Virus là gì? cấu trúc, phân loại, sự nhân bản, khả năng gây bệnh

Virus là gì?

Virus là một đơn vị sinh học nhỏ bé (kích thước từ 20 – 300 nm), có khả năng biểu hiện những tính chất cơ bản của sự sống:

– Gây nhiễm cho tế bào.

– Duy trì được nòi giống qua các thê hệ mà vẫn giữ tính ổn định về mọi đặc điếm sinh học của nó trong tế bào cảm thụ thích hợp. Nội dung được tư vấn bởi bác sĩ Phòng khám Phú Cường.

Phân biệt virus với vi khuẩn.

Đặc điểm cơ bản nhất để phân biệt là:

– Virus chỉ chứa một trong hai loại acid nucleic (ADN hoặc ARN).

– Virus sinh sản tăng lên theo cấp số nhân, còn vi khuẩn sinh sản theo kiểu phân đôi.

Những đặc điểm cấu trúc cơ bản.

Virus có cấu trúc rất đơn giản, không có enzym hô hấp và enzym chuyển hóa, vì vậy bắt buộc phải ký sinh trong tế bào cảm thụ.

Cấu trúc cơ bản.

Cấu trúc cơ bản còn được gọi là cấu trúc chung. Cấu trúc cơ bản bao gồm hai thành phần chính mà mỗi virus đều phải có: 

Acid nucleic (AN).

Mỗi loại virus đều phải có một trong hai acid nucleic: Hoặc ARN (acid ribonucleic) hoặc ADN (acid deoxyribonucleic). Những loại có cấu trúc ADN phần lớn đều mang ADN sợi kép. Ngược lại, loại mang ARN thì chủ yếu ở dạng sợi đơn.

Các acid nucleic (AN) chỉ chiếm từ 1 tới 2% trọng lượng của hạt virus nhưng có chức năng đặc biệt quan trọng:

– AN mang mọi mật mã di truyền đặc trưng cho từng loài.

– AN quyết định khả năng gây nhiễm trùng trong tế bào cảm thụ.

– AN quyết định chu kỳ nhân lên trong tế bào cảm thụ.

– AN mang tính bán kháng nguyên đặc hiệu. 

Thành phần capsid.

Capsid là cấu trúc bao quanh acid nucleic. Bản chất hóa học của capsid là protein. Capsid được tạo bởi nhiều đơn vị capsid bao gồm các phân tử protein có sắp xếp đặc trưng cho từng loài. Các đơn vị capsid đó được gọi là các capsomer.

Cùng với phần “lõi” AN, phần “vỏ” capsid của virus có thể sắp xếp đối xứng xoắn, đối xứng khối hoặc đối xứng phức hợp. Cấu trúc capsid có chức năng quan trọng:

– Bao quanh AN để bảo vệ không cho enzym nuclease và các yếu tô” phá hủy AN khác.

– Protein capsid tham gia vào sự bám vào những vị trí đặc hiệu của tế bào cảm thụ (với các loại không có bao envelop).

– Protein capsid mang tính kháng nguyên đặc hiệu. Capsid giữ cho hình thái và kích thước luôn được ổn định.

Cấu trúc riêng.

Cấu trúc riêng còn được gọi là cấu trúc đặc biệt, chỉ có ở một số loài nhất định để thực hiện những chức năng đặc trưng cho loại đó. 

Cấu trúc bao ngoài (envelop):

– Một số loài bên ngoài lớp capsid còn bao phủ một lớp bao ngoài, được gọi là envelop.

– Bản chất hóa học của envelop là một phức hợp: protein, lipid, carbohydrat, nói chung là lipoprotein hoặc glycoprotein. Nếu chỉ có màng thì đó là lớp dilipid. Nêu có thêm gai nhú (spike) thì đó là glycoprotein.

– Trên bao ngoài của một số loài có những núm lồi lên, mang những chức năng riêng biệt.

– Chức năng riêng của envelop: Tham gia vào sự bám trên các vị trí thích hợp của tế bào cảm thụ. Ví dụ: gpl20 của HIV hoặc hemagglutinin cúm. Tham gia vào giai đoạn lắp ráp và giải phóng virus ra khỏi tế bào sau chu kỳ nhân lên.

Envelop tham gia vào hình thành tính ổn định kích thưốc và hình thái. Tạo nên các kháng nguyên đặc hiệu trên bề mặt virus. Một số kháng nguyên này có khả năng thay đổi cấu trúc. 

Enzym.

Trong thành phần cấu trúc có một số enzym, đó là những enzym cấu trúc, chúng gắn với cấu trúc của hạt virus hoàn chỉnh. Các enzym cấu trúc có thể gặp:

Neuraminidase, ADN hoặc ARN polymerase, men sao chép ngược (Reverse transcriptase).

