微生物学病毒

1、第三章病毒,第一节 概述 第二节 病毒的形态和结构 第三节 病毒的复制 第四节 病毒的溶原性 第五节 病毒对理化因素抵抗力,一、病毒的特点和定义,第一节 概述,1、特点,1）不具有细胞结构，具有一般化学大分子的特征,2）一种病毒的毒粒内只含有一种核酸，DNA或者RNA,3）大部分病毒没有酶或酶系极不完全，不含催化能量代谢 的酶，不能进行独立的代谢作用,4）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，必须依赖宿主细胞进行自身的 核酸复制，形成子代,5）个体微小，在电子显微镜下才能看见,6）对大多数抗生素不敏感，对干扰素敏感,例如一些简单的病毒仅由核酸和蛋白质外壳（co

2、at）构成， 故可把它们视为核蛋白分子,朊病毒甚至仅由蛋白质构成,例如利福平可抑制痘病毒复制,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。病毒的这种特殊繁殖方式称做复制（replication,第一节 概述,1、特点,一、病毒的特点和定义,病毒是一类既具有化学大分子属性，又具有生物体基本特征； 既具有细胞外的感染性颗粒形式，又具有细胞内的繁殖性基因 形式的独特生物类群,超显微的、没有细胞结构的、专性活细胞内寄生的实体,第一节 概述,1、特点,一、病毒的特点

3、和定义,单细胞微生物与病毒性质的比较,a DNA病毒和RNA病毒中的一部分;b 利福平可抑制痘病毒复制,第一节 概述,2、定义,一、病毒的特点和定义,迄今仍无一个科学而严谨的定义,病毒为具有独立于其宿主的进化史的绝对细胞内寄生物，它的DNA 或RNA基因组被其所编码的蛋白质壳体化（encapsidation）。 -（Fields等，1990年,非细胞生物,真）病毒：至少含核酸和蛋白质二种组分,亚病毒 (subvirus,类病毒（viroid)：只含具侵染性的RNA组分 拟病毒（virusoid)：只含有不具侵染性的RNA组分 朊病毒（prion)：只含蛋白质,二 病毒的宿主范围,第一节 概述,

4、病毒几乎可以感染所有的细胞生物，并具有宿主特异性,噬菌体（phage）、 植物病毒（plant viruses） 动物病毒（animal viruses,三、病毒的培养和纯化,第一节 概述,同微生物学其他学科分支一样，病毒学的进步完全得益于 研究方法和技术手段的发展,通过病毒的分离与纯化获得纯化的、有感染性的病毒制备物 是病毒学研究和实践的基本技术,1、病毒的培养,病毒的培养：二元培养物法,四、病毒的培养和纯化,1、病毒的培养,噬菌体,细菌培养物,培养液,营养琼脂平板,细菌培养液变清亮,细菌平板成为残迹平板,若是噬菌体标本经过适当稀释再接种细菌平板， 经过一定时间培养，在细菌菌苔上可形成圆形局

5、 部透明区域，即噬斑（plague,Microbiology,双层平板法,优点： 弥补玻璃皿底面不平的缺陷 所形成全部噬菌体斑都接近处于同一平面上 形成的噬菌斑较大，更有利于计数,Microbiology,噬菌斑,四、病毒的培养和纯化,1、病毒的培养,动物病毒,实验动物,鸡胚,多种细胞培养,四、病毒的培养和纯化,1、病毒的培养,植物病毒,敏感植物叶片,产生坏死斑，或称枯斑,蛋白质提纯方法 （盐析、等电点沉淀、有机溶剂沉淀、凝胶层析、离子交换等,四、病毒的培养和纯化,2、 病毒纯化,标准,纯化的病毒制备物应保持其感染性,病毒是有感染性的生物体,病毒具有化学大分子的属性,纯化的病毒制备物的理化性质

6、应具有均一性,方法,主要化学组成为蛋白质,具有一定的大小、形状和密度,差速离心,梯度离心 （超速离心,第二节 毒粒的性质,病毒是一类既具有化学大分子属性，又具有生物体基本特征； 既具有细胞外的感染性颗粒形式，又具有细胞内的繁殖性基因 形式的独特生物类群,毒粒（病毒颗粒）： 病毒的细胞外颗粒形式，也是病毒的感染性形式,一团能够自主复制的遗传物质,保护遗传物质免遭环境破坏，并作为将遗传物质从一个宿主细胞 传递给另一个宿主细胞的载体,蛋白质外壳,包膜,第二节 毒粒的性质,一、毒粒的形态结构,1、病毒的大小和形状,个体小，必需在电镜下观察,不同病毒的毒粒大小差别很大,毒粒的形状:动物病毒有球状、卵圆状

