Die Biochemie der Viren

284 Pages·1954·12.3 MB·German

by  Professor Dr. Phil. Gerhard Schramm (auth.)

ORGANISCHE CHEMIE IN EINZELDARSTELLUNGEN
HERAU~GEGEBEN VON
HELLMUT BREDERECK UND EUGEN MDLLER
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DIE BIOCHEMIE
DERVIREN
VON
GERHARD SCHRAMM
PROFESSOR DR. PHIL.
MAX-PLANCK-INSTITUT FUR VIRUSFORSCHUNG, TUBINGEN
MIT 67 ABBILDUNGEN
SPRINGER-VERLAG
BERLIN· GOTTING EN . HEIDELBERG
1954
ISBN-\3: 978-3-642-86219-9 e-ISBN-\3: 978-3-642-86218-2
DOl: 10.1007/978-3-642-86218-2
ALLE RECHTE, INSBESONDERE DAS DER UBERSETZUNG
IN FREMDE SPRACHEN, VORBEHALTEN
OHNE AUSDRUCKLICHE GENEHMIGUNG DES VERLAGES 1ST ES AUCH NICHT
GESTATTET, DIESES BUCH ODER TEILE DARAUS AUF PHOTOMECHANISCHEM
WEGE (PHOTOKOPIE, MIKROKOPIE) ZU VERVIELFALTIGEN
COPYRIGHT 1954 BY SPRINGER-VERLAG OHG.
Softcover reprint of the hard cover 1st edition 1954
BERLIN . GOTTINGEN • HEIDELBERG
BRUHLSCHE UNIVERSITATSDRUCKEREI GIESSEN
Vorwort der Herausgeber.
Entsprechend unserer Absicht, in unserer Sammlung auch die Bio
chemie besonders zu pflegen, erscheint mit dem vorliegenden Band als
erster Beitrag aus dem Gebiet der Biochemie eine "Biochemie der Viren".
Wir sind uns sehr wohl bewuBt, daB es im gegenwartigen Stadium
der Virus-Forschung nicht moglich ist, ein solches Buch allein fUr den
Chemiker oder selbst fUr den Biochemiker zu schreiben. Es richtet
sich daher in gleicher Weise an biochemisch interessierte Chemiker,
Mediziner, Biologen und auch Physiker. Yom Standpunkt der Bio
chemie geschrieben, versucht es die Eigenschaften und Wirkungen der
Viren als Ganzes zu erfassen.
HELLMUT BREDERECK. EUGEN MOLLER.
Vorwort.
Das Gebiet der Virusforschung ist weit verzweigt. Human- und
Veterinarmediziner, Phytopathologen, Entomologen und Mikrobiologen,
Biochemiker und Biophysiker sind .an ihr in gleichem MaBe beteiligt.
Es sind eine Reihe von Werken erschienen, in denen Teilgebiete, wie
ctwa die menschlichen Viruskrankheiten oder die pflanzlichen Virosen,
yom Standpunkt der jeweiligen Fachrichtung behandelt werden.
Das vorliegende Biichlein stellt einen Versuch dar, die Eigenschaften
und Wirkungen der Viren als Ganzes yom Standpunkt der Biochemie zu
iiberschauen. Bei der lebhaften Entwicklung, in der sich die Virus
forschung befindet, ist es schwer, diese Aufgabe befriedigend zu lOsen.
Erleichtert wurde es dem Verfasser dadurch, daB er Gelegenheit hatte,
mit sehr verschiedenartigen Viren selbst zu experimentieren oder
wenigstens ihre Bearbeitung aus nachster Nahe zu beobachten.
