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1、第二章 病毒的特性和分类第一节 病毒的形态和结构病毒形态是指电子显微镜下见到的病毒大小、形状和结构。为了便于理解病毒的形态结构，首先介绍一些有关的术语。1. 蛋白亚单位(protein subunit)：指一条特殊折叠的多肽链。例如分子质量为35 ku的脊髓灰质炎病毒VP1蛋白。2. 结构单位(structure unit)：由一种或一种以上不同蛋白亚单位聚合而成的病毒组件，如小RNA病毒的VP1、VP2、VP3和VP4，又称蛋白质单体（monomer）或原体(protomer)。3. 聚合单位(assembly unit)：指一组亚单位或结构单位，是形成更大结构的重要中间体或亚聚合物，如多瘤
2、病毒和SV40病毒的VP1五聚体。4. 形态单位(morphological unit)：又称壳粒(capsomere)，是指在电镜下见到的突出病毒表面明显的团块，由蛋白亚单位构成，是病毒形态学上的结构，其可分为顶角上的五邻体和面、棱上的六邻体。5. 衣壳(capsid)：是指已经或即将与核酸进行组装的蛋白外壳。衣壳是由许多球形或管状亚单位即壳粒按一定的对称规律构成。具有保护病毒核酸作用，也是病毒核酸由一个宿主细胞转移到另一宿主细胞的工具。6. 核衣壳(nucleocapsid)：是指病毒的蛋白-核酸复合体，由中心的核酸和外包的蛋白质衣壳两者构成。7. 囊膜(envelope)：为一些比较复杂
3、的病毒核衣壳外面的一层（或几层）富含脂质的外膜。8. 纤突(spike)：或称囊膜粒(peplomer)，即为囊膜内镶嵌的突出于表面的杆球状或穗状病毒特异蛋白质。图2-1 病毒粒子结构模式图9. 病毒子(virion)：是指一个形态和结构上完整的成熟病毒个体，又称病毒粒子，或病毒颗粒。无囊膜的病毒，核衣壳就是病毒完整的成熟个体；有囊膜的病毒，在核衣壳外被囊膜后才成为病毒子。病毒子是病毒从细胞到细胞，或从宿主到宿主的传播形式。一个简单的病毒粒子主要由中心的核酸(DNA或RNA)外包一层蛋白质组成的外壳(即衣壳)两个部分组成。一些比较复杂的病毒，在核衣壳外面还有一层（或几层）富含脂质的外膜(即囊图
4、2-2 口蹄疫病毒电镜照片及其表面的细微结构示意图膜)。也有一些病毒如20面体的病毒和痘病毒，在核酸的外面紧包着一层蛋白质膜（内衣壳），这种内部结构称为芯髓（corn）或类核体（nucleoid），再外才是衣壳（图2-1）。在不同的病毒中，芯髓的组成是不一样的，有些简单，有些复杂。某些病毒，例如流感病毒，在囊膜和核衣壳之间还有一层病毒特异的内膜蛋白。近年来，应用X衍射、氨基酸测序结合电脑空间构像模拟技术等，发现了某些在电镜下未曾发现的细微结构，例如微RNA病毒(picornavirus)颗粒表面的沟槽(canyon)或环突(loop)（图2-2）。一、病毒子的大小图2-3 主要种类动物病毒的形
5、态结构和相对大小病毒是自然界中最小的生物。最大的病毒，如痘病毒，直径达200 nm以上，可在普通光学显微镜下看到，但是绝大多数病毒是超显微的，仅能在电子显微镜下观察到。最小的病毒，例如细小病毒（Parvovirus）和小RNA病毒（Picornavirus），体积与最大的蛋白质分子相仿，如血青蛋白，直径约2030 nm。二、病毒的形态自电子显微镜发明后，才使病毒成为人们直接观察和研究的对象。随着电镜技术的改进，特别是磷钨酸盐为染料的阴性染色法（即负染法）以及X-线衍射技术的应用，使人们加深了对病毒粒子的形态结构的认识。据目前所知，病毒的形态大体有以下几种类型（见图2-3）。1圆形或近圆形：大多