7、、砖形 植物病毒有杆状、丝状、球状 噬菌体有蝌蚪状和丝状,采用各种电镜技术观察毒粒的形态结构,Orf virus：口疮病毒(接触性脓疱皮炎病毒) （负染技术,Ebola virus ：埃博拉病毒（正染技术,Vaccinia virus 痘苗病毒 （投影技术,第二节 毒粒的性质,毒粒 的化学组成,毒粒 （化学组成,核酸； 蛋白质； 脂类； 碳水化合物,基本化学组成,病毒颗粒在化学上表现为核蛋白,二、毒粒的化学组成,1、 病毒的核酸,核酸是病毒的遗传物质； 一种病毒的毒粒只含有一种核酸：DNA或是RNA,病毒核酸,单链DNA（ss DNA，single-stranded DNA）； 双链DNA（d

8、s DNA）； 单链RNA（ss RNA）； 双链RNA（ds RNA,二、毒粒的化学组成,2、病毒的蛋白质,病毒蛋白质,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一定功 能，但并不结合于毒粒中的蛋白质,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,壳体蛋白； 包膜蛋白； 存在于毒粒中的酶,二、毒粒的化学组成,2、病毒的蛋白质,病毒结构蛋白的主要生理功能,1）构成蛋白质外壳，保护病毒核酸免受核酸酶及其它理化 因子的破坏,2）决定病毒感染的特异性，与易感细胞表面存在的受体具 特异性亲和力，促使病毒粒子的吸附和入侵,3）决定病毒的抗原性，能刺激机体产生相应的抗体,4）

9、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 子的合成（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,第二节 病毒的性质,2、病毒的壳体结构,壳体或衣壳（capsid,包围着病毒核酸的蛋白质外壳，由蛋白质亚基按对称的 形式、有规律地排列而成，是病毒毒粒的基本结构,壳体结构类型,螺旋对称壳体 二十面体对称壳体 双对称结构,螺旋对称壳体： 亚基有规律地沿着中心轴 （核酸）呈螺旋排列，进 而形成高度有序、对称的 稳定结构,二十面体对称壳体： 构成对称结构壳体的第二种方式是 蛋白质亚基围绕具立

10、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,具有双对称结构的典型例子是有尾噬菌体（tailed phage）,其壳体 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,一、病毒的形态结构,3、 病毒的包膜结构,病毒包膜的基本结构与生物膜 相似，是脂双层膜。 在包膜形成时，细胞膜蛋白被 病毒的包糖蛋白取代。 刺突（spike）：包膜或核衣壳 上的突起,第二节病毒的性质,一、病毒的形态结构,3、 病毒的包膜结构,病毒的蛋白质壳体和病毒核酸（核心）构成的复合物，又称 核衣壳,核壳（nucleocapsid,仅由核衣壳构成的病毒颗粒,裸露毒粒（naked

11、virion,如烟草花叶病毒、脊髓灰质炎病毒（Poliovirus）等一些简单的病毒的毒粒,包膜（envelope,有些病毒核衣壳包裹着的一层脂蛋白膜，它是病毒以出芽（budding） 方式成熟时，由细胞膜衍生而来的。有维系毒粒结构，保护病毒核壳 的作用。特别是病毒的包膜糖蛋白，具有多种生物学活性，是启动病 毒感染所必需的,有包膜的病毒,第二节病毒的性质,一、病毒的形态结构,4、病毒的结构类型,四种主要结构类型,裸露的二十面体； 裸露的螺旋； 有包膜的二十面体； 有包膜的螺旋,有些病毒，如有尾噬菌体、痘病毒等结构更为复杂，不能包括 在这些结构类型之内,不同病毒的毒粒结构复杂程度有很大的区别,第

12、三节 病毒的复制,病毒的特点,严格细胞内寄生物，只能在活细胞内繁殖,毒粒,宿主细胞,有繁殖性的病毒基因组,具有感染性的毒粒消失,病毒基因组复制、表达,病毒核酸和蛋白质,装配形成具有感染性的毒粒,释放至细胞外,原料； 能量； 生物合成场所,第三节 病毒的复制,病毒的复制,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。病毒的这种特殊繁殖方式称做复制（replication,第三节 病毒的复制,一、病毒的复制周期,1、一步生长曲线（one step growth

13、curve,1939年，Max Delbruck & Emory Ellis,E. coli / bacteriopage,1、用噬菌体的稀释液感染高浓度的宿主细胞； 2、数分钟后，加入抗噬菌体的抗血清（中和未吸附的噬菌体）； 3、将上述混合物大量稀释，终止抗血清的作用和防止新释放 的噬菌体感染其它细胞； 4、保温培养并定期检测培养物中的噬菌体效价（对噬菌体含量 进行计数）； 5、以感染时间为横坐标，病毒的感染效价为纵坐标，绘制出 病毒特征性的繁殖曲线,该实验标志着分子病毒学、分子生物学和分子遗传学的建立 Max Delbruck因此荣获1969年Nobel Prize,一、病毒的复制周期,1