Es wird eine erste Einfiihrung erstrebt, die eine Querverbindung
zwischen den beteiligten Fachrichtungen herstellen solI. 1m ersten Teil
sind die allgemeinen Probleme und die Methoden zur Untersuchung del'
Viren geschildert. Um einem Leserkreis mit sehr verschiedenartigem
Interesse und unterschiedlicher Vorbildung gleichermaBen verstandlich
zu sein, wurde den einzelnen Abschnitten jeweils ein Uberblick iibel' die
Grundlagen der Verfahren vorangestellt. Dies bringt allerdings die
Gefahr mit sich, daB dem Spezialisten einige Kapitel zu banal, andere
schwer verstandlich erscheinen. 1m zweiten Teil werden die Virusal'ten
im einzelnen besprochen und die bisher gesammelten biochemischen
Daten nach Moglichkeit kritisch gewertet.
Die Literatur konnte selbstverstandlich nicht vollstandig beriick
sichtigt werden; dies gilt vor allem fUr den allgemeinen Teil. Durch
Hinweise auf ausfUhrliche Arbeiten diirfte aber auch eine Einarbeitung
in sehr spezielle Fragestellungen moglich sein.
Zu besonderem Dank bin ich Frl. Dr. WIEDEMANN fUr ihre Mitarbeit
an dem Manuskript verpflichtet.
Tiibingen, im Dezember 1953.
GERHARD SCHRAMM.
Inhaltsverzeichnis.
A. Allgemeiner Teil.
1. Einleitung. . . . . . 1
II. Einteilung und Benennung der Virusarten 5
1. Bakteriophagen . . . . . . . . . . . 7
2. Phytopathogene Viren . . . . . 7
a) Annahernd kugelformige kristallisierbare Virusmolekiile 7
b) Stabchenformige Viren ....... 7
c) GroBe, sich in Insekten vermehrende Pflanzenviren 8
3. Zoopathogene Virusarten. . . . . . . . . . . . . 8
a) Insektenviren . . . . . . . . . . . . . . . . 8
oc) 1. Genus: Borrelina (Polyeder-Viren) S.8. - (3) 2. Genus:
Paillotella S. 8. - y) 3. Genus: Bergoldia (Kapselviren) S. 8. -
6) 4. Genus: Morator S. 8.
b) Viren der WarmbliIter .................. 8
oc) Annahernd kugelformige Viren mIt einem Durchmesser von
< 50 mft S. 9. - (3) Kugelformige Viren mit einem Durch
messer zwischen 50 und 150 mft S. 9. - y) Viren mit unregel
maBigen Formen S. 9. - 6) Quaderformige Viren S. 10. -
c) Viren der Psittakose-Lymphogranulom-Gruppe S. 11. -
~) Nicht klassifizierbare Viren S. 11.
Ill. Nachweis und quantitative Bestimmung der Viren 12
1. Quantitative Bestimmung der Viruswirksamkeit 15
2. Virusmenge und Infektionserfolg 18
IV. Reindarstellung der Virusarten 20
1. Allgemeine Grundlagen 20
2. Chemische Darstellungsverfahrcn 23
3. Reindarstellung der Viren durch fraktionierte Zentrifugierung 26
4. Praparative Elektrophorese . 28
5. Priifung der Einheitlichkeit. . . . . . . . 32
V. GroBe und Gestalt. . . . . . . . . . . . . 33
1. Untersuchung ungereinigter Viruspraparate . 33
a) Ultrafiltration . . . . . . . . . . . . 33
b) Biologische Bestimmung der Sedimentations- und Diffusions-
konstanten ...... . . . . . . . . . . . . 34-
2. Elektronenmikroskopische Untersuchung. . . . . . . 35
a) Theoretische Grundlagen der Elektronenmikroskopie 36
b) Praparationstechnik .. . . . . . . . . . . . . 38
c) Ausmessen der Objekte . . . . . . . . . . . . . 40
3. Molekulargewichtsbestimmung aus Sedimentation und Diffusion 41
a) Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . 41
b) Technik der Ultrazentrifuge ........... 44
c) Optische Methoden zur Beobachtung der Sedimentation 47
d) Bestimmung der Diffusionskonstanten ..... 49
e) Bestimmung des partiellen spezifischen Volumens 49
f) Bestimmung der Hydratation . . . . . . . . . 50
VI InhaltBverzeichnis.
