天津科技大学海洋学院微生物学第三章病毒

1、第三章病毒n第一节 概述n第二节 毒粒的性质n第三节 病毒的复制n第四节 病毒的非增殖性感染一、病毒学第一节第一节 概述概述极大地丰富了现代生物学（微生物学、分子生物学、分子极大地丰富了现代生物学（微生物学、分子生物学、分子遗传学）的理论与技术；遗传学）的理论与技术；病毒学（virulogy） ：研究病毒（virus）的本质及其与宿主的相互作用的科学，是微生物学的重要分支学科。有效地控制和消灭人及有益生物的病毒病害；有效地控制和消灭人及有益生物的病毒病害；利用病毒对有害生物、特别是害虫进行生物防治；利用病毒对有害生物、特别是害虫进行生物防治；发展以基因工程为中心的生物高新技术产业；发展以基因工

2、程为中心的生物高新技术产业；二、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 2）一种病毒的毒粒内只含有一种核酸，）一种病毒的毒粒内只含有一种核酸，DNADNA或者或者RNARNA。3）大部分病毒没有酶或酶系极不完全，不含催化能量代谢）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。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

3、的病毒仅由核酸和蛋白质外壳（例如一些简单的病毒仅由核酸和蛋白质外壳（coat）构成，构成，故可把它们视为核蛋白分子。故可把它们视为核蛋白分子。朊病毒甚至仅由蛋白质构成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（病毒组分装配（assembly）成子代毒粒，并以一定方式释放到成子代毒粒，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（细胞外。病毒的这种特殊

4、繁殖方式称做复制（replication）。）。第一节 概述1. 特点二、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；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。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. 特点二、病毒的特点和定义 单细胞微生物与病毒性质的比较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

5、毒复制性质细菌立克次氏体支原体衣原体病毒直径大于 300nm+-在无生命培养基生长+-专性活细胞内寄生-+双分裂+-含有 DNA 和 RNA+-核酸感染性-+a核糖体+-产能代谢+-细胞膜+-对抗生素的敏感+-b对干扰素的敏感-+第一节 概述2.定义二、病毒的特点和定义迄今仍无一个科学而严谨的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或或RNA基因组被其所编码的蛋白质壳体化（基因组被其所编码的蛋白质壳体化（encapsidation）。）。 -（Fields等，等，1990年）年）非细胞生物

6、（真）病毒：至少含核酸或蛋白质组分亚病毒类病毒：只含具侵染性的RNA组分卫星RNA：只含有不具侵染性的RNA组分朊病毒：只含蛋白质三、病毒的宿主范围第一节 概述病毒几乎可以感染所有的细胞生物，并具有宿主特异性四、病毒的培养和纯化四、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。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 1. .病毒的培养病毒的培养噬菌体细菌培养物

7、培养液营养琼脂平板细菌培养液变清亮细菌培养液变清亮细菌平板成为残迹平板（噬菌斑）若是噬菌体标本经过适当稀释再接种细菌平板，经过一定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部透明区域，即噬时间培养，在细菌菌苔上可形成圆形局部透明区域，即噬菌斑（菌斑（plagueplague）。）。如同对细菌计数一样，形成的噬菌斑也可用于对噬菌体的如同对细菌计数一样，形成的噬菌斑也可用于对噬菌体的数目进行估算。数目进行估算。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. 病毒的培养若标本经过适当稀释进行接种并辅以染色处理，病毒

8、可在培养的细胞单层上形成肉眼可见的局部病损区域，即蚀斑（plaque）或称空斑。大多数动物病毒感染敏感细胞培养能引起其显微表现的改变，即产生致细胞病变效应（cytopathic effect,CPE），例如细胞聚集成团、肿大、圆缩、脱落，细胞融合形成多核细胞，细胞内出现包涵体（inclusion body），乃至细胞裂解等。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 2. . 病毒纯化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是有感染性的生物体病

9、毒具有化学大分子的属性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 病毒的性质病毒粒子：毒粒 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 病毒的性质一、病毒的形态结构一、病毒的形态结构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；毒粒的形状大致可分球形颗粒(或称拟球形颗粒)、杆状颗粒和复杂形状颗粒（如蝌蚪状，卵形）等几类。单位用纳米；毒粒大小测定方法：分级过滤法；电泳；超速离

10、心沉降；电子显微镜观察几种病毒的形态和相对大小 采用各种电镜技术观察病毒的形态结构Orf virus：口疮病毒口疮病毒(接触性脓疱皮炎接触性脓疱皮炎病毒病毒)（负染技术）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）第二节第二节 病毒的性质病毒的性质一、病毒的形态结构一、病毒的形态结构2. 病毒的壳体结构第二节第二节 病毒的性质病毒的性质一、病毒的形态结构一、病毒的形态结构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

