病毒学第三章病毒的形态与结构

1、普通病毒学,学院：生命科学学院 主讲：刘燕,Inner Mongolia University for the Nationalities,第三节 病毒的分类原则,1.核酸的类型、结构及相对分子质量：病毒核酸是DNA还是RNA，是单股还是双股，使线状还是分段，核酸的相对分子质量多少，核酸相对分子质量占病毒体总量的百分比，鸟嘌呤加胞嘧啶（G+C）的含量等。 2.病毒的形状和大小：病毒体的形状是杆状、球状、二十面体、子弹状、转形，还是蝌蚪状等；病毒体的长度和宽度、病毒体的直径。 3.病毒体的形态结构：包括壳体的对称型、立体对称、螺旋对称或复合对称；有无囊膜；二十面体壳体的壳理数目和直径、螺旋壳体的

2、直径。,4.病毒体对乙醚、氯仿等脂溶剂的敏感性。 5.血清学性质和抗原关系。 6.病毒在细胞培养上的特性：包括对细胞和宿主的特异性；病毒在感染细胞内复制过程；合成和装配部位；在核内、细胞质内或细胞表面成熟的情况；细胞内包涵体的形成和细胞病理变化。 7.除脂溶剂外对其他化学和物理因子的敏感性：包括对酸的稳定性、对热的稳定性和加入两价阳离子后的稳定性。 8.流行病学特点：包括病毒属的宿主范围；传播方式和媒介种类；临床病理学特征。,第三节 病毒的分类原则,第四节 病毒分类系统,最新的分类系统国际病毒分类委员会(International Committee on Taxonomy of Viruse

3、s, ICTV)于2005年7月发表了最新的病毒分类第八次报告。在这个长达1259页的报告中，将目前ICTV所承认的5450多个病毒归属为3个目、73个科、11个亚科、289个属、1950多个种。在亚病毒感染因子下设类病毒、卫星和阮毒，其中类病毒有2个科、7个属;卫星病毒有2个亚组，卫星核酸有3个亚组;朊病毒分为哺乳动物肮病毒和真菌肮病毒。,第八次报告是在前几个病毒分类报告的基础上，汇集了自2000年以来所有得到批准的病毒分类新建议，包括1999年悉尼第11届国际病毒学大会、2002年巴黎第12届国际病毒学大会以及2001年、2002年、2003年ICTV各次中期会议上批准的分类建议。与第七次

4、报告相比，实际新增加了9个科、2个亚科、56个属，约400个病毒种。第八次报告的最大特点是进一步明确了“种”作为病毒分类系统中的最小分类阶元，在每一个确定种下面列出了至少一个、至多几十个不同的分离物以及它们在GenBank上的登录号，增加了许多反映病毒基因序列同源性关系的系统树图，并将原子分辨率的粒子三维结构插入到相应的科或属中，使读者对病毒粒子空间结构有更详细的了解。,小结,思考题：,1、国际病毒分类的基本原则是什么？,2、常见的病毒科有哪些？,总结,病毒的群体特点,种类繁多 多样性丰富性 变异迅速 专一性强 有致病性,病毒的个体特点, 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

5、构； 只含一种类型核酸（DNA或RNA）作为遗传信息的载体； 在RNA病毒，全部遗传信息都在RNA 上编码，这种情况在生物学上是独特的；无产能酶系，也无蛋白质合成系统； 不能再无生命的培养基中增殖，必须依赖宿主细胞的代谢系统复制自身核酸、合成蛋白质并装配成完整的病毒颗粒。,举例：病毒基因组的多样性,第三章 病毒的形态与结构,第一节 病毒的形态与大小,一、研究病毒形态与结构的意义 弄清病毒的形态与结构，对开展病毒的分类、起源及应用具有十分重要的意义。,二、病毒的形态特征,病毒的个体形态：病毒的个体极其微小，结构简单，但它们却是形态各异，丰富多彩。,1、测量单位纳米（nm） 3、观察工具电子显微镜

