微生物学第三章 病毒

噬菌体各元件的装配

噬 菌 体 的 复 制(Replication)
包括噬菌体DNA的复制和蛋白质的合成 DNA的复制：噬菌体进入细胞后立即以噬菌体DNA为模板， 利用细菌原有的RNA合成酶合成早期的mRNA，由早期 mRNA翻译成早期蛋白质。这些早期蛋白质是病毒复制所 需的酶及抑制细胞代谢的调节蛋白 在这些酶催化下，以亲代DNA为模板，半保留复制出子代 DNA 在DNA开始复制后转录的mRNA为晚期mRNA，再由晚期 mRNA翻译成晚期蛋白质即噬菌体外壳的结构蛋白，如头 部蛋白质、尾部蛋白质 此时为潜伏期，在细胞内还观察不到噬菌体粒子 潜伏期（Latent period）是指噬菌体栖于宿主细胞至宿主细 胞裂解，释放噬菌体的最短时间
病毒是超显微的、无细胞结构的、只含一 种核酸(或DNA或RNA)、只能在活细胞内 存活的寄生物 。
病毒在活细胞外以病毒粒子的形式存在， 不能进行代谢和繁殖，不具有生命特征， 但一旦进入宿主细胞就具有生命特征
2，病毒的基本特性：
• （1）没有细胞结构 • （2）只含DNA或RNA一种核酸 • （3）不以二分裂法繁殖，只能在特定
不同病毒在细胞中的包涵体形状、数量、大小、位置各
异。或在细胞质中，或在细胞核中，或在两者内都有 包涵体壳从宿主细胞中移出，接种至其他细胞仍可引起 感染 。 特殊名称：天花病毒包涵体称为顾氏小体 （Guarnier），狂犬病毒包涵体称为内基氏体（Negri）， 烟草花叶病毒包涵体称为X体
病毒的包涵体图
噬菌体的吸附与侵染图
噬 菌 体 的 侵染 (Penetration)
侵染即注入核酸 噬菌体以其尾部固着于敏感细菌细胞表面后， 将尾丝展开固着于细胞，尾部的酶水解细胞壁的肽 聚糖，使细胞壁产生一个小孔，然后尾鞘收缩，将 头部的核酸通过中空的尾髓压入细胞内，而蛋白质 外壳则留在细胞外。此过程可在几十秒内完成 通 常一种细菌可受到几种噬菌体的侵染，但细菌细胞 一般只允许一种噬菌体进入细胞。往往先进入的噬 菌体可排斥或抑制后进入者。即使进入了，也不能 增殖而消亡 尾鞘并不是侵染的必备条件，无尾鞘 者也可有效侵染，但有尾鞘者可提高侵染效率 。
噬菌体的装配(Assembly)
装配是将分别合成的噬菌体核酸、蛋白质装配成 一个成熟的、有侵染力的噬菌体粒子的 过程 。 大肠杆菌噬菌体的DNA、头部蛋白质亚单位、尾 鞘、尾髓、基板、尾丝等合成后，收缩聚集，被头 部外壳蛋白包围，形成二十面体的噬菌体头部。 尾部也同时装配，并与头部连接。
最后装配完毕，成为新的子代噬菌体
• 塔诺-阿诺里斯发现转移核糖核酸的结构属性有可
能为生物体和病毒如何进化提供新信息后，开始了 对转移核糖核酸的研究。他认为，转移核糖核酸对 于构建蛋白质的任务十分重要事实，可能意味着它 在很早之前就出现了。 所有的转移核糖核酸都会自我组装成一种形状， 如果把它压扁了，就会发展成为类同于苜蓿叶的形 状。塔诺-阿诺里斯领导的研究组从寻找这种苜蓿 叶结构的模式入手，使用了数百种分子的详细数据， 这些分子代表了病毒以及生物的三个超界：古菌、 细菌和真核生物。
病毒的形态
病毒一般呈球形或杆形，也有呈卵圆形、砖形、 丝状和蝌蚪状 动物病毒多呈球形、卵圆形或砖形。如腺病毒为 球状，痘病毒为砖形 植物病毒多呈杆形或丝状，少数为球状。如烟草 花叶病毒为丝状，苜蓿花叶病毒为杆状，花椰菜花 叶病毒为球状 细菌病毒即噬菌体多为蝌蚪状，也有为球状和丝 状，如大肠杆菌偶数T噬菌体系列为蝌蚪状，大肠杆 菌噬菌体fd为丝状，фX174为球形
的寄主细胞内以核酸复制的方式增 殖 • （4）没有核糖体，不含与能量代谢有 关的酶，在活体外没有生命特征。
病毒与其他微生物的区别
微生物 DNA 种类 &RNA 细菌 + 支原体 + 立克次氏体 + 衣原体 + 病毒 DNA or RNA 无生命培养 基上生长 + + 二分裂 核糖体 抗生素 干扰素 敏感性 敏感性 + + + + + + + + + + + + + +
包膜的作用：维系毒粒结构，保护病毒核
