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MAD I 08/08/2005

Introdução ao curso de virologia

Propriedades gerais dos vírus

Os vírus talvez sejam os microorganismos mais comumente encontrados

causando doenças infecciosas no homem. Os vírus são capazes de infectar qualquer ser vivo no planeta.

Com relação ao tamanho, os vírus são medidos na ordem de grandeza de

nanômetros. As bactérias são medidas em micrômeros (m)(10 ⁶־ m), os

vírus são cerca de 1000 vezes menores que as bactérias, sendo medidos

na ordem de grandeza de nanômeros (nm) (10 ⁹־ m).

Adicionar figura com o tamanho relativo dos vírus

Os vírus são totalmente dependentes do aparato metabólico das células,

sendo então parasitas intracelulares obrigatórios, fato que determina uma limitação para o seu estudo.

Os vírus podem se propagar apenas no interior uma célula, apresentando

também a limitação de serem vistos apenas em microscopia eletrônica. Como caracterizar os vírus, diferenciando-os dos demais organismos

unicelulares, tais como os fungos, bactérias e protozoários? Embora sejam muito simples, fungos, bactérias e protozoários são células e

portanto independentes, ou seja, apresentam organelas e todo aparato metabólico necessário para síntese de energia, macromoléculas e ácido

nucleico. A informação genética é sempre armazenada em moléculas de DNA, e dentro da mesma célula encontramos também RNA.

Os vírus não são células! Os vírus são totalmente dependentes do aparato enzimático celular. Isto porque os vírus não apresentam

nenhuma organela relacionada ao metabolismo típico de uma célula, ou seja, nele não encontramos mitocôndrias, complexo de golgi nem

qualquer outra organela celular. Por isso eles são totalmente dependentes.

Dentro de uma partícula viral vamos encontrar apenas um tipo de ácido

nucléico, ou seja, ou DNA ou RNA, o que levou a divisão dos vírus em

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dois grandes grupos: um grupo de vírus cujo material genético é o DNA e

um outro grupo que armazena informação genética sob a forma de RNA. Os vírus apresentam duas fases que compreendem seu “ciclo de vida”: a

fase extra celular, ou fase de transmissão e quando eles são

encontrados dentro de uma célula teremos a fase reprodutiva. Fora das células, os vírus são tão inertes, não possuindo a capacidade de

se replicar de forma autônoma. Porém, quando dentro de uma célula susceptível, temos um outro padrão de comportamento, quando este

passa a assumir a maquinaria de síntese da célula infectada. Uma molécula de ácido nucléico pode ser infecciosa. Existem

experimentos onde, artificialmente, é possível introduzir uma molécula de ácido nucléico viral dentro de uma célula hospedeira, é o que se chama

transfectar uma célula. Uma vez introduzido apenas o material genético do vírus em uma célula, este pode dar origem a partículas virais.

Os vírus não são susceptíveis aos antibióticos, como são as bactérias. Em resumo, se tivéssemos que definir o que são os vírus, 3 conceitos não

poderiam faltar:

- São parasitas intracelulares obrigatórios;

- Apresentam apenas um único tipo de ácido nucléico, ou seja, DNA

ou RNA;

- São muito pequenos, sendo medidos na ordem de grandeza de

nanômeros.

Morfologia dos virus

Uma partícula viral tem uma estrutura muito simples. É basicamente uma

molécula de ácido nucléico, envolvida por uma cápa protéica, denominada capsídeo. Chamamos esta estrutura (genoma + capsídeo) de

nuclecapsídeo. O capsídeo tem como função proteger o genoma viral, circundando-o.

Além desta função ele também desempenha, a partir de suas proteínas, a função de prover a ligação dos vírus às células alvo, bem como ser

interagir com o sistema imune do hospedeiro. Alguns vírus apresentam uma estrutura mais externa ao capsídeo

denominada envelope, que tem origem a partir da membrana da celula

hospedeira sendo adquirido pelo mecanismo de brotamento (o que será explicado na aula de multiplicação viral). No caso de vírus envelopados, a

ligaçao a celula hospedeira e interação com o sistema imune são intermediadas por glicoproteínas inseridas no envelope.