4. Viscositatsbestimmung. . 51
5. Stromungsdoppelbrechung 53
Lichtstreuung ..... 54
6. Weitere Verfahren 54
a) Monomolekulare Schichten 54
b) Dielektrische Dispersion 55
c) Rontgenuntersuchung 55
d) Kleinwinkelstreuung 55
e) Ultramikrometrie. . . 56
VI. Elektrochemische Eigenschaften der Viren. 56
1. Physikalische Grundlagen . . . . . . 56
2. Messung der Wanderungsgeschwindigkeit 58
VII. Chemische Eigenschaften der Viren 59
1. Zusammensetzung. . 59
2. Chemisches Verhalten 65
a) Bestandigkeit 65
b) Chemische Reaktionen 66
c) Strahlenempfindlichkeit 67
3. Innerer Aufbau der Viren 69
VIII. Immunologische Eigenschaften der Viren 73
1. Allgemeine Grundlagen . . . . . . 73
2. Nachweis der Antigen.Antikorper-Reaktion 76
3. Anwendung serologischer Reaktionen 78
IX. Virus und Wirt . . . . . . . . . . . 80
1. Allgemeine Grundlagell ...... 80
a) Ubertragung der Viruskrankheiten 81
b) Eintritt des Virus in die Zelle. . . 82
c) Verschmelzung des Virus mit der Zelle 83
d) Cytologische Veranderungen in der infizierten Zelle 84
e) Vorstufen der Virusbildung. . . . . . . . . . . 86
f) Ausbreitung der Viren im Organismus und sekundare Symptome
bei den Viruskrankheiten . . . . . 87
g) Virusvermehrung und Zellwachstum 88
2. Infektionsverlauf bei den Phagen 90
a) Eintritt in die Zelle und Verschmelzung 90
b) Verlauf der Vermehrung. . . . . . . 92
c) Vermehrung der Untereinheiten. . . . 93
d) Lyse . . . . . . . . . . . . . . . 95
e) Stoffwechselveranderungen wahrend des Vermehrungsvorgangs 95
f) Proteinstoffwechsel . . . 97
g) Nucleinsaurestoffwechsel . . . . . . . . 98
h) Lysogener Zustand . . . . . . . . . . . 99
3. Infektionsverlauf bei den tierischen Virusarten 101
a) Hamagglutination. . . . . . . . . . . 101
b) Verschmelzung zwischen Virus und Zelle 103
4. Infektionsverlauf bei den Pflanzenviren 107
5. Interferenz 109
6. Zusammcnfassung iiber den Vermehrungsvorgang 112
X. Mutation der Viren. . . . . . . . . . . . 113
1. Auslosung der Mutation . . . . . . . . 113
2. Strukturelle Anderungen bei der Mutation 116
3. Entstehung der Virusarten . . . . . . . 117
InhaltBverzeichnis. VII
XI. Bekampfung der Viruskrankheiten ll8
1. Therapie ........ . ll8
2. Schutzwirkung ..... . 120
3. Anwendung der Viren zur Schadlingsbekampfung 122
B. Spezieller TeD.
Beschreibung der einzelnen Virusarten.