壳。尤其是病毒的包膜糖蛋白，是启动病毒感 染所必需的。
病毒结构示意图
病 毒 的 包 涵 体
包涵体（Inclusion body）是指宿主细胞被病毒感染后 存在于细胞内形成的一种光学显微镜下可见的小体。是 由完整的病毒颗粒或尚未装配的病毒亚单位聚集而成的 小体。也有宿主细胞对病毒侵染的反应产物 包涵体多为圆形、卵圆形或不定形的蛋白质。
温和性噬菌体 （Temperate phage）
凡侵入细胞后与宿主 细胞同步复制，并随宿 主细胞的生长繁殖而传 代下去，在一般情况下 不引起宿主细胞裂解的 噬菌体，称为温和性噬 菌体。
噬菌体的增殖周期
吸附（Absorption） 侵入（Penetration） 复制（Replication） 装配（Assembly） 裂解（Lysis）
第二节 病毒的分类 Classification of Virus
分 类
实用性分类——寄主型分类 动物性病毒 植物性病毒 细菌病毒 病毒理化特性分类 科（viridae） 亚科（virrinae） 属（virus） 以病毒核酸分类 类型：DNA或RNA 股数:单股或双股 病毒粒子有无囊膜
• 随着电镜技术的发展以及分离、提纯病毒新方法的
应用，逐渐转向病毒本身的结构特征、化学组成的 研究、使病毒的分类朝着自然系统的方向发展。
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病毒分类的依据有： ① 基因组性质与结构； ② 衣壳对称性； ③ 有无包膜； ④ 病毒粒子的大小、形状； ⑤ 对理化因素的敏感性； ⑥ 病毒脂类、碳水化合物、结构蛋白和非结构蛋白 的特征； • ⑦ 抗原性； • ⑧ 生物学特性（繁殖方式、宿主范围、传播途径和 致病性）。
病毒的蛋白质壳体
是指围绕病毒核酸并与之 紧密相连的蛋白质外壳，由 许多壳粒（Capsomere）组成 壳粒是指在电子显微镜下 可以认辩的组成壳体的亚单 位，由一个或多个多肽分子 组成 功能：主要是构成病毒粒 子外壳，保护病毒核酸；决 定病毒感染的特异性，与易 感染细胞表面存在的受体有 特异亲和力；还具有抗原性， 能刺激机体产生相应抗体。 组成壳体的壳粒基本上有两 种对称排列：一种为二十面体， 即壳粒沿着三根相互垂直的轴 形形成对称体，壳体即为二十 面体。另一种为螺旋状体，壳 粒和核酸呈螺旋对称形排列成 直杆形, 伸长的纤维状，弯曲杆 状
病毒壳体的对称性
烟草花叶病毒结构示意图
病毒的二十面体结构
病毒的囊膜
囊膜也称封套或包膜（Envelope） 是指包被在病毒核壳体外的一层包膜，含有脂类、蛋 白质和糖类 囊膜为双脂层膜，与之相连的是病毒特异性蛋白 囊膜表面具有突起物，称为刺突（Spike），也称为 包膜子粒（Peplomer） 囊膜对脂溶剂敏感 有囊膜的病毒易于吸附于寄主细胞表面，破坏宿主 细胞表面受体，易于侵入细胞。
几种病毒的形态和大小
病毒粒子的结构
病毒粒子（Virion） 是指一个结构和功能完整的病毒颗粒。简称毒粒。 病毒的结构组成： 核酸（nuclear acid) 蛋白质壳体(protein coast) 囊膜(envelope)
病毒结构示意图
病毒模式图
病 毒 的 核 酸
位于病毒粒子中心，构成 了其核心或基因组 （Genome）。一种病毒只有 一种类型的核酸，或RNA或 DNA。可能单股，也可能双 股。 大病毒含有1 904个碱基对， 小的仅含5个基因。 作用：病毒核酸储存有病 毒的遗传信息，控制着病毒 的遗传变异、增殖和对宿主 的感染性。 无蛋白质壳体的病毒核酸 仍具有感染性，且感染范围 更广，但感染力较弱。
病毒分类图1
病毒分类图2
第 三 节
噬 菌 体
Bacteriophage
不同噬菌体的形态结构
在电子显 微镜下观 察噬菌体 有三种基 本形态： 蝌蚪形、 微球形和 丝状
大肠杆菌T偶数噬菌体典型图
T4噬菌体的示意图与电镜照片
噬菌体的分类
烈性噬菌体 （Virulent phage）
凡侵入寄主细胞后进 行复制繁殖并导致细胞 裂解的噬菌体即为烈性 噬菌体。