6、 2、大多数病毒的直径小于150 nm,病毒的大小与形态,立克次体 450nm,衣原体 390nm,SARS病毒为冠状病毒,HIV 及其感染细胞示意图,流感病毒,狂犬病毒（RV）,埃博拉病毒的病毒粒子 美国电影极度恐慌（Outbreak),埃博拉病毒（Ebola virus）,烟草花叶病毒,噬菌体及其感染大肠杆菌示意图,i. 病毒的大小,研究病毒大小的方法： 1、电子显微镜测量法，可观察病毒形态结构，测量病毒体的大小； 2、分级超过滤法，使用超滤膜的滤孔，估计病毒颗粒的大小； 3、超速离心沉淀法，根据病毒的沉降速度推算病毒的分子量与大小； 4、X射线衍射分析法，研究病毒的结构和亚单位等。,i.

7、,ii. 病毒的形态,ii.,病毒粒子的基本形态 球状、杆状和复合状,烟草花叶病毒,P2噬菌体,T2噬菌体,脊髓灰质炎病毒,病毒粒子的基本形态 包膜病毒与无包膜病毒,疱疹病毒,流感病毒,腺病毒,弹状病毒,卵圆形病毒,蝌蚪状病毒,杆状病毒,砖型病毒,丝状病毒,球状病毒,iii. 病毒的群体形态：,病毒感染宿主细胞后，可形成由大量病毒粒子和蛋白质构成的病毒群体：包含体、噬菌斑、空斑、病斑和枯斑。,iii.,噬菌斑,小结,思考题：,1、用于测量病毒大小的单位是？,2、病毒与立克次体相同的特点是： A含有DNA和RNA B在人工合成的培养基中不能生长 C含有核蛋白体 D以二分裂方式进行繁殖 E对抗生素

8、敏感3、病毒不同于衣原体的特点是： A能通过细菌滤器 B对抗生素不敏感 C可引起机体多部位感染 D严格地细胞内寄生 E在感染细胞内可形成包涵体,第二节 病毒的化学组成与功能,一、病毒的组成,病毒粒子的模式结构及名称,二、病毒的核酸及其功能,病毒核酸的功能,其功能： （1）决定病毒特性；（细菌转化实验） （2）病毒复制； （3）具有感染性。 （细菌转化实验） 总之核酸是主导病毒感染、增殖、遗传、变异的物质基础。,细菌转化实验,1. 基础知识 野生型肺炎双球菌(Strep-tococcus pneumoniae)菌落为光滑型，一种突变型为粗糙型，两者根本差异在于荚膜形成； 荚膜的主要成分是多糖，具

9、特殊的抗原性； 不同抗原型是遗传的、稳定的，一般情况下不发生互变。,2. Griffith转化研究(1928),Griffith对其试验结论及发展,根据上述研究结果Griffith认为： (有毒)死细菌中的某种物质转移到(无毒)活细菌中，并使之具有毒性，导致小家鼠死亡。 他将这种细菌遗传类型的转变称为转化，并将引起转化的物质称为转化因子(tranforming principle)。 但是当时的化学与生化分析技术还无法鉴定杀死细菌中的成分，因而不知转化因子为何物。,Griffith对其试验结论及发展,以后一些研究者重复上述试验，并且加入了体外培养试验，即：将加热杀死的SIII细菌与无毒RII细

10、菌混合培养，然后注入小家鼠体内，同样导致家鼠死亡。表明： 细菌在培养条件下也能够实现遗传类型间的定向转化。,三、病毒的蛋白质及其功能,病毒蛋白分为结构蛋白和非结构蛋白。 结构蛋白指构成一个成熟的有感染性的病毒粒子所必需的蛋白质，包括：壳体蛋白、包膜蛋白和存在于毒粒中的酶等； 非结构蛋白指在病毒复制过程中产生并具有一定功能，但不结合于病毒粒子中的蛋白质。,蛋白质结构,（1）构成衣壳的全部成分及包膜的主要成分； （2）对病毒核酸具有保护作用； （3）衣壳蛋白和包膜刺突可特异地吸附到宿主易感细胞表面受体上，介导病毒核酸进入细胞，引起感染； （4）病毒蛋白是良好的抗原，可激发机体产生免疫应答。,蛋白质