I. Gruppe: Kristallisierte Pflanzenviren mit annahernd isodiametrischer
Form ............ 124
1. Bushy stunt-Virus der Tomate 124
2. Tabak Necrose-Virus 127
3. Turnip yellow mosaic-Virus 129
4. Southern bean mosaic-Virus 131
5. Weitcre isodiametrische Pflanzenviren 132
J 1. Gruppe: Stabchenformige Pflanzenviren 133
1. TabakmosaikviruR 133
2. Kartoffel-Viren . . . 168
a) KartofIel X-Virus 168
b) Kartoffel Y-Virus 171
c) Weitere Kartoffelviren 173
3. 'Veitere stabchenfbrmige Viren 174
III. Gruppe: GroBe, sich in Insekten vermehrende Pflanzenviren 175
IV. Gruppe: Bakteriophagen 175
1. StaphylococcuB-Pha~e 176
2. T-Phagen 176
3. Weitere Phagen 184
V. Gruppc: Insektenviren 184
1. Polyederviren der Insekten (Borrelina) 184
a) Polyedervirus der Seidenraupe. . . 185
b) Polyedervirus der Nonne . . . . . 191
c) Polyedervirus des Schwammspinners 191
d) Weitere Polyederviren ..... 192
2. Kapselviren dcr Insckten (Bergoldia) 192
3. Spharische Polyederviren (Smithia) . 195
4. Insektenviren ohne EinschluBkorper (Morator) 195
VI. Gruppe: Annahernd kugelfiirmige Viren der Warmbliiter mit einem
Durchmesser unter 50 mfl 196
1. KaninchenpapiIlom-Virus 196
2. Encephalitisviren . . . . 199
a) Viren der amerikanischen Pferde-Encephalitis 199
b) Venezuela-Pferde-Encephalitisvirus . . . 204
c) Gruppe der japanischen B-Encephalitis und der damit ver-
wandt en Stammc. . . . . . . . . . . 204
3. Poliomyelitisviren. . . . . . . . . . . . 206
Verschiedene Stamme und ihre Differenzierung 206
4. Encephalomyokarditisviren ....... . 212
5. Coxsackie-Viren. . . . . . . . . . . . . . 216
6. Neurotrope Viren mit unbekannter Morphologie . 218
a) Lymphocytische Choriomeningitis 219
b) Virus der Tollwut . . . . . . . . . . . 219
c) Virus der Bornaschen Krankheit der Pferde 220
7. Virus der Maul- und Klauenseuche ..... 221
VIII Inhaltsverzcichnis.
