mini|Schema eines ikosaedrischen Kapsids (die Kugeln entsprechen den einzelnen Kapsomeren)
Als Kapsid oder Capsid (von , auf Deutsch etwa ‚kleine Kapsel‘) bezeichnet man bei Viren eine komplexe, regelmäßige Struktur aus Proteinen (Kapsidproteinen, , VCP oder nur CP), die der Verpackung des Virusgenoms dient. Ein Kapsid ist aus einer feststehenden Anzahl von Protein-Untereinheiten, den Kapsomeren, aufgebaut. Bei unbehüllten Viren bildet das Kapsid die äußerste Struktur des Virus und ist damit für die Anheftung und das Eindringen in die Wirtszelle verantwortlich; bei behüllten Viren interagiert das Kapsid mit der äußeren Virushülle (en. , enthält Lipide) und verleiht ihr häufig erst die nötige Stabilität.
Die Anordnung der Proteine eines Kapsids basiert auf verschiedenen Symmetrien und ist sehr vielgestaltig. Diese unterschiedlichen Strukturen und Symmetrien von Kapsiden haben wiederum Auswirkungen auf die biologischen Eigenschaften wie die Pathogenität, die Art der Virusvermehrung (Replikation) und die Umweltstabilität. Die Struktur des Kapsids dient auch als Kriterium der Einteilung von Viren innerhalb der Virus-Taxonomie.
Entdeckung 1956 schlossen Francis Crick und James Watson, dass die Verpackung der Nukleinsäure von Viren aus vielen identischen, notwendigerweise symmetrisch angeordneten Untereinheiten bestehen müsse, da die Nukleinsäure kleiner Viren nicht genug Protein kodieren könne, um sich damit zu bedecken. Die genetische Information müsse also durch viele Kopien identischer Proteine mehrfach genutzt werden.Francis Crick, James Watson: Structure of Small Viruses. Nature (1956) 177: S. 473–475. PMID 13309339 Noch im gleichen Jahr fand Donald Caspar durch Röntgenkristallographie die fünfzählige Symmetrie des Ikosaeders an einem Kristall aus Partikeln des Tomato-bushy-stunt-Virus.Donald Caspar: Structure of bushy stunt virus. In: Nature 1956, doi:10.1038/177475a0.
Kapsomer Als Kapsomer (pl. Kapsomere) bezeichnet man die kleinste regelmäßige Einheit, aus der ein Kapsid aufgebaut ist und die dessen Symmetrie bestimmt. Im einfachsten Fall besteht ein Kapsid aus identischen Kapsomeren, die wiederum nur aus einem Proteinmolekül bestehen. Sehr häufig jedoch besteht ein Kapsomer aus zwei bis fünf verschiedenen Proteinen, die sich zu einem regelmäßigen Kapsid zusammenlagern. Das Kapsid kann auch aus verschiedenen Kapsomeren aufgebaut sein, z. B. bestehen Adenoviren aus zwei unterschiedlichen Kapsomeren (Pentone und Hexone), die wiederum selbst aus verschiedenen Virusproteinen bestehen.
Geläufige Bezeichnungen für die Kapsidproteine sind: Hauptkapsidprotein (en. , MCP), Nebenkapsidprotein (en. , mCP), Virus-CP (VCP), oder die (bis zu fünf) Proteine werden durchnummeriert VP1, VP2 etc. – Bei den Cressdnaviricota wird das Kapsidprotein üblichereis mit CAP bezeichnet.
Die einzelnen Untereinheiten, aus denen ein Kapsomer wiederum aufgebaut sein kann, werden gelegentlich auch als Protomere bezeichnet.
Bei einer vorgegebenen Genomsequenz eines Virus können jene Proteine, die das Kapsomer bilden, sehr leicht erkannt werden, da sie in bestimmten Abschnitten eine hohe Konzentration von positiv geladenen bzw. basischen Aminosäuren (Arginin, Lysin, Histidin) enthalten. Diese basischen Proteindomänen der Kapsidproteine (Coreproteine) sind zur nicht-kovalenten Bindung an die negativ geladene virale Nukleinsäure notwendig, die verpackt werden soll.
