRNA)

Podle přítomnosti membránových obalů (živočišné)

►bez obalů ►s obaly

Klasifikace virů

Campbell, Reece: Biology 6th edition

© Pearson Education, Inc,

publishing as Benjamin Cummings

OBECNÉ RYSY REPRODUKCE VIRŮ

1) Adheze virové částice na buněčný povrch (specifita viru)

2a) Proniknutí částice a obnažení nukleové kyseliny (příklad HIV),

2b) nebo proniknutí samotné nukleové kyseliny (příklad bateriofág)

3a) Přeprogramování buněčného metabolismu přímo k produkci virionů

= produktivní fáze, lytický cyklus

3b) nebo navození fáze latentní (lysogenní cyklus), s virovou DNA ve

formě proviru → integrace nukleové kyseliny do genomu hostitele,

kde „čeká“ na svůj projev

OBECNÉ RYSY REPRODUKCE VIRŮ

4) V produktivní fázi poskytuje hostitel enzymy, ATP, aminokyseliny,

tRNA, ribosomy, nukleotidy pro produkci virové nukleové kyseliny

a virových proteinů

(některé viry si nesou enzymy modifikující běžné nukleotidy → virové

DNA viry využívají buněčnou DNA pol

RNA viry mají vlastní RNA pol [kopíruje RNA do RNA])

5) Syntetizované virové komponenty se skládají („samovolně krystalizují“)

v nové virové částice

6) Nové infekční viriony jsou uvolňovány z buňky

(např. pučením bez zřetelné destrukce buňky [HIV/makrofág],

nebo buňky lyzují [bakteriofágy; HIV/T-lymfocyt]

latentní fáze produktivní fáze impuls

OBECNÉ RYSY REPRODUKCE VIRŮ

případ RNA viru

Campbell, Reece: Biology 6th edition © Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

REPRODUKCE VIRŮ ADRESNĚ

případ HIV

Glykoprotein

gp120, gp 41

reverzní

transkriptasa

RNA

dvě stejné

kapsida

obal viru Napadá buňky nesoucí

- receptory CD4 (CD4+)

-a receptor CCR5 (makrofágy)

nebo CXCR4 (T buňky)

CD4+gp120 = adheze

↓

vazba na CCR5 nebo CXCR4

↓

konfomační změna

↓

fůze obalu s b. membránou

↓

vstup kapsidy do buňky

Campbell, Reece: Biology 6th edition

© Pearson Education, Inc,

publishing as Benjamin Cummings

REPRODUKCE VIRŮ ADRESNĚ

případ HIV

Adheze a vstup kapsidy (virové RNA) Reverzní traskripce = RNA → dsDNA

(integrace ds DNA do genomu)

Produktivní fáze – syntéza virových

komponent

Složení virové částice a

i) pučení z buněk makrofágů nebo

ii) rozpad T buněk a uvolnění virionů

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999;

© The McGraw-Hill Comp., Inc.

REPRODUKCE VIRŮ ADRESNĚ

BAKTERIOFÁGY – viry bakterií

bakteriofág T4 elektronová mikroskopie

false staining

hlavička

krček

bičík

bazální

destička

háčky

kapsida DNA

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999;

© The McGraw-Hill Comp., Inc.

RE

PR

OD

UK

CE

VIR

Ů A

DR

ES

NĚ

BA

KT

ER

IOF

ÁG

Y –

vir

y b

akte

rií

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999;

© The McGraw-Hill Comp., Inc.

...CHŘIPKA...

Virus chřipky je nejletálnějším v historii lidstva

Typ A – většina vážných epidemií

napadá člověka, jiné savce a ptáky

Typ B a C – pouze lidské, malé problémy

Influenzavirus

ssRNA, obalený obal (biol.

membrána)

proteinová

kapsida

RNA

neuraminidasa (N)

hemagluinin (H)

H – vstup do buněk

(vazba na gp receptor)

N – prostup hlenem

a uvolnění nových

částic z buňky Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

Problém dělají subtypy

Typ A: známo 13 subtypů H a 9 subtypů N vzniklých mutacemi (záměny AK) ve variabilních regionech molekul

Rekombinace H a N = „nové viry“ pro náš imunitní systém

a pro farmaceutické firmy

např.

kachní A(H3N8) + lidský A(H2N2) = A(H3N2) ... hongkongská chřipka (1968)

„dnešní“ A(H5N1) – oba geny ptačího původu (J. Afrika 1961 jako ptačí)

Hong Kong 1997 – první záznam přenosu z kuřat na člověka

Priony ►Specifické infekční proteiny

►Bez nukleové kyseliny

►Kódovaný genem „hostitele“

Savčí prion

Přirozený glykoprotein (4 a helixy)

(v membráně neuronů)

↓ Výskyt patogenního prionu (4 b struktury)

↓ Vakuolizace buněk nervové tkáně

↓ Ukládání amyloidu

↓

↓ Neurodegenerativní onemocnění

(transmisibilní spongioformní encefalopatie)

PrPC

PrPSc

amyloid

PrPSc

amyloid

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999;

© The McGraw-Hill Comp., Inc.

