Los virus y otros agentes infecciosos biología uba xxi

Vista previa del material en texto

Los virus y otros agentes infecciosos
Hace alrededor de un siglo, la pandemia de gripe española, causada por el virus H1N1, llevó a la
muerte del 5% de la población mundial: alrededor de 50 millones de personas (ver Figura 1). En el
año 2009, este mismo virus generó la pandemia de gripe A. Años antes, otra gran pandemia, la del
SIDA (Síndrome de la Inmunodeficiencia Adquirida), también tuvo en vilo a la humanidad. Sin
embargo, fue el virus de la viruela, hoy erradicado por las vacunas, el responsable de la mayor
cantidad de decesos a lo largo de la historia. Por ello, el SARS-CoV-2 responsable del COVID-19, no
ha sido el primero y con seguridad tampoco el último virus en trastocar nuestras vidas.
Figura 1. Hospital de emergencia en
Kansas, Estados Unidos durante la
epidemia de influenza H1N1 (1918).
Museo Nacional de Salud y Medicina
(NCP 1603).
Diversos factores, como los desplazamientos de personas en poco tiempo (por turismo, comercio
internacional o migraciones), la deforestación y el cambio climático, pueden favorecer la emergencia
de nuevos virus y/o acelerar la propagación de los ya existentes. Como ejemplo podemos nombrar
enfermedades como el dengue y la fiebre amarilla, transmitidos por un mosquito o el síndrome
pulmonar por hantavirus, transmitido por un roedor. En este último caso, distintos cambios
agroecológicos propiciaron la pérdida del hábitat natural del roedor y favorecieron así el contacto del
virus con los humanos.
Entre los agentes infecciosos no formados por células, además de los virus, podemos nombrar a los
viroides y a los priones, que infectan a organismos vegetales y al sistema nervioso de algunos animal,
respectivamente.
Les invitamos a descubrir este micromundo con la certeza de que con mayor información podremos
tomar mejores decisiones.
1
Virus
La mayoría nos hemos vacunado contra enfermedades infecciosas causadas por virus, tales como el
sarampión, la poliomielitis, la hepatitis A y B y, tal vez también, contra la fiebre amarilla y el
COVID-19, entre muchas otras (ver Figura 2). Precisamente, gracias a las vacunas, enfermedades
graves como el sarampión, la viruela y ahora el COVID-19, pudieron ser controladas.
Por otro lado, seguramente también hemos escuchado hablar del VIH (Virus de la Inmunodeficiencia
Humana), responsable del SIDA o el VPH (Virus del Papiloma Humano), causante del cáncer de
cuello de útero.
Figura 2. Imágenes al microscopio electrónico coloreadas artificialmente del virus del Herpes
HVS1 a la izquierda, del Ébola en el centro y del SARS-CoV-2 a la derecha. Sus tamaños
pueden variar entre 20 y 1000 nanómetros o más (un nanómetro= 0.000000001 metros o 10-9
mts). El virus del ébola puede incluso alcanzar longitudes mayores. https://phil.cdc.gov (CDC
Public Health Image Library -PHIL-).
Sin embargo, no todos los virus son necesariamente dañinos. Existe una gran variedad de virus no
patógenos que se hospedan en nuestros tractos gastrointestinales y epitelios y de los cuales hasta
ahora se sabe muy poco.
Características que definen a los virus
Dado que se trata de partículas extremadamente pequeñas, no visualizables al microscopio óptico,
recién en el año 1935 se pudo aislar y estudiar por primera vez a un virus: el del mosaico del tabaco.
Sus diámetros oscilan entre 20 y 1000 nanómetros y, si bien existen virus que pueden alcanzar el
tamaño de una célula procarionte, se trata de excepciones. A modo de ejemplo, en la cabeza de un
alfiler podrían caber decenas de millones de virus.
Podemos describir algunas de sus principales características:
● No están formados por células, por lo que no cuentan con una membrana plasmática ni
citoplasma ni ribosomas. Por ello no presentan un metabolismo propio y tampoco pueden
regular su medio interno (homeostasis).
