Microbiologia: Formes acel·lulars i virus

1. La microbiologia

La microbiologia és la ciència que estudia els microorganismes. Aquest grup d'éssers vius porta més de 3500 milions d'anys sobre la Terra i té representants en tres dels cinc regnes de la biosfera.

La seva grandària microscòpica és l'única característica unitària, i la que ha fet que fossin desconeguts fins que al segle XVII (1667) Anton van Leeuwenhoek va observar els primers microorganismes.

2. Formes acel·lulars

Es denominen formes acel·lulars aquelles partícules que no tenen organització cel·lular i l'únic objectiu de les quals és parasitar cèl·lules per a reproduir-se en el seu interior. Per això, molts científics les consideren a la frontera entre la matèria viva i la matèria inert, i potser un dels primers passos en l'evolució precel·lular.

Entre les formes acel·lulars destaquen els virus, els prions i els viroides.

2.1. Els virus

Són partícules microscòpiques, d'estructura molt senzilla. No tenen estructura cel·lular, ja que manquen de citoplasma i dels enzims necessaris per a realitzar el metabolisme. Característiques:

• Presenten organització acel·lular.
• No realitzen les tres funcions vitals.
• Poden cristal·litzar.
• Són molt xicotets (entre 0,02-0,3 μm, visibles només amb el microscopi electrònic) i d'estructura molt simple (àcid nucleic envoltat per un embolcall proteic).
• Són paràsits intracel·lulars obligats.
• Alternen entre dues fases: una fase extracel·lular inert, on les partícules víriques es denominen virions, i una altra fase intracel·lular en la qual el virus està actiu i utilitza la cèl·lula per a fer còpies de si mateix.

2.1.1. Estructura i composició dels virus

Els virus es componen fonamentalment d'un àcid nucleic (ADN o ARN) embolicat per una estructura proteica (càpsida). Al conjunt de la càpsida i l'àcid nucleic se'l denomina nucleocàpsida.

• Àcids nucleics (genoma víric)

Poden ser:

• ADN o ARN
• Monocatenari (una sola cadena) o bicatenari (dues cadenes)
• Circular o lineal
• Amb genoma fragmentat (grip) o no.
• Amb bases nitrogenades diferents a les habituals o no.

• Càpsida

És la coberta proteica que envolta l'àcid nucleic. Constituïda per capsòmers. Cada capsòmer pot estar format per una o més subunitats proteiques. El seu número és constant per a cada virus. La càpsida protegeix l'àcid nucleic i, en els virus que no tenen coberta membranosa, reconeix els receptors de membrana de les cèl·lules a les quals el virus parasita. Segons l'organització dels capsòmers, trobem tres tipus de virus:

1. Virus de simetria helicoidal: Està formada per capsòmers idèntics col·locats helicoidalment formant una estructura tubular buida, en l'interior de la qual es troba l'àcid nucleic també en forma helicoidal. Exemple: Virus de la ràbia.
2. Virus icosaèdrics: Virus polièdrics, generalment icosaèdrics (poliedre de vint cares triangulars), de tal manera que presenten un aspecte quasi esfèric. Cada cara triangular, capsòmer, està formada per cinc o sis subunitats proteiques. D'ells, poden eixir fibres o espícules. Exemples: adenovirus i el virus de l'hepatitis A.
3. Virus complexos: En aquest tipus de virus es distingeix:
   • Un cap polièdric (icosaèdric), que conté l'àcid nucleic
   • Un coll
   • Una cua, composta per un eix tubular proteic (simetria helicoidal) envoltat per una beina contràctil
   • Una placa basal amb espines o espícules basals i filaments o fibres cabals que serveixen al virus per a adherir-se a la superfície de la cèl·lula hoste.
   Estructura característica de virus bacteriòfags com són: T4.

Alguns virus, a més, poden posseir elements addicionals com ara un embolcall o alguns enzims.

• Embolcall: Membrana (bicapa lipídica) que envolta la càpsida d'alguns virus i que està implicada en el reconeixement virus-cèl·lula. Pot presentar proteïnes inserides (generalment glucoproteïnes). Procedeix de les membranes de les cèl·lules a les quals parasiten. L'embolcall és freqüent en virus que parasiten animals, i menys entre els que parasiten vegetals. El virus de la grip, del VIH, de l'herpes i de la verola presenta embolcall.
• Enzims: Els retrovirus, per exemple, posseeixen la retrotranscriptasa o transcriptasa inversa, que els permet passar el seu material genètic que està en forma d'ARN a ADN.

2.1.2. Classificació dels virus

Segons l'estructura:

• Helicoidals. Exemple: virus del mosaic del tabac.
• Polièdrics. Exemple: virus de la grip.
• Complexos o bacteriòfags. Exemple: bacteriòfag T4.

Segons la presència o no d'embolcall:

• Virus nus. No presenten coberta membranosa. Exemple: virus de la pòlio.
• Virus embolicats. Amb coberta membranosa. Exemple: herpesvirus.

Segons l'hoste al qual parasiten:

• Virus animals. Exemple: VIH.
• Virus vegetals. Exemple: virus del mosaic del tabac.
• Virus bacteriòfags o fags. Bacteriòfag T2.

Segons el tipus d'àcid nucleic:

• Virus amb ADN monocatenari.
• Virus amb ADN bicatenari.
• Virus amb ARN monocatenari.
• Virus amb ARN bicatenari.

