Kako koronavirus okuži človeško celico?

Virusi so zelo nenavadni mikroorganizmi, saj so iznašli način, kako parazitski način življenja do skrajnosti poenostaviti. S seboj večinoma ne prenašajo niti orodij, ki jih sicer nujno potrebujejo za svoje razmnoževanje, ampak hranijo le podatke, s pomočjo katerih si lahko naprave za razmnoževanje po potrebi kar natisnejo.

Virusi prenašajo informacije

Informacije o orodjih in rezervnih delih imajo virusi shranjene v obliki zaporedij nukleinske kisline DNK ali RNK. Izberejo si lahko en ali drug zapis genetske informacije, nikoli pa nima isti virus svojih podatkov hkrati shranjenih v obeh zapisih.

Okrog virusnega genoma oziroma nukleinske kisline, v kateri so shranjene informacije, je še zaščitni ovoj iz beljakovin ali mešanice beljakovin in lipidov. Zaradi preproste zgradbe so virusi zelo majhni, tako da jih ne moremo opazovati z običajnimi svetlobnimi mikroskopi, ampak le z bolj ločljivimi elektronskimi mikroskopi.

Skrivnostni povzročitelji bolezni

Da obstajajo v naravi tudi skrivnostni mikroorganizmi, ki so manjši od najmanjših celic, so raziskovalci posumili tik pred koncem devetnajstega stoletja. Takrat je namreč več znanstvenikov z eksperimenti ugotovilo, da so nekatere tekočine kužne in povzročajo bolezni, čeprav ne vsebujejo bakterij oziroma podobnih mikroorganizmov, ki jih lahko opazujejo pod mikroskopom.

S poskusi so pokazali, da kužna tekočina pri živalih ali rastlinah še vedno lahko povzroči bolezen, tudi če jo precedijo skozi tako gost filter, da skozenj ne morejo priti niti najmanjše bakterijske celice. Iz tega so sklepali, da nastanek bolezni lahko spodbudi tudi nekaj, kar je manjše od najmanjše žive celice. V tistem času so bili takšni rezultati poskusov dokaj kontroverzni, saj so dokazovali obstoj povsem nove skupine zelo majhnih kužnih delcev.

Ne morejo se razmnoževati, dokler ne okužijo celice

Te nenavadne majhne povzročitelje bolezni so poimenovali virusi in kmalu ugotovili, da se sami v petrijevkah ne znajo razmnoževati. Pomnoževati so se začeli šele, ko so okužili druge žive celice. Kako natančno naj bi potekal proces razmnoževanja virusov, še dolgo niso znali pojasniti, saj dogajanja zaradi majhnosti virusov niso mogli opazovati pod mikroskopi.

Prve viruse so si lahko neposredno ogledali šele konec tridesetih let dvajsetega stoletja, ko so za njihovo opazovanje uporabili elektronski mikroskop. Ta za osvetlitev vzorca ni uporabil vidne svetlobe, ampak snop elektronov, s čimer so lahko dosegli precej večje povečave kot pri običajnem svetlobnem mikroskopu.

Pred vstopom v celico se morajo nanjo pritrditi

Izkazalo se je, da obstaja veliko različnih virusov, ki lahko okužijo različne vrste celic bakterij, rastlin, živali in ljudi. Čajna žlička morske vode vsebuje več deset milijonov virusov, vseh virusov na našem planetu pa je več kot je vseh drugih organizmov skupaj.

Za vse viruse je bolj ali manj značilno, da predvsem potrpežljivo čakajo, da bodo trčili ob kako celico, ki jih bo spustila v svojo notranjost. Če se želijo razmnoževati, morajo namreč najprej vstopiti v katero od celic in ji podtakniti svoj dedni material. Takrat začnejo molekularni stroji v okuženi celici razmnoževati dedni material virusa in izdelovati orodja, ki jih virus potrebuje za nadaljevanje svoje poti.

Pred vstopom v celico se morajo virusi nanjo pritrditi, kar storijo z receptorji oziroma nekakšnimi molekularnimi ključi in ključavnicami v obliki beljakovin, ki so na površini celic. Ker obstaja zelo veliko različnih receptorjev, značilnih za posamezne celice, lahko virusi vstopajo le v celice, katerih ključavnice se ujemajo z njihovimi ključi.

Virus hiv in virus gripe

Virus hiv, ki povzroča aids, se tako veže na receptor CD4, ki je na nekaterih pomembnih celicah imunskega sistema, medtem ko se virus ošpic veže na receptor CD46 na površini več različnih tipov celic v človeškem telesu. Ker virus hiv napade in poškoduje celice telesa, ki so odgovorne za imunski odziv, bolniki z aidsom ne umrejo neposredno zaradi virusa, ampak zaradi posledic oslabljene odpornosti.

Pri virusu gripe tipa A so za vezavo na celice odgovorne molekule hemaglutinina oziroma skrajšano H, za njegovo sproščanje iz celice pa nevraminidaze, ki jo na kratko opišemo kar z N. Kombinacije različnih verzij teh dveh molekul označuje različne verzije virusov gripe. Virus španske gripe, zaradi katerega je takoj po koncu prve svetovne vojne umrlo od 50 do 100 milijonov ljudi, so tako poimenovali H1N1. Značilnosti virusa azijske gripe, ki je povzročil pandemijo leta 1957, so opisali kot H2N2, hongkonško gripo iz leta 1968 pa H3N2.