2
https://phil.cdc.gov
● Necesitan de una célula viva para multiplicarse dado que requieren de su maquinaria
metabólica y de estructuras subcelulares como los ribosomas y mitocondrias, entre otros
elementos celulares. Por esta razón se los considera parásitos intracelulares obligados.
● Contienen un genoma (material genético) que puede ser ADN (ácido desoxirribonucleico) o
ARN (ácido ribonucleico).
● Presentan proteínas de fijación que les permiten infectar a las células.
● De acuerdo al tipo de virus, pueden transportarse de una célula a otra por distintas vías (por
vía aérea, por fluidos corporales como sangre, semen, saliva o incluso por materia fecal).
Los virus, ¿están vivos?
Esta pregunta no puede responderse fácilmente ya que no tiene una única respuesta. En la
comunidad científica hay quienes piensan que sí y quienes piensan que no. Porque, si bien carecen
de una estructura celular, de metabolismo y de homeostasis propias y no pueden multiplicarse por sí
mismos, presentan un genoma propio de ADN o ARN, basado en el mismo código genético que los
organismos vivos. Y, al igual que en éstos, su material genético puede variar, lo que les permite
adaptarse a nuevos entornos y, con el tiempo, evolucionar.
Por otro lado, los ciclos de multiplicación al interior de las células que parasitan son sumamente
complejos. Por ello, algunos grupos de investigación proponen una nueva categorización: organismos
vivos “acelulares”. Aquí consideraremos, hasta que no haya un mayor consenso en la comunidad
científica, considerarlos como “partículas subcelulares, o estructuras biológicas no vivas”.
¿Cómo se conforman los virus?
Si bien los virus presentan una gran variación en cuanto a su forma y tamaño, cuentan con ciertas
estructuras en común (ver Figura 3):
3
Figura 3. Ejemplos de tres tipos de morfologías virales. Todos los virus presentan material genético (genoma),
que puede ser tanto ARN como ADN, y una cápside protectora a. Bacteriófago o virus que afecta a
procariontes o, b. Virus desnudo, sin envoltura, que afecta a células eucariontes, y c. Virus envuelto, con una
envoltura lipídica que rodea la cápside, que afecta a células eucariontes. Las proteínas de fijación pueden estar
ubicados en la cápside o en la envoltura viral.
● El material genético o genoma (ADN o ARN) que porta los genes, es decir, la información
necesaria para formar las nuevas partículas virales o viriones.
● Una cápside de naturaleza proteica, que protege y rodea al material genético y que puede
adoptar distintas formas (ver Figura 4).
● Las proteínas de fijación (en algunos casos se denominan espículas o spikes) están presentes
en las superficies virales y permiten al virus unirse e ingresar a las células que van a infectar. Si
un virus carece de estas proteínas, no podrá ingresar y, por ende, tampoco infectar a la célula.
Estas proteínas actúan como antígenos, es decir, estructuras que el cuerpo reconoce como
extrañas y contra las cuales genera anticuerpos (proteínas del sistema inmune relacionadas
con procesos de defensa). Esto nos permite detectar la presencia de una infección viral
analizando la presencia de anticuerpos específicos contra un virus en la sangre del paciente.
Figura 4. Distintas formas que adoptan las cápsides virales. A la izquierda, una cápside de un
Adenovirus. A continuación, una cápside compleja, característica de bacteriófagos. A la derecha, dos
tipos de cápsides filamentosas: la del virus del Ébola y la del virus del mosaico del tabaco.
4
● Una envoltura lipídica, que rodea la cápside, pero que no siempre está presente. Cabe
aclarar que no se trata de una membrana plasmática, dado que no presenta una
permeabilidad selectiva ni rodea un citoplasma celular. Se trata de un fragmento de membrana
que perteneció a la última célula que infectó este agente. Los virus que cuentan con una
envoltura membranosa de naturaleza lipídica son más fáciles de eliminar con detergentes ya
estos que la desintegran y, junto a ella, se pierden los antígenos virales. Este sería el caso de
virus como el SARS-CoV-2.
Se denomina partícula viral o “virión” a una unidad viral completa y con capacidad de infectar a
otros organismos. Por otro lado, el conceptode virus se suele referir generalmente al conjunto de
estas partículas o a una familia viral determinada.