Però, a més, aquestes molècules poden ser circulars o lineals. En el cas de virus d'ARN, poden tenir polaritat positiva (presenten la mateixa seqüència de l'ARNm) o negativa (presenten la seqüència de bases complementària a l'ARNm). Els bicatenaris tenen polaritat positiva i negativa.

2.1.3. Cicles de multiplicació vírica

Els virions (virus en fase extracel·lular) no realitzen cap activitat fisiològica, per la qual cosa no requereixen sintetitzar proteïnes ni utilitzen energia; són estructures inertes. Així, l'àcid nucleic viral es replica a costa de la maquinària i l'energia de la cèl·lula infectada.

Existeixen dues modalitats de cicles: el lític, comú a tots els tipus de virus, i el lisogènic, propi dels fags.

El cicle lític es diu així perquè la cèl·lula infectada pel virus mor per lisi cel·lular en alliberar-se les noves còpies del virus. El cicle lític és el mètode de reproducció vírica i implica la destrucció de les cèl·lules infectades. El cicle consta de les següents fases:

1. Fase d'adsorció o fixació: El virus s'uneix a la cèl·lula hoste de manera específica i estable perquè el virus reconeix complexos moleculars de tipus proteic, lipoproteic, presents en les membranes cel·lulars.
2. Fase de penetració o injecció: En funció de les estructures superficials de la cèl·lula hospedadora, els virus utilitzen diferents mecanismes de penetració:
   • Els bacteriòfags, com el T4 d'E. coli, originen un xicotet orifici en la paret bacteriana amb el lisozim de la seva placa basal, pel qual s'injecta l'ADN, en contraure's la cua del virus. La càpsida queda a l'exterior del bacteri.
   • Els virus nus introdueixen tota la nucleocàpsida en la cèl·lula, ja siga per penetració directa en perforar la membrana amb enzims hidrolítics, o per endocitosi, en ser englobats per la cèl·lula hospedadora en un vacúol, que trencaran dins de la cèl·lula.
   • Els virus embolicats fusionen la seva coberta amb la membrana de la cèl·lula hospedadora. Pot ser una fusió directa o ajornar-se, entrant el virus per endocitosi dins d'un vacúol, del qual és alliberat el virus en produir-se la fusió amb un lisosoma cel·lular.
   En aquests dos casos, la nucleocàpsida pateix una separació dels seus capsòmers (descapsidació), amb l'alliberament de l'àcid nucleic i dels escassos enzims que poguera haver-hi en la càpsida. En tots els casos, es necessiten moltes partícules víriques perquè una aconsegueixi penetrar en la cèl·lula hospedadora.
3. Fase d'eclipsi: en aquesta fase no s'observen còpies del virus en la cèl·lula. En ella es produeix la duplicació de l'àcid nucleic, així com la seva transcripció per a formar les còpies de proteïnes de la càpsida. També es produeixen enzims destructors de l'ADN de la cèl·lula.
4. Fase d'assemblatge: en aquesta fase es produeix la unió dels capsòmers per a formar la càpsida i l'empaquetament de l'àcid nucleic víric dins d'ella.
5. Fase de lisi o ruptura: comporta la mort cel·lular. Els virions ixen de la cèl·lula mitjançant el trencament enzimàtic de la paret bacteriana. Aquests nous virus presenten la capacitat d'infectar noves cèl·lules.

El cicle lisogènic és un cicle en el qual la cèl·lula hoste no és destruïda, perquè l'àcid nucleic víric s'insereix en el genoma de l'hoste i roman allí en estat de profag, replicant-se amb el genoma bacterià cada vegada que la cèl·lula es divideix. En aquest estat, la cèl·lula és immune a nous atacs dels mateixos virus. En un moment de debilitat de la cèl·lula infectada, el virus reprèn el cicle lític, fent moltes còpies de si mateix i destruint la cèl·lula hoste.

Diferents tipus d'infeccions víriques

Un grup molt especial de virus animals són els retrovirus. Retro significa cap arrere, rebent aquest nom perquè, sent virus ARN, es repliquen per mitjà d'un intermediari d'ADN, en sentit contrari a l'ADN. Són virus embolicats, amb simetria incerta i diversos tipus de proteïnes en la seva coberta. El seu genoma consta de dues molècules iguals d'ARN monocatenari, i almenys tenen 3 tipus d'enzims: transcriptasa inversa, ADN endonucleasa o integrasa, i una proteasa que afavoreix l'eixida del virus.

2.2. Viroides

Xicotetes molècules d'ARN circular de cadena senzilla formades per uns pocs centenars de nucleòtids. Manquen de càpsida i la seva grandària és una mil·lèsima part de la dels virus més xicotets.

Apareixen amb major abundància en el nucli de les cèl·lules infectades.

Només han sigut detectats en plantes, en les quals produeixen una gran varietat de malalties i poden ser transmesos tant horitzontal com verticalment.

No existeix cap evidència que els viroides siguen traduïts a proteïnes, ni es coneix com causen les malalties. El que sí que se sap és que són replicats pels enzims de l'hoste.

Algunes semblances entre la seqüència de nucleòtids dels viroides i unes certes seqüències del genoma de les plantes no traduïdes (introns) suggereixen que els viroides van evolucionar a partir dels introns.