11、的功能,（一）壳体蛋白及功能,壳体蛋白是构成病毒壳体结构的蛋白质，壳体蛋白的最小单位是由一条或多条多肽折叠形成的蛋白质亚基。也称为壳粒。 一些简单的病毒的壳体蛋白仅有一种或少数几种蛋白质组成，而一些复杂病毒则可多达20余中。 壳体蛋白的功能是保护病毒的核酸。 不同病毒的壳粒数目和排列方式不同，可构成多种对称类型。,壳体蛋白的功能,能维持病毒的形态结构； 保护核酸； 具有粘附作用，能与细胞表面结合，介导病毒的感染和决定病毒对细胞的亲和性； 具有抗原性。,（二）病毒包膜及功能,某些病毒在衣壳蛋白外由一层包膜围绕。包膜由脂类、蛋白质和糖蛋白组成。大多数有包膜病毒呈球形或多形态，但痘病毒呈砖型，包膜来

12、自细胞膜，但包膜蛋白几乎都由病毒基因编码。 包膜的功能与表面刺突相关。刺突为糖蛋白，能与红细胞结合的糖蛋白谓血凝素（HA）；与细胞表面神经氨酸起作用的称神经氨酸酶（NA）。,脂类和糖：病毒脂类构成包膜的主要成分，因此脂溶剂可破坏病毒包膜，使其失去感染性。糖类参与构成病毒刺突成分。,病毒包膜功能,有些包膜上具有在电镜下可见，并有一定形状的刺突。在流感病毒和人类免疫缺陷病毒（HIV）中，这些刺突具有重要的抗原性，可诱生机体的体液免疫及细胞免疫应答。,病毒体呈球形，直径约100120nm。 病毒体外层为脂蛋白包膜，其中嵌有gp120和gp41两种病毒特异的糖蛋白。 gp120构成包膜表面的刺突，gp

13、41为跨膜蛋白。 病毒内部为二十面体对称的核衣壳，衣壳蛋白为P24，病毒核心含病毒RNA、逆转录酶核核衣壳蛋白。,HIV生物学性状,包膜糖蛋白,gp120暴露于病毒包膜之外，称外膜蛋白，含有与宿主细胞表面的CD4分子结合位点、中和抗体结合位点和T淋巴细胞结合位点。 gp41是病毒的跨膜蛋白，当gp120与CD4分子结合后，其疏水性氨基末端可插入细胞膜，介导病毒包膜与宿主包膜融合。,小结,作业题：,1、病毒结构由哪几部分组成？各部分主要功能是什么？,2、可称为病毒体的结构是： A核衣壳B核酸 C衣壳 D包膜 E壳粒,病毒的对称性 螺旋对称的病毒粒子 二十面体对称病毒粒子 复合对称的病毒粒子,第三

14、节 病毒颗粒形态结构的对称性,三类典型形态的病毒： 廿面体对称的结构(球状) 螺旋对称的结构(杆状) 复合对称的结构(蝌蚪状) 大肠杆菌的T偶数噬菌体是由椭圆形的二十面体头部和螺旋对称的尾部组合而成，是病毒中复合对称的代表。,病毒的对称性,i.螺旋对称形,壳粒沿病毒基因螺旋对称排列，形成杆状的核衣壳，如烟草花叶病毒、狂犬病病毒、正粘和副粘病毒。 烟草花叶病毒为杆状； 狂犬病病毒为弹状； 正粘病毒（流感病毒）和副粘病毒为多形性结构，且有包膜。,第三节 病毒颗粒形态结构的对称性,烟草花叶病毒,刚性与柔性病毒粒子 烟草花叶病毒：病毒粒子刚硬，不易弯曲。受外力时易折断 水稻条纹叶枯病病毒：可弯曲变形,

