Virale Kapsid- und Hüllstruktur

Das Kapsid ist die Proteinhülle, die das Genom eines Virus umschließt und schützt. Bei vielen Viren ist es von einer zusätzlichen Lipidmembran umgeben, die von den Wirtszellmembranen stammt. Zusammen definieren das Kapsid, das darin enthaltene Genom (das Nukleokapsid) sowie jegliche Hülle und Oberflächenproteine die Architektur des Viruspartikels und bestimmen, wie es in der Umgebung überlebt, an Zellen bindet und vom Immunsystem erkannt wird.

Definition

Das Kapsid ist die proteinhaltige Hülle, die aus vielen Kopien einer oder weniger Proteinuntereinheiten zusammengesetzt ist und das virale Genom umschließt; die Hülle ist, sofern vorhanden, eine vom Wirt stammende Lipiddoppelschicht, die das Kapsid umgibt und viruskodierte Oberflächenproteine trägt.

Scope

Dieser Eintrag behandelt die Proteinbausteine von Kapsiden (Untereinheiten und Kapsomere), die helikale und ikosaedrische Symmetrie, die sie annehmen, das Prinzip der Quasigleichwertigkeit, das den Kapsidaufbau erklärt, sowie die Struktur und den Ursprung der Lipidmembran mit ihren eingebetteten Glykoproteinen. Es handelt sich um eine strukturelle Referenz, die keine klinische Behandlung thematisiert.

Core questions

• Wie werden Kapside aus einer begrenzten Anzahl von Proteinuntereinheiten zusammengebaut?
• Warum nehmen Kapside eine helikale oder ikosaedrische Symmetrie an?
• Was ist Quasigleichwertigkeit und was sagt sie voraus?
• Wie erwerben Viren eine Lipidmembran und was enthält sie?
• Wie tragen Kapsid und Hülle zur Partikelstabilität und zum Eintritt bei?

Key concepts

• Kapsiduntereinheit (Protomer) und Kapsomer
• Helikale Symmetrie
• Ikosaedrische Symmetrie und Triangulationszahl
• Quasigleichwertigkeit
• Nukleokapsid
• Lipidmembran
• Hüllglykoproteine (Spikes/Peplomere)
• Nackte (unbehüllte) versus behüllte Partikel

Key theories

Quasigleichwertigkeitstheorie (Caspar-Klug)

Caspar und Klug argumentierten, dass die genetische Ökonomie erfordert, dass Kapside aus vielen Kopien weniger Proteinuntereinheiten aufgebaut sind, die in quasigleichwertigen Umgebungen gebunden sind, und sagten ikosaedrische Hüllen voraus, die durch Triangulationszahlen beschrieben werden.

Prinzip der genetischen Ökonomie des Kapsidaufbaus

Crick und Watson folgerten, dass ein kleines virales Genom keine große, einzigartige Hülle kodieren kann, daher müssen Kapside aus wiederholten identischen Untereinheiten aufgebaut sein, die symmetrisch angeordnet sind – eine Vorhersage, die durch spätere Strukturstudien bestätigt wurde.

Mechanisms

Da virale Genome klein sind, werden Kapside aus vielen Kopien einer oder weniger Proteinuntereinheiten und nicht aus vielen einzigartigen Proteinen zusammengesetzt. Wiederholte Untereinheiten lagern sich selbst zu symmetrischen Anordnungen zusammen: Helikale Kapside wickeln Protein um die Nukleinsäure in einem Stab oder Filament, während ikosaedrische Kapside geschlossene Hüllen bilden, deren Geometrie durch Caspar und Klugs Quasigleichwertigkeit und Triangulationszahl erfasst wird. Viele Viren knospen zusätzlich durch eine Wirtsmembran, wobei das Nukleokapsid in eine Lipidmembran gehüllt wird, in die viruskodierte Glykoproteine eingefügt sind; diese Oberflächenproteine vermitteln die Anheftung und, bei behüllten Viren, die Membranfusion. Kapsid und Hülle zusammen bestimmen die Umweltstabilität, wobei unbehüllte Partikel in der Regel widerstandsfähiger gegen Austrocknung und Detergenzien sind als behüllte.

Clinical relevance

Die Struktur von Kapsid und Hülle ist grundlegend dafür, wie Viren nachgewiesen werden, wie Oberflächenproteine als Impfstoffantigene dienen und warum sich behüllte und unbehüllte Viren in ihrer Umweltresistenz unterscheiden. Dieser Eintrag beschreibt strukturelle Prinzipien als Referenz und gibt keine diagnostischen oder Behandlungsempfehlungen.

History

1956 sagten Crick und Watson voraus, dass kleine Viren aus vielen identischen, symmetrisch angeordneten Proteinuntereinheiten aufgebaut sein müssen, was die regelmäßige Architektur vorwegnahm, die später mittels Röntgenbeugung und Elektronenmikroskopie beobachtet wurde. Caspar und Klugs Quasigleichwertigkeitstheorie von 1962 verallgemeinerte dies, um ikosaedrische Kapside unterschiedlicher Größe zu erklären, und nachfolgende hochauflösende Strukturstudien, die von Harrison zusammengefasst wurden, enthüllten die Kapsidarchitektur im atomaren Detail.

Key figures

• Donald Caspar
• Aaron Klug
• Francis Crick
• James Watson
• Stephen Harrison

Seminal works

• crick-watson-1956
• caspar-klug-1962
• harrison-1983

Frequently asked questions

Warum sind so viele Viren ikosaedrisch?

Die ikosaedrische Symmetrie ermöglicht den Aufbau einer geschlossenen Hülle aus vielen Kopien einer geringen Anzahl von Proteinuntereinheiten, was für Viren mit begrenzter Kodierungskapazität genetisch ökonomisch ist; Caspar und Klugs Quasigleichwertigkeitstheorie erklärt, wie sich Untereinheiten in solchen Hüllen anordnen.

Was ist der Unterschied zwischen einem Kapsid und einer Hülle?

Das Kapsid ist eine vom Virus kodierte Proteinhülle, die das Genom direkt umschließt, während die Hülle eine Lipiddoppelschicht ist, die von Wirtszellmembranen stammt, während des Knospens erworben wird und mit viralen Oberflächenproteinen besetzt ist; nicht alle Viren besitzen eine Hülle.