Mỗi enzym cấu trúc có những chức năng riêng trong chu kỳ nhân lên trong tế bào cảm thụ và chúng cũng mang tính kháng nguyên riêng, đặc hiệu ở mỗi loài.

Đặc điểm hình thể.

Virus có nhiều hình thể khác nhau: hình cầu, hình khối, hình sợi, hình que, hình chùy, hình khối phức tạp. Hình thể mỗi loại rất khác nhau nhưng luôn ổn định đối với từng loại.

Tùy theo cách sắp xếp của acid nucleic và capsid chia làm hai loại đối xứng:

– Đối xứng hình xoắn ốc: acid nucleic và các capsomer được sắp xếp dọc theo hình lò xo đều hay không đều.

– Đôi xứng hình khối: khi các capsomer được sắp xếp thành các hình khối cầu đa diện.

– Một số loài có thể sắp xếp đối xứng khối và đối xứng xoắn trên từng phần. Cách đối xứng này là đối xứng phức tạp.

Một vài khái niệm thuật ngữ quan trọng.

Virion.

Là một hạt virus hoàn chỉnh có cấu trúc cơ bản, một số có thêm những cấu trúc riêng. 

Virus thiếu hụt (Defective).

Là những hạt khiếm khuyết một vài thành phần cấu trúc trong quá trình sao chép. Những hạt thiếu hụt này có thể giao thoa với các hạt bình thường (virion) để tạo những hạt hoàn chỉnh. 

Giả virus (Pseudovirion).

Trong quá trình trùng hợp các capsid, đôi khi lại bao bọc acid nucleic của tế bào chủ thay vì bao quanh AN. Những hạt giả này khi quan sát dưói kính hiển vi điện tử chúng giống hệt các virion bình thường, nhưng chúng không có khả năng trùng hợp lại các hạt mới có acid nucleic “nhầm lẫn” trên.

Phân loại virus.

Có nhiều cách để phân loại. Theo hình thể, theo tầm quan trọng hoặc triệu chứng lâm sàng. Hiện nay có hai cách phân loại còn được sử dụng:

Phân loại theo triệu chứng học.

Cách phân loại cổ điển theo khả năng gây bệnh, nó thuận lợi cho lâm sàng nhưng thường không chính xác, bởi vì một loài có thể gây ra nhiều bệnh cảnh lâm sàng, ngược lại một bệnh cảnh lâm sàng cũng có thể do nhiều loài gây nên. 

Virus gây bệnh phổ biến: virus đi qua đường máu gây phát ban ngoài da: bệnh đậu mùa, đậu bò, bệnh sởi, rubella, sốt vàng, sốt xuất huyết, bệnh do virus đường ruột. 

Bệnh hệ thống thần kinh: bệnh bại liệt, bệnh do Coxsackie, ECHO, dại, viêm não, Herpes simplex, sởi, đậu, nhiễm trùng chậm. 

Bệnh ở đường hô hấp: cúm, á cúm, hợp bào, adenovirus. 

Gây bệnh khu trú ở da, cơ, niêm mạc: Herpes simplex týp 1 gây bệnh quanh niêm mạc miệng, týp 2 gây bệnh ở niêm mạc đường sinh dục, Herpangina, zona. 

Gây bệnh ở mắt: adenovirus, Newcastle, Herpes, đau mắt đỏ thành dịch do Enterovirus týp 70. 

Gây bệnh ở gan: loài gây viêm gan A, B, C, D, E; Herpes, Rubella. 

Gây viêm da dày, ruột: Rotavirus, Norwalkvirus. 

Lây lan qua đường tình dục: HIV, Cytomegalovirus, HPV – Papillioma, Herpes, HBV.

Cách phân loại này dễ nhớ và bước đầu chỉ được đường lây truyền nên có thể phòng bệnh và xử lý chất thải hợp lý.

Tuy vậy một loài có thể gây nhiều bệnh cảnh lâm sàng, một bệnh cảnh lâm sàng có thể do nhiều loài gây ra, do vậy cách phân loại này là không chính xác.

Phân loại theo cấu trúc và các đặc điểm hóa sinh học.

Cách phân loại này rất chính xác nhưng khó nhố và chỉ cho thấy các họ virus mà không biết được “thủ phạm” gây các bệnh cụ thể.

Sự nhân lên trong các tế bào cảm thụ.

Virus chỉ có thể nhân lên trong tế bào cảm thụ. Nhờ hoạt động của tế bào mà virus tổng hợp được các thành phần cấu trúc và tạo ra các hạt mới.

Quá trình nhân lên trong tế bào có thể chia thành 5 giai đoạn:

Sự hấp phụ trên bề mặt tế bào.

Sự hấp phụ được thực hiện nhờ sự vận chuyển trong các dịch gian bào giúp virus tìm tối tế bào cảm thụ.

