（物理化学专业论文）二十面体病毒衣壳蛋白质及其几何结构的研究.pdf

原创性声明 y7 3 2 0 6 5 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内 容外，不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 纽喹星日期：硷! ( 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产 权归属兰州大学。本人完全了解兰卅f 大学有关保存、使用学位论 文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸 质版和电子版，允许论文被查阅和借阅：本人授权兰州大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使 用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名 单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 敝作者躲哔翩虢警堕日期：一玎 术缸- 。市 勿垒x 公布 圭州史学硕士论文 摘要 绝大多数病毒的衣壳蛋白装配成二十面体对称的结构。本文通过对病毒衣壳 蛋白的研究，了解二十面体病毒衣壳的形态结构和立体结构，并对已经发现的各 种二十面体病毒进行归纳和分类。以分析壳粒在二十面体表面点阵上排列为基 础，阐述了二十面体病毒的衣壳结构特征、亚基一亚基和壳粒一壳粒的相互作用。 按照衣壳结构特征和壳粒相互作用的不同，认为二十面体病毒几何结构具有两种 类型。对衣壳结构遵从c a s p a r - k l u g 准等价原理的二十面体病毒，提出了其几何 构型的成因。对尽管也是二十面体对称、但农壳结构违背了准等价原理的乳多空 病毒和卅病毒，尝试用不同的方法描述和表征它们的几何实体构筑问题。 以二十面体病毒作为生物大分子结构研究的突破口，尝试用数学、物理学、 立体化学的方法揭示生命大分子的数学性质和形成机制。在这些交叉领域里的探 讨具有独特的理论和实际意义。 关键词：病毒，衣壳蛋白，二十面体对称，准等价原理，几何结构。 王州大学硕士论文 a b s t r a c t ag r e a tn u m b e ro fv i r u s e s c a p s i d p r o t e i n s a l e e f f i c i e n t l y a s s e m b l e di n t o i c o s a h e d r a l s y m m e t r y s t r u c t u r e s i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h em o r p h - s t r u c t u r e a n d s t e r e o s t r u c t u r eo fc a p s i dh a v eb e e nr e a l i z e db ys t u d y i n gt h ec a p s i dp r o t e i n so f i c o s a h e d r a lv i r u s e s ，f u r t h e r m o r e ，v a r i o u s e x i s t i n g i c o s a h e d r a lv i r u s e sh a v eb e e n g e n e r a l i z e da n dc l a s s i f i e d b a s e do nt h ea n a l y s i so fa r r a n g e m e n to nt h ei c o s a h e d r a l l a t t i c ef o r c a p s o m e r e s ，t h e r e i sam o r ed e t a i l e d i m p r e s s i o na b o u t t h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ei c o s a h e d r a lc a p s i d sa n dt h ea n a l y s i so fs u b u n i t s u b u n i ta n d c a p s o m e r e - c a p s o m e r ei n t e r a c t i o n s a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n c e so ft h es t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c sa n di n t e r c a p s o m e r ec o n t a c t s ，t h ei c o s a h e d r a lv i r u s e si n c l u d et w ot