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第三章病毒和亚病毒随着有关病毒学知识的日益增多,新的病毒种类不断发现,现已把非细胞生物分成病毒和亚病毒。(真)病毒:至少含核酸非细胞生物类病毒:只含具单独侵染性的RNA组分亚病毒拟病毒:只含不具单独侵染性的RNA组分朊病毒:只含蛋白质一种组分第一节病毒病毒定义:病毒(Virus)是一类由核酸和蛋白质等少数几种成分组成的超显微“非细胞生物”,其本质是一种只含DNA或RNA的遗传因子,它们能以感染态和非感染态两种状态存在。随着病毒学知识的日益增多,不同学者从不同角度对病毒的基本特性进行了概括,现将病毒区别于其他生物的主要特征归纳如下:①形体极其微小,必须在电镜下才能观察,一般都具滤过性②没有细胞构造,故也称分子生物③每一种病毒只含一种核酸,不是DNA就是RNA④宿主活细胞内营专性寄生,利用宿主细胞设备进行增殖,⑤在离体条件下,能以无生命的化学大分子状态存在,并可形成结晶⑥对一般抗生素不敏感,但对干扰素敏感一、病毒形态构造和化学组成(一)病毒的大小研究表明,病毒比细菌小得多,但比多数蛋白质分子大,而且病毒大小相差很远。直径在10-300nm之间,通常在100nm左右。(二)病毒的形态1、典型病毒粒子的构造病毒粒子(或称病毒颗粒)是指成熟的结构完整的单个病毒,病毒粒子的主要成分是核酸和蛋白质,核酸位于病毒粒子的中心,构成了它的核心或基因组,蛋白质包围在核结构和抗原成分,对核酸有保护作用,在电镜下可看到,衣壳的形态学亚单位是衣壳粒,有些病毒,核衣壳外还有由类脂或脂蛋白组成的包膜,有时,包膜上还长有刺突等附属物。2、病毒粒子的对称体制研究表明:由于衣壳粒排列组合的方式不同,使病毒粒子往往表现出来不同的构型和形状。病毒粒的对称体制有两种:螺旋对称和二十面体对称。螺旋对称能使核酸与Pr亚基间的接触更为紧密,廿面体对称有利于核酸以高度卷曲的形式包裹在小体积的衣壳中,另外一些结构复杂的病毒,其衣壳的特点无非是螺旋对称和廿面体对称相结合而已,故称复合对称。(三)三类典型形态的病毒1、螺旋对称的代表-烟草花叶病毒(TMV)TMV是发现最早、研究最深和了解最清楚的一种病毒衣壳粒和核酸呈螺旋对称形排列,其外形呈直杆状。2、廿面体对称的代表-腺病毒(Adenovirus)这是一种动物病毒,看起来象球形,经分辨率高的电镜观察实际是廿面体,于1953年首次从手术切除小儿扁桃体中分离到。目前已分离到近百种腺病毒。其宿主包括人和各种动物。3、复合对称的代表-T偶数噬菌体大肠杆菌的T偶数噬菌体共有三种,在自然界分布极广,它们是分子生物学研究中的极好材料,因此对它们了解极其深刻,尤其是T4早已有十分清晰的电镜照片和最完整的基因组图。T4由头部、颈部和尾部三部分构成,由于头部呈廿面体对称尾部呈螺旋对称,故是一种复合对称结构。尾管中空是头部核酸注入宿主细胞的通道。T偶数噬菌体虽呈蝌蚪状,但吸附却是通过尾丝,尾丝吸附后,会使基板受到构型的刺激,接着尾鞘蛋白发生收缩,使尾管插入宿主细胞。(四)病毒的化学组成1、病毒的核酸一种病毒的毒粒只含有一种核酸:DNA或是RNA。病毒核酸种类很多,是病毒系统分类中最可靠的分子基础,主要有以下衡量指标:①是DNA还是RNA②是单链还双链③呈线状还是环状④是闭环还是缺口环⑤基因组是单分子、双分子、三分子还是多分子⑥核酸的碱基(b)或碱基对(bp)数,及核苷酸序列等。动物病毒以线状的dsDNA和ssRNA为多;植物病毒以ssRNA为主;噬菌体以线状的dsDNA居多,目前真菌的病毒都属dsRNA。2、病毒蛋白质包括非结构蛋白和结构蛋白。病毒结构蛋白的主要生理功能:1)构成蛋白质外壳,保护病毒核酸免受核酸酶及其它理化因子的破坏;2)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,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T4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子的合成(如逆转录酶等);二、病毒的种类及培养1、病毒的种类病毒几乎可以感染所有的细胞生物,并具有宿主特异性。