第三章 病毒

Section 1 Introduction 一、病毒的发现及定义 二、病毒的基本特点 三、病毒的形态和大小 四、病毒的结构 五、病毒的化学组成 六、噬菌斑和病毒的效价 七、病毒的分类

一、病毒的发现及定义 1、病毒引起的疾病： 肝炎、狂犬病、脊髓灰质炎、天花、艾滋病、流感等。                                                                                    1、病毒引起的疾病： 肝炎、狂犬病、脊髓灰质炎、天花、艾滋病、流感等。 强调：可怕的艾滋病，到2005年止全世界已有5600万人感染了艾滋病，已死亡2180万人，在2000年一年内有530万人感染了艾滋病，同时有300万人死亡。

2、病毒病的特点：传染性强、流行面广、致死率高 3、病毒的发现：1892年，俄国学者伊万诺夫斯基发现烟草花叶病毒。

1892年俄国学者伊万诺夫斯基首次发现烟草花叶病的感染因子能通过细菌滤器，病叶汁通过滤器后得到的滤液可再感染健康的烟草叶面使之发生花叶病。1898年荷兰生物学家贝哲林克进一步肯定了伊万诺夫斯基的结果，并证实该致病因子可被乙醇从悬液中沉淀下来而不失去感染力，但在人工培养基上不能生长。于是他认为该病原体是比细菌小的“有传染性的，活的流质”，并给该病原体起名叫：病毒。

4、病毒的定义 病毒是比细菌更微小，能通过细菌滤器，只含有一种核酸（脱氧核糖核酸或RNA），仅能在活细胞内生长繁殖的非细胞形态的微生物。 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，一旦进入宿主细胞就具有生命特征

1、个体微小 2、结构简单 3、高度寄生性 4、特殊的抵抗力 二、病毒的基本特点 1、个体微小 2、结构简单 3、高度寄生性 4、特殊的抵抗力

1、个体微小 原核微生物：1～10微米 真核微生物：10～100微米 病毒：10～300钠米

2、结构简单：蛋白质+核酸 3、高度寄生性：在细胞内表现为生命，在细胞外为无生命的大分子的复合物。 4、特殊的抵抗力：不能被甘油，抗生素所杀灭，但可以被干扰素，以及一般的甲醛、紫外线所杀灭。

三、病毒的形态和大小 1、病毒的形态 病毒一般呈球形和杆形，也有呈卵圆形、砖形、丝状和蝌蚪状 （1） 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 （2） 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 （3）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

几种病毒的形态和大小

2、病毒的大小 非常微小，以nm表示。较大的痘病毒直径约为200nm，较小的口蹄疫病毒颗粒直径为10~22nm。 （1）动物病毒 大蚊虹色病毒（Tipula彩虹色的病毒) 30nm 腺病毒（腺病毒）70~90nm 骨髓灰质炎病毒（Poliovirus）27~30nm （2）植物病毒 马铃薯Y病毒（马铃薯病毒Y） 750 12nm 南瓜花叶病毒（南瓜马赛克病毒）22nm （3）噬菌体 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

如何理解病毒的大小？ 病毒（10钠米）——————芝麻（3毫米） 细菌（1微米）——————？ 30厘米（篮球） 人脂肪细胞（70微米）————？ 21米（大仓库） 人（1.7米）————————？ 510公里（岛）

四、病毒的结构 病毒粒子（Virion） 是指一个结构和功能完整的病毒颗粒 病毒毒粒的基本结构是包围着病毒核酸的蛋白质外壳。 1、螺旋对称 2、二十面体对称 3、复合结构