y p e s o fg e o m e t r i cs t r u c t u r e s i ti ss h o w nh e r et h a tt h eo r i g i no fg e o m e t r i cs t r u c t u r e sf o r m o s ti c o s a h e d r a lv i r u s e st h a th a v eb e e ne x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e da b i d e sb yt h e q u a s i - e q u i v a l e n c et h e o r y o fc a s p a r - k l u g p a p o v a v i r u s e sa n dl av i r u sa r ea l s o i c o s a h e d r a l s y m m e t r y v i r u s e s ，b u t t h e i r c a p s i d s t r u c t u r e sd on o t o b e y t h e q u a s i e q u i v a l e n c et h e o r y s o m ed i f f e r e n ta p p r o a c h e s h a v eb e e ni n t r o d u c e dt od e s c r i b e a n dc h a r a c t e r i z et h ei c o s a h e d r a lc a p s i df o r m a t i o no fv i r a ls t r u c t u r e st h a tc a n n o tb e e x p l a i n e d w i t hc a s p a r - k l u g t h e o r y b yr e g a r d i n gt h e i c o s a h e d r a lv i r u s e sa st h et a r g e to fr e s e a r c h i n g b i o l o g i c a l m a c r o m o l e c u l e ，t h em a t h e m a t i c a l ，p h y s i c a la n ds t e r e o c h e m i e a la p p r o a c hh e l p su st o u n d e r s t a n dt h em a t h e m a t i c a lp r o p e r t i e sa n df o r m a t i v em e c h a n i s m s t h e r ei ss o m e s p e c i a l t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei nt h ei n v e s t i g a t i o n so ft h e s ec r o s s e d s u b j e c t s k e y w o r d s ：v i r u s ，c a p s i dp r o t e i n s ，i c o s a h e d r a ls y m m e t r y , q u a s i e q u i v a l e n c et h e o r y , g e o m e t r i cs t r u c t u r e s 4 兰州太学硕士论文 第一章前言 以病毒为研究对象的病毒学是随着生物化学、生物物理学、遗传学、分子生 物学和高新技术等的发展而发展起来的；反过来，病毒学又促进这些学科的发展， 并与许多学科相互渗透形成非常紧密的内在联系，是一门理论性、实践性、应用 性极强的新兴交叉学科。 1 1 病毒学发展历程 病毒学是生命科学的重要基础之一。早在1 7 9 8 年，英国人j e n n e r 创立了接 种牛痘预防天花的方法。1 8 8 4 年，法国人p a s t e u r 制成狂犬疫苗，奠定了免疫接 种的基础。1 8 9 2 年，俄国人i v a n o w s k i 在克里米亚发现烟草花叶病瘸原可以通过 细菌滤器。1 8 9 8 年，荷兰人b e i j e r i n c k 证明烟草花叶病是由滤过性病原所引起的。 同年，德国科学家l o e f f i e r 和f r o s c h 发现口蹄疫病原的滤过性。1 9 1 5 年和1 9 1 7 年英国人 i b r o r t 和加拿大人d h e r e l l e 分别发现噬菌体。尽管这些发现强化了人 们对已有的传染性病原体概念的认识，并且确证了细菌等微生物的致病性，但是 还缺乏有关“病毒”的系统认识。 1 9 3 5 年s t a n l e y i l l 首次获得了杆状烟草花叶病毒( t m v ) 的结晶，值认为该 晶体是蛋白质。1 9 3 8 年，b e m a l 等【2 】报道了第一个球状植物病毒( 番茄丛矮病毒， t b s v ) 的晶体。