噬菌体(phage):原核生物的病毒植物病毒(plantviruses)动物病毒(animalviruses)人类和脊椎动物病毒昆虫病毒2、病毒的培养和纯化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。病毒的培养:二元培养物法1)噬菌体的培养噬菌斑:在涂布有敏感宿主细胞的固体培养基表面,接种合适浓度的噬菌体,每一个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,就会在菌苔上形成一个具有一定形状、大小、边缘和透明度的噬菌斑,每一个噬菌斑一般由一个噬菌体粒子形成的,噬菌斑的形成可用于检出、分离、纯化噬菌体和进行噬菌体的计数。噬菌体效价:表示每ml试样中所含具有感染性噬菌体的数量,也称噬菌斑形成单位数(pfu)。由于试样中一般噬菌体粒子含量较高,故应先对试样进行梯级稀释,然后取选用合适的方法测定其效价。2)动物病毒的培养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,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,乃至细胞裂解等。若标本经过适当稀释进行接种并辅以染色处理,病毒可在培养的细胞单层上形成肉眼可见的局部病损区域,即蚀斑或称空斑。3)植物病毒的培养枯斑:植物叶片上的植物病毒群体。4)病毒纯化标准:保持感染性;理化性质均一主要化学组成为蛋白质蛋白质提纯方法(盐析、等电点沉淀、有机溶方法沉淀、凝胶层析等)差速离心具有一定的大小、形状和密度梯度离心(超速离心)三、病毒的繁殖方式病毒的种类很多,它们繁殖方式即有共性又有各自的特点,这是以噬菌体为重点介绍它们独特的繁殖方式。(一)原核生物病毒-噬菌体噬菌体广泛存在于自然界中,至今在绝大多数原核生物中都发现了相应的噬菌体,至今已作过电镜观察的噬菌体至少已有2850种。据Bradley(1967)归纳,噬菌体共有6类形态(图3-5)。1、烈性噬菌体的繁殖(1)吸附病毒表面蛋白与细胞受体的结合为不可逆吸附,启动病毒感染的第一阶段。(2)侵入(3)增殖增殖过程包括核酸的复制和蛋白质的生物合成。增殖是通过噬菌体基因表达实现的。T偶数双链DNA噬菌体的转录、翻译和复制(图3-7):1)早期转录:先利用寄主的RNA多聚酶(细菌RNA聚合酶)转录噬菌体的mRNA,合成一系列新的早期蛋白质(次早期mRNA聚合酶,更改蛋白等)。2)次早期转录:更改后的RNA多聚酶转录次早期的mRNA,合成次早期的蛋白质——DNA酶、DNA聚合酶、5-羟甲基胞嘧啶合成酶和晚期的mRNA多聚酶3)在DNA聚合酶的作用下进行噬菌体核酸的复制•双链DNA的复制:(±)DNA→(±)DNA•单链DNA的复制:+DNA→-DNA→±DNA→+DNA•双链RNA的复制:±RNA→+RNA→-RNA→±RNA•+RNA复制:+RNA→-RNA→±RNA→+RNA•-RNA复制:-RNA→+RNA(mRNA)→Pr(RNA复制酶)•逆转录病毒单链RNA的复制:+RNA→(-)DNA→(±)DNA→+RNA肿瘤病毒4)晚期转录:转录晚期的后期mRNA,合成晚期的蛋白质。在T类噬菌体中,合成的后期蛋白质是噬菌体头和尾成分的亚单位,还有噬菌体的溶菌酶。(4)成熟(装配)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。(5)裂解(释放)成熟的病毒粒子从被感染细胞内转移到外界的过程称为病毒的释放(裂解量)2、一步生长曲线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,离心除去未吸附的病毒,或以抗病毒抗血清处理病毒—细胞培养物以建立同步感染,然后继续培养并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。一步生长曲线包括潜伏期、裂解期和平稳期三个时期。如图3-9。