Vale aclarar que cada tipo de virus tendrá especificidad, de acuerdo a las proteínas de superficie que
presenta, por un tipo de organismo y/o célula. Los virus que afectan a las células procariontes se
denominan “fagos o bacteriófagos” (ver Figura 3.a). Por otro lado, los que afectan a células
eucariontes (ver Figura 3.b y 3.c), pueden ser tanto desnudos como envueltos.
¿Cómo se multiplican los virus?
El ácido nucleico viral (ADN o ARN) es clave para la multiplicación del virus ya que aporta toda la
información necesaria para la formación de nuevas partículas virales. Sin embargo, será la célula
infectada la que interpretará, es decir, decodificará, la información contenida en el ADN o ARN viral
para la formación de nuevas partículas virales. Los virus no se multiplican por un proceso de división
similar a las células, sino que sus componentes se “ensamblan” dentro de las células y luego se
liberan. Al infectar una célula, a partir de una única partícula viral, se pueden originar miles de
partículas. Esta infección puede llevar incluso a la muerte de la célula infectada.
El ciclo viral o ciclo de multiplicación viral es el conjunto de pasos o etapas desde que el virus es
reconocido por la célula hasta la formación de nuevas partículas virales en el interior celular y su
liberación al espacio extracelular. Cabe aclarar que tanto el modo de ingreso a la célula como el
proceso de multiplicación pueden variar de un virus a otro.
a- Ciclos virales en células procariontes
El primer paso de una multiplicación viral consiste en introducir el ADN o el ARN dentro de la célula.
En el caso de los bacteriófagos o fagos, deberán perforar la pared celular procariota e introducir a
través del orificio su material genético (ver Figura 5). La cápside quedará fuera de la célula y será
descartada.
5
Figura 5. Bacteriofago inyectando su ADN
dentro del citoplasma de una célula
procariota. La cápside no ingresa a la célula y
será descartada. A fines didácticos, en este
esquema y en los subsiguientes no están a
escala el tamaño del bacteriófago y de la
célula bacteriana.
Los fagos pueden multiplicarse gracias a dos mecanismos alternativos (ver Figura 6):
-El ciclo lítico, que lleva a la ruptura (lisis) y muerte de la célula procariota.
-El ciclo lisogénico, donde la bacteria no muere pero el material genético del virus (ADN)
queda integrado al ADN celular. En este caso, cada vez que la bacteria se divida, las células
hijas portarán el mismo ADN viral que la bacteria progenitora.
Figura 6. Ciclos líticos y lisogénicos de bacteriófagos que afectan a procariontes.
6
-Pasos de un CICLO LÍTICO VIRAL (ver Figura 6, izquierda):
1-Fijación o adsorción: el fago se une a los receptores de la célula por medio de sus proteínas
de fijación.
2-Penetración: el fago inyecta el ADN dentro de la célula bacteriana.
3- Síntesis y replicación: la célula bacteriana sintetiza a partir de la información genética viral
las distintas biomoléculas necesarias para formar las partículas virales.
4- Ensamblado: los componentes virales se ensamblan formando partículas virales.
5- Lisis de la célula y liberación de las partículas virales: por acción de los nuevos viriones se
induce la ruptura, es decir, la lisis de la célula hospedadora y se liberan las partículas virales
infectantes.
-Pasos de un CICLO LISOGÉNICO VIRAL (ver Figura 6, derecha):
En este caso se repiten los pasos 1 y 2 pero la diferencia reside en que el ADN del fago se
integra en el ADN bacteriano. Este ADN viral integrado en el ADN de la bacteria se denomina
profago y cada vez que la bacteria se divida se replicará junto al ADN viral.
Determinados cambios en el entorno de la bacteria pueden revertir este proceso y transformar el
profago en un un virus activo. En este caso se desencadenará un ciclo lítico (con sus fases de
replicación, ensamble y liberación) que llevará a la ruptura de la célula hospedadora.
Cabe aclarar que en diversas infecciones causadas por bacterias (como la escarlatina, la difteria
y el síndrome urémico hemolítico), la capacidad de generar el daño se debe a la presencia de
fagos integrados en el ADN bacteriano y no a la bacteria en sí. Estos profagos portan la
información genética para generar toxinas que vuelven más patógena a la bacteria.
b- Ciclos virales en células eucariontes
Existen distintas maneras de ingresar y multiplicarse en las células eucariontes. Esto dependerá,
entre otras cosas, si es un virus envuelto o desnudo.