Các thụ thể (receptor) đặc hiệu trên bề mặt tế bào cảm thụ sẽ cho các vị trí cấu trúc đặc hiệu trên bê mặt hạt virus gắn vào thụ thể. Ví dụ: gpl20 của HIV hấp phụ vào CD4 của các tế bào cảm thụ.

Sự xâm nhập vào trong tế bào.

Sự xâm nhập thành phần quan trọng nhất là acid nucleic theo các cơ chê sau:

– Nhờ enzym cởi vỏ của tế bào giúp virus cởi vỏ, giải phóng acid nucleic nhờ enzym decapsidase.

– Virus qua màng tế bào qua cơ chế ẩm bào hoặc nhờ phần vỏ capsid co bóp, bơm acid nucleic qua vách tế bào, xâm nhập vào trong tế bào cảm thụ.

Sự giải phóng lõi.

Sau khi xâm nhập, acid nucleic và có thể cả một số enzym (nếu có) được giải phóng ra khỏi vỏ capsid nhò các enzym phân huỷ của tế bào. Bước này còn được gọi là “giai đoạn cởi áo”.

Sự tổng hợp các thành phần cấu trúc.

Đây là giai đoạn phức tạp nhất của quá trình nhân lên và nó phụ thuộc loại AN. Nhưng kết quả CUỐI cùng là để tổng hợp được AN và các thành phần cấu trúc khác.

Dưới đây là ví dụ về ba loại có hai loại AN khác nhau. 

Loài có AN là ADN hai sợi.

– Từ khuôn mẫu ADN tổng hợp nên mARN, phục vụ cho tổng hợp nên ADN polymerase và ADN mối.

– Từ ADN mới được tổng hợp, mARN được tổng hợp để tạo thành protein capsid và các thành phần cấu trúc khác. 

Loài có AN là ARN một sợi dương.

ARN đồng thời là mARN để tổng hợp nên ARN polymerase và ARN mới, mARN này cũng được dùng để tổng hợp nên capsid.

Loài có ARN một sợi âm.

Virus loại này tổng hợp nên sợi bổ sung (sợi dương) làm mARN để tổng hợp nên các thành phần cấu trúc.

Loài có AN là ARN nhưng có enzym sao chép ngược.

Enzym sao chép ngược là ADN polymerase phụ thuộc vào ARN, hay còn gọi là reverse transcriptase viết tắt là RT (ví dụ virus HIV). Từ AKN, virus tổng hợp nên ADN trung gian. ADN này tích hợp vào nhiễm sắc thể của tế bào chủ.

ADN trung gian là khuôn mẫu để tổng hợp nên ARN và đây cũng là mARN đê tổng hợp nên các thành phần cấu trúc khác. Nhưng ADN tích hợp cũng có thể nằm im ở dạng provirus và dẫn đến các hậu quả khác.

Sự lắp ráp (assembly).

Nhờ enzym cấu trúc hoặc enzym của tế bào cảm thụ giúp cho các thành phần cấu trúc được lắp ráp theo khuôn mẫu gây bệnh tạo thành những hạt mới.

Sự giải phóng các hạt virus ra khỏi tế bào.

Virus có thể phá vỡ vách tế bào sau vài giò tới vài ngày tuỳ chu kỳ nhân lên của từng virus để giải phóng hàng loạt virus ra khỏi tế bào để tiếp tục một chu kỳ nhân lên mới trong tế bào cảm thụ.

Virus cũng có thể được giải phóng theo cách nẩy chồi từng hạt ra khỏi tế bào sau chu kỳ nhân lên.

Hậu quả của sự tương tác virus và tế bào.

Huỷ hoại tế bào chủ.

Sau khi virus xâm nhập và nhân lên trong tế bào thì hầu hết các tế bào bị phá hủy. Người ta có thê đánh giá sự phá hủy tế bào bằng hiệu quả gây bệnh cho tế bào (cytopathic effect = CPE) hoặc các ổ tế bào bị hoại tử.

Mỗi ổ tế bào bị hoại tử đó được gọi là một đơn vị plaque (Plaque forming unit: PFU). Có những tế bào bị nhiễm chưa đến mức bị chết, nhưng chức năng của tế bào này đã bị thay đổi.

Biểu hiện của sự nhiễm virus thành các bệnh nhiễm trùng cấp hoặc mạn tính là do sự huỷ hoại tế bào.

Sự sai lạc nhiễm sắc thể của tế bào.

Sau khi virus nhân lên bên trong tế bào, nhiễm sắc thể của tế bào có thể bị gây, bị phân mảnh hoặc có sự sắp xếp lại và gây ra các hậu quả như: 

Dị tật bẩm sinh, thai chết lưu.

Sự sai lạc nhiễm sắc thể thường gây những tai biến đặc biệt ở phụ nữ có thai trong những tháng đầu, chu kỳ gây bệnh trên phụ nữ có thai có thể biểu hiện bởi dị tật thai, hoặc thai chết lưu. 