VII. Gruppe: KugelfOrmige Viren der Warmbliiter mit einem Durchmesser
iiber 50 mit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
1. Virus der klassischell Gefliigelpest (fowl plague, Europaische Pest) 225
2. Influellzavirus . . . . . . . . . 229
3. Schllupfenvirus . . . . . . . . . . . . . . . . 237
4. Pneumonievirus der Maus (Horsfall) . . . . . . . 237
5. Weitere tierische und menschliche Plleumonievirell. 238
Erreger der atypischen Pneumonie des Mellschen 238
VIII. Gruppe: Viren der Warmbliiter mit unregelmaBiger Gestalt. 239
l. Virus des Mumps . . . . . . . . . . . . 239
2. Virus der atypischen Gefliigelpest . . . . . 240
IX. Gruppe: Quaderformige Virell der Warmbliiter 243
1. Virus der Varicellen und des Zoster 243
2. Vaccinevirus . . . . . . . . . 245
3. Virus der Ektromelie der Maus . 250
4. Virus des Molluscum cOlltagiosum 251
5. Myxomvirus des Kaninchens . . 251
X. Gruppe: Viren der Psittakose-Lymphogranuloma-Gruppe 252
a) Virus der Bronchopneumonie der Maus 252
b) Virus der Psittakose und andere . . . 254
XI. Pleuropneumonieahnliche Organismen 255
XII. Morphologisch weniger gut untersuchte Viren 257
l. Tumorbildende Viren 257
a) Virus des Rous-Sarkoms 257
b) Brustkrebsfaktor der Maus 259
c) Virus und Krebs ..... 260
2. Viren der Herpes simplex-Gruppe 261
a) Herpes simplex-Virus . . . . 261
b) Virus der Keratoconjunctivitis 262
c) Virus der Aujeszky-Krankheit 263
d) B-Virus .......... . 263
e) Viren anderer Blaschenerkrankungen 26il
3. Viren der exanthemischen Erkrankungen des Menschen. 264
4. Hepatitisvirus . . . . . . . . . . . . . . 265
5. Viren einiger tierischer Allgemeinerkrankungen 266
a) Virus der infektiosen Anamie der Pferde . 266
b) Virus der siidafrikanischen Pferdesterbe 266
c) Virus der asiatischen Rinderpest 266
d) Virus der Schweinepest. . . . 267
e) Virus der Hundestaupe .... 268
Verzeichnis groBerer Sammelwerke 268
N amen verzeichnis 269
Sachverzeichnis . 274
A. Allgemeiner Teil.
I. Einleitung.
Die Viren nehmen eine Mittelstellung ein zwischen den parasitaren
Mikroorganismen und den endogenen selbstvermehrungsfahigen Ein
heiten der Zelle, den Chromosomen und Plastiden. Auch sie besitzen die
Fahigkeit zur Selbstreproduktion und konnen Mutationen erleiden.
Den biologisch nachweisbaren Veranderungen bei der Mutation ent
sprechen chemische Veranderungen in der Struktur der Virusteilchen,
die Generationen hindurch unverandert auf die Nachkommen iibertragen
werden konnen. Die Eigenschaften der Nachkommen werden also nicht
durch die Zelle bestimmt, in der sie entstehen, sondern durch das Virus
teilchen, das sie erzeugt. Dies ist aber das wesentliche Kennzeichen der
Selbstvermehrung. Die Voraussetzungen, unter denen eine Vermehrung
erfolgen kann, sind bei den Organismen verhaltnismaBig einfach.
Sie besitzen einen Stoffwechsel, der ihnen gestattet, aus einfachen
Stoffen ihrer Umgebung das komplizierte Gesamtsystem des Organismus
aufzubauen. lsolierte Teile aus diesem System, wie etwa die Chromo
somen, sind als solche nicht vermehrungsfahig. Voraussetzung hierfUr ist
ein spezifisches intaktes Cytoplasma. Die Viren sind eben falls nicht in
der Lage, sich auBerhalb der lebenden Zelle zu vermehren, da ihnen ein
Stoffwechsel fehlt. Es gelingt nicht, sie auf unbelebten Nahrboden zu
ziichten. Sie stellen aber keine derartig speziellen Anspriiche an die Art
des Cytoplasmas, in dem sie sich vermehren. Wenn es auch unter ge
wissen Umstanden gelingt, einen Zellkern in ein fremdes Cytoplasma zu
verpflanzen, so ist doch im allgemeinen die gegenseitige Verkniipfung der
Bestandteile in einer Gesamtzelle so eng, daB eine erfolgreiche Dber
tragung nicht moglich ist. Fur die Viren ist dagegen gerade die In
fektiositat, d. h. die Fahigkeit, in eine fremde Zelle einzudringen, kenn
zeichnend. 1m allgemeinen bedeutet der Eintritt eines Virus in die
Wirtszelle eine Schadigung fUr diese, so daB die meisten Viren Krank
heitserreger sind, jedoch ist die krankmachende Wirkung nicht wesentlich
flir die Virusnatur eines Agens. Es kann auch zu einer mehr oder weniger
harmlosen Symbiose kommen, die durch yiele Zellgenerationen ohne
Schadigung yom Wirt vertragen wird, oder es kann sogar von positivem
Wert flir die Zelle sein, das Virus zu beherbergen. Es sei hier nur an die
tumorbildenden Viren erinnert, die den infizierten Zellen eine gewisse
Dbedegenheit gegenuber den anderen Zellen des Organism us yersehaffen.
