第三章 病毒和亚病毒

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1、第三章 病毒和亚病毒 目的要求： 通过本章的课堂教学，使学生了解病毒和亚病毒形态构造和组成；病毒的繁殖方式；了解病毒与人类的关系。 教学内容： 1 病毒的形态构造、病毒的繁殖方式 2、亚病毒 类病毒、拟病毒、朊病毒 3、病毒与实践 重点内容： 1、病毒的形态构造、病毒的对称结构 2、病毒的繁殖方式 2、亚病毒 病毒的发现和研究历史: 病毒的危害: 人们对病毒的认识最初是和疾病联系在一起，如天花病毒（Variola virus ）早在公元前 2-3 世纪存在，最早记载公元 860-932，公元 10 世纪，开始用人工接种预防天花，1980 年 5 月，世界卫生组织宣布天花消灭；流感病毒（Infl

2、uenza virus ）曾在 1346-1351 和 1918-1919 大流行，全球 1/5 人口，死亡 2500 万人。而在最近的几十年，一些新的危害人类生存的病毒相继出现，如人的爱滋病（acquired immune deficiency syndrome， AIDS）是由免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus ， HIV）引起，目前全世界有 1000 多万爱滋病患者，我国也有近 80 万人感染;2002 年底 2003 初在我国广东发现并流行的 SARS (Severe Acute Respiratory Syndrome)病原体是一冠状病毒变种（co

3、ronavirus ）。这些病毒都给人类造成了极大危害和恐慌。 病毒研究历史: 1892 年俄国学者伊万诺夫斯基首次发现烟草花叶病的感染因子能通过细菌滤器，病叶汁通过滤器后得到的滤液可再感染健康的烟草叶面使之发生花叶病。 1898 年荷兰生物学家贝哲林克进一步肯定了伊万诺夫斯基的结果，并给该病原体起名叫病毒。 1900 年前后，包括口蹄疫（foot and mouth disease ）在内的多种动植物病原体的滤过性特性被证明。 1935 年美国生物学家斯坦莱从烟草花叶病病叶中提取出了病毒结晶，该病毒结晶具有致病力，又证明了烟草花叶病毒结晶中含有核酸和蛋白质两种成份，而只有核酸具有感染和复制能

4、力。 1940 年，Kausche 首先用电镜观察到烟草花叶病毒颗粒；这些发现不仅为病毒学的研究奠定了基础，而且为分子生物学的发展作出了重大贡献。 第一节 病 毒 病毒的定义：病毒是一类由核酸和蛋白质等少数几种成分组成的超显微非细胞生物 ,其本质是一种含1DNA 或 RNA 的遗传因子, 能以感染态和非感染态形式存在。是超显微的、没有细胞结构的、专性活细胞内寄生的实体。 病毒有以下特点： 1)形体极其微小。“ 滤过性” 、只能通过电镜才能观察到； 2）没有细胞结构的“ 分子生物” ；例如一些简单的病毒仅由核酸和蛋白质外壳（coat ）构成，故可把它们视为核蛋白分子，而朊病毒甚至仅由蛋白质构成.

5、 3）一种病毒只含有一种核酸，DNA 或者 RNA。 4）大部分病毒没有酶系，不能进行独立的代谢作用。 5）必须依赖宿主细胞为其制备的核酸、蛋白质“ 元件” 的装配，实现其大量繁殖。严格的活细胞内寄生，没有自身的核糖体，没有个体生长，也不进行二均分裂。 6）离体条件下无生命的生物大分子状态。 7）对大多数抗生素不敏感，对干扰素敏感。 8）病毒核酸能整合到宿主的基因组中. 病毒的复制（replication ）：病毒感染敏感宿主细胞后，病毒核酸进入细胞，通过其复制与表达产生子代病毒基因组和新的蛋白质，然后由这些新合成的病毒组分装配（assembly ）成子代毒粒，并以一定方式释放到细胞外。病毒的

6、这种特殊繁殖方式称做复制（replication ）。 病毒是非细胞生物, 包括真病毒和亚病毒. 真病毒: 至少含核酸和蛋白质二种组分. 亚病毒: 类病毒: 只含有独立侵染性的 RNA 组分 拟病毒: 只含不具有独力侵染性的 RNA 组分 朊病毒: 只含单一蛋白质组分 一 病毒的形态构造和化学成分 (一）病毒的大小 病毒的个体非常微小，测量单位为 nm。大小可采用不同方法进行研究：电子显微镜法、分级过滤法、电泳法等。研究结果表明大多数病毒比细菌小得多，但比多数蛋白质分子大，而且病毒的大小相差很远。最大的病毒如痘病毒直径达 200nm 以上，最小病毒如 polio virus, 28nm。 (二