衣壳粒：是构成病毒粒子的最小形态单位。每个衣壳粒是由1-6个同种多肽分子折叠而成的蛋白质亚单位。病毒粒子上不同部位的衣壳粒可由不同多肽分子组成。 衣壳：由衣壳粒以对称的形式，有规律地排列成特定的形状，构成病毒的外壳。 核心（基因组）：病毒的核酸位于中心。 核衣壳：它是病毒蛋白质和核酸的合称。 包膜：有些病毒在衣壳的外面包裹着一层构造比较复杂的包膜。它由脂类和多糖组成。这种结构具高度的稳定性，可保护病毒核酸不致在细胞外环境中受到破坏。 刺突：有些病毒粒子表面，尤其是在有囊膜的病毒粒子表面具有突起物。

典型病毒粒子的构造 糖蛋白 衣壳(capsid) 核心(genome) 核衣壳(nucleocapsid) 衣壳粒(capsomere) 包膜（envelope） 衣壳 核酸

1、螺旋对称 烟草花叶病毒（TMV）是衣壳粒螺旋对称病毒的典型代表，烟草花叶病毒呈直杆状，长300nm，宽15nm，中空内径4nm，由158个氨基酸组成一个皮鞋状的衣壳粒，相对分子量为17500，总共2130个衣壳粒，排列成130圈螺旋，TMV的核酸核心是单链的RNA，相对分子质量为260万，含有6390个核苷酸，每3个核苷酸与一个衣壳粒相结合，盘绕于蛋白质的中空内径中。

2、二十面体对称 二十面体具有12个角、20个面和30条棱。腺病毒的衣壳是典型的二十面体对称，由252个衣壳组成，没有包膜。腺病毒的核心是由线状双链DNA构成的。其基因组的大小都约为36500个核苷酸对。

3、复合对称结构 Ｔ偶数噬菌体---T4由头部（核心是双链线状DNA）、颈部和尾部（尾鞘、尾管、基板、刺突和尾丝）三个部分构成。

head neck 尾管 尾鞘 tail（24环） 刺突tail pins 基板 尾丝(tail fibers)

五、病毒的化学组成 1、病毒的核酸 2、病毒的蛋白质 3、病毒的脂类 4、病毒的糖类 五、病毒的化学组成 1、病毒的核酸 2、病毒的蛋白质 3、病毒的脂类 4、病毒的糖类

1、病毒的核酸

病 毒 的 核 酸 人: 30亿个bp 约2-3万个基因（以前估 计是5-10万基因） E.coli: 3.2╳106 bp 约3千个基因 病 毒 的 核 酸 人: 30亿个bp 约2-3万个基因（以前估 计是5-10万基因） E.coli: 3.2╳106 bp 约3千个基因 Virus： 2 ╳ 105bp 约几个到几百个基因

2、病毒的蛋白质 （1）壳体蛋白：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（壳粒）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 （2）包膜蛋白 （3）毒粒酶

蛋白质的功能 构成病毒外壳,保护病毒核酸免受核酸酶及其他理化因子的破坏 决定病毒感染的特异性,与易感细胞表面存在的受体具特异亲合力,促使病毒粒子的吸附 决定病毒的抗原性,并能刺激机体产生相应的抗体 病毒蛋白还构成了病毒组成的酶

3、病毒的脂类 4、病毒的糖类

六、病毒的分类 1、实用性分类——寄主型分类 动物性病毒 植物性病毒 细菌病毒 2、病毒理化特性分类 3、以病毒核酸分类 科（viridae） 亚科（virrinae） 属（病毒） 3、以病毒核酸分类 类型：脱氧核糖核酸或RNA 股数 病毒粒子有无囊膜

Section 2 病毒的复制

一、原核生物的病毒 -噬菌体

（一）噬菌体的一步生长曲线 功能：可反映每种噬菌体的3个重要特性参数：潜伏期、裂解期和裂解量（爆裂大小） 以适量的病毒接种于标准培养的高浓度的敏感细胞，待病毒吸附后，或高倍稀释病毒-细胞培养物后，或以抗病毒抗血清处理病毒-细胞培养物以建立同步感染，然后继续培养，定时取样测定培养物中的病毒效价，并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，即一步生长曲线。 功能：可反映每种噬菌体的3个重要特性参数：潜伏期、裂解期和裂解量（爆裂大小）