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O genoma viral

O genoma viral pode apresentar diferentes conformações. Os vírus DNA, em sua maioria, apresentam o genoma na forma de uma fita dupla

pareada, enquanto que a maioria dos vírus RNA possui o genoma na forma de uma fita simples. É importante lembrar que os vírus são únicos

com relação a duas propriedades: a capacidade de armazenar informação genética na forma de RNA e, que esta molécula se apresenta

normalmente como uma fita única, não pareada.

Quanto a segmentação da molécula de ácido nucléico, na maioria dos vírus DNA o genoma se apresenta na forma não segmentada, enquanto

que alguns vírus RNA (p.ex. vírus influenza, rotavirus) apresentam um genoma segmentado. Neste caso, cada segmento corresponde a um

gene, codificando então uma única proteína. Qual seria o tipo de vantagem de um vírus, ao assumir uma conformação

segmentada? Quando uma mesma célula apresentar-se infectada por, dois subtipos do vírus influenza, por exemplo, poderemos ter, a troca de

segmentos genéticos. Desta maneira temos um significativo aumento na variabilidade genética do vírus, explicando o motivo pelo qual, de tempos

em tempos, podem ocorrer pandemias causadas pelo surgimento de novos subtipos deste virus.

Com relação à conformação espacial, o genoma viral pode se apresentar de forma linear ou circular.

Quanto a polaridade, no caso do material genético se apresentar sob a

forma de uma dupla fita, teremos uma fita com orientação 3´- 5´ e outra fita com orientação 5´- 3´. Sendo assim, temos uma fita com uma

polaridade positiva e a outra com uma polaridade negativa. Os vírus RNA, que em sua maioria são de fita simples, são divididos em

dois grupos: aqueles de polaridade positiva e os de polaridade negativa. No caso dos vírus RNA de polaridade positiva, o genoma funciona

diretamente como RNA mensageiro, sem por isso chamado de infeccioso, isto porque o RNA viral apresenta a mesma orientação do RNA

mensageiro da célula hospedeira, podendo ser diretamente traduzido em proteínas após ser liberado no citoplasma da célula hospedeira. Existe um

outro grupo de vírus cujo genoma RNA tem uma orientação inversa àquela observada no RNA mensageiro. Isto significa que este RNA precisa

ser transcrito em RNA mensageiro para depois poder ser traduzido em proteínas. Por isto ele é dito de polaridade negativa, ou seja, sua

seqüência de nucleotídeos é inversa àquela do RNA mensageiro. Todos os

virus com genoma RNA de polaridade negativa trazem associado ao genoma a enzima RNA polimerase RNA dependente, uma vez que a célula

não possui esta enzima.

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Com relação à variabilidade, os vírus RNA apresentam uma taxa de

mutação maior do que os vírus DNA, pelo fato da enzima RNA polimerase não apresentar um sistema para correção de erros (como a enzima DNA

polimerase possui). Como exemplos de vírus RNA temos o vírus HIV e o

o vírus da hepatite C, que, devido a sua grande capacidade de mutação, são de difícil combate pelo sistema imune.

Quanto ao tamanho do genoma, os vírus DNA apresentam uma margem relativa a capacidade codificante maior em comparação aos vírus RNA.

Vírus DNA podem apresentar um genoma desde 3.2 kpb (ou 3.200 pares de bases, p.ex. vírus da hepatite B) até cerca de 200 kpb (como p.ex. os

poxvirus e herpesvirus). Normalmente, cada gene compreende 1000 pares de bases, sendo assim,os genomas virais DNA podem produzir de 4

a cerca de 200 proteínas. Por outro lado, o genoma dos vírus RNA normalmente não ultrapassa 17 kpb (17.000 pares de bases).

