环境工程微生物学-病毒

第一章非细胞结构生物—病毒第一部分微生物学基础2生物中的微生物生物细胞生物非细胞生物：病毒、亚病毒原核生物：三菌、三体真核生物：真菌、单细胞藻类、原生动物非细胞生物至少含核酸和蛋白质二种组分(真)病毒亚病毒类病毒卫星RNA朊病毒只含具侵染性的RNA组分只含有不具侵染性的RNA组分只含蛋白质1.1病毒的一般属性1.1.1病毒的定义和特点1.1.1.1定义目前，病毒尚无确切定义，一般可描述为：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形式的独特生物类群。病毒是专性细胞内寄生物其大小在10~300nm之间。在形状和化学组成上有所不同，但都仅含有RNA或DNA。完整的颗粒称为“病毒粒子”，它包括一个衣壳，在衣壳的外面常包围有糖蛋白—脂类的膜。病毒对抗生素不敏感。1.1.2病毒的一般属性超显微的，没有细胞结构的，专性活细胞内寄生的实体。在活细胞外具有一般化学大分子特征。一旦病毒进入细胞，毒粒便会解体，释放出的病毒基因组具有繁殖性，能利用宿主细胞的大分子合成装置进行复制表达、病毒繁殖，表现出遗传、变异等一系列生命特征。没有细胞结构；只含有DNA或RNA一类核酸；不以二分分裂法繁殖，只能在特定的寄主细胞内以核酸复制的方式增殖；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。1.1.3病毒的大小和形态（1）大小纳米(nm)，10~300nm，100nm。（2）形态①球状—球状病毒(或多面体病毒)。动物病毒多为球状。②杆状—杆状病毒(包括棒状或线状)。植物病毒多呈杆状。③蝌蚪状—蝌蚪状病毒。细菌病毒也即噬菌体多呈蝌蚪状。SizesandShapesofViruses(AnimalRNAViruses)SizesandShapesofViruses(AnimalDNAViruses)SizesandShapesofViruses(Bacteriophages)1.1.4病毒的化学组成和结构（1）病毒粒子的结构①核壳(nucleo-capsid)病毒主要由壳体和核酸二部分构成，二者统称核壳。②壳粒(capsomere)是构成病毒粒子的最小形态单位，每个壳粒由1-6个同种多肽分子折叠缠绕而成的蛋白质亚单位。也称为衣壳粒。③壳体(capsid)由壳粒以对称的形式，有规律地排列成杆状、球状、二十面体或其它形状，构成病毒的外壳。也称作衣壳，蛋白质外壳。ViralStructure(HelicalVirus)ViralStructure(PolyhedralVirus)④包膜(envelope)在壳体外层还具有一层由病毒编码的封套，有包膜的病毒粒子是以出芽的方式穿过被侵染细胞的核膜或原生质膜。病毒的包膜上具有受体，能使粒子附着并感染宿主细胞。ViralStructure(EnvelopedHelicalVirus)ViralStructure(EnvelopedPolyhedralVirus)（2）病毒的对称性病毒的衣壳具有螺旋体对称或二十面体对称。1）螺旋体对称可以看作蛋白亚基通过有序的螺旋方式，排列在病毒核酸周围。2）二十面体规则的立体结构，由许多蛋白亚基的重复聚集组成，从而形成一种类似于球形的结构。病毒粒的对称体制螺旋状对称型：烟草花叶病毒(TMV)二十面体对称型:腺病毒复合对称型：Ｔ偶数噬菌体（3）病毒的化学组成1）病毒蛋白病毒蛋白，无论是结构蛋白(衣壳、包膜)还是非结构蛋白(例如，酶)都是由病毒的基因组编码的，这些蛋白在组织培养的复制中可以是必要或非必要的。结构蛋白是核衣壳、基质，或者是包膜中的蛋白，这些蛋白对病毒基因组起保护作用，并且能够利用宿主上的受体在宿主间传递基因组。同样在病毒粒子的装配过程中也起到了主要作用。非结构蛋白包含在病毒体内的非结构蛋白，并不作为病毒体的结构，通常具有酶的活性，对启动病毒的感染是必要的。2）病毒的核酸核酸是病毒的遗传物质；控制着病毒的增殖及对宿主的感染性；一种病毒的毒粒只含有一种核酸：DNA或是RNA；病毒基因组在大小、结构和核苷酸的组成上是多种多样的，有线状、环状、双链DNA(dsDNA)、单链DNA(ssDNA)、双链RNA(dsRNA)、单链RNA(ssRNA)、分段的或者不分段的。3）脂类病毒所含的脂类主要是一些磷脂、胆固醇和中性脂肪，多数存在于包膜。4）糖类病毒所含的糖类主要是葡萄糖、龙胆二糖、岩藻糖、半乳糖等。（4）病毒的群体形态寄主细胞被病毒感染后形成的蛋白质结晶体，内含有1至几个病毒粒子。有的病毒在寄主细胞内可形成包含体结构，它们多数位于细胞质内，具嗜酸性；少数位于细胞核内，具嗜碱性；也有细胞核内和细胞质都存在的类型。噬菌斑(plaque)枯斑(lesin)ElectronMicrographofPoliomyelitisVirusCaption:--Poliovirus;RNAvirus,PicornaviridaeFamily.TransmissionElectronMicrographofHIV-1.Thenucleocapsid(arrows)canbeseenwithintheenvelope.1.2噬菌体噬菌体(bacteriophage)，通常称为噬菌体(phage)，是侵染细菌的病毒。它们是专性细胞内寄生物，可以噬菌体颗粒在细菌细胞外存在，但只能在细胞内繁殖。它们由核酸基因组和被称为衣壳的病毒外壳包围而构成。噬菌体侵染细菌后，在细胞内指令细胞合成噬菌体的组分。1.2.1噬菌体的结构噬菌体有许多类型。20面体，丝状，复合体基因组是DNA或RNA；单链(ss)或双链(ds)，环状或线状。1.2.1.1噬菌体的形态(1)20面体(icosahedron)由20个三角形面构成的特殊的形状，20面体在自然界是非常普遍的形状，因为很容易装配成一个由亚单位包裹的外壳。(2)丝状(filamentous)由衣壳蛋白装配成的螺旋状结构的长的蛋白管。