噬菌体一步生长曲线可分为： 1、潜伏期 是噬菌体的核酸侵入宿主细胞后至第一个噬菌体粒子装配前的一段时间 ① 隐晦期：噬菌体侵染细菌细胞后，细胞内只出现噬菌体核酸和蛋白质尚无噬菌体释放的阶段 ② 胞内累积期：指在隐晦期后，若人为地裂解细胞，其裂解液已呈现侵染性的一段时间。 2、裂解期：紧接在潜伏期后的宿主细胞迅速裂解、溶液中噬菌体粒子急剧增多的一段时间。 3、平稳期：指感染后的宿主细胞已全部裂解，溶液中噬菌体效价达到最高点的时期。 裂解量即是每个感染细菌所释放的新噬菌体的平均数量

噬菌体生长的一步曲线图

（二）噬菌体的复制周期 1、吸附 2、 侵入 3、增殖 4、成熟（装配） 5、裂解（释放）

1.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）细胞表面受点的结构； 2）噬菌体的吸附器官 吸附过程为噬菌体的吸附器官于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、阳离子浓度等影响

噬菌体的吸附与侵染图

尾丝尖端与宿主细胞表面的特异性 受体接触，可触发尾丝散开，附着 在受体上，随之把刺突、基板固定 病毒吸附蛋白与细胞受体间的结合力来源于空间结构的互补性，相互 间的电荷、氢键、疏水性相互作用及范得华力。 尾丝尖端与宿主细胞表面的特异性 受体接触，可触发尾丝散开，附着 在受体上，随之把刺突、基板固定

2.噬 菌 体 的 侵 入(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

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； 吸附 尾钉固着 尾鞘收缩 尾管穿入 DNA注入

3.噬 菌 体 的 增 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）是指噬菌体西于宿主细胞至宿主细胞裂解，释放噬菌体的最短时间

病毒利用宿主的生物合成机构和场所，使病毒核酸表达和复制，产生大量的病毒蛋白质和核酸。

4.噬菌体的成熟(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，着与头部连接 最后装配完毕，成为新的子代噬菌体

T4噬菌体的装配是一个极为复杂的自我装配的过程

5.噬菌体的释放(Lysis) 成熟的噬菌体粒子大多借宿主细胞的裂解而得到释放 细菌细胞的裂解可导致原浑浊的培养液变清，固体培养物出现噬菌斑 也有丝状噬菌体fd成熟后不裂解细菌细胞，而是从宿主细胞中钻出来，细菌细胞仍可生长 大肠杆菌的T偶数噬菌体从吸附到粒子成熟释放需15~30min

噬菌体的侵染过程

(三）噬菌斑和病毒的效价 1、噬菌斑：在涂布有敏感宿主细菌的固体培养基表面，若接种上相应噬菌体的稀释液，其中每一噬菌体粒子由于先侵染和裂解一个细胞，然后以此为中心，再反复侵染和裂解周围大量的细胞，结果就会在菌苔上形成一个具有一定形状、大小和边缘的透明的不长菌的小圆斑称~

2、病毒的效价：指每毫升试样中所含有的具侵染性的噬菌体粒子数，又称噬菌斑形成单位数（pfu)或感染中心数。

（四）噬菌体的分类 烈性噬菌体（Virulent phage） 温和性噬菌体（Temperate phage） 指凡在短时间内能连续完成吸附、侵入、增殖、装配、裂解这五个阶段而实现其繁殖的噬菌体。 温和性噬菌体（Temperate phage） 某些噬菌体侵染宿主后，并不增殖，裂解，而与宿主DNA结合，随宿主DNA复制而复制，此时细胞中找不到形态上可见的噬菌体，这种噬菌体称为温和性噬菌体。

