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1、第三节 非细胞形态 病毒(Virus),一、病毒的发现与研究,第一个记载的植物病毒病的是郁金香碎色病，因为至今荷兰阿姆斯特丹的Rijks博物馆还保存着一张1619年荷兰画师的一幅得病的郁金香静物画。当时一个得病郁金香球茎竟能换来牛、猪、羊甚至成吨的谷物或上千磅的奶酪。在1634-1637年的荷兰，这种嗜好达到了可称做“郁金香热”的高潮。使我们知道在十七世纪就存在一种植物病毒病-郁金香碎色病。,1892年从事烟草病工作的年青的俄国科学家伊万诺夫斯基(Ivanovski)发现感受花叶病的叶汁，即使经过细菌滤器的过滤也仍具有传染的性质。这项观察提示了存在一种比以前所知的任何一种都小的病原， 他认为该
2、病是由产生毒素的细菌 引起的。,1898年，荷兰科学家贝叶林克(Beijerinck)重复了伊万诺夫的验，他从患花叶病的烟草叶中挤出液，并使之通过细菌滤器（图3）。表明滤仍有侵染性。贝杰林克相信他的滤器阻挡住了细菌。将汁液置于琼脂凝胶块的表面时，发现侵染性物质在凝胶中以适当的速度扩散，而细菌仍滞留于琼脂的表面。因此认为这种侵染性物质要比通常的细菌小。贝杰林克用“病毒(Virus)”来命名这种史无前例的小病原体。不难看出真正发现病毒存在的是贝叶林克。,伊万诺夫斯基和贝叶林克 通过他们创造性工作发现了烟草花叶病毒，从而开创了病毒学独立发展的历程。,1898年德国细菌学家勒夫勒和弗施描述了动物上第一
3、个滤过性传染体即口蹄疫病毒。 1901年里德记述了第一个人类病毒即黄热病毒。,二、病毒的基本特性 1病毒的定义和特点和基本类型,病毒的定义：是一类比较原始的、有生命特征的、能够自我复制和严格细胞内寄生的非细胞生物。 病毒的特点： 形体微小，具有比较原始的生命形态和生命特征，缺乏细胞结构； 只含一种核酸，DNA或RNA； 依靠自身的核酸进行复制，DNA或RNA含有复制、装配子代病毒所必须的遗传信息； 缺乏完整的酶和能量系统；,2 病毒的结构、形态和大小,在病毒中有两种特殊情况，一种是类病毒（viroids），它是一种只含有RNA而缺少蛋白的具有感染性的独特因子，与之相反，朊病毒（prions）是
4、一种只含蛋白，缺少核酸具有感染性的特异因子。,病毒基本结构:（有囊膜的病毒粒子）,1）核 酸；2）衣壳 3）壳 粒；4）包 膜；5）刺 突,5,3,1,4,核衣壳,核酸,壳粒,病毒的形态,病毒的壳体有三种结构类型，与之相对应，病毒颗粒的形状大致可分为三种类型。 1.螺旋对称壳体：蛋白质亚基沿中心轴呈螺旋排列，形成高度有序、对称的稳定结构。 2.杆状病毒颗粒：螺旋对称的壳体形成直杆状、弯曲杆状和线状病毒颗粒。植物病毒多呈杆状，昆虫病毒中核型多角体病毒属成员也多呈杆状。 3.双对称结构壳体：仅少数病毒壳体为双对称结构。壳体由头部和尾部组成，包装有病毒核酸的头部通常呈二十面体对称，尾部呈螺旋对称。具
5、有双对称结构的典型例子是有尾噬菌体（tailed phage）。,不同的病毒形态图,病毒的大小,绝大多数病毒必须用电子显微镜才能观察，测量病毒大小的单位是纳米。多数单个病毒粒子的直径在100纳米左右，也就是说，把10万个左右的病毒粒子排列起来才可能用眼睛勉强看到。,代表性病毒的大小,病毒的基本类型,病毒分类图示,3 病毒的化学组成及其功能,病毒的基本化学组成是核酸和蛋白质。有包膜的病毒和某些无包膜的病毒除核酸和蛋白质外，还含有脂类和糖类。有的病毒还含有聚胺类化合物，无机阳离子等组分。,病毒的核酸：,核酸是病毒的遗传物质，是病毒遗传和感染的物质基础。一种病毒的病毒颗粒只含有一种核酸，DNA或者R
6、NA。除逆转录病毒基因组为二倍体外，其它病毒的基因组都为单倍体。,病毒的蛋白质：,蛋白质是病毒的另一类主要成份，组成蛋白质的氨基酸及顺序决定着病毒株系的差异，表现在免疫决定簇则决定其免疫特异性。病毒的蛋白质根据是否存在于病毒颗粒中分为结构蛋白和非结构蛋白。 非结构蛋白：指由病毒基因组编码的，在病毒复制或基因表达调控过程中具有一定功能，但不结合于病毒颗粒中的蛋白质。,壳体蛋白：,壳体蛋白是构成病毒壳体结构的蛋白质，由一条或多条多肽链折叠形成的蛋白质亚基，是构成壳体蛋白的最小单位。 功能： 构成病毒的壳体，保护病毒的核酸。 无包膜病毒的壳体蛋白参与病毒的吸附、进入，决定病毒的宿主嗜性，同时还是病毒