14、、一步生长曲线（one step growth curve,噬菌体复制（繁殖） 的三个阶段： 1、吸附期； 游离的噬菌体吸附到宿主细胞 2、潜伏期； 从噬菌体吸附到细胞到释放 出新噬菌体的最短时期 3、裂解期； 随着菌体不断破裂，新噬菌体 数目增加，直到最高值,一、病毒的复制周期,1、一步生长曲线（one step growth curve,取培养物直接测定 病毒数量,将培养物过滤去细 胞后测定病毒数量,将细胞裂解后测定病毒的数量。 前期可将培养物先离心去上清以消除未吸附病毒 的影响,裂解量：每个受染细胞所产生的子代病毒颗粒的平均数目。 其值等于潜伏期受染细胞的数目除以稳定期受染细胞所释放的全

15、部子代病毒数 目，即等于稳定期病毒效价与潜伏期病毒效价之比,一、病毒的复制周期,2、隐蔽期（eclipse period,在潜伏期的前一段，受染细胞内检测不到感染 性病毒，后一阶段，感染性病毒在受染细胞内 的数量急剧增加。 自病毒在受染细胞内消失到细胞内出现新的感 染性病毒的时间为为隐蔽期,隐蔽期病毒在细胞内存在的动力学曲线呈线性函数，而非指数关系，从而证明 子代病毒颗粒是由新合成的病毒基因组与蛋白质经装配成熟，而不是通过双分 裂方式产生的,不同病毒的隐蔽期长短不同， 例如，DNA动物病毒的隐蔽期为520小时， RNA动物病毒为210小时,一、病毒的复制周期,1、一步生长曲线（one step

16、 growth curve,一步生长曲线是研究病毒复制的一个经典试验，最初是为研究噬菌 体的复制而建立，以后推广到动物病毒和植物病毒的复制研究中,以适量的病毒接种于标准培养的高浓度的敏感细胞，待病毒吸附后，离心除去 未吸附的病毒，或以抗病毒抗血清处理病毒细胞培养物以建立同步感染，然 后继续培养并定时取样测定培养物中的病毒效价，并以感染时间为横坐标，病 毒的感染效价为纵坐标，绘制出病毒特征性的繁殖曲线，即一步生长曲线,不同病毒的潜伏期长短不同，噬菌体以分钟计，动物病毒和 植物病毒以小时或天计,潜伏期,噬菌体的裂解量一般为几十到上百个，植物病毒和动物病毒可达 数百乃至上万个,裂解量,一、病毒的复制

17、周期,3、病毒的复制周期,复制周期（replicative circle）或称复制循环,自病毒吸附于细胞开始，到子代病毒从感染细胞释放到细胞 外的病毒复制过程,吸附； 侵入； 脱壳； 病毒大分子的合成，包括病毒基因组的表达与复制； 装配与释放,第三节 病毒的复制,二、病毒感染的起始,1、吸附,毒粒,敏感细胞,随机碰撞而接触（静电引力或氢键,可逆吸附，无特异性（非细胞颗粒也可吸附,病毒表面蛋白与细胞受体的结合,特异性，不可逆吸附，启动病毒感染的第一阶段,二、病毒感染的起始,1、吸附,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

18、细胞具有不同病毒的细胞受体， 病毒受体的细胞种系特异性决定了病毒的 宿主范围,二、病毒感染的起始,2、侵入,侵入又称病毒内化，它是一个病毒吸附后几乎立即发生， 依赖于能量的感染步骤。 不同的病毒-宿主系统的病毒侵入机制不同,二、病毒感染的起始,2、侵入,有尾噬菌体,注射方式将噬菌体核酸注入细胞,通过尾部刺突固着于细胞； 尾部的酶水解细胞壁的肽聚糖，是细胞壁产生小孔； 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,吸附,尾钉固着,尾鞘收缩,尾管穿入,DNA注入,如果大量噬菌体在短时间内吸附于同一细胞上，使细胞壁产生许多 小孔，也可引起细胞立即裂解，但并未进行噬菌体的增殖，这种现 象称

19、为自外裂解（lysis from without,二、病毒感染的起始,2、侵入,植物病毒,通过因人为地或自然的机械损伤所形成的微伤口进入细胞； 或者靠携带有病毒的媒介，主要靠是有吮吸式口器的昆虫取 食将病毒带入细胞,植物病毒一旦进入细胞后，增殖产生的子代病毒或病毒核酸 可通过病毒编码的运动蛋白（movement protein）与胞间连 丝的相互作用从受染细胞进入邻近细胞,二、病毒感染的起始,3、脱壳,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,动物病毒存在不同的结构类型和不同的侵入方