15、水稻条叶枯病毒,有包膜螺旋的对称病毒 埃博拉病毒：在柔性的螺旋对称纤维外面覆以包膜,埃博拉病毒的病毒粒子 美国电影极度恐慌（Outbreak),有包膜螺旋的对称病毒(续） 副粘病毒(Nipahvirus)：螺旋对称的病毒核衣壳缠绕成团，外覆以包膜。,有包膜螺旋的对称病毒(续） 麻疹病毒（副粘病毒）,有包膜螺旋的对称病毒(续） 流感病毒：RNA基因组分成8个片段，它们分别形成螺旋对称核衣壳，然后聚集在一起，外覆以包膜,流感病毒,有包膜螺旋的对称病毒(续） 狂犬病毒（弹状病毒）：螺旋对称的核衣壳为短杆状，外覆包膜，但一端内陷，呈子弹状,ii. 二十面体对称,壳粒排列形成20面体对称型，有12个顶、

16、20个面和30条棱的立体结构，包裹核酸形成球状或近似球状的结构。20面体的每个面都是等边三角形，由许多壳粒镶嵌组成，见于多数球状病毒。 肠道病毒中的脊髓灰质炎病毒、柯萨奇病毒都是20面体对称球形。,二十面体的特点： 容量大 接近球形 对称性好,双层、多层二十面体衣壳,轮状病毒,花椰菜花叶病毒(Caulimovirus)的三层结构,双层、多层二十面体衣壳（续）,包膜病毒 许多动物病毒具有包膜,疱疹病毒,包膜病毒（续） 乙型肝炎病毒（HBV）,包膜病毒（续） 人免疫缺陷病毒（HIV） 衣壳形成时为二十面体，在病毒粒子包装成熟时“塌陷”成楔状,iii. 复合对称,病毒体的结构较为复杂，其壳粒排列既有

17、螺旋对称，又有立体对称的形式，如痘病毒和噬菌体。,HIV病毒,第四章 病毒的复制,病毒必须在活的细胞体内增值，它利用宿主细胞的原料、能量和复制场所，利用宿主细胞的酶系统和病毒自身表达的复制酶系统，进行病毒核酸的复制和病毒大分子结构蛋白和非结构蛋白的合成。为了研究病毒复制的方便，首先要建立各种适合于病毒复制的细胞培养系统。,吸附,病毒的增殖过程,穿入,脱壳,早期蛋白,晚期蛋白,装配,DNA复制,核酸游离,成熟,释放,第一节 用于病毒复制研究的实验系统,病毒只能在其敏感的宿主细胞内复制，一般来说，原核生物病毒只能感染原核细胞，植物病毒和动物病毒也分别以植物细胞和动物细胞为复制的场所，为了研究病毒复

18、制的方便，应首先设法建立适于病毒复制的细胞培养系统。,一、噬菌体细胞培养系统,噬菌体的细胞培养系统的优点： 1、敏感的宿主细菌易于在琼脂平板上培养，其数目易于控制； 2、噬菌体在细菌内增殖，往往导致细菌培养无变清亮，在合适的接种密度下，很容易在琼脂平板上形成噬斑，其结果容易观察； 3、噬菌体和细菌的增殖速度快、增殖周期短，在一定时间内，可以多次反复试验。,这种用来测定噬菌体侵染和成熟病毒体释放的时间间隔，并用以估计每个被侵染的细胞释放出来的新的噬菌体粒子数量的生长曲线，称为一步生长曲线 (one-step growth curve) 。它可反映每种噬菌体的三个最重要的特性参数潜伏期（latent period）和裂解量 (burst size) ，故十分重要。,一步生长曲线 (one-step growth curve),潜伏期 (latent period)：人们将噬菌体吸附寄主细胞开始到细胞释放新的噬菌体为止的这段时间。 上升期 (rise period)：潜伏期过后，噬菌斑数突然迅速上升，表明被感染的细菌已经越来越多地裂解，直至所有感染细胞都被裂解为止，这个时间称为上升期 。 裂解量(burst size) ：每个感染细菌所释放的新噬菌体的平均数。,二、 动物病毒动物细胞培养系统,猴