11、而成，是病毒毒粒的基本结构。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：螺旋对称壳体：亚基有规律地沿着中心轴亚基有规律地沿着中心轴（核酸）呈螺旋排列，进（核酸）呈螺旋排列，进而形成高度有序、对称的而形成高度有序、对称的稳定结构。稳定结构。多面体对称壳体：多面体对称壳体：构成对称结构壳体的第二种方式是构成对称结构壳体的第二种方式是蛋白质亚基围绕具立方对称的正多蛋白质亚基围绕具立方对称的正多面体的角或边排列，进而形成一个面体的角或边排列，进而形成一个封闭的蛋白质的鞘。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

12、（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。第二节 病毒的性质一、病毒的形态结构一、病毒的形态结构3. 病毒的包膜结构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。核衣壳。核壳（nucleocapsid）：仅由核衣壳构成的病毒颗粒仅由核衣壳构成的病毒颗粒裸露毒粒（naked virion）：如烟草花叶病毒、脊髓灰质炎病毒（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。等一些简单的病毒的毒粒。包膜（envelope）：有

13、些病毒核衣壳被一层脂蛋白膜包裹着，它是病毒以出芽方式成有些病毒核衣壳被一层脂蛋白膜包裹着，它是病毒以出芽方式成熟时，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。动病毒感染所必需的。有包膜的病毒有包膜的病毒一、病毒的形态结构一、病毒的形态结构3 3. . 病毒的包膜结构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。病毒包膜的基本结构与生物膜相似，是脂双层膜。也称封套或囊膜。主要成分为磷脂，此外还有

14、糖脂、中性也称封套或囊膜。主要成分为磷脂，此外还有糖脂、中性脂肪、脂肪酸、脂肪醛、胆固醇。囊膜一般为脂质双层膜，脂肪、脂肪酸、脂肪醛、胆固醇。囊膜一般为脂质双层膜，与这些膜相联的是病毒特异性蛋白。这些病毒特异性蛋白与这些膜相联的是病毒特异性蛋白。这些病毒特异性蛋白在病毒感染和复制过程中发挥作用。在病毒感染和复制过程中发挥作用。囊膜表面往往具有突起物，称刺突囊膜表面往往具有突起物，称刺突 (spike) 或包膜子粒或包膜子粒 (peplomer) 。囊膜对一些脂溶剂如乙醚、氯仿等敏感。有。囊膜对一些脂溶剂如乙醚、氯仿等敏感。有囊膜的病毒有利于其吸附寄主细胞，破坏宿主细胞表面受囊膜的病毒有利于其吸

15、附寄主细胞，破坏宿主细胞表面受体，使病毒易于侵入细胞。体，使病毒易于侵入细胞。 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毒粒；裸露的螺旋毒粒；有包膜的二十面体毒粒；有包膜的螺旋毒粒；有些病毒，如有尾噬菌体、痘病毒等结构更为复杂，不能包括有些病毒，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。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二节 病毒的性质二、病毒的化学组成二、病毒的化学组成病毒病毒（化学组成）（化学组成）核酸；核酸；蛋白质；蛋白质；脂类；脂类；碳水化合物；碳水化合物；基本化学组成二、病毒的化学组成二、病

16、毒的化学组成1. 病毒的核酸t 核酸是病毒的遗传物质；t 一种病毒的毒粒只含有一种核酸：DNA或是RNA；病毒核酸病毒核酸单链DNA（ss DNA）；双链DNA（ds DNA）；单链RNA（ss RNA）；双链RNA（ds RNA）；2.病毒核酸的结构大多数DNA病毒具有开放式双链DNA；有些病毒具有开放式或封闭式单链DNA；有些病毒具有封闭式双链DNA或一链中断的开放式双链DNA；有的病毒核酸为闭合环状双链；绝大多数RNA病毒含开放式单链RNA。2.病毒核酸的结构3.病毒核酸的正负链n病毒核酸无论是dsDNA、ssDNA或dsRNA、ssRNA,按照基本性质或意义都有正负链的区别。凡能被转录

17、为mRNA的单链DNA或RNA为负链，即有意义链。n根据mRNA产生的情 况可把病毒中存在的 核酸分为不同性质的 五类：二、病毒的化学组成二、病毒的化学组成2. 病毒的蛋白质病毒蛋白质结构蛋白非结构蛋白由病毒基因组编码的，在病毒复制过程中产生并具有一定功由病毒基因组编码的，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。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必需的蛋白质壳体蛋白；壳体蛋白；包膜蛋白；包膜蛋白；存在于毒粒中的酶；存在于毒粒中的酶；二、病毒的化学组成2. 病毒的蛋白质病毒结构蛋白的主要

18、生理功能：病毒结构蛋白的主要生理功能：1）构成蛋白质外壳，构成蛋白质外壳，保护病毒核酸保护病毒核酸免受核酸酶及其它理化免受核酸酶及其它理化 因子的破坏；因子的破坏；2）决定病毒感染的特异性决定病毒感染的特异性，与易感细胞表面存在的受体具，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；特异性亲和力，促使病毒粒子的吸附和入侵；3）决定病毒的抗原性决定病毒的抗原性，能刺激机体产生相应的抗体；，能刺激机体产生相应的抗体；4）构成毒粒酶，或参与病毒对宿主细胞的入侵（如构成毒粒酶，或参与病毒对宿主细胞的入侵（如T4噬菌噬菌 体的溶菌酶等），或参与病毒复制过程中所需要病毒大分体的溶菌酶