7、的表面抗原。,包膜蛋白：,构成病毒包膜结构的病毒蛋白质，包括包膜糖蛋白和基质蛋白两类。 功能： 是病毒的主要表面抗原，它们与细胞受体相互作用启动病毒感染发生，有些还介导病毒的进入。 还可能具有凝集脊椎动物红血球细胞、细胞融合以及酶等活性。 基质蛋白构成膜脂双层与核衣壳之间的亚膜结构，具有支撑包膜、维持病毒,毒粒酶：,毒粒酶根据功能大致分为两类： T4噬菌体的溶菌酶参与病毒进入、释放等过程 逆转录病毒的逆转录酶参与病毒的大分子合成,病毒的脂质：,许多病毒包膜内存在有脂类化合物，如磷脂、脂肪酸、甘油三酸脂和胆固醇等。这些脂类几乎都是由病毒粒子在细胞内成熟，在细胞膜处以葡生方式释放，直接从寄主细胞膜
8、上得到。病毒脂类存在与病毒的吸附和侵入有关。,病毒的碳水化合物：,除病毒的核酸中所含戊糖外，有的病毒还含有少量的碳水化合物，为核糖或脱氧核糖和磷酸组成的核酸骨架。有包膜病毒中碳水化合物以寡糖侧链的形式与蛋白质结合形成包膜糖蛋白。,其它组成：,在某些动物、植物病毒中存在多胺类有机阳离子，包括丁二胺、亚精胺、精胺等，它们大都结合于病毒核酸，对核酸的构型有一定影响。在某些病毒的病毒体中，还发现有其它的小分子量组份，如ATP，对噬菌体尾鞘收缩提供能量。,4 病毒的增殖,病毒缺乏增殖所需要的酶系统，只能在活的宿主细胞内增殖（自我复制）。绝大多数病毒复制过可分为下列六步：吸附、侵入、脱壳、生物合成、组装和
9、释放。,吸附,植物病毒迄今尚未发现有特异性细胞受体。在0-37内温度越高病毒吸附效率也越高，整个过程可在几分钟到几十分钟的时间内完成。,侵入,病毒通过以下不同的方式进入宿主细胞：注射式侵入、细胞内吞、膜融合以及其他特殊的侵入方式。注射式侵入：一般为有尾噬菌体的侵入方式。通过尾部收缩将衣壳内的DNA基因组注入宿主细胞内。细胞内吞：动物病毒的常见侵入方式。经细胞膜内陷形成吞噬泡，使病毒粒子进入细胞质中。膜融合：有包膜病毒侵入过程中病毒包膜与细胞膜融合。,脱壳,病毒感染性核酸从衣壳内释放出来的过程。有包膜病毒脱壳包括脱包膜和脱衣壳两个步骤，无包膜病毒只需脱衣壳，方式随不同病毒而异。,注射式侵入的噬菌
10、体和某些直接侵入的病毒可以直接在细胞膜或细胞壁表面同步完成侵入和脱壳。病毒粒子以内吞方式或直接进入细胞后，经蛋白酶的降解，先后脱去包膜和衣壳。以膜融合方式侵入的病毒，其包膜在与细胞膜融合时即已脱掉，核衣壳被移至脱壳部位并在酶的作用下进一步脱壳，病毒核酸游离并进至细胞的一定部位进行生物合成。病毒脱壳必须有酶的参与，脱壳酶来自宿主细胞，有的为病毒基因编码。,病毒的复制,病毒借助宿主细胞提供的原料、能量和场所合成核酸和蛋白质，期间所需的多数酶也来自宿主细胞。在病毒进入宿主细胞后生物合成阶段，胞浆中无病毒颗粒，称为隐蔽期（eclipse）。,（1）双链DNA病毒的复制,双链DNA病毒中的腺病毒、疱疹病
11、毒和乳多空病毒都在核内进行基因组的复制和衣壳的装配（见呼肠孤病毒的装配模型图和水疱性疱疹的出芽图）；有些病毒的基因组复制基本上在核内进行，而衣壳的装配却在细胞浆内。病毒在胞浆内脱壳后DNA进入核内，在寄主细胞转录酶的作用下合成mRNA，一部分基因组转录早期mRNA，它们转译早期蛋白质，包括酶和T抗原等。T抗原即肿瘤抗原，能促进细胞合成DNA。病毒DNA的复制依赖于细胞的核酸聚合酶，由此产生的子代DNA用于转录晚期mRNA，在胞浆内转译病毒的结构蛋白，并转移到细胞核内，供装配病毒粒子的衣壳。,（2） ssRNA病毒的复制,有些ssRNA病毒，一旦病毒颗粒中的RNA进入寄主细胞，就直接作为mRNA