1 9 3 9 年，德国的k a u s c h e 、p f a n k u c h 和r u s k a 首次在电子显微 镜下看到了t m v 的长形粒子。1 9 5 2 年，h a r r i s 揭示了t m v 外壳蛋白的化学性 质。1 9 5 3 年，w a t s o n 和c r i c k t j 的d n a 双螺旋模型和中心法则的形成，为分子 病毒学的发展确立了理论基础。1 9 5 5 年，s c h a f f e r 等【4 】得到了第一个球状动物病 毒( 脊髓灰质炎病毒) 的晶体，并获得了第一张x 射线衍射图像。1 9 5 6 年，f r a e n k e l c o r t r a t 证明t m v r n a 分子具有侵染性。将烟草花叶病毒的核酸及其蛋白亚 单位重构成具有感染性的病毒，以及将电镜技术和x 射线衍射技术应用到病毒形 态结构和晶体结构中，使得病毒的研究进入分子病毒学阶段，从此开始了病毒学 研究的新纪元。 二十世纪下半叶分子病毒学的大发展，极大地丰富了生命科学的内涵。近几 十年来，国内外专家学者先后阐明了d n a 和r n a 病毒的增殖过程以及某些病 兰州大学硕士论文 毒基因的结构与表达调控机制，许多核苷酸序列已全部或部分测定。病毒基因的 克隆、修饰、测序乃至人工合成，已是分子病毒学实验室的常规技术。近年来， 应用激光光谱仪，特别是电子显微镜技术和x 射线衍射技术，测定病毒衣壳蛋白 和一些病毒酶类的三维结构，取得了令人瞩目的成就与进展。不仅阐明了病毒粒 子的空间构型、病毒与细胞受体以及病毒与抗体之间的结合部位及其微细结构， 得以在分子水平上了解病毒感染的详细机制以及病毒免疫原在病毒粒子表面的 分布、组成与立体构型，而且为抗病毒药的作用机理提供了确切的依据，也为病 毒免疫原的利用、修饰和移植提供了可靠的基础。在二十世纪，病毒学和与病毒 有关的研究成果曾十多次获得诺贝尔奖足以说明病毒学在生物学上的突出地位。 1 2 研究病毒结构的主要技术手段 在人们不断发现病毒并证实其与疾病关系的同时，研究病毒的技术也取得了 长足的进步，特别是在病毒衣壳形态结构方面。电子显微镜技术与x 射线衍射技 术，对病毒结构的认识和了解起了巨大的推动作用。 1 2 1 电镜技术 电子显微镜可以测定病毒形态大小，能够把病毒的形态结构奇迹般地展现在 人们的面前。1 9 3 2 年，德国科学家r u s k a 和k n o l l 研制成功了世界上第一台电子 显微镜，以后几年，商品化的实用电子显微镜在德国西门子公司问世。k a u c h e 等虽然在1 9 3 9 年就在电子显微镜下看到了t m v 的长形粒子，但是，直到1 9 4 3 年，他们才第一次成功地用电子显微镜拍摄了t m v 的电镜照片。自此，借助电 镜，人们可以观察许多病毒粒子的形态和大小，可以说，没有电镜技术就没有病 毒学的今天。在病毒结构形态的研究过程中主要用到两类电镜：扫描电子显微镜 与低温电子显微镜。 1 ) 扫描电子显微镜( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ) 扫描电子显微镜具有景深大、放大系数高、立体感强和图像清晰等优点【5 - 7 l 。 自1 9 6 5 年第一台商业扫描电子显微镜问世以来，经过不断改进，目前扫描电子显 微镜的分辨率已经达到了2 纳米左右。从最大的痘病毒( 体积为3 0 0 n m x 2 5 0 h m l o o n m ) 到最小的细小病毒( 直径约1 8 n m ) ，病毒的大小无疑都落在其扫描范 6 兰州大学硕士论文 围之内。2 0 0 4 年，中科院生物物理研究所阎锡蕴研究员等f 8 】，利用超高分辨率扫 描电子显微镜观察到了s a r s 冠状病毒颗粒的三维结构、表面形态及超微细结构。 2 ) 低温电子显微镜( c r y o e l e c t r o nm i c r o s c o p y ) 水是所有生物大分子的重要组分，生物大分子都是高度水化的，蛋白质体积 的5 0 左右是水。当蛋白质脱水时，分子会变性而失去活性，结构也会被破坏。 二十世纪8 0 年代出现的低温电子显微镜技术，使得生物大分子保持在含水状态 下进行电镜观察成为可能。低温电子显微镜与普通的电子显微镜相似，只不过被 测定的样品先要经过冷冻处理，以减缓失水对样品的破坏，从而提高影像的清晰 度。把低温与电镜结合起来，既能使得研究人员在电子显微镜下直接观察病毒结 构，又能使得病毒衣壳蛋白晶体或非晶体的低温性质在空间和时间两方面都能够 在很高分辨率下进行研究”。 高分辨率的电镜显微图像可以直接表示原子势场分布的投影，进而可以用于 病毒衣壳结构的三维重构。所谓病毒电镜图像的三维重构是指由病毒的一个或多 个投影图得到病毒衣壳各组成部分之间的三维关系。将电子显微镜技术和计算机 三维图像重构方法结合，可以解析许多病毒衣壳蛋白质的三维空间结构1 1 2 - 1 5 】，电 镜的三维图像重构技术无疑是对生物大分子结构分析的重要补充。 1 2 2x 射线衍射技术 病毒x 射线衍射的开拓性研究工作始于1 9 世纪3 0 年代。