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节 • 第六节 • 第七节
病毒形态与结构 病 毒 的 分 类 噬 菌 体 植 物 病 毒 昆 虫 病 毒 动物和人类共患病毒 亚 病 毒
第一节
病毒形源自文库与结构 Morphology and Structure of Virus
病毒（Virus）
病毒的大小
• 非常微小，以nm表示。较大的痘病毒直径约为300nm，较小的口
蹄疫病毒颗粒直径为10~22nm。
• 动物病毒 • • • 植物病毒 • • 噬菌体 • • • •
腺病毒（Adenovirus）70~90nm 骨髓灰质炎病毒（Poliovirus）27~30nm 南瓜花叶病毒（Squash mosaic virus）22nm 大肠杆菌噬菌体fd（Coliphage fd）700 x 5nm 大肠杆菌噬菌体T2,T4,T6（Coliphage T2,T4,T6） 头部90x 60nm 尾部100x 20nm 大肠杆菌噬菌体M13（Coliphage M13） 长600~800nm
• 病毒的起源? • 美国伊利诺伊大学农作物科学教授古斯塔沃· 埃塔诺-阿诺里
斯和博士后研究员孙峰杰（音译）称，他们发现，在细胞内 转移核糖核酸（tRNA）分子的结构中保存有进化史上某些 早期和最重要的信息。相关论文发表在了新一期《公共科学 图书馆· 计算生物学》杂志上(2008.3)。 在目前已发现的众多核糖核酸中，转移核糖核酸是基因 和蛋白质之间最直接的媒介。像许多其他核糖核酸一样，转 移核糖核酸帮助把基因翻译成构成蛋白质的氨基酸链。在特 殊酶的帮助下，每个转移核糖核酸分子识别并与特定的氨基 酸结合，并将氨基酸运送到合成蛋白质的系统中。为了将携 带的氨基酸成功地加入一个正在生长的蛋白质的末端，转移 核糖核酸还必须准确地阅读信使核糖核酸的编码段，信使核 糖核酸给出了蛋白质的氨基酸准确顺序的指令。
噬 菌 体 的 吸附 (Absorption)
吸附是噬菌体侵染宿主细胞的第一步 吸附过程决定于：1）细胞表面受体的结构； 2）噬菌体的吸附器官 吸附过程为噬菌体的吸附器官与敏感细菌细胞表面 的敏感接受点相互特异性的互补不可逆接合 一种细菌细胞表面可被多种和多个噬菌体吸附感染。 据测定，一个细菌细胞表面可被250~ 360个噬菌体 吸附达到饱和量 吸附受环境因子温度、pH、阳离子浓度等
• 研究人员把各个转移核糖核酸苜蓿叶结构的所有特征转化
成了编码符号，这个过程可以让计算机搜索最“简约”的 转移核糖核酸“家谱”。他们对每一个超界的转移核糖核 酸也进行了同样的分析，从而弄清这些分组在整个“家谱” 中的分化。这种比较可以让他们确定病毒和每一个超界的 分化顺序。 过去，塔诺-阿诺里斯的领导研究小组分析了蛋白质折 叠的广大分类，并认为古菌是首先出现的在进化上具有可 辨别特征的群体。此次完成的新的分析支持了过去的研究 结论。古菌是一种微生物，它可以在沸腾的酸液、靠近含 硫的海底火山喷口或者其他极端环境中生存。 塔诺-阿诺里斯说，新的分析还表明病毒是在古菌出现 之后不久出现的，而真核生物和细菌依次在更晚的时候出 现。该发现可能影响目前的关于病毒究竟是在细胞出现之 前还是之后才存在的争论。他表示：“这一发现支持了病 毒起源于细胞域的理论。” 所有的转移核糖核酸都会自我组装成一种形状，如果 被压扁，就会像一片苜蓿叶，这些结构的模式提供了早期 进化史的线索。
• 国际病毒分类系统采
用目、科、属、种的 分类单元，但是亚病 毒感染因子采用任意 分类。
国际病毒分类委员会 (International Committee on Taxonomy of Viruses ， 简称 ICTV) 在 2001 年公布 的病毒分类和命名第七次报 告中病毒分类系统设立了 3 个病毒目、 66 个病毒科 （包括 2 个类病毒科）、 9 个病毒亚科和 244 个病毒属 （包括 32 个暂定属和 7 个 类病毒属）。