(3)复合体(complex)某些噬菌体由20面体头部和连接螺旋状尾部复合构成。头部为拉长的20面体。尾部尾部作用是帮助遗传物质注入细胞。ViralStructure(Binal)AT-evenbacteriophageconsistingofahead,sheath,andtail.ElectronMicrographofColiphageT4Caption:--T4bacteriophage(DNAvirus).1.2.2噬菌体的生活周期1.2.2.1典型噬菌体（毒性噬菌体）生活周期(1)侵染过程一个噬菌体典型的生活周期，从噬菌体在细菌细胞表面的特异受体吸附开始，随后遗传物质注入宿主。细菌含有降解外源DNA的限制修饰系统，许多侵染是不成功的。接着核酸复制开始，噬菌体基因编码的酶被合成。最后，合成噬菌体衣壳蛋白，装配成新的噬菌体外壳，同时包装一个拷贝的基因。然后，噬菌体释放，普遍通过裂解进入周围培养基。也即经过吸附，侵入，复制，组装和释放5个阶段。1)吸附(附着)(adsorption,attachment)AdsorptionduringtheLyticLifeCycleofaLyticBacteriophageThebacteriophagebindstoreceptorsonthebacterialcellwall.2)侵入(Penetration)PenetrationduringtheLyticLifeCycleofaLyticBacteriophageThebacteriophageinjectsitsgenomeintothebacterium'scytoplasm.3)核酸复制(nucleicacidreplication)EarlyReplicationduringtheLyticLifeCycleofaLyticBacteriophageThebacteriophagegenomereplicatesandbacteriophagecomponentsbegintobeproducedbywayofthehostbacterium'smetabolicmachinery.LateReplicationduringtheLyticLifeCycleofaLyticBacteriophageTheproductionofbacteriophagecomponentsandenzymesprogresses.4)噬菌体装配(Phageassembly)MaturationduringtheLyticLifeCycleofaLyticBacteriophageThebacteriophagecomponentsassemble.5)释放(release)ReleaseduringtheLyticLifeCycleofaLyticBacteriophageAbacteriophage-codedenzymebreaksdownthepeptidoglycaninthebacterialcellwallcausingosmoticlysis.AnimationoftheLyticLifeCycleofaBacteriophage①噬菌体效价表示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(pfu)或感染中心。②测定的方法——双层平板法用双层平板法测出的效价比用电镜直接记数得到的效价低。前者是计有感染力的噬菌体粒子，后者是计噬菌体的总数。（2）噬菌体效价（3）噬菌体生长曲线1）一步生长曲线定义定量描述烈性噬菌体生长规律的实验曲线称作一步生长曲线。2）一步生长曲线可分为三个时期①潜伏期是指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。②裂解期是指溶液中噬菌体粒子急剧增多的一段时间。③稳定期溶液中噬菌体总数达到最高点后的时期。1.2.2.2溶源性噬菌体生活周期许多噬菌体，典型的为λ噬菌体，在细胞进入裂解周期前，产生终止噬菌体复制的阻遏蛋白,使得这些噬菌体不进入裂解循环，而是它们进入称为溶源性(lysogeny)的阶段。在此阶段它们或者整合至染色体上形成原噬菌体(prophage)(如λ噬菌体)或者像质粒存在细胞质中(如P1噬菌体)。结果，这些溶源性噬菌体(有时称为温和噬菌体)随宿主染色体复制而复制，然后分配到子细胞中。溶源性噬菌体特性噬菌体进入溶源化阶段，噬菌体的基因组随染色体复制而复制，而且通过一个世代传至下一个世代。溶源噬菌体可从溶源阶段自发诱导，进入裂解周期。大多数溶源性噬菌体(有时称为温和噬菌体)以原噬菌体状态整合至染色体上随宿主复制；但某些噬菌体，如P1噬菌体，却像一个质粒存在细胞质中。溶源性噬菌体生活周期溶源性噬菌体具有特别的特性，因为它们能携带改变宿主表型的功能性基因。称为溶源性转变(lysogenicconversion)，溶源性噬菌体的特性有助于细菌在寄主中存活的能力。沙门氏菌噬菌体溶源化时改变细菌脂多糖(LPS)O-抗原的组分，因此改变细菌抗原的特性。许多细菌的毒素基因也由温和噬菌体携带，包括白喉棒杆菌(Corynebacteriadiphtheriae)的噬菌体携带的白喉毒素基因。霍乱毒素也在此类之中。溶源性噬菌体特性溶源细菌自发裂解和诱发裂解•在溶源细菌中极少数(约10-6)会发生原噬菌体大量复制、成熟，导致寄主细胞裂解，称为溶源细菌的自发裂解；•若用低剂量的紫外线照射处理或其他理化方法处理，能够诱发溶源细胞大量溃溶，释放成熟噬菌体粒子，称为诱发裂解。溶源细菌细胞复愈•溶源细胞中的原噬菌体有时会消失，成为非溶源细胞，不会裂解，称为溶源细菌细胞复愈。ProphageFormationduringtheLysogenicLifeCycleofaTemperateBacteriophage.Thebacteriuminsertsitsgenomeintothebacterium'snucleoid