早在1 9 3 6 年，b e m a l 等【l6 】就用棒状t m v 定向排列的胶状样品拍摄了病毒的第一个纤维衍射花样。但 直到1 9 7 7 年和1 9 7 8 年，s t u b b s 等【1 7 和h a r r i s o n 等【1 8 1 才分别由t m v 的0 4 n m 分 辨率纤维衍射数据和t b s v ( 番茄丛矮病毒) 的0 2 9 n m 分辨率单晶衍射数据， 获得能被解释的电子密度图。此后，x 射线衍射方法才大规模运用到病毒结构的 测定和分析上，成为揭示生命奥妙的最强有力手段之一。 x 射线衍射技术是解析晶体结构的基本疗法，也可以分析非晶体结构。作为 生物大分子的病毒来说，在形态和结构方面都具有结晶学的特性。许多成熟病毒 粒子的衣壳对称型都属于二十面体对称和螺旋对称，其衣壳上排布的壳粒或原体 也相当有序，适合采用x 射线衍射方法研究。另外在病毒衣壳蛋白自组装过程中， 在体外或体内的表达系统中都可以看到大块大块的蛋白结晶存在，无疑有利于x 射线衍射分析。就病毒分子结构而言，衣壳蛋白的二级、三级结构，如a 螺旋、 兰州土学硕士论文 b 折叠、结构域的确定等都需要借助x 衍射分析完成。可以随，病毒结构与病毒 蛋白三维分子结构的研究，是与x 射线衍射技术分不开的。 如果说电镜技术提供的生物学信息是直观的病毒形态学图像，那么x 射线衍 射则是详细揭示病毒对称性和结构、明确病毒结构蛋白如何组装成衣壳骨架的有 效方法，是研究病毒内部三维结构和病毒立体结构重构不可缺少的工具 1 9 2 3 1 。 1 3 病毒及其特征 病毒( v i r u s ) 是迄今为止，人们在微观世界里所认识的最小生物之一。它一 方面具有生物的基本特征，另方面又具有化学大分子物质的特性，纯化后可以 形成结晶，独立存在于自然环境里，一旦遇到合适的寄主，就能通过一定的传染 途径侵入细胞，复制自己，表现出生命来。 图1 - 1 病毒结构示意图 到目前为止，国内外学者都很难给病毒下一个简明而确切的定义。病毒是介 于生命与非生命之间的一类无细胞结构的生物，绝大多数病毒的成熟颗粒( 即病 毒粒子，v i r o n ) 是由核酸和蛋白质构成的传染因子。一个简单的病毒粒子，实质 上只是一团遗传物质( r n a 或d n a ) 和它外围的层蛋白质外壳这层蛋白质 就是衣壳( c a p s i d ) 。衣壳保护病毒核酸使其不受外界的作用，也是病毒核酸由一 个宿主细胞转移到另一个宿主细胞的工具。结构比较复杂的病毒，则在衣壳外面 还有一层( 或几层) 富含脂质的外膜( 图卜1 ) 。 虽然从本质上讲，迄今还没有一个完美的病毒定义，但是，它具备的下列特 点是不容质疑的 2 4 2 5 ： 1 ) 超显微结构，具有一定的形态结构特征。 g 兰州大学硕士论文 2 ) 病毒没有新陈代谢机能，以分子水平严格寄生于宿主细胞。 3 ) 遗传物质只有一种核酸：d n a 或r n a 。病毒核酸含有极少量的复制、组装 子代病毒所必备的遗传信息。 4 ) 病毒的发育叫增殖，它和一般细胞生物繁殖不同。繁殖是按二等( 或双) 分 裂方式进行，而病毒侵入细胞生物后，由病毒基因组发出指令，利用细胞的“原 材料”、“机器”和“工厂”，复制病毒的核酸、合成病毒的蛋白，并进而由病毒 组分的“预制件”自行装配成新的病毒粒子达到复制自身的目的。 5 ) 病毒蛋白简单，只有两种蛋白：结构蛋白和酶类。 6 ) 纯化的病毒可被结晶。在活体细胞外，病毒晶体与无机晶体类似。毫无“生 命气息”，不表现生命活性。在活体细胞内，病毒晶体可以繁殖，表现出明显的 生命特征。 7 ) 病毒介于生命与非生命之间，是研究生命现象的理想材料。 随着病毒学的发展，人们对病毒的认识日益深化，不仅陆续发现了许多符合 上述特征的病毒，而且近几十年来还陆续发现了类病毒 2 6 - 3 0 ( v i m i d ) 、拟病毒 3 1 3 5 】 ( v i m s o i d ) 和朊病毒【3 6 - 4 2 1 ( p r i o n ) 。为了与常规病毒( 即真病毒，e n v i r u s ) 相 区别，1 9 8 3 年以后，将这三者统称为亚病毒4 3 4 5 】( s u b v i r u s e s ) 。在组成上，该 类病毒包括只含r n a 的核酸或可能只含蛋白质的蛋白感染素。 1 4 病毒基本形态一衣壳对称型 病毒的形态在电镜下是多种多样的，不同的病毒有不同的形态，就是同一种 病毒其形态也不尽相同，尤其在形态发生过程中变化很大。现在随着电镜技术的 发展，发现病毒的形态很多，如球形、杆状、弹状、砖形、冠状、杯状、环状、 轮状、肾形、嵌沙样等。尽管病毒的形态特征千差万别，但它们仍然遵循物体形 状的基本规律。 病毒衣壳是由蛋白亚单位按物理学基本原理构造成的规律性几何堆积。由于 病毒基因组的容量，亦即分子量的限制，特别是在一些小型病毒里，病毒核酸携 带的遗传信息不足以生产各种不同的蛋白质以形成衣壳。因此，病毒农壳往往由 种或少数几种蛋白质重复构建而成。病毒衣壳的形成，实际上是蛋白亚单位的 组合和装配过程。蛋白亚单位首先形成结构单位，然后苒由结构单位装配成具有 9 兰州文学硕士论文 一定形态的病毒衣壳。