6、数病毒粒子呈圆形或近圆形。圆形病毒的直径，小者20 nm，如小RNA病毒或细小病毒；大者可达150200nm，如疱疹病毒。经负染色后在高分辨力的电镜下观察，或x-线衍射研究，这些圆形病毒有呈20面立体对称，无囊膜的，如小RNA病毒、细小病毒等；也有内部为20面体或螺旋状的核衣壳，包外一层囊膜的病毒，前者如疱疹病毒、披膜病毒等，后者如反录病毒、布尼安病毒等。2杆状或长丝状：这些病毒核衣壳呈空心的螺旋状对称，有的无囊膜，也有的被囊膜。丝样形态常见于植物病毒，而在动物病毒，则只见于流感病毒等少数几种病毒，而且经常与圆形、椭圆形和短杆状等其它形态同时存在。丝状流感病毒有时长达几个微米（m），常见于初次
7、由人体分离的毒株。3弹状：病毒子外形呈子弹状，一头呈圆弧形，一头是平坦的，内部由螺旋对称的核衣壳紧密卷曲构成，外被一层囊膜，如弹状病毒。4砖状：病毒子呈砖状，如大多数痘病毒。核酸位于病毒子的中心，其外为一层蛋白质膜，两者组成类核体。在脊椎动物痘病毒中，类核体形似亚铃状，在凹陷的两侧各有一个很大的椭圆形“侧体”（lateral body）。类核体和侧体一起包在由微管状脂蛋白组成的衣壳（或囊膜）内（由磷脂、胆固醇和蛋白质组成），微管在病毒子表面形成无数突起呈桑椹状。在副痘病毒中，这些微管组成长丝，呈8字形盘绕，使病毒子形似椭圆的毛线团。5蝌蚪状：病毒子呈蝌蚪状，常见于各种噬菌体。人们最熟悉而研究最
8、详细的一类是大肠杆菌的T偶数噬菌体。它的头部为20面体结构，其中心为核酸，头部连接中空的尾部，尾部与头部连接处称颈部；尾部的中心为尾管，外面为能收缩的尾鞘。尾部的末端为基板，基板上有6个尾钉和6根很长的尾丝，它们都是吸附细菌的机构。必须说明，噬菌体的种类繁多，外形各异，上述形态和结构仅是一部分科属的特征。三、病毒的结构与化学组成病毒由核酸（RNA或DNA）和蛋白质组成。某些病毒，特别是动物病毒，除核酸和蛋白质外，还常含有脂质、碳水化合物和少量的其它成分。例如流感病毒除RNA和蛋白质外，还含有59%的多糖类、11%的磷脂和6%的胆固醇。少数植物病毒和噬菌体也含少量脂质。植物病毒含有RNA，而且多
9、数只有一种结构蛋白质。相反，动物病毒和噬菌体含有RNA或DNA，而且大多含有几种或更多的不同种类的蛋白质分子。病毒不含氨基糖酸，这是病毒与其他微生物，包括细菌、立克次氏体和衣原体等又一明显的区别。（一）病毒的核酸虽然同种病毒的核酸含量相当恒定，但在不同病毒之间，核酸含量的差异极大，例如流感病毒仅含0.8%的RNA，而大肠杆菌 l 噬菌体却含56%的DNA，痘苗病毒约含4%的DNA。1核酸的类型：核酸是病毒遗传信息和生物活力的物质基础。迄今发现的各种病毒，均只含有一类核酸，DNA或者RNA。即使是同一类核酸，它们的结构也多种多样。大部分病毒的DNA是双股的，RNA是单股的，但有些病毒不是这样，如
10、细小病毒的DNA为单股，呼肠弧病毒和双RNA病毒的RNA为双股。在DNA病毒中，DNA为一条不断裂的长链，一般认为是单分子；在多数RNA病毒中，RNA也是单分子，有些则分为n个节段，这就形成了几个分子。如呼肠孤病毒的RNA分为1012个节段，流感病毒的RNA分为8个节段，此外嵌砂样病毒、布尼安病毒、反录病毒的核酸都分节段。这些几个分子的基因组，可能疏松地连结在病毒粒子之内；病毒核酸大多呈线状，但是乳多空病毒的DNA呈环状，由多型瘤病毒抽提出来的DNA，应用DNA酶处理，环状DNA断裂成线状，感染性同时丧失。对于单股核酸的病毒，在病毒学中常以mRNA的碱基序列为标准，凡是与此相同的称为正股核酸，
11、与其互补的则称为负股。2核酸的分子量：病毒核酸的分子量随病毒种类而不同。于RNA病毒中，基因组的分子量变化范围较小，核酸的分子量为210613106，DNA病毒基因组的分子量变化范围较大，核酸分子量为1.6106200106。据估计，RNA病毒基因组的核苷酸数目有些可达40,000个左右，而在某些DNA病毒中，核苷酸数目可高达500,000个以上。假定一个基因约需1000个核苷酸，它的分子量在双股核酸中为70万，在单股核酸中为35万。这样最小的病毒所含有的基因仅能转译3-4种蛋白质，主要是病毒的结构蛋白质。有时某段核苷酸可为两个基因所共用，因此实际基因数要比理论推算要多一些。病毒核酸的碱基组成
