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Todos hemos escuchado hablar de los virus, estos agentes infecciosos que normalmente se relacionan con enfermedades, y muchos (sino todos) hemos sufrido algún resfriado o patología causada por una infección viral. Para los seres humanos, los virus son de gran importancia médica, ya que muchas enfermedades como el Ébola, la viruela, el dengue e incluso la actualmente famosa COVID-19 son causadas por virus que afectan a los seres humanos. Definimos a los virus como agentes infecciosos que necesitan de una célula hospedadora para poder llevar a cabo su replicación y que pueden afectar tanto a células procariotas (bacteriófagos) como a eucariotas (plantas y animales). Su estrecha relación con la salud de los seres humanos ha puesto a los virus bajo el foco de estudio de biólogos, bioquímicos, genetistas y médicos, siendo de gran importancia para estos investigadores detallar y entender el ciclo replicativo de los virus para poder desarrollar estrategias de acción ante sus ciclos infecciosos.
Los virus son partículas de pequeño tamaño que solo se pueden observar por microscopio electrónico; las cuales están formadas por dos estructuras principales: Una capside o envoltura proteica, que puede presentarse en distintas formas, y que protege al material genético (siendo esta la segunda estructura) ya sea una molécula de ADN o una de ARN.
Esta primera diferencia, nos permite clasificar a los virus según su material genético (virus de ADN o virus de ARN) y, a su vez, estos pueden ser monocatenarios o bicatenarios, pero también podemos clasificarlo según las células que infectan, por lo cual se pueden diferenciar virus animales, de plantas o bacterias (bacteriófagos). También, según la morfología de sus cápsides: virus icosaédricos, helicoidales, envueltos y los virus complejos.
El ciclo replicativo de los virus se lleva a cabo en una célula hospedadora, esto es debido a que carecen de la maquinaria necesaria para la síntesis de proteínas especificadas por su genoma. Es por esto que, dentro del extenso e interesante mundo de los virus, son muchas y distintas las diferencias estructurales y la complejidad genética que presentan estos entes infecciosos en el momento de su replicación. Sin embargo, la mayoría demuestran un comportamiento similar en los aspectos más básicos de su multiplicación, siendo esta una de las razones para utilizar a los fagos de tipo T de Escherichia coli como modelos en el estudio del ciclo replicativo de los virus.
Por mucho tiempo, se estudió el ciclo replicativo de los virus de plantas y animales directamente de su hospedador, así que, para los investigadores, el poder utilizar un modelo de estudio como los fagos les permitió comprender la complejidad en el proceso de multiplicación en virus. Siguiendo las mismas pautas que usaron los virólogos en el pasado, en este artículo nos enfocamos en describir el ciclo replicativo de los virus que afectan a las bacterias (bacteriófagos), y comentaremos algunas generalidades que pueden presentar los virus que afectan tanto a plantas como animales.
Pero, primero que nada, vamos a explicar cómo es la estructura de los viriones conocidos como fagos T de números pares. Este tipo de virus están compuestos por una cabeza y una cola; donde la cabeza se encuentra conformada por monómeros que a su vez conforman pequeños pentámeros y hexámeros, que forman dos mitades de un icosaedro conectado por un corto prisma hexagonal (cápside).
En su interior, se encuentra una molécula de ADN con varias poliaminas asociadas, así como otras proteínas internas y algunos péptidos. La cola de los fagos T tiene forma de tubo helicoidal, por donde se desplaza el ADN desde la cabeza del fago hasta la célula bacteriana. La cola está protegida por una vaina que es capaz de contraerse, y se encuentra conectada a la cabeza por medio de un collar, mientras que en el otro extremo se conecta a una plataforma basal, siendo la estructura de adhesión a la célula. La plataforma también suele tener espículas, las cuales se conectan a largas y delgadas fibras de cola.
Comprendiendo su estructura, a continuación describiremos el ciclo replicativo de los virus según el modelo de fago T.
Absorción y penetración de las células
Todos los virus, ya sean de plantas, animales o bacterias, poseen una estructura especializada para poder llevar a cabo la infección, también conocida como absorción, e iniciar el ciclo replicativo de los virus. En el caso de los fagos T, las fibras de la cola son las primeras estructuras en unirse a los receptores de la célula hospedadora (unión reversible), después de las fibras se unen las espículas de la cola (unión irreversible). Los receptores en la membrana externa de las bacterias son proteínas o azúcares lipopolisacáridos que enlazan con la membrana interna. Estos receptores son muy específicos, por lo que, sí la bacteria sufre alguna mutación que afecte a estos receptores, la hará resistente a los fagos. El anclaje del fago a la célula causa una serie de cambios metabólicos en el interior de las bacterias que favorecen la infección.