Symmetrieformen Ikosaedrische Symmetrie Die häufigste Symmetrie eines Kapsids ist ein regelmäßiges Ikosaeder (Zwanzigflächner), da dieses unter allen regelmäßigen Vielflächnern (Polyeder) bei gegebener Kantenlänge das größte Volumen hat. Die Kantenlänge wird durch die Größe der Kapsomere und ihre Anzahl bestimmt. Bei der Darstellung von Virionen im Elektronenmikroskop (EM) oder mittels Röntgenstrukturanalyse entspricht jedoch bei vielen Viruskapsiden das Erscheinungsbild, also die äußere Gestalt, nicht einem Ikosaeder, sondern ist meist kugelförmig, teilweise mit herausragenden Proteinschleifen () versehen. Verbindet man aber gleiche Molekülpositionen der Kapsomere miteinander, so findet man eine ikosaedrische Anordnung der Kapsomere. Daher gilt es zwischen dem Begriff der Symmetrie eines Kapsids und der Form (Morphologie) eines Kapsids gut zu unterscheiden. Bei einigen Viren kann die innere Symmetrie eines Ikosaeders auch sofort an der äußeren Form erkannt werden, z. B. bei Mitgliedern der Familie Adenoviridae oder einigen Bakteriophagen.
Die meisten viralen Kapside mit ikosaedrischer Symmetrie sind isometrisch, d. h. alle Seitenkanten des Ikosaeders sind gleich lang, was am ehesten der Idealform eines mathematischen Ikosaeders entspricht.
Symmetrieachsen rahmenlos|ohne|100px
Für die Struktur des Ikosaeders sind drei Typen von Symmetrieachsen charakteristisch, die eine Rotationssymmetrie zeigen: durch gegenüberliegende Seitenkanten verläuft je eine Symmetrieachse mit zweistrahliger (180°) Symmetrie, durch gegenüberliegende Seitenflächen je eine dreistrahlige (120°) und durch gegenüberliegende Ecken je eine fünfstrahlige (72°). Die entsprechenden Symmetrien haben die Kapsomere oder ihre Anordnung auf dem Ikosaeder. So kann ein Kapsid aus Kapsomeren mit einer dreistrahligen oder einer fünfstrahligen Symmetrie aufgebaut sein; häufig haben die Kapsomerformen innerhalb eines Kapsids je nach Position auch verschiedene Symmetrien, da sie meist aus zwei, drei oder fünf identischen Proteinuntereinheiten bestehen. Die Anordnung der Kapsomere zu einer bestimmten Rotationssymmetrie ist nicht immer zwangsläufig durch die Struktur der Proteine vorgegeben. Es gibt bei manchen Viruskapsiden auch verschiedene Möglichkeiten der Anordnung zu einem Ikosaeder, was sich in der Bildung unterschiedlicher Viruspartikel (Virionen) mit gering verschiedenen Durchmessern bei demselben Virus zeigt. So bestehen die Kapside von natürlichen Virionen des Hepatitis-B-Virus überwiegend aus 180 Kapsomeren (T = 3, siehe unten), etwa 20 % der Kapside, jedoch aus 240 Kapsomeren (T = 4).M. Newman, F. M. Suk, M. Cajimat, P. K. Chua, C. Shih: Stability and morphology comparisons of self-assembled virus-like particles from wild-type and mutant human hepatitis B virus capsid proteins. Journal of Virology. (2003) 77(24): S. 12950–12960. PMID 14645551 Die biologische Bedeutung unterschiedlicher Kapsidsymmetrien bei demselben Virus ist bislang nicht geklärt.
Triangulationszahl
mini|hochkant=1.9|T=3: Das Kapsid besteht aus 60 asymmetrischen Einheiten, die aus 3 Bausteinen bestehen, also aus insgesamt 180 Teilen.
Zur genaueren Beschreibung eines ikosaedrischen Kapsids wurde 1962 von Donald Caspar und Aaron Klug eine geometrische Kennzahl eingeführt,Donald L. D. Caspar, Aaron Klug: Physical Principles in the Construction of Regular Viruses. Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology XXVII, Cold Spring Harbor Laboratory, New York 1962, S. 1–24. die sogenannte Triangulationszahl (T). Mit ihr kann man die Größe und die Komplexität eines Kapsids beschreiben.
Durch Zusammenlagerung von drei identischen Molekülen eines beliebigen unregelmäßigen, nicht-symmetrischen Proteins kann ein gleichseitiges (dreizählig rotationssymmetrisches) Dreieck gebildet werden. Diese Anordnung ist die kleinstmögliche symmetrische Einheit zur Ausbildung eines ikosaedrischen Kapsids. Da ein solches regelmäßiges Dreieck also aus mindestens drei Untereinheiten aufgebaut ist und ein Ikosaeder aus zwanzig solcher regelmäßiger Dreiecke besteht, sind mindestens 3 · 20 = 60 solcher Untereinheiten zur Ausbildung der einfachsten ikosaedrischen Symmetrie notwendig. Diese Mindestzahl von 60 wird durch die Triangulationszahl T = 1 beschrieben.
