【广西医药大学】优质课《微生物学》第三章-微生物中的病毒和亚病毒.ppt
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1、【广西医药大学】优质课全国特级教师 江新欢 博士教授微生物学微生物学第三章第三章 病毒和亚病毒因子病毒和亚病毒因子第一节第一节 病毒病毒一一.病毒的形态和结构病毒的形态和结构病毒的发现病毒的发现 1892年,科学家伊万年,科学家伊万诺夫斯基在研究烟草花叶诺夫斯基在研究烟草花叶病的病因时,推想是由细病的病因时,推想是由细菌引起的。但研究结果表菌引起的。但研究结果表明烟草花叶病是由一种可明烟草花叶病是由一种可以穿过细菌滤器的病原体以穿过细菌滤器的病原体引起的。引起的。1898年,荷兰细年,荷兰细菌学家贝杰林克证实了这菌学家贝杰林克证实了这一结果,将这种病原体称一结果,将这种病原体称为为“病毒病毒”
2、(virus)。(真)病毒:至少含核酸和蛋白质二种组分(真)病毒:至少含核酸和蛋白质二种组分亚病毒亚病毒类病毒:只含具侵染性的类病毒:只含具侵染性的RNA组分组分卫星卫星RNA:只含有不具侵染性的:只含有不具侵染性的RNA组分组分朊病毒:只含蛋白质朊病毒:只含蛋白质非细胞生物非细胞生物病毒无细胞结构病毒无细胞结构病毒造成的人类疾病病毒造成的人类疾病病毒造成的动植物疾病病毒造成的动植物疾病患花叶病的胡萝卜患花叶病的胡萝卜患黄矮病的水稻患黄矮病的水稻禽流感禽流感口蹄疫口蹄疫病毒的定义及分类病毒的定义及分类病毒是一类核酸和蛋白质等少数几种成分组成的病毒是一类核酸和蛋白质等少数几种成分组成的超显微非细
3、胞生物,本质是一种只含超显微非细胞生物,本质是一种只含DNADNA或或RNARNA的的遗传因子,能以感染态和非感染态两种状态存在,遗传因子,能以感染态和非感染态两种状态存在,只在宿主细胞中才具有生命特征。只在宿主细胞中才具有生命特征。分类分类寄主寄主:动物病毒、植物病毒、噬菌体:动物病毒、植物病毒、噬菌体遗传物质遗传物质:DNA病毒、病毒、RNA病毒病毒形态形态:杆状:杆状 (螺旋状)、多面体、复合型螺旋状)、多面体、复合型病毒的特征病毒的特征1.形态极其微小形态极其微小2.无细胞构造的分子生物无细胞构造的分子生物3.只含一种核酸只含一种核酸4.高度的寄生性高度的寄生性5.通过装配方式进行繁殖
4、通过装配方式进行繁殖6.离体可保持长期的侵染活性离体可保持长期的侵染活性7.对抗生素通常不敏感对抗生素通常不敏感8.有些能够整合到寄主的基因组中有些能够整合到寄主的基因组中病毒众生相病毒众生相艾滋病毒艾滋病毒SARS病毒病毒烟草花叶病毒烟草花叶病毒T噬菌体噬菌体流感病毒流感病毒狂犬病毒狂犬病毒典型病毒粒的构造典型病毒粒的构造病毒粒的基本构造和特殊构造病毒粒的基本构造和特殊构造衣衣 壳壳核核 酸酸包包 膜膜刺刺 突突病毒粒病毒粒(Virion)核衣壳核衣壳(nucleocapsid)基本构造基本构造包膜包膜(envelope)刺突刺突(spike)核酸核酸(nucleic acid)DNA or
5、 RNA衣壳衣壳(capsid)衣壳粒衣壳粒特殊构造特殊构造衣壳粒衣壳粒概念:概念:为病毒的最小形态单位,由为病毒的最小形态单位,由16个多肽分子折叠缠绕成的个多肽分子折叠缠绕成的蛋白蛋白质亚单位质亚单位(三级结构)。(三级结构)。特点:特点:不同病毒,多肽分子的组成不同。不同病毒,多肽分子的组成不同。简单病毒简单病毒只有只有12种衣壳粒,种衣壳粒,如:如:TMV就只含有就只含有1种衣壳粒;种衣壳粒;复杂病毒复杂病毒有有20种左右种左右 的衣壳粒。的衣壳粒。衣衣 壳壳概念概念:是衣壳粒是衣壳粒以对称形式以对称形式有规有规律的排列形成的病毒外壳。内律的排列形成的病毒外壳。内包核酸,形状多样。包核
6、酸,形状多样。壳体蛋白是许多亚基借次级键壳体蛋白是许多亚基借次级键或静电引力互相聚合而成的具或静电引力互相聚合而成的具四级结构四级结构的多聚体。的多聚体。特点特点:亚基的组成和数目的不同亚基的组成和数目的不同是区别不同壳体蛋白的标志。是区别不同壳体蛋白的标志。形成衣壳的意义形成衣壳的意义a.a.具较大的灵活性和方便性;具较大的灵活性和方便性;b.b.减少形成畸形衣壳的可能性;减少形成畸形衣壳的可能性;c.c.避免因合成错误而破坏结构;避免因合成错误而破坏结构;d.d.符合遗传节约原则。符合遗传节约原则。包包 膜膜概念:概念:指核衣壳外包裹的由类脂、指核衣壳外包裹的由类脂、多糖或蛋白质组成的一层