Cuando el fago se ancla a la membrana externa, ocurre la separación del ADN de la cápside y el ingreso del material genético al interior de la célula. Los fagos T cuentan con un mecanismo de penetración altamente especializado, que consiste en la contracción de la vaina de la cola, que tira del collar y empuja el material genético a través del tubo helicoidal de la cola, como si se tratase de una jeringa hipodérmica; esto es el resultado de diversos cambios morfológicos en los fagos.
Absorción y penetración en células eucariotas
En el caso de que infectan a las células eucariotas, el proceso de absorción se divide en dos pasos igualmente. Una etapa reversible, que se trata de un proceso electroestático que causa la atracción del virus a la célula, y una etapa irreversible donde las proteínas del virus se unen a los receptores celulares que son específicos; lo cual, estimula el proceso de entrada de penetración.
Durante la penetración, se aprecia una diferencia entre los que presentan una cápside y una envoltura a los que carecen de ella. En el caso de los virus sin envoltura, penetran a la célula por medio de una endocitosis o traspasa directamente la membrana plasmática al presentar un pequeño tamaño. Por el contrario, los virus con cápside con envoltura presentan dos mecanismos: el primero es por fusión de membranas, es decir, la envuelta del virus se fusiona con la membrana celular y entra solo la cápside del virus, o también por un mecanismo de endocitosis donde la envuelta del virus se fusionará con los lisosomas. Cuando el virus se encuentra en el citoplasma ocurre la decapsidación, es decir, se libera el material genético.
Ciclo replicativo de los virus
Cuando el material genético entra a la célula bacteriana, comienza el ciclo replicativo de los virus. Este ciclo cuenta con un periodo eclipse, que es un periodo donde se va acumulando el material genético viral desnudo dentro de la célula debido a su replicación, este periodo se encuentra asociado a la falta de capacidad del material genético del virus para infectar a otra célula por sí solo. A continuación, procede un periodo de latencia, en donde los fagos comienzan a sintetizarse en el interior de la célula y empiezan a acumularse hasta que ocurre la lisis celular y son liberados. Finalmente se da un periodo ascendente, donde aumenta la cantidad de virus en el entorno extracelular.
Dentro de la célula bacteriana ocurre la sustitución de los genes celulares por los genes víricos; lo cual ocasiona el cese de la síntesis de ADN, ARN y proteínas celulares, siendo la maquinaria celular utilizada para la replicación de los virus. En el caso de las células infectadas por fagos T, este cambio metabólico se debe a la gran cantidad de proteínas víricas infectivas que pueden afectar a las transcriptasas del hospedador.
Transcripción del material genético
El siguiente paso del ciclo replicativo de los virus es la transcripción del ADN del fago para generar ARN mensajero vírico, normalmente se puede sintetizar el ARNm por medio de las polimerasas de la célula huésped, lo que lleva a la traducción de los ARNm en proteínas víricas. A partir de esta etapa, se siguen sintetizando proteínas que interfieren con el metabolismo celular, así como polimerasas y proteínas estructurales que posteriormente conformarán los nuevos fagos.
Para iniciar la replicación del ADN viral se necesita de un complejo proteico especifico denominado primosoma, presente en todos los fagos. Estos primosomas ocasionan la síntesis de un corto fragmento de ARN que actúa como cebador, el cual es elongado posteriormente por el ADN polimerasa. Los fagos que cuentan con un ADN lineal se replican en dos fases, en la primera fase, la replicación del ADN comienza en un origen interno fijo y continua de manera bidireccional; mientras que, en la segunda fase, tras varios ciclos de replicación ocurre la recombinación de las partes del virus que se han replicado y permite completar sus genomas.
Este tipo de ciclo se observa en la mayoría de los virus, y se considera un ciclo ordinario o ciclo lítico. Otros presentan un ciclo lisogénico.