Größere und komplexere Kapside besitzen nur ganzzahlige Vielfache von 60, also z. B. häufig 180 (T = 3), 240 (T = 4), 960 (T = 16). Bei Kapsiden mit einer T > 1 entstehen sogenannte Pseudo-6-Symmetrien, bei denen Pentons und Hexons entstehen. Die jeweilige Anzahl an Hexons zwischen zwei Pentons ergeben die Triangulationszahlen h und k. Die Anzahl der Hexons in einer direkten Linie von einem Penton zum nächsten = h. Die Anzahl an Hexons, nachdem man einen „Knick“ in der direkten Linie zum nächsten Penton machen muss = k. Die geometrisch möglichen Triangulationszahlen ergeben sich dann aus der Formel T = h² + hk + k², wobei h und k ganze Zahlen sind.
Diese ideale „isometrische“ Kapsidform ist bei einigen Viren langgestreckt. Das länglich-gestreckte erscheinende Kapsid ist damit im geometrischen Sinne kein Ikosaeder mehr, sondern ein fünfeckiges, bipyramidales Antiprisma. Der Aufbau aus den Einzelteilen ist im Prinzip jedoch gleich. Obwohl es eigentlich nur noch eine Symmetrieachse gibt, sprechen Virologen bei diesen Formen trotzdem von einem „nicht-isometrischen“ Ikosaeder.
mini|hochkant=0.7|Virion-Modell der Geminiviridae, Geminialphasatellitinae und Tolecusatellitidae Weitere Abweichungen mit einer ausgezeichneten Ecke findet man in der Familie Mimiviridae (Mimivirus: Stargate) und Phycodnaviridae (Chlorovirus: Vortex mit Dorn).
Ein weiterer Sonderfall sind die „Zwillingsviren“ Geminiviridae (sowie deren Satelliten Geminialphasatellitinae und Tolecusatellitidae) mit zwei „aneinandergeklebten“ Ikosaedern. Diese Satelliten „borgen“ sich die Kapsidbausteine von den Geminiviridae (ihren Helferviren), was die übereinstimmende Morphologie erklärt.
Helikale Symmetrie Bei einigen Viren lagern sich die Kapsomere schraubenförmig zu einer helikalen Quartärstruktur um die zu verpackende Nukleinsäure; dabei bilden sie nach außen eine längliche Zylinderform. Der Durchmesser eines helikalen Kapsids ist durch die Größe der Kapsomere festgelegt, die Länge des Zylinders ist direkt abhängig von der Länge der zu verpackenden Nukleinsäure.
Unbehüllte (nackte) helikale Kapside kommen nur bei einigen Pflanzenviren (z. B. Tabakmosaikvirus, Lily-Mottle-Virus) und Bakteriophagen (Familie Inoviridae) vor, während Viren mit behülltem helikalem Kapsid bei Tieren weit verbreitet sind. Wichtige Krankheitserreger mit helikalem Kapsid sind beispielsweise die Influenzaviren, die Paramyxoviridae (z. B. das Mumpsvirus und Masernvirus), die Bunyaviridae oder Rhabdoviridae (z. B. das Tollwutvirus). Eine Sonderform der helikalen Symmetrie liegt bei der Virusgattung Torovirus vor. Hier bildet sich aus einem länglichen helikalen Kapsid ein geschlossener Ring mit der geometrischen Form eines Torus.
Spindel- oder zitronenförmige Archaeenviren (Bicaudaviridae, Fuselloviridae, Halspiviridae, Thaspiviridae) sind möglicherweise aus Viren mit helikaler Symmetrie entstanden, um mehr Genmateriel aufzunehmen.
Kopf-Schwanz-Aufbau mini|hochkant=0.7|Typische Morphologie der Myoviren (Morphotyp A), Podoviren (Typ C) und Siphoviren (Typ B); von links nach rechts; hier alle mit isometrischem Kopf.
Bei den Viren der Klasse Caudoviricetes mit Kopf-Schwanz-Aufbau hat der Kopf (das eigentliche Kapsid) eine (oft gestreckte) ikosaedrische Symmetrie; der (unterschiedlich lange) Schwanz hat dagegen eine helikale Symmetrie. Eine grobe Klassifikation dieser Viren erfolgt herkömmlich nach dem Morphotypen der Podoviren, Siphoviren und Myoviren (mit dem T4-Phagen).
Komplexe oder keine Symmetrie mini|hochkant=0.7|Komplexes, konisches Kapsid bei HIV-1
Manche Kapside besitzen weder eine eindeutig ikosaedrische noch helikale Symmetrie, trotz der regelmäßigen Struktur ihrer Form. Dies ist insbesondere bei Mitgliedern der Familie Poxviridae (Pockenviren) zu beobachten. Daher wird die Symmetrie dieser Viren als „komplex“ bezeichnet.