Adicionar figura com as conformações do ácido nucleico viral

O capsídeo viral

O genoma viral encontra-se envolvido por uma estrutura protéica

denominada capsídeo. O capsídeo é formado pela reunião de subunidades chamadas de capsômeros e a maneira espacial como estes capsômeros

são auto-agrupados no momento da montagem dentro da célula hospedeira determina a simetria da partícula viral. Podem ser observados

dois tipos principais de simetrias: icosaédrica e helicoidal. Estas conformações espaciais do capsídeo são aquelas que conferem a maior

estabilidade e um menor gasto de energia. Um terceiro grupo de vírus apresenta uma simetria chamada de complexa, sem uma forma definida

(p.ex poxvirus). A simetria icosaédrica é representada por uma estrutura proteica de 20

faces, sendo cada uma delas, um triângulo eqüilátero (p. ex. vírus da

hepatite A, poliovirus) Na simetria helicoidal, os capsômeros se reúnem na forma de uma

“escada em caracol”. Neste modelo, os degraus da escada seriam os capsômeros e no meio desta encontramos o genoma. Sendo assim, os

capsômeros se reúnem em torno do genoma, formando uma estrutura em forma de hélice.

Todos os vírus com simetria helicoidal são envelopados, ao passo que nem todos os vírus de simetria é icosaédrica o são.

Adicionar figura com as simetrias do capsídeo viral

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Envelope

O envelope é uma estrutura originária da célula hospedeira. Na verdade, o envelope é a própria membrana da célula hospedeira. Desta forma a

estrutura química do envelope é semelhante à estrutura da membrana da célula hospedeira na qual o vírus foi gerado.

A membrana plasmática se caracteriza por ser uma bicamada fosfolipídica com proteínas incrustadas. Porém, no caso do envelope do vírus, a

bicamada fosfolipídica, está associada a proteínas codificadas pelo próprio vírus. Uma proteína não glicosilada, chamada de proteína matriz, forma

uma camada na superfície interna do envelope. Além disso, encontramos projetadas na superfície do envelope, inúmeras glicoproteínas denomadas

de espículas. Como exemplos de glicoproteínas de superfície, podemos citar a GP 120 do HIV e a Hemaglutinina do vírus influenza.

Em relação à resistência ao ambiente e a passagem pelo trato gastro-

intestinal, os vírus envelopados apresentam-se mais lábeis que os não envelopados, tendo em vista a constituição fosfolipídica do envelope.

Sendo assim, o envelope está diretamente associado à forma de transmissão do vírus, de forma que os vírus de transmissão entérica, por

exemplo, tais como aqueles que causam diarréia e que são transmitidos pela via oral e fecal, todos, sem exceção, não são envelopados. Caso

fossem envelopados, eles seriam rapidamente destruídos, não só pelo ambiente, como também pela passagem no trato gastro-intestinal.

No entanto, os vírus que entram no organismo pela mucosa respiratória ou pela mucosa do trato genital, são geralmente envelopados. Isto

porque sua transmissão não requer a permanência do vírus no ambiente. No caso da gripe a transmissão se dá diretamente de pessoa a pessoa.

Taxonomia viral

Existe um Comitê Internacional de Taxonomia Viral (ICTV), que

estabelece normas para classificação dos vírus. Segundo estes critérios, os vírus são classficados de acordo com características morfológicas e

genéticas dentro das chamadas famílias virais (terminação viridae), que podem ser divididas em subfamílias (terminação virinae), que por sua vez

são divididas em gêneros, que recebem a terminação virus. Em virologia não existe espécie, ou seja, o binômio de Lineu, não é

adotado. Sendo assim os vírus são chamados pelo nome, ou seja, vírus da poliomielite ou vírus da raiva. A palavra vírus vem no início ou no fim

do nome.