裂解量:每种噬菌体侵入敏感细胞,平均每个细胞最后能装配完成和释放出的噬菌体数称为裂解量,它是相对固定的。3、温和噬菌体的溶源性反应溶源性:因温和噬菌体侵入不引起宿主细胞裂解的现象。温和噬菌体:或称溶源性噬菌体(lysogenicphage),感染细菌后既能引起寄主裂解释放子代噬菌体,也能将其DNA整合或附着到寄主染色体上,并随寄主一起繁殖的噬菌体。在大多数情况下,温和噬菌体的基因组都整合于宿主染色体中(如λ噬菌体),亦有少数是以质粒形成存在(如P1噬菌体)。原噬菌体:整合于细菌染色体或以质粒形成存在的温和噬菌体基因组称做原噬菌体。溶源菌:细胞中含有以原噬菌体状态存在的温和噬菌体基因组的细菌称做溶源性细菌。①细菌的溶源性具有遗传性,产生的子代细胞也具有溶源性,也是溶源菌。②溶源菌对同源噬菌体具有免疫性。③自发裂解和诱导裂解:有少数噬菌体可自发诱发裂解宿主细胞,诱发裂解是检查是否存在溶原性细菌的有效方法。④溶源性细菌有时能失去前噬菌体,而变成非溶源细胞,使溶源性复愈。⑤溶源性细菌可获得一些新的生理特性,如日喉杆菌只有在含有-噬菌体时才能产生白喉毒素,引起宿主发病,称为溶源转变。(二)植物病毒1、概述从病毒学的发展史来看,一些开创性的工作和基础理论研究成果,首先是在植物病毒领域里取得的,最先发现提纯、结晶和电镜观察的都是植物病毒,已知的植物病毒多达600种(1983)其中多数是单链RNA病毒。植物染毒后,症状主要有三:①因叶绿体不能行使正常功能而引起花叶、黄化或红化等症状②植株发生矮化,从枝或畸形等③形成枯斑或坏死等症状。2、增殖过程“侵入”方式(1)借昆虫刺吸式口器进入(2)通过伤口进入通过胞间连丝或输导组织迅速向其他部位扩散引起普遍感染(三)脊椎动物病毒1、根据病毒在人体与哺乳动物中普遍存在,其他各类动物、禽类、爬行类和鱼类等多种脊椎动物中也广泛存在着相应的病毒,家畜中的口蹄疫、猪瘟、牛瘟、、兔的乳头状瘤等都是病毒引起的,家禽中的瘟疫病,两栖类、鱼类的肿瘤、鱼痘等也是病毒引起的。人类传染病80%由病毒引起如:流行感冒、肝炎、麻疹、水痘、腮腺炎、流行性乙型脑炎、脊髓灰质炎、狂犬病受病毒感染而诱发的。另一些病毒感染动物后,并不致死宿主细胞,而是引起肿瘤。2、病毒与癌人的肿瘤特别是恶性肿瘤已证明不是由病毒引起。但病毒可诱导人产生恶性肿瘤。病毒诱导原癌基因(正常基因所必需)癌基因癌症动物病毒增殖过程与噬菌体的增殖大致相同。(四)昆虫病毒(无脊椎动物病毒)无脊椎动物病毒主要在节肢动物的昆虫纲中发现,昆虫病毒主要寄生在昆虫的真皮、脂肪组织、血细胞、肠道细胞中,有的在宿主的细胞核中,有的在宿主的细胞质里,大量增殖导致宿主组织破坏、死亡。根据是否形成多角体和多角体的形态及形成部位,可把昆虫病毒分为以下几类(包涵体在显微镜下呈角状)。1、核型多角体病毒2质型多角体病毒3.颗粒体病毒第二节亚病毒凡在核酸和蛋白质两种成分中,只含其中之一的分子病原体,称为亚病毒(subvirus),包括类病毒、拟病毒和朊病毒3类。它们都是1971年以后发现的。一、类病毒类病毒(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。目前只在植物体中发现。二、拟病毒拟病毒又称类类病毒或病毒卫星,是指一类包裹在真病毒粒中的有缺陷的类病毒。三、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的疏水蛋白质。肮病毒的发现对传统的中心法则提出挑战,因而有可能为分子生物的发展带来革命性的影响,同时对一系列传染性疫病源认识带来的希望。第三节病毒与实践病毒与实践的关系极其密切,由病毒给我们带来的人、动物、植物病毒,对发酵工业也带来不利影响,又可利用它们进行生物防治,生化治药(疫苗生产)和作遗传工程中的外源基因载体,以下拟从五个方面来加以介绍。一、噬菌体与发酵工业噬菌体与实践的关系主要体现在对发酵工业的危害上,当发酵液受噬菌体严重污染时,会出现:表现:①发酵周期明显延长②碳源消耗缓慢③发酵液变清④发酵产物形成缓慢或根本不形成⑤噬菌
本文标题:第三章微生物
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