噬菌体毒性感染和溶源性过程

噬菌体毒性感染和溶源性过程

(五)细菌的溶源性 （1） 溶源性（Lysogeny）是温和噬菌体侵入宿主细胞后产生的特性 （2）整合在宿主细胞上的温和性噬菌体的基因称为原噬菌体（Prophage），个别噬菌体不整合在宿主细胞的上而是附着在细胞膜的某一位点上呈质粒状态 （3）含有原噬菌体的宿主细胞称为溶源性细胞（Lysogenic cell）

（4）溶源细胞的自发性裂解：在没有外界因素的作用下，原噬菌体可离开宿主细胞的染色体而进入增殖周期，并引起宿主细胞裂解的现象。自发性裂解的频率在10-2~10-5 （5）溶源细胞的诱发裂解 溶源细胞可受各种理化因子如射线、化学诱变剂的影响而诱发裂解，释放出噬菌体粒子

（6）溶源性细菌的复愈 溶源性细菌细胞有时可在无理化因子影响条件下即既不发生自发裂解，也不发生诱发裂解而消失其含有的原噬菌体，成为非溶源性细胞，称为溶源细胞的复愈或非溶源化。这种菌株为复愈菌株（Curing strain）

二、植物病毒

植物病毒大多是含单链RNA的病毒。按粒子形态分为3种类型:杆状、线状或近球形的多面体。有些植物病毒也具有囊膜。 植物感染病毒后可使植物表现出3类症状: ①叶绿体受到破坏或不能形成叶绿素 ,从而引起花叶、黄化、红化等症状; ②植株矮化、丛簇、畸形等; ③形成枯斑及坏死等。

植物病毒的传播感染途径有: ①昆虫传播是自然条件下最主要的传播途径。主要的虫媒是半 翅目刺吸式口器的昆虫,蚜虫、叶蝉和飞虱； ②病株的汁液接触无病植株伤口,可以使健康植株感染病毒。病毒一般很少从植物的自然孔口侵入； ③嫁接传染。几乎所有全株性的病毒病都能通过嫁接传染。

三、动物病毒

1.吸附：腺病毒吸附在宿主细 胞表面的糖蛋白受体上。 2.穿入：通过吞噬作用进入胞内。 3.脱壳：寄主细胞的蛋白酶 水解腺病毒衣壳。 4.在宿主细胞核内转录早期 mRNA并翻译早期蛋白。 5.在宿主细胞核内复制出病毒的 DNA和晚期mRNA。

一些带有囊膜的病毒，如单纯疱疹病毒，当它们的核酸和衣壳蛋白组装完毕后，它们将以“出芽”的方式，包裹寄主细胞的细胞膜或核膜，从寄主细胞中释放出来。

引起爱滋病的病毒——人类免役缺陷病毒（HIV） 从淋巴细胞中释放出来

多数昆虫病毒可在宿主细胞内形成光镜下呈多角形的 包涵体，称多角体，成分为碱溶性结晶蛋白，其内包 裹着数目不等的病毒粒。 主要有三种类型： 核形多角体病毒（NPV）：在昆虫细胞核内增殖、具有 蛋白质包涵体的杆状病毒 质形多角体病毒（CPV）：在昆虫细胞质内增殖、可形 成蛋白质包涵体的球状病毒 颗粒体病毒（GV）：具有蛋白质包涵体，每个包涵体 内通常仅含一个病毒粒的昆虫杆 状病毒

