病毒学第二章讲义

第二章病毒的形态与结构病毒的生命形式表现为细胞外的具有感染性的颗粒形式和细胞内的具有繁殖性的基因形式。

所以，病毒的生物学研究大体可以分为静态研究和动态研究。

前者主要是进行病毒体的性质研究，包括病毒的化学组成、形态结构、理化性质和血清学特性等问题；后者则着重研究病毒的感染、病毒在细胞内的繁殖动态、遗传与变异以及病毒与宿主之间的相互作用。

1.病毒的形态与大小2.病毒的组成与功能3.病毒颗粒形态结构的对称性1 病毒的形态与大小病毒没有细胞结构，是微生物中最小的生命实体。

它的组成简单，大多数病毒粒体中仅含有一种核酸（DNA或RNA）及一种或多种蛋白质。

病毒具有专性寄生性，必须在活细胞中才能增殖。

研究形态和结构的意义:研究病毒的形态和结构,对于开展病毒的分类、起源及应用研究具有重要的意义.1.1.病毒的形态病毒一般以病毒颗粒或病毒子的形式存在，具有一定的形态.虽然病毒的种类成百上千种,但形态可归纳以下几种:球状病毒、杆状病毒、砖形病毒、有包膜的球形病毒、具有球状头部的病毒、封于包含体内的病毒.①球状病毒:球状病毒是由核酸和蛋白亚单位构筑的一个立体对称的二十面体,有特定的形态学单位.②杆状病毒:如TMV,电镜照片中可以看出蛋白亚单位像垂直于颗粒长轴的条纹.③砖形病毒:如痘病毒,经酶和化学处理后用电子显微镜可以看到在丝状体下面还有其他结构,他们包括组成和功能尚不明确的侧体和一个含有病毒核酸和蛋白质外壳的芯或称病毒核心.④有包膜的球形病毒:在细胞膜上完成其结构的病毒通常具有膜结构,其中一部分包膜来自于寄主的膜.包膜结构一般都成突起,称为尖突或包膜子粒.易变形,具有多型性.⑤具有球状头部的病毒:细菌病毒的大小和形状是各类病毒中花样最多的,具有球状头部和各种杆状尾部.⑥封于包含体内的病毒:多数昆虫病毒的成熟颗粒都封于特征性的包含体中.包含体是结晶状的稳定形态,其中含有一个或多个病毒颗粒.1.2. 病毒的大小：装配成熟的病毒颗粒大小恒定不再改变，不同病毒间差异很大，从十几纳米到十几微米不等。

最小的如植物的联体病毒直径仅18-20nm.最大的如动物痘病毒达300-450×170-260nm.最长的如丝状病毒科长为80×790-14,000nm。

小的病毒口蹄疫病毒21乙型肝炎病毒18苜蓿花叶病毒16.5玉米条纹病毒12-8烟草坏死病毒16菜豆畸矮病毒9-11细的病毒大肠杆菌的f1噬菌体5X800病毒的化学组成及功能完整的病毒颗粒基本化学组成主要是核酸和蛋白质.核酸被蛋白质衣壳包裹组成核衣壳。

有些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.核心:核酸→基因组genome →决定病毒遗传、变异和复制壳粒capsomere →衣壳capsid →保护、介导、抗原性包膜envelope，包膜子粒peplomere（刺突spike）→保护、介导、抗原性2.1.病毒的核酸病毒的基因组是由核酸构成的，核酸是病毒遗传信息和感染的物质基础，迄今为止所发现的各种病毒均只含有一种核酸，或者是DNA；或者是RNA。