结构单位在立体构型上是不对称的，而由这种不对称的结 构单位却构建成了稳定和对称的病毒衣壳。根据自然界物体的基本形状，结合病 毒本身形态结构的特点，将病毒衣壳对称型划分成三种：多面体( 主要是二十面 体) 对称型；螺旋对称型：复合对称型。 1 4 1 螺旋对称( h e l i c a ls y m m e t r y l 螺旋对称的病毒粒子，其核衣壳中的核酸分子由相同的蛋白亚单位周期性盘 绕成线团样或弹簧样，通过中心轴旋转对称( 图卜2 ) 。螺旋对称病毒主要是( 一) r n a 病毒和植物的杆状病毒。 图1 - 2 螺旋对称病毒颗粒的核表壳 1 4 2 二十面体对称( i c o s a h e d r a ls y m m e t r y ) 电镜下的很多貌似球形的病毒，实为二十面体对称，或称为等轴对称 ( i s o m e t r i cs y m m e t r y ) 。二十面体病毒形态是c a s p a r 4 6 1 1 9 5 6 年用x 一射线衍射研究 t b s v 时发现的。随后，k l u g ，f i n c h 和f r a n k i n 分别分析芜菁黄花叶病毒、脊髓 灰质炎病毒、双屏蔽技术测定大蚊虹色病毒，实验结果反复证实了二十面体病毒 形态的存在。二十面体对称是封闭式构型中最有效、最经济的形式，迄今没有发 现或人工设计出比这种形式更为有效的组合方式。 j 下二十面体有2 0 个面( 每个面均是正三角形) 、1 2 个顶点和3 0 条边。通过 顶点、面中心点和边的中点，分别旋转7 2 。，1 2 0 0 ，1 8 0 0 ，可依次旋转5 ，3 ，2 次复位，因此正二十面体又叫做5 ：3 ：2 旋转对称实体( 图卜3 ) 。从结晶学角度 出发，正二十面体属于等轴晶系，5 3 2 点群。因为二十面体容积最大，能包装更 多的病毒核酸，所以大多数动物、植物、细菌病毒呈二十面体对称结构。 l o 兰| f 太学硕士论文 2 扶轴i 出蛐 图1 3 正二十面体 近年来，又发现一类新型形态的病毒即双生病毒【4 7 5 1 l ( g e m i n i v i r u s ) 。病毒粒 子为双联体结构( 图卜4 ) ，由两个不完整的二十面体联在一起，共有2 2 个形态 学单位，而每个球体由1 2 个蛋白亚基构成，两两联结的粘合处失去一个亚基。 幽1 4 烈联体病毒粒子结构示意图 图卜5 噬菌体的复合对称示意图 1 4 3 复合r c j ：r 陈( c o m p l e xs y m m e t r y ) 复合对称比较复杂，复合对称型主要是多面体型与螺旋型的叠加。典型的是 噬菌体病毒，它的头部是多面体形，而尾部是螺旋对称( 图卜5 ) 。 兰 大学硕士论文 1 5 二十面体病毒的结构特征 在多面体对称中，除了一些噬菌体具有八面体对称外，1 9 5 6 年，c r i c k 和 w a t s o n 首先提出了球形病毒衣壳蛋白质分子的二十面体密排的可能性。这一设 想很快就为病毒晶体的x 射线衍射实验( 二十面体对称) 及电子显微镜观察( 蛋 白质分子的五聚体和六聚体分布) 所证实，现在已经证实许多病毒都具有二十面 体对称( 习惯称为二十面体病毒) 。一般说来，正二十面体病毒衣壳结构同其它 生物结构一样，有它的规律性，在客观上符合了自然法则和原理。 1 正二十面体的最大国球度原理 在一些生物大分子的形态研究中，有些生物大分子，如：球蛋白、二十面体 病毒等都可视为球形。在比较形态学研究中，经常采用圆球度这一概念，用以描 述颗粒的立体结构形状与圆球的接近程度。多面体圆球度中可由下式给出： $ = 6 z r v d s 2 其中：d 为多面体外接球的平均半径：v 为多面体的体积；s 为多面体的表面积。 假设等边多面体的棱长为l ，则根据上式可以得到几种常见多面体的圆球度o ( 见表卜1 ) 。从表中可以看出正二十面体巾= o 9 5 5 2 ，在多面体里，正二十面体 的圆球度最大。因此，正二十面体就兼有球体的一些特性，如用材少、容积大、 坚固和稳定等优点。 表卜1 几种常见多面体的圆球度 2 ) 正二十面体能满足高效的隔断系统 例如蜜蜂的“蜂巢”、苍蝇的“复眼”都是典型的隔断系统。该系统结构坚 固合理，连接紧密，有利于生物的生存。正二二十面体病毒衣壳形成结晶时，也是 兰州太学硕士论文 一个隔断系统，此时蛋白分子间距离靠得最近，无任何缝隙，同时分子间的连接 又是等价的。如果是一个圆形的刚球在这点上就不如二十面体优越，圆球就会在 系统中留有缝隙( 图1 6 ，图1 7 ) 。 图卜6 圆球形成的隔断系统图1 - 7 正二十面体形成的隔断系统 3 ) 正二十面体符合几何晶体学原理 一个正二十面体实际上就是一个小的晶胞，正二十面体为等轴晶系，5 3 2 点 群，含有6 ：i 0 ：1 5 条对称轴。病毒衣壳蛋白经过纯化后，得到的晶体 5 2 _ 5 6 】可以揭 示病毒的化学本质。病毒粒子点阵排列的形式取决于病毒粒子的形状、悬液的盐 浓度和p h 。病毒晶体的结构也取决于氢键、疏水作用和盐键，这与化学键决定 蛋白质的折叠形式相同。病毒粒子较大时，长程分子力也参与作用。病毒粒子成 晶原理是复杂的，是多方面条件造成的。既有病毒自身的固有特性，也有外在因 素。