四、昆虫病毒

昆虫病毒

昆虫病毒做为生物农药优点： 专一性高 毒力大 后效长 使用方便 对人畜安全 无公害 缺点危害经济动物

昆虫病毒生产过程 饲养昆虫 病毒感染 收集病毒 斜纹夜蛾病毒杀虫剂及甜菜夜蛾病毒 杀虫剂：一种核型多角体病毒（NPV）

Section 3 亚病毒因子 凡在核酸和蛋白质两种成分中，只含有其中之一的分子病原体，称为亚病毒

1、类病毒（Viroid）是一类只含RNA一种成分、专性寄生在活细胞内的分子病原体。 马铃薯纺锤块茎病的病原体 长50nm棒状RNA分子

2、拟病毒 拟病毒又称类类病毒或病毒的病毒,是一类包裹在植物病毒粒子中的类病毒。它是一些必须依赖辅助病毒才能复制的小分子单链RNA片段,它被包装在辅助病毒的壳体中,本身对于辅助病毒的复制不是必需的,而且它与辅助病毒的基因组无明显的同源性。拟病毒利用辅助病毒的复制酶进行复制，犹如病毒利用宿主细胞的能量、原料及酶进行复制一样。故可认为拟病毒是寄生于辅助病毒粒子中的分子寄生物。

3、朊病毒 朊病毒(prion, virino)又称“普列昂”或蛋白质侵染因子(prion原是protein infection 的缩写)。据目前所知,朊病毒是一类能侵染动物并在宿主细胞内复制的小分子无免疫性疏水蛋白质。

早在三百年前，人类在绵羊和小山羊中首次发现了感染朊病毒病的患病动物。因患病动物的奇痒难熬，常在粗糙的树干和石头表面不停摩擦，以致身上的毛都被磨脱，而被称为“羊搔痒症”。该病广泛传播于欧洲和澳洲，潜伏期为18到26个月，患病动物兴奋、搔痒、瘫痪直至死亡。

库鲁病的研究最早。库鲁病（Kuru病）是20世纪上半世纪大西洋的巴布亚—新几内亚东部福雷族高地居民中的一种局部流行病，其主要症状为震颤、共济失调、脑退化痴呆，渐至完全丧失运动能力，3～6个月内因衰竭而死亡。“Kuru”在该部落意为“恐惧”或“寒颤”，故称该病为库鲁病，患者总数约为3万，以女性和未成年儿童居多。美国医学家盖杜赛克曾在该地区进行20年研究，探明该病的发生与当地人食用人肉的祭祀方式密切关联，并提出了预防措施。1968年停止该仪式后该病得到控制，从而拯救了一个部落的人群，盖杜赛克为此获得了1976年诺贝尔医学奖。 库鲁病、克稚氏综合症、格斯特曼综合症和致死性的家族失眠症，其病症与病理变化的主要持证与患病动物十分相似。

1996年春天英国蔓延的“疯牛病”，它不仅引起英国一场空前的经济和政治动荡，而且也波及了整个欧洲，加上法国克罗伊茨菲尔德—雅各布氏症（简称克雅氏综合症，人类的一种朊病毒病）患者增多，人们很自然与食用来自英国的进口牛肉相联系，因而引起极大恐慌。

古人云：“近墨者黑”用来描述这一变化还是比较合适的。即一个致病分子先与一个正常分子结合，在致病分子的作用下，正常分子转变为致病分子，然后这两个致病分子分别与两个正常分子结合，再使后者转变为致病分子。周而复始，通过多米诺效应倍增致病。由此可见，致病的基本条件有二，一是具有朊病毒，二是具有朊病毒蛋白。

Section 4 病毒与实践 1、噬菌体与发酵工业 2、昆虫病毒用于生物防治 3、病毒在基因工程中的应用

发酵工业上的噬菌体污染 1、污染现象： 抗生素、味精、有机溶剂等的发酵生产常会遭受到噬菌体污染，会出现一些异常现象，如碳源和氮源的消耗减慢，发酵周期延长，pH值异常变化等，甚至严重时，无法继续发酵引起倒罐。

2、污染原因：发酵菌种本身，或灭菌不彻底。 3、防治措施： 杜绝噬菌体的各种来源。 控制活菌体的排放 使用抗噬菌体菌株和定期轮换生产用菌 噬菌体污染后的补救措施。