Adicionar tabela com as principais familias virais

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Multiplicação viral

O ciclo de multiplicação viral compreende 3 fases:

1. Iniciação

Adsorção; Penetração

Descapsidação

2. Expressão do genoma viral

Síntese de proteínas

Replicação do ácido nucleico

3. Montagem das partículas virais e saída da célula hospedeira

Adsorção

A adsorção é um processo mediado por receptores que se encontram tanto na superfície do vírus quanto da célula alvo. É um tipo de ligação

altamente específica, seguindo o modelo “chave e fechadura”. O vírus somente se ligará a uma célula que apresente receptores

apropriados. Como exemplo, o vírus HIV apresenta um receptor de superfície denominado GP 120. Este receptor se liga especificamente a

receptores CD4 +.

Sendo assim a adsorção é intermediada por uma ligação altamente específica determinando: a relação entre o vírus e sua célula alvo, a

susceptibilidade e a patogenia de uma determinada infecção.

Penetração

Vencida a etapa da adsorção, o vírus vai encontrar a segunda barreira

para seu processo de multiplicação que é atravessar a membrana plasmática da célula alvo. A esta etapa damos o nome de penetração.

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Fusão

Os vírus envelopados normalmente penetram na célula pelo mecanismo de fusão. No momento em que a partícula viral se liga aos receptores na

célula alvo, ocorre o processo da fusão, ou seja, o envelope do vírus que tem uma constituição fosfolipídica, vai se fusionar com a membrana

plasmática da célula hospedeira, sendo este processo intermediado por uma proteína viral com atividade fusionante (proteína F). Após a fusão, o

nucleocapsídeo viral é lançado no citoplasma da célula hospedeira. Vírus que penetram na célula por fusão provem uma alteração

morfológica (chamada de efeito citopático, ou CPE) chamada de sincício, que são células gigantes multinucleadas. Isto porque, após fusão do

envelope viral com a membrana, proteínas virais ficam nela integradas. Um dos resultados é a promoção da fusão entre as membranas celulares

das células circunvizinhas promovida pela proteína F. Além disso,

receptores virais, agora parte da membrana, podem também se adsorver a receptores de células vizinhas.

A formação dos sincícios é extremamente benéfica para o vírus, representando na verdade um mecanismo de escape do sistema imune,

pois acaba por facilitar a passagem do virus de uma célula para outra sem que ele saia para o meio extra-celular.

Endocitose

Vírus não envelopados entram na célula por meio de um mecanismo pré-existente denominado endocitose.

Após a adsorção da partícula viral na membrana plasmática, esta membrana sofre uma invaginação, com a conseqüente formação de um

vacúolo, seguido da fusão com lisossomas e formação do vacúolo digestivo e a liberação do genoma viral no citoplasma.

Alguns vírus envelopados podem penetrar por meio da endocitose (p.ex.

vírus influenza), porém a fusão vai ocorrer com a membrana do vacúolo e não com a membrana citoplasmática.

Inserir figura com os mecanismos de entrada na célula

Descapsidação

O terceiro evento da fase de iniciação é descapsidação, que representa a perda do capsídeo viral com consequente liberação do ácido nucleico.

Esta etapa pode ser processada por enzimas virais ou enzimas celulares. Existem drogas antivirais (p.ex amantadina) que atuam impedindo o

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processo de descapsidação. Após a etapa de liberação do capsídeo temos

as etapas de expressão e replicação do genoma viral.

Expressão do genoma viral

Transcrição do genoma viral e síntese de proteínas

Independentemente do genoma do vírus, seja ele DNA ou RNA, a célula só começa a trabalhar para o vírus no momento em que é produzido um

RNA mensageiro. Sendo assim, o evento central da expressão do genoma

viral e da síntese protéica, é a síntese do RNA mensageiro. Os vírus DNA não encontram grandes problemas para transcrever o seu

RNA mensageiro, podendo utilizar RNA polimerases celulares para esta finalidade.