Zgradba ovojnice koronavirusa

Koronavirusi imajo zaščitni ovoj zgrajen iz mešanice dvoplastnega lipidnega sloja in beljakovin, podobno kot je sestavljena tudi membrana človeških celic. Za novi koronavirus SARS-CoV-2 so ugotovili, da ima štiri strukturne beljakovine. Tri, ki so jih poimenovali S (spike), E (envelope) in M (membrane), so v ovojnici virusa, medtem ko drži beljakovina N (nucleocapsid) skupaj genetski material oziroma informacije virusa v njegovi notranjosti.

Kako koronavirus okuži celico?

Da se virus SARS-CoV-2 po principu ključa in ključavnice veže na človeško celico, je odgovorna beljakovina S v njegovi ovojnici. Konec januarja 2020 so znanstveniki pokazali, da se novi koronavirus prav prek beljakovine S veže na molekule ACE2 na površini človeških celic. Ker je veliko receptorjev ACE2 na površini celic v spodnjih delih pljuč, novi koronaavirus napade in prizadene prav tkivo teh pljučnih predelov. Ugotovili so tudi, da ima virus SARS-CoV-2 celo večjo sposobnost vezave na receptor ACE2 človeške celice, kot je bil to sposoben virus SARS-CoV iz leta 2002.

Ko se virus s pomočjo svoje beljakovine S veže na receptor ACE2, se membrana virusa združi z membrano celice in vsebina virusa se sprosti v citoplazmo človeške celice. V mehurčku virusa je namreč njegov genom v obliki molekule RNK.

Virus ugrabi celico

Ključno za nadaljnje razmnoževanje virusa je, da je molekula RNK, ki se sprosti iz virusa, zelo podobna molekulam, ki jih sicer proizvaja jedro človeške celice. Ima obliko sporočilne RNK (mRNK), kar pomeni, da se lahko nanjo vežejo ribosomi človeške celice in iz njenih informacij zgradijo beljakovino.

V procesu genskega prevajanja ali translacije se zaporedje baz v molekuli sporočilne RNK prevede v zaporedje aminokislin beljakovine. Pri tem pa je pomembno, da se v tem primeru v beljakovino ne prevede informacija, ki je prišla iz jedra človeške celice, ampak informacija, ki se je sprostila iz virusa.

Celice kot tiskalniki novih virusov

Ribosomi človeške celice iz virusnega genetskega materiala proizvedejo beljakovino imenovano RdRp (RNK-odvisna RNK polimeraza). Ta beljakovina deluje kot encim in je za virus zelo pomembna, saj zna pomnoževati molekule RNK, česar človeške celice same po sebi ne znajo početi.

S pomočjo tega novega encima RdRp se zdaj lahko pomnožuje molekula RNK, ki je v celico prišle iz virusa. Molekula se včasih pomnoži le delno, kar pomeni, da nastanejo tudi krajše molekule RNK. Izkazalo se je, da so ti krajši odseki navodil ravno tisti, po katerih ribosomi izdelajo še beljakovini M in E, ki jih virus potrebuje za svojo ovojnico.

Ker se vse to dogajanje običajno odvija v bližini membrane celice, se proizvedena molekula RNK z beljakovinami lahko kar zapakira v del membrane celice in se odcepi v obliki majhnega mehurčka. Tako se koronavirus razmnoži in odpotuje naprej, da okuži nove celice.

Kako zaustaviti koronavirus?

Znanstveniki se sedaj trudijo, da bi odkrili način, kako virusu SARS-CoV-2 preprečiti razmnoževanje in širjenje. S poskusi v laboratoriju so že pokazali, da aktivnost encima RdRp upočasnijo ioni cinka, a so eksperimenti, kako bi lahko to spoznanje uporabili pri zdravljenju, še v začetni fazi. Težava je namreč, kako ione cinka spraviti skozi membrano v okužene celice. Po nekaterih raziskavah lahko ione cinka v celico vnaša klorokin, ki je sicer zdravilo za malarijo.

Razmnoževanje RNK virusov, med katere spada novi koronavirus, uspešno zavira tudi spojina imenovana remdesivir, ki prav tako vpliva na aktivnost encima RdRp. Njeno delovanje bi lahko opisali kot nekakšno nagajanje mehanizmu, ki ga virus v celici vzpostavi za kopiranje svojih informacij zapisanih v obliki molekul RNK. Na Kitajskem že potekajo prve klinične študije tega protivirusnega zdravila. Znanstveniki prav tako preučujejo možnosti, kako bi lahko virusu preprečili vezavo na receptor ACE2 na površini človeških celic.

Galerija posnetkov koronavirusa SARS-CoV-2, ki so jih naredili z elektronskim mikroskopom:

Viri:
– Analysis of therapeutic targets for SARS-CoV-2 and discovery of potential drugs by computational methods – ScienceDirect
– Coronavirus Epidemic Update 32: Important Data from South Korea, Can Zinc Help Prevent COVID-19? – YouTube
– Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 – Wikipedia

-