Sinh khối u và ung thư.

Người ta gây khối u thực nghiệm do virus trên động vật. Cơ chế gây khối u có thể do virus làm thay đổi kháng nguyên bề mặt của tế bào, làm mất khả năng ức chế do tiếp xúc khi tế bào sinh sản hoặc kích hoạt gen ung thư.

Tạo hạt virus không hoàn chỉnh.

Còn gọi là DIP: Defective interfering particle Đó là những hạt không có hoặc có không hoàn chỉnh acid nucleic. Do vậy, các hạt DIP không có khả năng gây nhiễm trùng cho tế bào.

Những hạt DIP có thể giao thoa (interference) chiếm AN tương ứng đê trở nên gây bệnh. Các hạt DIP vẫn mang tính kháng nguyên đặc trưng.

Tạo ra tiểu thể.

Các tế bào nhiễm virus có thể xuất hiện các hạt nhỏ trong nhân hoặc trong bào tương của tế bào. Bản chất các tiểu thể có thể do các hạt không giải phóng khỏi tế bào, có thể do các thành phần cấu trúc chưa được lắp ráp thành hạt mới, cũng có thể là các hạt phản ứng của tế bào khi nhiễm.

Các tiểu thể này có thê nhuộm soi thấy dưới kính hiển vi quang học và dựa vào đó có thê chẩn đoán gián tiếp sự nhiễm virus trong tế bào. Hình thái tiểu thể nội bào được áp dụng trong chẩn đoán bệnh do virus dại đối với tế bào thần kinh.

Các hậu quả của sự tích hợp genom virus vào ADN tế bào chủ.

ADN hoặc ADN trung gian virus tích hợp vào ADN tế bào có thể dẫn tới các hậu quả khác nhau: 

Chuyển thể tế bào.

Chuyển thể (Transformation) gây nên các khối u hoặc ung thư. Nhiều virus có thế gây nên khối u và ung thư ở người hoặc động vật, đều do sự tích hợp genom của chúng vào ADN tế bào, gây ra sự sinh sản thái quá của tế bào. Các loại này mang theo gen ung thư hoặc kích hoạt gen ung thư của tế bào hoạt động. 

Thay đổi kháng nguyên.

Làm thay đổi kháng nguyên bề mặt của tế bào. Trên bề mặt tế bào bị ung thư do virus cũng có hiện tượng này. 

Thay đổi tính chất tế bào.

Do genom tích hợp vào genom của tế bào, làm tế bào thể hiện các tính trạng mối. Thí dụ: Phage E15 tích hợp vào genom của Salmonella làm Salmonella trở thành vi khuẩn có khả năng lên men đường lactose. 

Ngoại độc tố.

Một số vi khuẩn gây bệnh bằng ngoại độc tố là do chúng tích hợp genom của prophage. Ví dụ vi khuẩn bạch hầu hay Clostridium botulinum khi mang prophage sẽ trở nên sinh nhiều ngoại độc tô hơn bình thường. 

Trở thành tế bào tiềm tan.

Các loài ôn hòa xâm nhập vào tế bào, genom sẽ tích hợp vào nhiễm sắc thể của tế bào rồi phân chia vối tế bào. Các tế bào mang gen loài ôn hòa đó, khi gặp những kích thích của các tác nhân sinh học, hóa học và lý học thì các genom ôn hòa trở thành loài độc lực có thể gây ly giải tế bào. Vậy những tế bào tiềm tan có khả năng bị ly giải, người ta còn gọi chúng là tế bào mang provirus (tiền virus).

Sản xuất interferon.

Interferon bản chất là protein do tế bào sản xuất ra khi cảm thụ với virus. Interferon có thể ức chế sự hoạt động của ARNm, do vậy nó được sử dụng như một thuốc điều trị không đặc hiệu cho mọi nhiễm trùng do virus.

Virus và bệnh học.

Virus có khả năng gây bệnh cho ngưòi, động vật và cả vi khuẩn. Hiện nay đã tìm thấy trên 500 loài có khả năng gây bệnh cho người. Ngày càng nhiều loài mới được phát hiện, gây những vụ dịch đáng lo ngại.

Các bệnh nhiễm trùng do virus có thể là cấp tính, mạn tính, tiềm tàng hoặc nhiễm trung chậm và cũng có thê gây ung thư.

Các hậu quả của sự tương tác virus tế bào đã được trình bày ở mục trên, trong đó các bệnh nhiễm virus cấp hay mạn tính là hậu quả thường gặp nhất.

Để chẩn đoán được bệnh do virus gây ra, ngoài triệu chứng lâm sàng thì việc chẩn đoán phòng thí nghiệm có giá trị chắc chắn.

Các câu hỏi thường gặp về virus.