19、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）；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。一旦离开宿主就不能独立进行代谢和繁殖。第三节 病毒的复制一、病毒的生活循环第三节 病毒的复制病毒的复制：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（病毒组分装配（assembly）成

20、子代毒粒，并以一定方式释放到成子代毒粒，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（细胞外。病毒的这种特殊繁殖方式称做复制（replication）。）。第三节 病毒的复制二、病毒繁殖的特点1939年，Max Delbruck & Emory Ellis：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因此荣获因此荣获1969年年Nobel Prize一步生长：病毒进入细胞后，最初检测无病毒粒子，而经过一段时间后，一次放出大量的具有感染力的病毒粒子。三、病毒的复制周期三、病毒的复制周期噬菌体复

21、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，直到最高值复制周期或称复制循环复制周期或称复制循环自病毒吸附于细胞开始，至子代病毒从感染细胞释放到细胞外的病毒复制过程。 三、病毒的复制周期三、病毒的复制周期（一）吸附1.噬菌体的吸附n大部分以其尾部吸附在细菌细胞壁上，但有些噬菌体则吸附在细菌的鞭毛或性纤毛上。（一）吸附2.动物病毒的吸附病毒在宿主细胞表面受体上吸附。病毒感染时，首先是病毒表面的吸附蛋白与敏感宿主细胞表面特异的受体结合。 3.植物病毒的吸附植物病毒对宿主细胞不

22、特异性的结合，没有特异性的受体部位。（一）吸附（二）侵入和脱壳： 脱壳是病毒基因组进行功能表达的必须条件，不同的病毒-宿主系统的病毒侵入、脱壳机制不同。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。 通过尾部刺突固着于细胞；尾部的酶水解细胞壁的肽聚糖，使细胞壁产生小孔；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；2.动物病毒的侵入病毒病毒的核壳体或整个病毒粒子侵入细胞。此过程不象噬菌体感染原核生物时，壳体蛋白留在细胞外面。动物病毒基因组和壳体的分离发生在细胞内，称脱壳。病毒穿过细胞膜的移位过程细胞的内吞功能毒力包膜与细胞质膜的融合通过因人为地或自然的机械

23、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。3.植物病毒的侵入（三）病毒的复制及生物合成n病毒基因组的表达与复制存在着强烈的时序性。病毒基因组的表达与复制存在着强烈的时序性。 如噬菌体 DNA 进入宿主细胞后，立即以噬菌体 DNA 为模板，利用细菌原有的 RNA 合成酶来合成早期 mRNA ，由早期 mRNA 翻译成早期蛋白质。这些早期蛋白质主要是病毒复制所需要的酶及抑制细胞代谢的调节蛋

24、白质。在这些酶的催化下，以亲代DNA 为模板，复制出子代的 DNA 。在DNA 开始复制以后转录的 mRNA 称为晚期 mRNA ，再由晚期 mRNA 翻译成晚期蛋白质。这些晚期蛋白质主要组成噬菌体外壳的结构蛋白质，如头部蛋白质、尾部蛋白质等。在这时期，细胞内看不到噬菌体粒子，称为潜伏期 (latent period) 。 （四）病毒的装配n新合成的毒粒结构组分组装成完整的病毒颗粒，称做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，亦称成熟或形态发生。病毒的装配，亦称成熟或形态发生。（五）病毒的成熟释放（六）一步生长曲线噬菌体的繁殖方式为一步生长，即由一个噬菌体侵入细菌繁殖后可释放

25、出一群噬菌体。一步生长曲线包括三个时期：（1）吸附期（2）潜伏期（3）裂解期三、病毒的复制周期三、病毒的复制周期n1、用噬菌体的稀释液感染高浓度的宿主细胞；、用噬菌体的稀释液感染高浓度的宿主细胞；n2、数分钟后，加入抗噬菌体的抗血清（中和未吸附、数分钟后，加入抗噬菌体的抗血清（中和未吸附的噬菌体）；的噬菌体）；n3、将上述混合物大量稀释，终止抗血清的作用和防、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；止新释放的噬菌体感染其它细胞；n4、保温培养并定期检测培养物中的噬菌体效价（对、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）；噬菌体含量进行计数）；

26、n5、以感染时间为横坐标，病毒的感染效价为纵坐标，、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绘制出病毒特征性的繁殖曲线；一步生长曲线（一步生长曲线（one step growth curve）（六）一步生长曲线三、病毒的复制周期三、病毒的复制周期三、病毒的复制周期三、病毒的复制周期一步生长曲线（one step growth curve）三、病毒的复制周期隐蔽期（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。第四节 病毒的非增殖性感染增殖性感染（productive infection）：感染发生在病毒能在其内完成复制循环的允许细胞内，并以有感染性病毒子代产生为特征；非增殖性感染（nonproductive infection）：感染由于病毒、或是细胞的原因，致使病毒的复制在病毒进入敏感细胞后的某一阶段受阻，结果导致病毒感