由于病毒的结晶，使得能够通过x 射线衍射技术，对病毒衣壳蛋白的精细 结构进行分析和认识。 1 6 衣壳蛋白质的四级结构一壳粒 1 6 1 病毒一最佳的蛋白质分子结构分析模型 蛋白质是一类具有特定结构的生物大分子，它们的特定结构可以分为几个彼 此独立而又相互关联的结构层次：级、二极、三级和四级结构。作为病毒粒子 来说，其蛋白质的四级结构表现得非常充分，病毒简直就是一个完善的“蛋白质 结构模型”。没有任何生物大分子比病毒更简单，更赋有立体感。蛋白质结构分 级与病毒生物大分子结构相当吻合。从图1 - 8 中可以看出，病毒作为生物大分子， 其结构与蛋白质结构是相对存在的。因此可以说病毒是最佳的蛋白质分子结构分 析模型。 兰州土学硕士论文 tt r 球状分千( 亚基)亚基、 3 级结构it t - 3 级结构 。结梅域( 辖区) 结鼍域一 tt r 逛二级结构超= 级结构、 2 级结构1 t t 2 级结构 二级结构二级结柯一 t r 1 6 2 衣壳蛋白质分子的四级结构一寡聚体 任何分子组装体都是原子和原子问键能的有序结合，从而形成具有一定分子 结构、以共价键结合并有相对固定功能的分子形式。蛋白分子通过结合，能够联 结起来形成大分子或较大分子，随着聚合复杂性和聚合程度的提高，形成了超分 子的蛋白亚基。蛋白亚基是蛋白质中相同或不同的亚分子实体。一般来说，亚基 虽然有一、二、三级结构，但单独存在时生物活性很弱，只有完整四级结构中的 亚基才有较强的生物活性。四级结构是亚基聚合而成的蛋白质聚合体。在蛋白质 形成三级结构后，分子表面仍有一些可以相互作用的力，在这些力的驱动下，蛋 白亚基能以一定数目和排列方式聚集、装配成各种寡聚体”5 9 ( 图1 9 ) 。 簧一 ( a )( b )( c )( d ) ( e ) 图1 9 各种寡聚体示意图 ( a ) 单体；( b ) 二聚体；( c ) 三聚体：( d ) 五聚体；( e ) 六聚体 蛋白亚基首先聚集成各种寡聚体，在电镜下能够被分辨出来的寡聚体是五聚 体和六聚体。在二十面体病毒中，通常将构成衣壳形态学亚单位的五聚体和六聚 1 4 一 兰州大学硕士论文 体称为壳粒( c 印s o m e r e ) ，大量的壳粒以非共价键结合而构成病毒衣壳，保护内部 核酸使其不受外界的作用。在二十面体病毒衣壳上，位于二十面体1 2 个顶角上 有5 个相邻的壳粒，把它 l o t t 做五聚体壳粒；在二十面体的面上或棱上的每个壳 粒周围有6 个相邻的壳粒，称为六聚体壳粒( 图t - 1 0 ) 。 图1 1 0 雀麦花叶病毒壳粒示意图 ( a ) 衣壳表面的蛋白亚基 ( b ) 五聚体壳粒与六聚体壳粒 六泉体 壳粒 各种寡聚体和壳粒的形成为进一步装配成二十面体病毒衣壳奠定了物质基 础。因此，病毒衣壳构成至少有两级：( 1 ) 衣壳是由形态学单位一壳粒构成的： ( 2 ) 壳粒又是由结构单位一蛋白亚基构成的。 1 7 维持和稳定二十面体病毒衣壳结构的主要因素 病毒衣壳各种寡聚体或壳粒皆具有明显的蛋白质四级结构特征，四级结构在 构筑完整的病毒衣壳时，不是靠共价键，而是靠非共价键结合的，如：氢键 6 0 - 6 3 】、 疏水作用 6 4 - 6 8 】、离子键1 6 9 - 7 1 、范德华力 7 2 - 7 4 1 等。它们使相互作用的衣壳蛋白亚基 主链与主链之间、侧链与侧链之间，以及主链与侧链之间在立体结构水平上形成 一个有机整体。 除上述各种非共价相互作用外，许多病毒衣壳蛋白还具有二硫键 7 5 - 8 0 】。二硫 键不仅保持蛋白亚基的活性，而且可以补充、完善非共价作用，增强肽键三级折 叠的稳定性。如在人乳头瘤病毒h p v - 1 6 里，一个五聚体l 1 亚基上的半胱氨酸 4 2 8 与其邻近五聚体l l 亚基上的半胱氨酸1 7 5 形成了分子间的二硫键【8 1 1 。二硫 键的形成使蛋白亚基的肽链空间结构更为紧密，对维持和稳定二十面体衣壳的几 羔州土学硕士论文 何结构起了重要的作用。 1 8 二十面体病毒衣壳蛋白及其几何结构的研究进展 自1 8 9 8 年发现口蹄疫病毒以来的1 0 0 多年问，人们对病毒的认识越来越深 入，特别是1 9 3 2 年电子显微镜的问世，开创了病毒形态学研究的先河。其后x 射线衍射对病毒晶体的成功运用，使得人们在原子水平上了解病毒分子的立体结 构与功能的关系。目前分子病毒学的研究已经深入到分子水平的各个层面，进展 快速，成果累累。当前，对于具有特殊衣壳对称型的病毒一二十面体病毒，人们 对其研究越来越深入，从而为分子病毒学的发展提供了强有力的支撑和帮助。 1 8 1发现了一批重要的新二十面体病毒 发现新病毒，阐明新的病毒性疾病的病原，仍然是现代分子病毒学研究的重 要课题。近年来，新生病毒病层出不穷，引起世界人民的普遍关注。如1 9 9 4 年 发生在澳大利亚的h e n d r a 病毒病 8 2 - 8 5 】；1 9 9 7 年发生于澳大利亚新南威尔斯地区 的m e n a n g l e 病毒病8 6 。