环境微生物学

1、环境微生物学 第三章第三章 病毒和亚病毒病毒和亚病毒 发现和认识 病毒的概念和种类 形态构造和化学成分 繁殖方式 亚病毒 HIV结构示意图 环境微生物学 第一节 病毒的发现和认识 一、病毒发现前期 特点： 疾病，但不了解疾病的实质。 证据： Aristotle在公元前4世纪时已 经描述了狂犬病的症状； 公元前2-3世纪，我国和印度有 天花的记载； 公元前1500古埃及有对脊髓灰 质炎病症的记载。 环境微生物学 二、病毒发现期 特点： 存在比细菌更微小的生命 体病毒 证据： 1892俄国的伊万诺夫斯基 发现烟草花叶病的感染因 子能通过细菌过滤器。 1898荷兰贝哲林克将该致 病因子命名为viru

2、s。 环境微生物学 三、病毒的电镜观察和化学分析期 特点： 病毒的形态,化学组成。 证据： 1935美国Stanley从烟草花叶病病 叶中提纯了病毒结晶，证实含核酸 和蛋白质，而核酸具感染和复制能 力。 1940年德国Kausche使用电子显微 镜观察TMV的杆状外形。 电镜技术极大推动了病毒学的发展 环境微生物学 四、病毒的分子生物学期 特点： 从分子水平探索病毒的生命活动规 律。 证据： 1952：Hershey和Chase证实噬菌 体的遗传物质是DNA,开创了病毒分 子生物学。 1971后：陆续发现了各种亚病 毒类病毒、拟病毒、和朊病毒。 病毒学的发展推动了肿瘤学、分子 遗传学、分子生物

3、学的快速发展。 环境微生物学 一、定义和特性 定义：是一类由核酸（RNA或DNA）和蛋白质组成活细 胞内专性寄生的超显微非细胞生物。 特性： 形态微小，以电镜观察； 无细胞结构，主要成分为核酸和蛋白质（分子生 物），一种病毒只含有一种核酸（ RNA或DNA ） 无代谢系统，营活细胞专性寄生 依靠宿主代谢系统合成核酸和蛋白质并装配增殖 离体条件下，为无生命生物大分子状态，并保持 侵染性 对抗生素不敏感对干扰素敏感。 第二节 病毒的概念和种类 环境微生物学 二、种类 根据病毒化学组分的不同，分四类： v 病毒(virus)：至少含有核酸和蛋白质两种组分。 v 类病毒(viroid)：只含单独具侵染

4、性的RNA组分 v 拟病毒(virusoid)：只含不具单独侵染性的RNA组分 v 朊病毒(prion)：只含蛋白质组分 根据宿主的不同，分三类： v 植物病毒 v 动物病毒 v 噬菌体 环境微生物学 第三节 形态构造和化学成分 一、大小 测定病毒大小的单位是纳米（109)，多数病毒的直径 在100nm左右； 大多数病毒是能通过细菌滤器； 用电镜观察 环境微生物学 二、个体形态 病毒粒子（virion）：指成熟、结构完整、具有侵染力的单个 病毒。 环境微生物学 三、化学组成与构造 基本成分及构造 其他成分 病毒的对称机制 环境微生物学 1、 病毒粒子的基本成分和构造 基本成分：核酸（RNA或D

5、NA）和蛋白质。 核酸：位于病毒中心，是病毒基因组（遗传信息的 载体），一种病毒只含一种核酸DNA或RNA。 病毒核酸的类型多样： RNA或DNA 单链或双链 线状或环状 单组分或多组分 环境微生物学 蛋白质：包围在核酸周围，形成衣壳。 衣壳：是病毒粒子的主要支架结构和抗原成分，由 衣壳粒按一定几何构型排列而成。 衣壳粒：一条或数条多肽组成。 衣壳的功能： 结构功能：构成病毒的外壳，保护内部 核酸 吸附功能：吸附于宿主细胞的表面受体 上 破坏宿主细胞壁和细胞膜 病毒的抗原 核衣壳衣壳核酸 是病毒的基本结构。 环境微生物学 2.其他成分：包膜、刺突等。 包膜（envelope）：核衣壳外包被一层

6、含蛋白质或 糖蛋白的类脂双层膜。 刺突（Spike）：嵌合在包膜上，呈棘状突起的结构。 capsidcapsid corecore envelope spikespike 环境微生物学 3. 病毒的对称机制 二十面体对称：球状 代表：腺病毒 腺病毒为双链DNA病毒， 无包膜，粗看像“球 状”，由20个等边三角 形组成的二十面体构成。 有12个角，20个面和30 条棱。252个球状衣壳粒 排列而成。 环境微生物学 螺旋对称：杆状 代表：烟草花叶病毒TMV） TMV单链RNA病毒，长300nm、 宽15nm、内径4nm。由95蛋 白质与5RNA组成。 衣壳由2130个衣壳粒组成。 每个衣壳粒含15