20、式， 其脱壳过程也较复杂,第三节 病毒的复制,三、病毒大分子的合成,病毒基因组进入胞内,宿主细胞的代谢发生改变,病毒利用宿主的生物合成机构和场所，使病毒核酸表达和复制， 产生大量的病毒蛋白质和核酸,四、病毒的装配与释放,第三节 病毒的复制,新合成的毒粒结构组分组装成完整的病毒颗粒，称做病毒的装配， 亦称成熟（maturation）或形态发生（morphogenesis,成熟的子代病毒颗粒然后依一定途径释放到细胞外,病毒的释放标志病毒复制周期结束,吸附,侵入,早期：病毒特异性酶的合成,病毒核酸复制,病毒结构蛋白质合成,装配,释放,病毒大分子合成,噬菌体与宿主关系,1、烈性噬菌体：凡能引起宿主细胞

21、迅速裂解的噬菌体。 2、温和性噬菌体：噬菌体侵染宿主后，并不增殖，裂解，而与宿主DNA结合，随宿主DNA复制而复制，此时细胞中找不到形态上可见的噬菌体，这种噬菌体称为温和性噬菌体。含有温和性噬菌体的细菌称为溶源性细菌lysogenic bacteria,第四节 病毒的非增殖性感染,温和噬菌体的溶源性反应,烈性噬菌体（virulent phage,感染宿主细胞后能在细胞内正常复制并最终杀死细胞， 形成裂解循环（lytic cycle,温和噬菌体或称溶源性噬菌体（lysogenic phage,感染宿主细胞后不能完成复制循环，噬菌体基因组 长期存在于宿主细胞内，没有成熟噬菌体产生,这一现象称做溶源

22、性（lysogeny）现象,在大多数情况下，温和噬菌体的基因组都整合于宿主染色体中（如噬菌体） ，亦有少数是以质粒形成存在（如P1噬菌体,温和性噬菌体存在状态,1）游离具感染性的virion； 2）前噬菌体（prophage）：附着或整合在宿主染色体上，一道复制； 3）营养期噬菌体：指导合成,温和噬菌体的溶源性反应,整合于细菌染色体或以质粒形成存在的温和噬菌体 基因组称做原噬菌体（prophage,在原噬菌体阶段，噬菌体的复制被抑制，宿主细胞 正常地生长繁殖，而噬菌体基因组与宿主细菌染色 体同步复制，并随细胞分裂而传递给子代细胞,细胞中含有以原噬菌体状态存在的温和噬菌体基因组 的细菌称做溶源性

23、细菌（lysogenic bacteria,溶源性细菌经自发裂解或诱发裂解，进入裂解循环,5节：病毒对理化因素抵抗力,1、物理因素主要是温度、光、干燥。 可低温保存，但不耐热，60度，30分钟。 X射线、射线、紫外线可灭活。 无包膜病毒在相对湿度（RH）较高时存活较好，而有包膜病毒在低RH时存活最好。 2、化学因素： 体内灭活物质是抗体和干扰素 体外一般消毒剂可灭活，对氯耐受力比肠道菌强，对酸性不敏感，对高pH敏感。 可用脂溶剂（醚、十二烷基硫酸钠、氯仿、去氧胆酸钠等）鉴别有无包膜,3、病毒在环境中存活： 在海水和淡水中，温度是影响病毒存活的主要因素，与病毒类型也有关； 土壤中受温度和湿度影响

24、最大，干燥易使病毒灭活； 空气中病毒附着在尘埃上，存活时间受多种因素影响。 污水处理中一级处理是物理过程，去除病毒效果很差，最多30%。二级处理是生物处理，病毒去除率90-99%。三级处理可进一步去除病毒,亚病毒,1、类病毒viroid：没有衣壳包裹的RNA分子。 2、拟病毒virusoids(类类病毒）：一类包括在植物病毒粒子中的类病毒，RNA。 3、朊病毒prion, virino：一类能侵染动物并在宿主细胞内复制的小分子无免疫性的疏水性蛋白,Microbiology,类病毒(viroid,目前所知道的最小、只含RNA一种成分、专性细胞内寄生的分子生物 。只在植物体中发现。 马铃薯纺锤形块茎病是1922年在美国发现的，它可使马铃薯减产2070 马铃薯纺锤形块茎病类病毒 ： 它是一条长50nm的棒状dsRNA分子,Microbiology,拟病毒（virusoids,又称类类病毒（viroid-like），可认为是一类包裹在植物病毒粒子中的有缺陷的类病毒 一般仅由裸露的RNA 或DNA组成 “寄生”于真病毒内辅助病毒（helper virus） 其复制必须依赖辅助病毒,Microbiology,朊