与其它生物的核酸构型基本相似，DNA为双链；RNA为单链，但也有不少例外。

如逆转录病毒的RNA在复制过程中逆转录合成DNA，因此在此时细胞中出现DNA和RNA两种核酸形式；呼肠孤病毒等具有双链RNA；细小病毒等具有单链DNA。

通过病毒基因组的核酸组成和基因组结构的研究，有助于揭示病毒基因组转录、复制和表达的调控机制；阐明病毒感染和致病的分子基础，为病毒性疾病的预防和治疗提供科学依据。

功能:是病毒复制、遗传和变异等的遗传信息载体.2.1.1病毒的核酸类型原核和真核细胞的DNA一般为双链，RNA为单链。

病毒核酸有4种存在类型：双链DNA、单链DNA、双链RNA、单链RNA。

在单链DNA 和RNA中，还有极性之分(正单链和负单链)。

2.1.2病毒核酸碱基组成病毒基因组核酸的组成与原核和真核细胞一样，也是由4种碱基组成，但在不同的病毒核酸中，各碱基含量却差异较大。

除此之外，某些病毒的基因组中也含有一些稀有碱基，如T偶数噬菌体的双链DNA中有一种稀有碱基，即5-羟甲基尿嘧啶(5-HMC)取代了胞嘧啶。

2.2.病毒的衣壳病毒的衣壳是由病毒基因组编码的衣壳蛋白亚基通过一定的方式聚集而成的，有的衣壳只有一种蛋白亚基组成；有的是由几种蛋白亚基形成。

病毒基因组编码的结构蛋白主要构成衣壳的衣壳蛋白，还有包膜蛋白和基质蛋白。

衣壳蛋白：形成保护病毒基因组的壳体；包膜蛋白：主要是镶嵌在包膜内或位于包膜表面的糖蛋白；基质蛋白：则在有包膜病毒中使包膜与核衣壳联系在一起。

2.2.1衣壳蛋白的组成病毒的衣壳蛋白和生物的其它蛋白一样，也是由自然界的20中氨基酸组成，尚未发现病毒存在特有的氨基酸。

但是不同病毒的衣壳蛋白中，每种氨基酸组成的百分比和氨基酸排列顺序是不相同的。

2.2.2衣壳蛋白的功能1.保护病毒的基因组----通过形成壳体使病毒基因组免遭各种理化因子等不利因素的破坏。

2.决定病毒的抗原性----衣壳蛋白是病毒粒子的主要抗原蛋白，能刺激机体免疫系统产生免疫反应。

3.吸附作用-----在无包膜病毒的感染过程中，其衣壳蛋白能作为病毒吸附蛋白而与宿主细胞表面的受体蛋白相互识别、结合，从而使病毒粒子吸附于宿主细胞表面。

需要注意的是，有些病毒的吸附蛋白并非一种衣壳蛋白充当，一种衣壳蛋白识别A细胞表面受体，而另一种则识别B细胞受体。

4.血凝作用-----有些裸露病毒的衣壳蛋白具有凝集红细胞的能力。

如呼肠孤病毒的外衣壳蛋白1就有血凝活性。

通过1HA与红细胞表面的相应受体，将大量红细胞联结在一起，形成肉眼可见的凝聚现象。

2.3.病毒的包膜2.3.1病毒的包膜的来源病毒的包膜来自于宿主的细胞膜或内膜(内质网或高尔基体膜)，它是病毒成熟时从细胞膜或内膜出芽而获得的，因此具有宿主细胞膜特性。

既然这样，病毒包膜中所含脂类的种类和数量与宿主细胞膜的脂类极为相似，并且同一病毒包膜中脂类的含量因其宿主的不同而异。

可以通过病毒包膜蛋白成分与宿主细胞膜的抗血清发生反应得到进一步证实。

2.3.2病毒包膜的化学组成经过电子显微镜和X衍射分析，发现所有病毒的包膜结构大体一致、化学组成类似于细胞膜，只是其中所含有的脂类分子的种类或数量以及镶嵌在其中的蛋白分子与细胞膜略有不同。