A continuación se ejemplifica el ciclo de multiplicación viral correspondiente a un virus de ARN como
es el SARS-CoV-2 (ver Figura 7).
7
Figura 7. Las etapas de la multiplicación viral de un virus que infecta células eucariotas infectando a una
célula animal. En este caso se ejemplifica el ciclo del virus SARS-CoV-2, responsable de la enfermedad
COVID -19. 1. Fijación o adsorción. 2a y b. Penetración y decapsidación. 3. Síntesis. 4. Ensamblaje. 5.
Liberación.
1- Fijación o adsorción: Los virus se unen de manera específica a ciertos receptores de la célula
por medio de sus antígenos virales. Y si bien estos receptores son específicos para moléculas
propias del cuerpo, los virus han “copiado” la zona de la molécula que se une al receptor y de esta
manera ingresan. Es decir, han copiado la “llave” de ingreso a la célula. En la figura 8, a la derecha,
se puede ver una imagen al microscopio electrónico del SARS-CoV-2 fijándose a una célula que
presenta receptores para ese tipo de virus.
2- Penetración (a) y decapsidación (b): Las partículas virales ingresan a la célula mediante la
invaginación de la membrana plasmática de la célula. A continuación pierde la cápside.
3- Síntesis: la célula sintetiza (fabrica) a partir de la información genética viral las distintas
biomoléculas del virus (proteínas y ARN viral). Para ello aporta sus propias biomoléculas,
estructuras celulares como ribosomas y mitocondrias y la energía celular.
4- Ensamblaje: Los componentes virales se ensamblan formando los nuevos viriones.
5- Liberación: la célula hospedadora libera a las partículas virales. En este proceso, porciones de
la membrana plasmática rodean a las cápsides virales y se forma así la envoltura viral. De esta
manera, los nuevos viriones abandonan la célula rodeados de una envoltura que proviene de la
8
membrana plasmática de la célula hospedadora. A partir de ahora los virus están en condiciones de
infectar células vecinas. De esta manera prosigue el ciclo de infección. En la figura 7, a la izquierda,
se puede observar una célula infectada por el virus del Ébola de la cual brotan cientos de partículas
virales filamentosas de este virus.
Figura 8. Imágenes al microscopio electrónico que muestran respectivamente la liberación y el ingreso de virus a las
células. A la izquierda se observan partículas virales del Ébola que brotan de una célula ya infectada por el virus. A
la derecha se observa la fijación del virus del SARS-CoV-2 a una célula que presenta receptores para el mismo.
https://phil.cdc.gov
El VIH (Virus de la Inmunodeficiencia Humana) presenta un ciclo infectivo más complejo dado que su
material genético ingresa al núcleo de la célula hospedadora y se integra, de manera similar a de los
profagos, al ADN de la célula. Allí puede permanecer durante mucho tiempo, durante el cual se
forman y liberan de manera continua nuevas partículas virales de la célula.
En este video se explican distintos aspectos de los virus, entre ellos el proceso de multiplicación viral.
¿Cuáles pueden ser las vías de transmisión de los virus? En el caso de los virus respiratorios, como
los de la gripe estacional o del coronavirus, la vía de transmisión más común es la aérea. En otros
casos, como el del VIH o del virus de la hepatitis B, su contagio suele ser a través de fluidos
corporales como sangre, semen y flujos vaginales. Sin embargo, independientemente de la vía de
transmisión, todoslos virus deberán ingresar a una célula para llevar a cabo su ciclo de multiplicación.
¿Cómo detectar una infección viral?
En muchos casos detectamos la presencia de una infección por virus a través de la sintomatología:
gripe, erupciones de piel, verrugas, etc. Pero para confirmar su presencia y el tipo de virus implicado
habrá que efectuar estudios de laboratorio:
-Análisis directos: detectan la presencia del virus por medio de su material genético (ADN o ARN) o
de sus proteínas virales (antígenos) (ver Figura 9). En el caso de los virus que afectan el tracto
9
https://phil.cdc.gov
https://www.youtube.com/watch?v=wdh_DTDZHwU&list=PL71h9nkUDIJcjA_pNmMJDF7UiqXpDVgan&index=7
respiratorio, como por ejemplo el SARS-CoV-2, las muestras se pueden obtener por medio de
hisopados.