Os vírus RNA realizam um processo que a célula hospedeira não reconhece, ou sejam, precisam transcrever RNA a partir de uma molécula

de RNA. Sendo assim, vamos encontrar 3 estratégias de transcrição do RNA mensageiro por parte dos vírus RNA:

- No caso dos vírus com genoma RNA com polaridade positiva, ele

já funciona como RNA mensageiro, podendo ser diretamente lido

e traduzido em proteínas; - Com relação aos vírus RNA fita simples de polaridade negativa,

tem uma orientação inversa daquela do RNA mensageiro da célula. Sendo assim ele necessita ser inicialmente transcrito em

RNA mensageiro para em seguida ser traduzido em proteína. Quem realiza esta etapa é uma enzima viral.

- Os retrovirus, contam com a ação da transcriptase reversa, uma enzima viral que converte o RNA em DNA.

Inserir figura com os mecanismos de transcrição do genoma viral

As proteínas virais produzidas são, em termos funcionais, pertencentes a duas classes. Temas as chamadas proteínas não estruturais ou iniciais.

Estas proteínas apresentam função enzimática e são utilizadas na replicação do ácido nucleico. Dentre elas temos as enzimas DNA

polimerase, a RNA polimerase, proteases, integrases, dentre outras. Em seguida temos a produção das proteínas denominadas estruturais, que

são chamadas de proteínas tardias. Estas vão compor a estrutura da

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partícula viral, tais como as proteínas associadas ao envelope e ao

capsídeo.

Replicação do genoma

A replicação do genoma depende do tipo do ácido nucleico viral. O

processo replicativo dos vírus DNA é semelhante ao de nossas células. Temos uma replicação semi-conservativa. Porém os vírus RNA, na sua

maioria são simples fita, logo, não podem lançar mão da teoria semi-conservativa.

No processo de replicação de um vírus RNA simples fita vamos ter a

formação de uma fita intermediária, tal qual um “espelho”, que vai ser utilizado como um molde. A fita replicativa intermediária é complementar

a fita original e pode ser utilizado como molde para a síntese de uma fita idêntica a original.

O processo de replicação é semelhante ao processo de transcrição, pois a formação do replicativo intermediário tanto pode ser

utilizada na síntese de cadeias filhas como ser traduzido em proteínas. Um potente indutor para a síntese de interferon, é a presença na célula

de RNA fita dupla. Sendo assim, os interferons são especialmente induzidos nas infecções virais.

Montagem e saída da célula hospedeira

A montagem das partículas virais é um evento ligado às subunidades do

capsídeos, os capsômeros. No momento em que os capsômeros, que são o resultado da junção de até 4 proteínas, são produzidos, após um

processo de auto-agrupamento, os capsídeo virais. O genoma é posteriormente introduzido no interior do capsídeo.

A saída do vírus, assim como a entrada, pode ocorrer a partir de 2 processos. O processo de saída vai depender também da presença ou não

do envelope. Vírus não envelopados saem normalmente da célula hospedeira por lise

celular. Este processo é decorrente não somente do acúmulo de partículas virais dentro da célula, como também pela ação de proteínas

virais que param o processo de sintese proteica celular assim como

promovem a fragilidade da membrana citoplasmática. Como exemplo de um vírus citolítico, temos o vírus da poliomielite.

Os vírus envelopados, desenvolveram um mecanismo mais elaborado para sua saída da célula, chamado de brotamento, mecanismo pelo qual

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estes vírus adquirem o envelope. Após montagem dos nucleocapsídeos

virais, estes se direcionam a regiões da membrana modificadas pela inserção de glicoproteínas virais (revestidas internamente pela proteína

matriz). A partícula viral sai da celula carreando um pedaço da

membrana, já contendo proteínas codificadas pelo vírus.

Inserir figura com o mecanismo de brotamento.

Conhecendo os mecanismos de replicação viral, é possível desenvolver

antivirais. Os mecanismos de ataque aos vírus são difíceis de serem desenvolvidos pois a multiplicação viral está diretamente associada à

célula hospedeira. Desta forma, atacar um vírus significa necessariamente destruir as células hospedeiras. Por isso é mais difícil

atacar uma infecção viral do que as demais infecções provocadas por outros micróbios.

Inserir figura ilustrado do ciclo de multiplicação viral como um todo