ŽIVOČIŠNÉ VIRY

dsDNA, bez obalů čeledi

Adenoviridae – (respirační onemocnění, rakovina)

Papovaviridae – (bradavice, rakovina děložního hrdla)

Iridoviridae – (africký mor prasat, duhovité zbarvení larev hmyzu)

ssDNA, bez obalů čeleď

Parvoviridae – virus kočičí panleukopenie (kočičí mor),

také viry provázejcí adenoviry („adenoassociated viruses“,

u lidí bez příznaků)

(i)

ŽIVOČIŠNÉ VIRY

dsDNA, obalené např. čeledi

Herpesviridae – Herpes simplex 1 a 2 (opary),

EB virus (mononukleóza až např. Burkittův lymfom),

Roseolovirus (6. nemoc)

KSHV (nádory)

Poxviridae – virus varioly (pravé neštovice)

Hepadnaviridae – HBV (hepatitida B)

(i)

ŽIVOČIŠNÉ VIRY

dsRNA, bez obalů čeledi

Reoviridae – (průjmy, reovirus respirační onemocnění, rakovina

Birnaviridae – pancreatic necrosis virus

ssRNA, bez obalů čeledi

Picornaviridae – rhinovirus (rýma), virus hepatitidy A,

poliovirus (poliomyelitida)

Caliciviridae – Norovirus (gastroenteritida)

(i)

ŽIVOČIŠNÉ VIRY

ssRNA, obalené čeledi

Coronaviridae – SARS (z angl. severe acute respiratory syndrome)

Flaviviridae – virus žluté zimnice, hepatitidy C

Paramyxoviridae – spalničky, příušnice

Togaviridae – virus zarděnek

Ortomyxoviridae – Influenzavirus (chřipka)

Rhabdoviridae – virus vztekliny

Filoviridae – virus ebola (hemorrhagická horečka)

Retroviridae – HIV (z angl. Human immunodeficiency virus),

RNA tumor virus (leukémie)

… a pár dalších čeledí

(i)

Buňka a její biologické membrány

Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.

Plazmatická membrána a buněčné membrány

►vymezují biologický systém jako kompartment

schopný komunikovat s okolím

►je na nich zakotvena řada biochemických reakcí (enzymů) a proteinů

zajišťujících přenos signálů, mezibuněčný kontakt a propojení s

některými intracelulárními strukturami (např. cytoskelet)

Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.

– „1 kompartment“ (invaginace plazmatické membrány

mezozomy až intracelulární váčky (chlorosomy) - zvětšení povrchu, zakotvení

enzymů aktivních v

energetickém metabolizmu,

např. fotosyntéze)

– 1 000 – 10 000 větší objem buňky → malý poměr objemu k

povrchu → membránové organely řeší mj. i tuto situaci

Membránové organely – oddělení biochemických reakcí a intracelulární

vesikulární transport látek

Chlorobi GSB1 Beatty a kol., PNAS, 102:9306-9310, 2005

●Obligátní fototrof Chlorobi GSB1

v hloubce 2391 m (podmořský kuřák)

(bakteriochlorofyl c labs= 750 nm)

●fotony z rozžhavených hornin

(lem = 600 – 1000 nm)

Prokaryota

Eukaryota

►biomembrána se chová jako dvojrozměrná

tekutina

►možňuje laterální difuzi membránových

lipidů a proteinů a interakce mezi nimi

►míra tekutosti – fluidita – závisí na

délce a stupni nasycení uhlovodíkových

řetězců polárních lipidů popř. přítomnosti

cholesterolu („tmelí“ živočišné membrány)

poměr nasycené nenasycené

je většinou 1:1

při zvýšené teplotě roste podíl

delších nasycených uhlovodíkových

řetězců – silnější hydrofobní interakce působí

proti zvyšování fluidity tepelným pohybem

molekul

Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998;

© Espero Publishing, s.r.o.