9 0 】；1 9 9 8 年至1 9 9 9 年在马来西亚暴发的n i p a h 病毒病9 1 - 9 3 ； 1 9 9 9 年，首次于纽约发现的西尼罗病毒 9 4 - 9 7 1 ( w e s t n i l e v i r u s ) ( 图卜1 1 ) 已经在 美国引起了四次城市脑炎的大流行；2 0 0 3 年暴发的急性呼吸系统感染的s a r s 病毒【9 8 - 1 0 2 1 ( 图卜1 2 ) ，更是引起世界性的民众心理恐慌；2 0 0 4 年东南亚暴发的 高致病性禽流感病毒【1 0 3 。1 0 7 1 ，对禽类和禽类制品市场造成了巨大的冲击。在这些 新发现的病毒里，其中西尼罗病毒和s a r s 都是二十面体对称的病毒。 图卜1 1 西尼罗病毒粒子示意图图卜1 2s a r s 病毒粒子示意图 1 6 兰州土学硕士论文 1 8 2 测定了一些二十面体病毒的形态结构和晶体结构 以前，由于技术和方法的局限，许多二十面体病毒的形态结构和晶体结构不 能描述和测定，或者即使能够测定，其分辨率也不高。随着实验经验的积累和技 术手段的丰富，最近，学者们重构了一些二十面体病毒【1 0 8 小o 】；在高分辨率下测 定了一些球形病毒的晶体结构4 1 和主要衣壳蛋白的原子分辨率结构 2 2 , 1 1 5 - 1 1 7 1 ； 在详细了解二十面体病毒衣壳微细结构的基础上，也比较了一些球形病毒衣壳蛋 白结构与功能的异同及其同源性关系( “8 。他o i ；对一些二十面体病毒衣壳蛋白与表 面抗原间的关系也进行了深入细致的探讨【”。”4 i ；在充分、详实的关于二十面体 病毒衣壳结构、功能等第一手实验资料的基础上，初步比较了一些二十面体病毒 彼此间的亲缘关系及其在分类进化上的地位【“8 1 2 5 , 1 2 6 1 ，以探索病毒与生命起源 的重大理论课题。对二十面体病毒结构的深入研究，不仅可以丰富二十面体病毒 的形态学信息，而且将有助于催生新的抗病毒战略。 1 8 3 丰富和发展了二十面体病毒结构理论 1 9 6 2 年，c a s p a r 和k l u g 1 2 7 奠定了二十面体病毒衣壳结构的理论基石一“准 等价原理”，使人们意识到二十面体对称是病毒衣壳结构的最理想形式。该理论 建立后，解释和指导了大量二十面体病毒衣壳的构筑。在对二十面体病毒衣壳蛋 白自组装过程及其细节进行热力学和动力学重点研究之后，b e r g e r 等【幢8 1 建立了 二十面体病毒衣壳结构的“局部规则理论”，这个理论很好地解决了装配过程中， 结构蛋白是如何由等同的构件块一步步建构成规整的二十面体几何实体【胁1 3 0 】。 近年来，发现“准等价原理”不能对所有二十面体病毒的衣壳结构给予合理的解 释，例如，多瘤病毒 1 3 1 】、猴病毒4 0 【1 3 2 1 ( s v 4 0 ) 、乳头瘤病毒1 3 31 “1 、真菌病毒 的酿酒酵母病毒l a 等【1 3 5 。3 7 1 ，这些病毒的衣壳结构实际上违背了“准等价原理”。 换句话说，用“准等价理论”不能合理解释、说明这些病毒衣壳结构的实验事实。 2 0 0 4 年，t w a r o c k l l 3 8 1 提出了“贴瓷砖方法”的病毒学结构理论，试图解释违背 “准等价原理”的二十面体病毒衣壳结构的特殊性。 1 9 本论文工作的目的与意义 本论文以二十面体对称的病毒衣壳结构为研究对象，在物理学原理的基础 互州大学硕士论文 上，使用数学方法来讨论和构建具有二十面体性的几何结构模型。本论文以此为 讨论中心，主要进行以下几方面的研究： 1 ) 通过对病毒衣壳蛋白结构的研究，了解二十面体病毒衣壳的形态结构和立 体结构。 2 ) 通过对动物、植物、细菌病毒的研究，寻找所有具有二十面体对称的病毒， 并根据病毒命名分类规则，将二十面体病毒进行整理、归纳和分类。 3 ) 分析符合“准等价原理”的二十面体病毒的结构特点、蛋白亚基和壳粒在 二十面体表面点阵的分布、以及几何结构特征。 4 ) 搜寻违背“准等价原理”的二十面体病毒，以分析蛋白壳粒在二十面体表 面点阵的排列为基础，阐明其衣壳结构的几何特征。 5 ) 在深入认识各类二十面体病毒衣壳结构和几何特征的基础上，试图使用数 学方法描述和表征二十面体病毒几何结构的构筑问题 作为一类特殊的病毒一二十面体对称型的病毒属于分子生物学的研究范畴， 在自然界里，这种奇特的几何结构普遍存在。以二十面体病毒作为生物大分子结 构研究的突破e l ，尝试用数学、物理学、立体化学的方法揭示生命分子的数学性 质和形成机理。因而，在这些交叉领域里的探讨具有独特的理论和实际意义。 参考文献 s t a n l e ywm s c i e n c e ，8 1 ：6 4 4 ( 1 9 3 5 ) b e r n a ld j ，f r a n k u c h e ni ，r i l e ydp n a t u r e ，1 4 2 ：1 0 7 5 ( 1 9 3 8 ) w a t s o njd ，c r i c kfh c o l ds p r i n gh a r b s y r u pq u a n tb i o l ，1 8 ：1 2 3 ( 1 9 5 3 ) s c h w e r d t ，c a r l t i o ne ，s e h a f f e rfl a n n n e wy o r ka c a d s c i ，6 1 ：7 4 0 ( 19 5 