Weiterhin sind in der letzten Zeit Agentien bekannt geworden, die
zumindestens den Viren sehr nahestehen und deren Anwesenheit fur die
befallene Zelle von Vorteil ist. Es sind dies die yon SONNEBORNl
1 SONNEBORN, T. M.: Cold Spring Harbor Symp. Quant. BioI. 11, 236 (1946).
Schramm, BlOchemie der Ylren. 1
2 Einleitung.
untersuchten ,,-Faktoren der Paramacien. Diese verleihen gewissen Para
macienrassen (killers) die Eigenschaft, andere Individuen (sensitives),
die diesen Faktor nicht besitzen, zu toten. Der ,,-Faktor ist nach Art
eines Virus ubertragbar. Je nachdem, ob man einen exogenen Ursprung
annimmt oder nicht, kann er als Virus oder als normaler selbstvermeh
rungsfahiger Plasmabestandteil bezeichnet werden, wobei der flieBende
Dbergang zwischen diesen beiden biologischen Gebilden deutlich zutage
tritt.
Auch in ihrem strukturellen Aufbau nehmen die Viren eine Mittel
stellung ein zwischen den vollstandigen Organismen und den ver
mehrungsfahigen Zellorganellen. Ihre GroBe ist im allgemeinen geringer
als die der Mikroorganismen. Es ist bisher ublich gewesen, vermehrungs
fahige Agentien, deren GroBe unter 300 mf-l liegt, als Viren anzusprechen.
Reute darf dieses Kriterium fUr sich allein nicht mehr als ausreichend
zur Unterscheidung zwischen Mikroorganismen und Viren betrachtet
werden, denn es sind Mikroorganismen bekannt geworden, die sich durch
eigenen Stoffwechsel und Vermehrung auf kunstlichen Nahrboden ein
deutig als solche erweisen, die aber in ihrer GroBe und Gestalt den Viren,
die diese biologischen Fahigkeiten nicht besitzen, sehr ahnlich sind.
Es sind dies die blaschenformigen Abwasserorganismen und die L-Orga
nismen, die wahrscheinlich eine besondere Zustandsform der Bakterien
darstellen. Innerhalb der Viren findet man sehr mannigfache Formen.
Allen ist gemeinsam, daB sie Protein und Nucleinsaure enthalten, die
gleichen Bestandteile, die sich auch in den selbstvermehrungsfahigen
Einheiten der Zelle finden. Die groBten Virusarten sind in ihrem Aufbau
den oben erwahnten Mikroorganismen sehr ahnlich. Eine Unterscheidung
ist hier nur durch die biologischen Merkmale moglich. Strukturelle
Unterschiede konnten hier nicht festgestellt werden, jedoch fehlen noch
eingehende Untersuchungen uber die Ausstattung mit Enzymen, die
vielleicht interessante Verschiedenheiten zutage fordern wurden. Mit
abnehmender GroBe wird auch der chemische Aufbau der Viren immer
einfacher. Bei den groBeren tierischen Virusarten finden wir noch
Merkmale, die einer Zelle entsprechen, etwa eine Membran und Innen
strukturen, die sich im Elektronenmikroskop zu erkennen geben.
Chemisch lassen sich in diesen Viren auBer Protein und Nucleinsaure
noch Lipoide und Kohlenhydrate nachweisen. Bei den Viren mittlerer
GroBe ist die chemische Zusammensetzung ebenfalls recht kompliziert,
jedoch ist ihr Aufbau sehr verschieden von dem einer Zelle. Sie gleichen
vielmehr Teilen einer Zelle, die zusatzlich mit den fUr die spezielle Virus
funktion, n:amlich das Eindringen in die Wirtszelle, notwendigen Vor
richtungen ausgerustet sind. Es lassen sich enzymatische Faktoren
nachweisen, die zerstDrend auf die Zellmembran wirken. Bei den ein
fachsten pflanzlichen Virusarten haben wir es schlieBlich mit kristallisier
baren Molekulen definierter Zusammensetzung zu tun, die in ihrem
Aufbau normalen, nicht vermehrungsfahigen EiweiBstoffen entsprechen.
AuBer Protein und Nucleinsaure sind keine weiteren Bestandteile nach
weisbar. Es handelt sich also mit Sicherheit nicht urn Organismen.
Sie sind viel eher mit vermehrungsfahigen Zellelementen zu vergleichen,