7、 )病毒的形态 毒粒的形状大致可分球形颗粒 (或称拟球形颗粒) 、杆状颗粒和复杂形状颗粒（如蝌蚪状，卵形）等少数几类。动物病毒多为：球形、卵圆形或砖形，如疱疹病毒、流感病毒。植物病毒多为杆状、丝状，如烟草花叶病毒。细菌病毒多为蝌蚪状，如噬菌体。 三）病毒粒的结构 病毒粒子系指完整的或结构完整、有感染性的病毒个体。在电子显微镜下呈现特定的形态。 核衣壳：由衣壳（Capsid）和核酸(Core or genome) 组成。 核酸(Core or genome) ：是病毒的核心和基因组，是病毒粒的基本结构。 衣壳（Capsid ）： 蛋白质外壳, 由蛋白质亚基按对称的形式，有规律地排列成特定的形状，

8、是病毒粒的基本结构。 包膜（Envelope ） ：核衣壳外被，为含有蛋白质或糖蛋白的类脂双层膜。它由脂类和多糖组成。这种2结构具高度的稳定性，可保护病毒核酸不致在细胞外环境中受到破坏。有些病毒粒子表面，尤其是在有囊膜的病毒粒子表面具有突起物，称刺突。 有包膜的病毒即为包膜病毒，而没有包膜的病毒也叫裸露病毒。 四）、病毒粒的对称体制及 3 类典型形态的病毒代表 由于衣壳粒排列组合的方式不同，使病毒粒子往往表现出不同的构型。主要有三种情况： 1. 螺旋对称的代表TMV ： 是衣壳粒螺旋对称病毒的典型代表，烟草花叶病毒呈直杆状，长 300nm，宽 15nm，中空内径 4nm，核心由 95%衣壳蛋白

9、和 5%的单链 RNA 组成，核酸是单链的 RNA，相对分子质量为 260 万，含有 6390个核苷酸。衣壳含 2130 个皮鞋状的蛋白亚基组成。亚基有规律地沿着中心轴呈螺旋排列，进而形成高度有序、对称的稳定结构。 2、二十面体对称的代表-腺病毒（Adenovirus）： 二十面体具有 12 个角、 20 个面和 30 条棱。蛋白质亚基围绕具立方对称的正多面体的角或边排列，进而形成一个封闭的蛋白质的鞘。腺病毒的核心是由线状双链 DNA 构成的。其基因组的大小都约为 36500 个核苷酸对。 若以一定数目的亚基排列成具有一定表面积的立方对称实体，以二十面体容积为最大，能包装更多的病毒核酸，所以病

10、毒壳体多取二十面体对称(icosahedral symmetry) 结构。 3、复合对称的代表-T 偶数噬菌体： 具有复合对称结构的典型例子是有尾噬菌体（tailed phage ） ,其壳体由头部、颈部和尾部组成。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。 五）、病毒粒的群体形态 病毒虽然是无法用光学显微镜观察的，但当它们大量集在一起并使宿主细胞发生病变时，就可用光学显微镜加以观察。 包涵体（Inclusion body ）： 病毒大量聚集并使宿主细胞发生病变时，形成的具有一定形态结构并用光镜加以观察和识别的特殊“ 群体 ”。呈圆形、卵圆形或不定形。它们多数位于细胞质内，具嗜酸

11、性，如天花病毒。少数位于细胞核内，具嗜碱性，如疱疹病毒。也有在细胞质和细胞核内都同时存在的，如麻疹病毒。 噬菌斑: 噬菌体感染细菌后，使细菌细胞破裂死亡，连续重复感染使大量的细菌死亡，这样在培养细菌的平板上，可以看到一个个透明不长细菌的小圆斑，由无数个噬菌体粒子组成的群体，称为噬菌斑。 空斑: 人工培养的单层动物细胞感染病毒后，也会形成类似噬菌斑的动物病毒群体，称为空斑。 病斑 :单层动物细胞受到肿瘤病毒的感染后，会使动物细胞恶性增生，形成类似细菌菌落的病灶，称为病斑。烟草花叶病毒感染烟草后，在叶片上出现的一个个坏死的病灶，称为枯斑。 六）、病毒粒的化学成分 病毒的化学组成因种而异：大多数病毒