7、8个氨基酸。 2130个衣壳粒以逆时针方向 螺旋排列成130圈螺旋，螺距 2.3nm。RNA以螺旋方式盘绕 在衣壳内侧的沟内。 环境微生物学 复合对称：蝌蚪状 二十面体螺旋 代表：T4噬菌体 头部：二十面体对称，内有 dsDNA核酸； 颈部：连接头、尾的构造。 由颈环和颈须组成。 尾部：呈螺旋对称。由尾鞘、 尾管、基板、刺突和尾丝组 成。 环境微生物学 四、群体形态 包含体 噬菌斑 病斑和空斑 枯斑 病毒在宿主细胞内大量聚集，使宿主细胞发生病变，形成 具有一定形态、构造并能用光学显微镜观察的群体特征。 环境微生物学 1. 包涵体（inclusion body） 概念：某些病毒感染宿主细胞后，在

8、光学显微镜下可见大小、形 态、数量不等的小体，称为包涵体。不同病毒形成的包涵体具有 不同的形态、结构、和特性，可用于病毒的分类鉴定。 包涵体在细胞中的形成部位：细胞核内如疱疹病毒 细胞质内如狂犬病毒等 胞核、胞质都有麻疹病毒 本质： 病毒聚集体、病毒合成部位、病毒蛋白质 意义-病毒鉴定 临床诊断依据 环境微生物学 (2)噬菌斑(plaque) 概念：指在宿主细菌的菌苔 上，噬菌体使菌体裂解而形 成肉眼可见的空斑,“负菌 落”。 应用：1、噬菌体定量计数 2、噬菌体的鉴定 环境微生物学 （3）病斑和空斑 空斑：与噬菌斑相似，是病毒在单层动物细胞培养物 上形成的特征性群体形态。 病斑：单层细胞培养

9、物受肿瘤病毒的感染，出现细胞 剧增的现象 （4）枯斑 枯斑：植物病毒在植物叶片上形成的群体形态称为枯 斑。 环境微生物学 第四节 病毒的繁殖方式 一、原核生物病毒噬菌体 概念：是病毒中的一种，一般把侵染细菌、放线菌等原 核微生物的病毒称为噬菌体。 分布：在自然界广泛存在，在1995年发表的ICTV的病毒 分类与命名第六次报告中共报道了4000余种，分别划归 为49个病毒科. 据Bradley(1967)归纳，噬菌体共有六类形态。 环境微生物学 T-系噬菌体T-系噬菌体是研究的最广泛、深入的噬菌体，按发 现的先后顺序进行从T1-T7编号，后来发现其中偶数者的形态都相 同（蝌蚪形收缩性长尾），称T

10、偶噬菌体。 环境微生物学 由于绝大多数噬菌体为蝌蚪形，现以由于绝大多数噬菌体为蝌蚪形，现以E.coli T4为例，介绍蝌蚪为例，介绍蝌蚪 形噬菌体的结构：形噬菌体的结构： 大肠杆菌大肠杆菌T4T4噬菌体构造噬菌体构造 1. 偶数噬菌体的形态构造 结构：头部、颈部和尾部 头部：二十面体，内为线状dsDNA 颈部：连接头、尾结构，由颈须和 颈环（六角形盘状物）组成。 尾部：尾鞘、尾管、基板、刺突和 尾丝组成。 环境微生物学 病毒粒子无生长过程，为增殖的方式，通过其化学成分的合病毒粒子无生长过程，为增殖的方式，通过其化学成分的合 成以及装配实现增殖。成以及装配实现增殖。 五个阶段：吸附五个阶段：吸附

11、侵入侵入增殖（生物合成与复制）增殖（生物合成与复制）成熟成熟 （装配）（装配）裂解（释放）。裂解（释放）。 烈性噬菌体（烈性噬菌体（virulent phage）病毒感染细胞后病毒感染细胞后,在寄主细在寄主细 胞内短时间完成以上五个阶段从而产生大量子代并引起细菌裂胞内短时间完成以上五个阶段从而产生大量子代并引起细菌裂 解的噬菌体。解的噬菌体。 温和噬菌体（温和噬菌体（temperate phrage）感染细胞后，将其核酸感染细胞后，将其核酸 整合（插入）到宿主的核整合（插入）到宿主的核DNA上，可随宿主上，可随宿主DNA的复制而进行的复制而进行 同步复制，在一般情况下，不引起寄主细胞裂解的噬菌

12、体。同步复制，在一般情况下，不引起寄主细胞裂解的噬菌体。 2. 偶数噬菌体的繁殖 环境微生物学 The lytic life cycle consists of the following steps: AdsorptionPenetrationReplicationMaturati on Release。 The Lytic Life Cycle of Lytic Bacteriophages 环境微生物学 The bacteriophage binds to receptors on the bacterial cell wall. The bacteriophage injects it

13、s genome into the bacteriums cytoplasm Fig. 2: Penetration Fig. 1: Adsorption 环境微生物学 The bacteriophage genome replicates and bacteriophage components begin to be produced by way of the host bacteriums metabolic machinery. The production of bacteriophage components and enzymes progresses . Fig. 4: La