Membrány obsahují především

proteiny, lipidy a sacharidy

Membrány obsahují především proteiny, lipidy a sacharidy

Přibližné látkové složení sušiny membrán eukaryotické buňky:

Cytoplasmatická membrána

buňky, membrána organely Proteiny

[%]

Lipidy

[%]

Sacharidy

[%]

Erythrocyt 49 44 10

Neuron 70 17 13

Hepatocyt 54 36 10

Jádro 66 32 2

Endoplasmatické

retikulum

62 27 1

Golgiho aparát 64 26 10

Mitochondrie

(vnitřní membr.)

78 22 0

Mitochondrie

(vnější membr.)

55 45 stopy

►Zastoupení membránových lipidů a proteinů

se ve vnější a vnitřní vrstvě liší → rozdílné funkce vrstev

s polárními hlavicemi interagují specifické proteiny,

např. proteiny účastnící se přenosu signálu

glykolipidy jsou součástí sacharidického

pláště buňky (glykokalyxu) Polární lipidy

Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998;

© Espero Publishing, s.r.o.

Buněčné membrány jsou obecně asymetrické

i) ochraný plášť živočišné buňky

ii) ve struktuře sacharidů uložen „rozpoznávací signál“

pro receptory (lektiny) jiných buněk (např. adsorce neutrofil

na endotel cévní stěny jako první krok transportu do místa infekce)

Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.

Glykokalyx

Proteiny v membránách

fun

kč

ní p

ola

rita

Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; © Espero Publishing, s.r.o.

►Transmembránové proteiny - transmebránová část

exponuje hydrofobní AK

do kontaktu s hydrofobními

řetězci membránových lipidů

▪nejčastěji obsahují

●a-helix(y) ●b-struktury stočené do soudku

(i)

Obrázky z Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998;

© Espero Publishing, s.r.o.

Přenos látek a objektů přes biologickou membránu

Usnadněná difúze

1) Přenos molekul ve směru koncentračního spádu

►Transportér přenáší

polární molekuly přes

hydrofóbní membránu

►„Vyrovnání“ koncentrací

je samovolný děj

a nevyžaduje dodat energii

-pasivní transport

-specifický pro určitou molekulu

-může být saturován přebytkem substrátu

(omezený počet transportérů)

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999;

© The McGraw-Hill Comp., Inc.

Přenos látek a objektů přes biologickou membránu

Osmoza

1) Přenos molekul ve směru koncentračního spádu

prostředí

Hypertonické: > konc. polárních látek

Isotonické: = konc. polárních látek

Hypotonické: < konc. polárních látek

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

semiper.

membr.

3% NaCl

voda

výška sloupce

~ osmotický tlak

v biologické membráně je přenos

vody difúze usnadněná aquaporiny

Projevy osmózy Udržování osmotické rovnováhy

►nastavení isotonické situace

(mořské organismy,

krev a albumin)

jiné řešení

►Extruze – pulzující vakuola

(Paramecium)

►Turgor jako fyziologická výhoda

Hyper- Iso- Hypo-

červená krvinka

plasmolyza plasmoptyza

plasmolyza turgor rostlinná buňka

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

Přenos látek a objektů přes biologickou membránu

2) Přenos molekul proti koncentračního spádu je homeostáza

Primární aktivní transport (spotřeba ATP)

Na+/K+

transportér

extracelulární

intracelulární prostor

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999;

© The McGraw-Hill Comp., Inc.

Přenos látek a objektů přes biologickou membránu

2) Přenos molekul proti koncentračního spádu je homeostáza

Sekundární a spražený aktivní transport

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

extracelulární

intracelulární prostor

Na/K

tra

nsp

ort

ér

zp

ražen

ý

tran

sp

ort

Symport

Antiport

(i)

Přenos látek a objektů přes biologickou membránu

3) Přenos látek a objektů

Endocytoza a exocytoza

fagocytóza pinocytóza

cytoplasma

cytoplasmatická membrána

jádro jádro

cytoplasma cytoplasma

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

Endocytóza pinocytóza

zprostředkovaná specifickými receptory na povrchu membrány

membrána transportovaná molekula

klatrin

(protein)

receptor

(protein) membránový váček

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.

Exocytoza

plasmatická

membrána

cytoplasma

sekretované

molekuly

sekreční

váček

Johnson R.: Biology, 5th edition 1999; © The McGraw-Hill Comp., Inc.