-Análisis indirectos: se realizan en la sangre y se analiza la presencia de anticuerpos generados por
el paciente contra el virus. Cabe aclarar que estos anticuerpos también aumentan luego de una
vacunación.
Figura 9. Distintas maneras de detectar en el laboratorio la presencia de un virus. Como ejemplo se
presenta al SARS-CoV-2, que se puede investigar en muestras de tracto respiratorio, por medio de
hisopados o bien en muestras sanguíneas. En los hisopados se determina la presencia del virus por
medio de la búsqueda de antígenos o de ácidos nucleicos virales. En sangre se determina la presencia
de anticuerpos generados por el paciente.
¿Evolucionan los virus?
El material genético de los virus puede modificarse, es decir, puede mutar, al igual que el de los
organismos formados por células. Estos cambios, originados muchas veces por errores durante el
proceso de copiado del ADN o del ARN, pueden llevar, entre otros, a que el virus se fije o que ingrese
más rápidamente a las células. Esto favorecería su velocidad de propagación. Los virus de ARN,
entre ellos, los coronavirus o el VIH, presentan altas tasas de mutación. Al modificar su material
genético, se modifica también la estructura de sus proteínas, entre ellas, las de fijación. En su
mayoría, estos cambios no suponen ventajas o incluso no favorecen a los virus. Pero en algunas
pocas situaciones como las antes nombradas pueden ser ventajosos ya que les permiten “adaptarse”
a nuevos entornos y a la larga, evolucionar.
Si bien los términos adaptación y evolución se aplican a los organismos vivos (conformados por
células), también ocurren en virus. Esto constituye un elemento más para considerarlos organismos
vivos. En la cátedra, optaremos por de pronto por la postura de virus como partícula inanimada o ser
no vivo, ya que definimos como vivo aquello que está conformado por una o muchas células.
10
Virus y Cáncer
Actualmente se supone que alrededor del 10% de los tumores tienen un origen viral. Aquellos virus
capaces de inducir estos procesos se denominan oncogénicos. Muchos de estos virus tienen la
capacidad de integrar su material genético al ADN de la célula hospedadora de manera similar al ciclo
lisogénico y así generar cambios en el material genético de la célula infectada. Esto puede llevar, al
cabo de un tiempo, a una desregulación de la división de las células. Como ejemplos de este tipo de
virus podemos citar al VPH (virus del papiloma humano) y al VHB (el virus de la hepatitis B),
causantes del cáncer de cuello de útero y del carcinoma hepático respectivamente.
Viroides y priones
Ambos son agentes infecciosos conformados solamente por un tipo de biomolécula. Se diferencian
principalmente por las moléculas que los constituyen, sus mecanismos de patogenicidad y los
organismos a los que infectan.
Los viroides están conformados exclusivamente por una molécula de ARN que no porta información
genética, pero que interfiere con la interpretación, es decir con el procesamiento, de la información
genética de las células que ellos infectan. Son agentes infecciosos causales de enfermedades de
importancia económica en plantaciones.
Por otra parte, los priones están constituídos exclusivamente por proteínas. Infectan a células del
sistema nervioso central y son responsables de patologías neurodegenerativas letales características
de mamíferos, también conocidas como encefalopatías espongiformes transmisibles. Una
problemática importante es que son resistentes a los procesos de esterilización que se utilizan
habitualmente para eliminar los distintos tipos de agentes infecciosos.
Podemos resumir entonces las principales diferencias entre estos tres agentes infecciosos (virus,
viroides y priones):
-los ciclos de replicación y mecanismos de patogenicidad de los virus suelen ser mucho más
complejos y diversos que los de las otras partículas infecciosas.
- el tipo de molécula/s que los constituyen. Mientras que los virus presentan un material genético,
proteínas e hidratos de carbono, los priones únicamente están formados por proteínas y los viroides
solo presentan ARN.
11