12、，翻译出所编码的蛋白质，其中包括衣壳蛋白和病毒的RNA聚合酶。然后在病毒RNA聚合酶的作用下复制病毒RNA，最后病毒RNA和衣壳蛋白自我装配成成熟的病毒颗粒。这类病毒如TMV等。还有另一类ssRNA病毒，它们的复制特点是病毒颗粒中的ssRNA病毒为负链，进入寄主后不能直接作为mRNA，而是先以负链RNA为模板由转录酶转录出与负链RNA互补的RNA，再以这个互补RNA作为mRNA翻译出遗传密码所决定的蛋白质。这类病毒称之为负链非侵染型病毒，如莴苣坏死黄化病毒等。此外，还有一类特殊的ssRNA病毒即反转录病毒。该类病毒通常引起人和动物的肿瘤，其中包括造成人免疫性缺陷症的爱滋病病毒、白血病病毒、肉瘤
13、病毒等。在它们的髓核中携带反转录酶，能使RNA反向转录成DNA，丰富和发展了分子生物学的中心法则。,双链RNA病毒的复制,双链RNA病毒有两个特点，一是它的基因组为10-12条双链RNA分子；二是它有双层衣壳，而没有囊膜。病毒的RNA-RNA 聚合酶存在于髓核中，在该聚合酶的作用下病毒基因组转录正链RNA，它们自髓核逸出。它们既能作为mRNA，又能作为病毒基因组的模板。MRNA翻译结构蛋白，装配内层衣壳后，正链RNA进入，并形成双链RNA。然后又重复上述过程，最后获得了外层衣壳。,装配,病毒的结构成分核酸与蛋白质分别合成后，在细胞核内或细胞质内组装 成核衣壳。绝大多数DNA病毒在细胞核内组装，
14、RNA病毒与痘病毒类则在细胞质内组装。无包膜病毒组装成核衣壳即为成熟的病毒体，病毒的早期蛋白，即非病毒结构成分不组装入病毒，残留在感染细胞中。,释放,绝大多数无包膜病毒释放时被感染的细胞崩解，释放出病毒颗粒，宿主细胞膜破坏，细胞迅即死亡。 绝大多数有包膜病毒通过细胞内的内质网、空泡，或包上细胞核膜或细胞膜以出芽方式释放而成为成熟病毒，在一段时间内逐个释出，对细胞膜破坏轻，宿主细胞死亡慢。 从单个病毒吸附开始至所有病毒释放，此过程称为感染周期或复制周期。一个感染细胞一般释放的病毒数约为100-1000。,噬菌体的生长周期,噬菌体生长的测定一步生长曲线 噬菌体繁殖和其他病毒一样，其生活周期包括吸附
15、、侵入、复制、组装和释放5个阶段。,5 病毒的传播,动物病毒直接侵入动物暴露在外面的粘膜组织，例如呼吸道粘膜、消化道粘膜、眼睛粘膜等。 植物病毒的传播途径可以通过植物的伤口、昆虫、螨类、线虫、土壤真菌、种子以及农事操作等。,噬菌体(bacteriophage,phage)：是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒。 噬菌体具有病毒的一些特性：个体微小，可以通过滤菌器；没有完整的细胞结构，主要由蛋白质构成的衣壳和包含于其中的核酸组成；只能在活的微生物细胞内复制增值，是一种专性细胞内寄生的微生物。 噬菌体分布极广，凡是有细菌的场所，就可能有相应的噬菌体的存在。,三 噬菌体,噬菌体很小，在光镜
16、下看不见，需用电镜观察。不同的噬菌体在电镜下有三种形态：蝌蚪形、微球形和丝形。大多数噬菌体呈蝌蚪形，由头部和尾部两部分组成。,1 形态与结构,蝌蚪形噬菌体结构模式图,化学组成：噬菌体主要由核酸和蛋白质组成。核酸为噬菌体的遗传物质，为DNA或RNA，并由此将噬菌体分成DNA噬菌体和RNA噬菌体。蛋白质构成噬菌体头部的衣壳及尾部，起着保护核算的作用，并决定噬菌体外形和表面特征。 抗原性：噬菌体具有抗原性，能刺激集体产生特异性抗体。 抵抗力：噬菌体对理化因素及多数化学消毒剂的抵抗力比一般细菌的繁殖体强，75 30min灭活。噬菌体能耐受低温和冰冻，但对紫外线和X射线敏感。,根据噬菌体与宿主菌的相互关系，噬菌体可分为两类毒性噬菌体(virulent phage)：能在宿主细胞内复制增殖，产生许多子代噬菌体，并最终裂解细菌。温和噬菌体(temperate phage)：噬菌体基因与宿主染色体整合，不产生子代噬菌体，但噬菌体DNA能随细菌DNA复制，并随细菌的分裂而传代。 毒性噬菌体在敏感菌内以复制方式进行增殖，增殖过程包括：吸附、穿入、生物合成、成熟和释放。 噬菌体的复制周期或溶菌周期：从噬菌体吸附至细菌溶解释放出子代噬菌体的过程。,