如图1为流感病毒的包膜结构组成，在病毒包膜上的脂质分子如磷脂酰胆碱(PC)。

磷脂酰乙醇胺(PE)、神经鞘磷脂(SM)主要位于脂质双层膜的外层，而磷脂酰丝氨酸(PS)，磷脂酰肌醇(PI)则主要位于脂质双层膜的内层。

在流感病毒的包膜上有两个主要的突起物，即血凝素(HA)和神经氨酸酶(NA)，它们由包膜内突出至包膜外。

另外在包膜内表面还存在有基质蛋白(matrix protein)。

2.3.3病毒包膜所含有的脂类包膜中除了镶嵌或突出于包膜外的蛋白质外，包膜主要是由脂质构成，其中以磷脂和胆固醇为主，还有少量甘油三酰酯、糖脂、脂肪酸、脂肪醛。

包膜主要存在于动物病毒中，某些植物病毒和噬菌体也有包膜。

对于大部分有包膜的病毒粒子而言，脂质占其结构成分的20-35%左右，这种情况恰好满足病毒粒子组成脂质双层膜所需的脂质分子含量；但痘病毒所含脂质仅占结构成分的5%，因此，其病毒的脂质双层结构的面积还不到其包膜覆盖面积的一半，包膜的其余部分皆为蛋白质分子所占据，其蛋白质分子在包膜内相距很近，并且在蛋白质分子之间仅有很少的间隙为脂质分子所填充，这样的脂质分子大多以脂蛋白的形式存在，很少具有流动性，所以这种病毒粒子对脂溶剂具有较高的抗性；而象披膜病毒则是所有已知病毒中脂质含量最高的一类病毒，其脂质含量约占病毒粒子结构成分总量的50%以上，这种病毒对脂溶剂非常敏感。

2.3.4病毒包膜的糖蛋白有些病毒除了具有包膜外，还有包膜突起。

病毒包膜突起的化学本质大多为糖蛋白，其功能各不相同。

有的是病毒粒子的吸附蛋白，与病毒的吸附有关；有的是病毒的融合蛋白，它可以促进病毒包膜与细胞膜融合，与病毒的侵入有关。

病毒包膜的糖蛋白突起基本上都是由碳水化合物与包膜蛋白质分子连接而成。

与脂质分子一样，突起所含糖分子也来自于宿主细胞，糖的种类随病毒的不同而异。

即使同一种病毒由于所感染的细胞不同，其糖分子的种类也不一样。

现在已有一些病毒的包膜糖蛋白突起了解得比较清楚。

冠状病毒有两种包膜糖蛋白突起：一种是膜蛋白，即M蛋白(过去称为E1蛋白)；另一种突起蛋白是S蛋白(过去称为E2蛋白)，两种突起蛋白均横穿病毒包膜。

M糖蛋白只有N端糖基化的一小部分暴露在包膜外，大部分(85％)则位于包膜中。

M糖蛋白与正粘病毒和副粘病毒的基质蛋白M相似，它在包膜内侧能与病毒核衣壳相互联系；而S糖蛋白与流感病毒的HA有相似之处，它由同样大小的两个多肽组成，这两个多肽是通过同一前体蛋白切割形成的。

另外，某些冠状病毒如牛冠状病毒(BCV)、猪血凝性脑脊髓炎病毒(HEV)火鸡冠状病毒(TCV)等的包膜中还有第三种突起。

即血凝素-酯酶(HE)。

冠状病毒的S糖蛋白可以结合宿主细胞膜上的糖蛋白、受体，诱导感染细胞融合，HE 糖蛋白则有血凝和酯酶活性。

2.3.5病毒的包膜的功能1)具有保护病毒粒子免受外界环境不利因素的影响2)病毒的吸附作用---作为吸附蛋白而与病毒的吸附、感染密切相关。

3）细胞融合活性-----通过包膜突起使病毒包膜与宿主细胞膜或使感染细胞与未感染细胞之间产生融合。

如披膜病毒包膜突起中E1蛋白、冠状病毒的S突起具有细胞融合活性；流感病毒的HA蛋白不仅能使病毒包膜与宿主细胞膜融合，而且还能使宿主细胞之间融合产生合胞体。

4)血溶活性---溶解血红细胞的特性。

主要是指副流感病毒、腮腺炎病毒和麻疹病毒含有包膜突起F，它是一种血溶素，产生血溶反应，导致血红蛋白释放。

5)抗原性----病毒的包膜糖蛋白突起对病毒来说是很重要的抗原物质。

它们的存在可以产生保护性的中和抗体。

3.病毒颗粒形态结构的对称性3.1. 螺旋对称壳体圆柱体对称形式构成的病毒壳体,实际上呈螺旋对称结构,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.如烟草花叶病毒(TMV),壳体2130个相同蛋白质亚基螺旋对称结构,长300nm,径15-18nm,外观直杆状.中央轴孔径4nm,亚基成右手螺旋排列,螺距2.3nm,一圈16.33个亚基,RNA单链,长6395个核苷酸.长度相当2130个亚基或130螺转.螺旋对称病毒粒形态变化刚性与柔性病毒粒▪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：可弯曲变形螺旋对称病毒粒形态变化有包膜螺旋的对称病毒▪埃博拉病毒：致死率最高的病毒之一▪在柔性的螺旋对称纤维外面覆以包膜有包膜螺旋的对称病毒（续）Nipah病毒：螺旋对称的病毒核衣壳缠绕成团，外覆以包膜。