12、由核酸和蛋白质组成，有些结构复杂的病毒还有脂类、碳水化合物。 1.核酸：一种病毒只含有一种核酸，动物病毒有些为 DNA、有的为 RNA。植物病毒多为 RNA，少数为 DNA。噬菌体多属 DNA，少属于 RNA。核酸有单链和双链之分，在一般细胞型生物细胞中， DNA往往是双链，而 RNA 是单链。可是病毒情况较为复杂。 3病毒核酸功能：是遗传变异的物质基础，控制着病毒的增殖及对宿主的感染性. 2.蛋白质：蛋白质是病毒的主要组成部分。比较简单的植物病毒大都只含有一种蛋白质。其他病毒均由一种以上的蛋白质构成。病毒蛋白分非结构蛋白和结构蛋白。 非结构蛋白 ：病毒基因组编码的，在病毒复制过程中产生并具有

13、一定功能，但并不结合于病毒粒中的蛋白质。 结构蛋白 ：构成一个形态成熟的有感染性的病毒颗粒所必需的蛋白质。包括壳体蛋白、包膜蛋白和存在于毒粒中的酶； 蛋白质的功能： 1)蛋白质构成病毒粒子的外壳；保护病毒核酸免受外界理化因子的破坏； 2)决定病毒感染的特异性；与易感病毒表面存在的 受体具有特异的亲和力, 促使病毒粒子的吸附和入侵; 3)决定病毒的抗原性, 能刺激机体产生抗体; 4)构成毒粒酶, 或参与病毒对宿主细胞的入侵（如 T4 噬菌体的溶菌酶等），或参与病毒复制过程中所需要病毒大分的合成（如逆转录酶等）；一般来说，病毒是不具酶或酶系极不完全的，所以一旦离开宿主就不能独立进行代谢和繁殖。 二

14、 . 四类病毒及繁殖方式 病毒的繁殖方式与细胞型微生物不同。病毒是专性活细胞内寄生物，缺乏生活细胞所具备的细胞器，以及代谢必需的酶系统和能量。增殖所需的原料、能量和生物合成的场所均宿主细胞提供。在病毒核酸的控制下合成病毒的核酸、蛋白质等成份。病毒粒子增殖方式称为复制。 (一 ) 原核生物的病毒噬菌体 1915 年英国人陶尔特在培养葡萄球菌时，发现菌落上出现了透明斑，用接种针接触斑后再接触另一菌落，不久被接触的部分又出现透明斑。1917 年法国人第赫兰尔在巴斯德研究所观察到，痢疾杆菌的新鲜液体培养物能被加入的某种污水的无细菌滤液所溶解，混浊的培养物变清了，若将此澄清液再进行过滤，并加到另一敏感菌

15、株的新鲜培养物中结果同样变清。以上现象称为陶尔特第赫兰乐现象。第赫兰尔将该溶菌因子命名为噬菌体。 噬菌体除有其特异性宿主外，并无显著区别, 它们都是由蛋白质和核酸组成。基本形态为蝌蚪形、球形、和丝状三种。从结构看以可分为六种不同的类型。 原核生物的病毒包括噬细菌体、噬放线菌体、噬蓝细菌体。 1、噬菌体的繁殖- 复制： 1）吸附：吸附是病毒感染宿主细胞的前提，具有高度的专一性。在通常情况下，敏感细胞表面具有特异性表面接受部位，可与相应的病毒结合。病毒吸附蛋白与细胞受体间的结合力来源于空间结构的互补性，相互间的电荷、氢键、疏水性相互作用及范得华力。不同种系的细胞具有不同病毒的细胞受体，病毒受体的细

16、胞种系特异性决定了病毒的宿主范围。 2)入侵：病毒侵入的方式取决于宿主细胞的性质，尤其是它的表面结构。一般来说有三种情况：整个病毒粒子进入宿主细胞；核衣壳进入宿主细胞；只有核酸进入宿主细胞。 有尾噬菌体通过尾部刺突固着于细胞；尾部的酶水解细胞壁的肽聚糖，使细胞壁产生小孔，尾鞘收缩，核酸通过中空的尾管压入胞内，蛋白质外壳留在胞外； 脱壳是病毒侵入后，病毒的包膜和/ 或壳体除去而释放出病毒核酸的过程。脱壳是病毒基因组进4行功能表达所必需的感染事件。 T-偶数噬菌体脱壳与侵入是一起发生的，病毒的毒粒消失，失去原有的感染性，进入潜隐期。 3）增殖（生物合成） ：包括核酸的复制和蛋白质的合成。首先，噬菌体以其核酸中的遗传信息向宿主细胞发出指令并提供“蓝图”，使宿主细胞的代谢系统按次序地逐一转向合成噬菌体的组分和“部件”，合成所需“原料”可通过宿主细胞原有核酸等的降解、代谢库内的贮存物或从环境中取得。 当噬菌体 dsDNA 侵入宿主细胞后，首先设法利用宿主细胞原有的 RNA 聚合酶来转录噬菌体的m