12、并不特殊，但在不同病毒中，各种碱基的含量差别很大，例如G+C的含量，多者可达74%，少者只有35%。同属病毒的核酸的碱基组成相似，但不同属病毒之间的核酸的组成常有较大差别。3感染性核酸：病毒的核酸贮存病毒子的全部遗传信息，如把病毒核酸注入易感细胞内即能引起感染，产生完整的病毒子。自1956年从烟草花叶病病毒中分离获得具有感染性的核酸以来，目前已经可以从许多种类的动物病毒提取感染性核酸，但只限于一些小型和较小型病毒，主要是单链核酸病毒和病毒粒子内不含转录酶的病毒，而从中型和大型病毒中提取感染性核酸的试验不太成功。一般认为，这是因为大、中型病毒粒子中的核酸分子很长，极为脆弱，易在提取过程中破损、失
13、效的缘故。相反，小型病毒的核酸分子较短，抵抗力较强，易于保持活性。近年来已从腺病毒、疱疹病毒和痘病毒分离获得核酸，但其感染性尚待进一步证实。所以，没有囊膜和衣壳的提纯核酸能否感染细胞必须具备下列3个条件：（1）病毒核酸本身能作为mRNA，或者能利用宿主细胞的RNA聚合酶转录病毒mRNA，才具有感染性；（2）病毒子内不携带转录酶，因在核酸提纯过程中必须将其破坏和抛弃；（3）核酸不分节段，因用提纯的核酸感染时，不能使各节段完整地侵入细胞。在用感染性核酸进行感染性试验时，必须首先证明核酸样品中确实没有残存的病毒子，方法如下：（1）应用电子显微镜和微量化学或血清学方法，检查核酸样品中有无残留的病毒粒子
14、或蛋白质成分；（2）应用核酸酶处理，核酸迅速丧失感染性，但病毒粒子的感染力不受明显影响；（3）应用特异中和抗体处理，病毒子丧失感染力，但核酸的感染力并不明显降低。感染性核酸的感染范围通常广于其原来的病毒子，所谓不易感细胞常常也能支持病毒的生长，但在正常条件下病毒不能吸附和侵入这种细胞。这说明核酸以外的病毒成分，例如构成病毒外膜的蛋白质和脂类，可能在病毒的吸附和侵入细胞以及病毒核酸向细胞内释放等过程中，具有重要的影响。（二）病毒的蛋白质（主要介绍病毒的衣壳）蛋白质是病毒子核酸以外的又一重要组成成份，大多数病毒含有大量的蛋白质，约占病毒子总重的70%以上，少数病毒，如披膜病毒，蛋白质的含量较低，约
15、3040%。病毒子的蛋白质，是在病毒基因组的信息支配下于感染细胞内合成的，因此都是病毒特异的。但也可能混有少量的宿主细胞蛋白质，特别是以发芽方式增殖的病毒，例如禽髓母细胞增多症病毒。病毒子的蛋白质主要是结构蛋白质，但是病毒的基因组（特别是在大型DNA病毒）还常编码出另一些多肽链，后者只在病毒的复制过程中呈现一定作用，并不结合入病毒子中去，特称非结构病毒蛋白质，主要是某些酶蛋白。因此，病毒子中的蛋白质可分为4个主要种类，即衣壳蛋白、间质蛋白、囊膜蛋白和酶蛋白。衣壳蛋白包裹核酸，形成保护性外壳。间质蛋白位于外层脂质和衣壳之间，例如流感病毒的内膜蛋白，起到维持病毒内外结构的作用。囊膜蛋白主要是糖蛋白
16、，位于囊膜表面。病毒子的蛋白质构造，随病毒种类而有不同。结构简单的小型病毒，例如小RNA病毒和披膜病毒，只有少数几种蛋白质；但在结构复杂的病毒，例如痘病毒，病毒子内的蛋白质种类多达30种以上。这些蛋白质大多以壳粒的形式，镶嵌组成病毒子的衣壳。1病毒蛋白质功能：主要功能是对病毒核酸形成保护性外壳；与病毒子对细胞的吸附、侵入和感染有关。病毒子表面的蛋白质对于敏感细胞表面相补的受体的特殊亲和力，是某些病毒感染必不可少的前提；病毒蛋白质具有抗原决定簇，可使机体发生免疫反应，例如产生特异性抗体，与病毒子蛋白质结合后，常可使病毒丧失感染性（即中和作用）；病毒蛋白质具有毒性作用，是使动物机体发生各种毒性反应的主要成份，例如发热、血压下降、血细胞改变和其他全身性症状等。2病毒衣壳：病毒衣壳是包在核酸外面，多数是一层，少数是二层（如呼肠孤病毒