5 ) k l o s em j ，w e b bri ，t e a k l ed sj o u r n a lo f c o m p u t e r - a s s i s t e dm i c r o s c o p y , 4 ：2 1 3 ( 1 9 9 2 ) h e l m i c kc m ，b a i l e yjer i s t o wss p r o c e e d i n g s ，a n n u a lm e e t i n g , e l e c t r o nm i c r o s c o p y s o c i e t yo f a m e r i c a , 5 2 ：3 0 2 ( 1 9 9 4 ) q a n u n g okr ，k u n d u sc ，g h o s hak a c t av i r o l ，4 4 ：3 4 9 ( 2 0 0 0 ) l i ny y a hx y ，c a nw c e ta 1 a n t i v i r a lt h e r a p y ，9 ：1 6 9 ( 2 0 0 4 ) k i n g s t o n r l ，o l s o n n h ，v o g t v m js t r u c t b i o l ，1 3 6 ：6 7 ( 2 0 0 1 ) s c h o e h ngm o s ssr ，n u t t a l lp a ，e t a 1 v i r o l o g y , 2 3 5 ：1 9 1 ( 1 9 9 7 ) 1 8 口暖p h 陋 陋p h 兰州文学硕士论文 【1 1 】 1 2 】 1 3 】 1 4 1 【1 5 】 【1 6 】 1 7 【1 8 1 9 】 【2 0 2 1 】 2 2 2 3 】 f 2 4 【2 5 【2 6 】 【2 7 】 2 8 】 2 9 】 3 0 【3 1 】 3 2 】 3 3 】 【3 4 】 3 5 】 3 6 】 3 7 】 3 8 】 3 9 】 4 0 【4 1 】 4 2 【4 3 b r i g g sja gw a t s o nbe g o w e nbe e ta 1 jv i r o l ，7 8 ：2 6 0 6 ( 2 0 0 4 ) d o a ndnd l e ekc l a u r i n m i i k ipe ta 1 js t r u c tb i o l ，1 4 4 ：2 5 3 ( 2 0 0 3 ) k r o n e n b e r gs ，k l e i n s c h m i d t ja ，b 6 t t c h e rb e m b o r e p o r t s ，2 ：9 9 7 ( 2 0 0 1 ) t h u m a n c o m m i k epa ，c h i u m i c r o n ，31 ：6 8 7 ( 2 0 0 0 ) y i nz ，z h e n gy ，d o e r s c h u kpcjs t r u c tb i o i ，14 4 ：2 4 ( 2 0 0 3 ) b a w d e nf c ，p r i r i e nw ，b e m a lj d e ta 1 n a t u r e ，1 3 8 ：1 0 5 l ( 1 9 3 6 ) s t u b b sg ，w a r r e ns ，h o l m e s n a t u r e ，2 6 7 ：2 1 6 ( 1 9 7 7 ) h a r r i s o nsc ，o l s o na j ，s c h u t tc e e ta 1 n a t u r e ，2 7 6 ：3 6 8 ( 1 9 7 8 ) v e r d a g u e rn ，f i t ai ，r e i t h m a y e rm n a t u r es t r u c t u r a l m o l e c u l a rb i o l o g y , 1 1 ：4 2 9 ( 2 0 0 4 ) l e ek c ，l i md ，w o n gs m e ta l 。a c t a c r y s t a l l o g rd b i o lc r y s t a l l o g r , 5 9 ：1 4 8 1 ( 2 0 0 3 ) c h e nr ，n e i l ljd ，p r a s a dbv - js t r u e tb i o l ，1 4 1 ：14 3 ( 2 0 0 3 ) b o w m a n b r ，b a k e r m l ，r i x o n fj e ta 1 e m b 0 j ，2 2 ：7 5 7 ( 2 0 0 3 ) c h i uw r i x o nf j v i i l l sr e s e a r c h ，8 2 ：9 ( 2 0 0 2 ) 吴柏春分子病毒学，华中师范大学出版社，1 9 9 9 年 干继科，曲连东病毒形态结构与结构参数，中国农业出版社，2 0 0 0 年 d i e n e r t o ，s m i t h d r v i r o l