Maduración y Liberación
Cuando termina la replicación del ADN comienza la fase de maduración, en donde los diversos componentes y proteínas víricas se ensamblan y empaquetan el genoma, para forma viriones infecciosos ya maduros. En los fagos T, la liberación ocurren por la alteración de la membrana plasmática debido a varios productos genéticos, esta alteración permite a la lisozima del fago cruzar la membrana y atacar la pared celular, ocasionando la lisis.
Ciclo replicativo de los virus con ARN
Los virus con ARN suelen ser de menor tamaño que sus pares de ADN, característica que reconocemos tanto en los que afectan a las células eucariotas como procariotas.
En el caso de los virus con ARN como material genético, el ARN actúa a la vez como genoma y mensajero. Su replicación conlleva la presencia de intermediarios especiales y el ARN puede encontrarse en dos formas: moléculas bicatenarias, resistente a ARNasa, conocidas como forma replicativas (FR) o como moléculas parcialmente resistentes a las ARNasa, denominadas intermediarios replicativas (IR), con un esqueleto bicatenario con una o dos colas monocatenario. La forma replicativas se produce por la construcción de una cadena negativa complementaria sobre una cadena positiva vírica infectante; la síntesis subsiguiente de una tercera cadena positiva hija sobre la forma replicativo bicatenaria la convierte en un intermediario replicativo, del cual, se liberan sucesivas cadenas hijas. La síntesis de las cadenas hijas pueden ser semiconservadoras o conservadoras.
Las ARN replicasa de los virus ARN son sumamente específicas, ya que no replican el ARN celular, solo reconocen las secuencias situadas en el ARN viral. Por lo tanto, los virus de ARN necesitan sintetizar sus replicasas, siendo este proceso afectado por la naturaleza del virión. Así que podemos encontrar diferentes procesos si los virus de ARN son de cadena positiva o de cadena negativa, y si estos son de cadena doble o simple. Cuando los virus son capaces de sintetizar las proteínas necesarias, comienza el proceso de replicación usando el ARN como molde para sintetizar las cadenas complementarias.
Regulación de la traducción
A pesar de la gran simplicidad de los genomas, estos virus poseen una fina regulación de la expresión genética. La regulación ocurre durante la traducción, siendo que se aprovecha de los cambios en la estructura secundaria del ARN y de su interacción con las proteínas. El gen de la replicasa se traduce en una fase temprana de la infección, mientras que los genes que codifican la proteína de la cubierta comienzan después, cuando ya no se necesitan nuevas moléculas de replicasa. Es entonces, cuando el gen que codifica a la cubierta suprime la acción del gen que codifica para la replicada. De esta forma, la actividad de síntesis se enfoca o en la producción de replicasas para la multiplicación o en la síntesis de las cubiertas proteicas de los virus.
Ciclo replicativo de los virus en cuanto al ciclo lisogénico
Anteriormente, describimos el proceso de replicación de bacteriófagos virulentos, es decir, son capaces de multiplicarse vegetativamente y destruyen la célula al final de su proceso de replicación. Sin embargo, los fagos o virus temperados, además de multiplicarse de forma vegetativa también pueden presentar un proceso conocido como lisogenia. Este proceso consiste en la permanencia de los fagos o virus en las células hospedadoras sin iniciar el proceso replicativo, permitiendo la persistencia y la propagación de una forma más sutil que en los casos descritos anteriormente. El estado lisogénico se encuentra determinado por la actividad de la región reguladores del genoma de los virus.
Estas células se pueden mantener por un tiempo indefinido con los fagos en su interior, hasta que ocurre un cambio en el medio extracelular, que activa el virus y comienza el proceso de replicación como si se tratase de un virus lítico. El ciclo lítico o el ciclo vegetativo de estos fagos es muy parecido al que se aprecia en los bacteriófagos virulentos.
No obstante, durante el tiempo que se lleva a cabo el proceso lisogénico, el ADN vírico adopta una forma circular, cerrándose en sus extremos, y se recombina con el ADN bacteriano en lugares específicos. Así, cuando el ADN bacteriano se duplique, el material genético también lo hará; este proceso puede durar por generaciones bacterianas antes de que el virus entre a la fase lítica.
Bibliografía
- Bernard D., D. et al. 1996.
- Corsini, G. y Navarro, L. 2020.
- Martinez López, H. 2016.
- Sánchez, M. 2010.
Puedes consultar también esta información: Bacterias y modo de reproducción