14、te Replication Fig. 3: Early Replication 环境微生物学 The bacteriophage components assemble. A bacteriophage- coded enzyme breaks down the peptidoglycan in the bacterial cell wall causing osmotic lysis. Fig. 6: Release Fig. 5: Maturation 环境微生物学 Phage T4 infecting its host E. coli cell 环境微生物学 Electron Micr

15、ograph of a T-even Bacteriophage with a Contractile Sheath A = normal bacteriophage; B = bacteriophage after contraction of sheath 环境微生物学 A (+) RNA can be translated into viral protein. (+) and (-) strands are complementary. Transcription of Viral Nucleic Acid into Viral mRNA 环境微生物学 病毒增殖的基本特点： 病毒无生长

16、过程； 不是以二分裂的方式进行繁殖； 病毒基因组指令宿主细胞复制病毒核酸和合成蛋 白质，进行装配实现增殖过程。 环境微生物学 3. 噬菌体效价的测定 效价(滴度Title)-是微生物或其产物、抗原与抗 体等活性高低的标志。 噬菌体效价-指噬菌体的浓度，即每ml样品中含噬 菌体的粒子数。通常以形成噬菌斑进行噬菌体的计 数，以每毫升中含有的噬菌斑形成单位（plaque forming unit/ml或pfu/ml)表示其效价。 测定方法：双层平板法 环境微生物学 4. 一步生长曲线（One-step growth curve) 是定量描述烈性噬菌体“生长”规律的 实验曲线，包含三个重要参数：潜伏期

17、、 烈解期和烈解量。 环境微生物学 一步生长曲线 1 100 10 102030 40 Eclipse phase Latent phaseRise phasePlateau phase 一步生长曲线 Time(min) Plaque number Fig. One-step growth curve of T2 One-step growth curve Growth curve in host bacteria 环境微生物学 潜伏期（潜伏期（latent phase)：噬菌体核酸侵入敏感细胞直至第一个成熟：噬菌体核酸侵入敏感细胞直至第一个成熟 噬菌体粒子装配前的时间。噬菌体粒子装配前的时间

18、。 裂解裂解 期（期（rise phasse)宿主裂解，噬菌体粒子数急剧增加的时期。宿主裂解，噬菌体粒子数急剧增加的时期。 平稳期平稳期(plateau phase)宿主全部裂解，噬菌体效价达最高点后的宿主全部裂解，噬菌体效价达最高点后的 时期。时期。 裂解量裂解量(Burst phase)每个被感染细菌释放新的噬菌体的平均数。每个被感染细菌释放新的噬菌体的平均数。 裂解量裂解量(Burst phase) = - 进行一步生长曲线的测定，能了解噬菌体在菌体内的最短潜 伏期，和平均收获量，还可测知理化因素的变化对噬菌体感染 循环的时间和对每个被感染噬菌体释放噬菌体的影响。 裂解期平均噬菌体数裂解

19、期平均噬菌体数 潜伏期平均噬菌体数潜伏期平均噬菌体数 裂解量 环境微生物学 5. 溶源性 lysogeny 溶源性：温和噬菌体侵染敏感细胞后，将其基因组整合直 宿主基因组中，随宿主基因的复制而同步复制，不引起宿 主细胞裂解，被称为溶源性或溶源现象。 前噬菌体：指处于整合状态的噬菌体核酸。 溶源菌：指细胞基因组含前噬菌体并能正常生长、繁殖而 不发生烈解的细菌。 温和噬菌体的三种存在形式： 游离态：成熟后被释放并具有侵染性的游离噬菌体粒子。 整合态：已整合到宿主基因组上的状态（前噬菌体）。 营养态：前噬菌体经过理化因子的诱导，脱离宿主基因组 而处于积极复制、合成和装配的状态。 环境微生物学 Ads

20、orption Penetration Prophage Formation Maintaining the Prophage during the Lysogenic Life Cycle Replication Maturation Release But ,following spontaneous induction, The bacterium inserts its genome into the bacteriums nucleoid to become a prophage. As the bacterium replicates, the prophage replicate

21、s as a part of the bacteriums nucleoid. 环境微生物学 烈性噬菌体与温和噬菌体的生活史比较：烈性噬菌体与温和噬菌体的生活史比较： 吸附吸附 侵入侵入 增殖增殖 成熟成熟 裂解裂解 整合整合 同步复制同步复制 自发或诱导自发或诱导 多次循环多次循环 裂解性循环裂解性循环 溶原性循环溶原性循环 环境微生物学 可稳定遗传，溶源菌子细胞一般也具有溶原性；可稳定遗传，溶源菌子细胞一般也具有溶原性； 自发裂解和诱导裂解自发裂解和诱导裂解 具有抗同原噬菌体感染的具有抗同原噬菌体感染的“免疫性免疫性” 溶源性细菌的复愈溶源性细菌的复愈 获得新的生理特性（溶源性转变）获得新的生理特性（溶