7、构造较多糖或蛋白质组成的一层构造较复杂的包膜,亦称被膜或外膜。复杂的包膜,亦称被膜或外膜。包膜的形成:包膜的形成:a.来源于来源于宿主细胞膜宿主细胞膜或或核膜核膜:如流感病毒;如流感病毒;b.在在宿主细胞内合成宿主细胞内合成:如痘苗病毒。如痘苗病毒。带状疱疹病毒的包膜带状疱疹病毒的包膜包膜的功能包膜的功能包膜的结构具有包膜的结构具有高度稳定性。高度稳定性。功能:功能:a.维系病毒体结构;维系病毒体结构;b.保护病毒核酸;保护病毒核酸;c.包膜型病毒感染所必需:包膜型病毒感染所必需:包膜表面上的糖蛋白识别并结合宿主表面受体;包膜表面上的糖蛋白识别并结合宿主表面受体;病毒包膜与宿主细胞膜结合;病毒
8、包膜与宿主细胞膜结合;病毒衣壳和病毒基因组进入宿主,完成感染过程。病毒衣壳和病毒基因组进入宿主,完成感染过程。刺刺 突突概念概念:病毒包膜或衣壳表面的突起物。:病毒包膜或衣壳表面的突起物。图中可见图中可见流感病毒的刺突流感病毒的刺突。功能功能:a.可启动感染;可启动感染;b.可诱生免疫保护作用;可诱生免疫保护作用;c.可中和抗体;可中和抗体;d.可促使病毒从宿主细胞上释放可促使病毒从宿主细胞上释放.血凝素(血凝素(HA):流感病毒包膜上呈棒状突起):流感病毒包膜上呈棒状突起的糖蛋白刺突。的糖蛋白刺突。HA也是流感病毒吸附细胞的也是流感病毒吸附细胞的结构,可刺激机体产生中和抗体。结构,可刺激机体
9、产生中和抗体。神经氨酸酶(神经氨酸酶(NA):流感病毒包膜表面呈蘑):流感病毒包膜表面呈蘑菇状突起的糖蛋白刺突。菇状突起的糖蛋白刺突。NA可水解病毒与细可水解病毒与细胞之间的黏附物质神经氨酸,因此可帮助病胞之间的黏附物质神经氨酸,因此可帮助病毒从感染细胞膜表面释放。毒从感染细胞膜表面释放。二者均易发生变异,大变异可造成亚型改变二者均易发生变异,大变异可造成亚型改变。病毒的核酸病毒的核酸 dsDNA/ssDNA dsRNA/ssRNA 线状线状/环状,环状,闭环闭环/缺口环缺口环 单分子单分子/双分子双分子 /三分子三分子/多分子多分子 病毒核酸的功能病毒核酸的功能储存病毒的遗传信息储存病毒的遗
10、传信息控制病毒的遗传变异控制病毒的遗传变异控制病毒的增殖控制病毒的增殖控制病毒对宿主的感染性控制病毒对宿主的感染性病毒的对称形式病毒的对称形式螺旋对称螺旋对称如烟草花叶病毒如烟草花叶病毒二十面体对称二十面体对称如腺病毒如腺病毒复合对称复合对称如如T偶数噬菌体偶数噬菌体二十面体对称的结构特征二十面体对称的结构特征特点:特点:1)球或近球形;球或近球形;2)高倍电镜下为多面体高倍电镜下为多面体,具具20个等边三角个等边三角形和形和12个顶点的物体;个顶点的物体;3)多面多角多棱多面多角多棱,是多颗粒按一定方式对称是多颗粒按一定方式对称排列形成排列形成,在角上为五邻体(在角上为五邻体(penton)
11、,面,面上六邻体上六邻体(hexon)。形成原因:形成原因:1)从从拓扑拓扑学看,廿面体容积最大;学看,廿面体容积最大;2)最小单位面所需亚基少,利于遗传节约;最小单位面所需亚基少,利于遗传节约;3)亚基易于对称排列,等价或准等价成键结合;亚基易于对称排列,等价或准等价成键结合;综上,廿面体对称结构更稳定、更合理。综上,廿面体对称结构更稳定、更合理。代表:腺病毒代表:腺病毒螺旋对称的结构特征螺旋对称的结构特征形状:形状:多为杆状、纤维状、弯曲杆状。多为杆状、纤维状、弯曲杆状。特点:特点:l长形的衣壳粒螺旋状排列,形成长形的衣壳粒螺旋状排列,形成 中空的圆柱体,衣壳粒间为准等价中空的圆柱体,衣壳
12、粒间为准等价结合,直径取决于蛋白亚基的特征,结合,直径取决于蛋白亚基的特征,长度取决于核酸分子的长度;长度取决于核酸分子的长度;l核酸埋嵌在衣壳粒之间的壁内,核酸埋嵌在衣壳粒之间的壁内,以多个弱键与蛋白质亚基相连。以多个弱键与蛋白质亚基相连。此方式可控制螺旋排列,同时增加此方式可控制螺旋排列,同时增加壳体结构的稳定性。壳体结构的稳定性。l此形状多为此形状多为RNARNA病毒,具螺旋对称病毒,具螺旋对称的动物病毒多有包膜的动物病毒多有包膜。代表:烟草花叶病毒代表:烟草花叶病毒复合对称的结构特征复合对称的结构特征大肠杆菌的大肠杆菌的T4T4噬菌体噬菌体是由椭圆形的二十面体头部和螺旋是由椭圆形的二十
13、面体头部和螺旋对称的尾部组合而成,是病毒中复合对称的代表。对称的尾部组合而成,是病毒中复合对称的代表。病毒的群体形态病毒的群体形态包涵体包涵体空斑空斑枯斑枯斑蚀(噬)斑测定蚀(噬)斑测定(plaque(plaque assay)assay):以病毒感染性作为以病毒感染性作为病毒数目测定的依据。病毒数目测定的依据。在生长的宿主表面,铺上细在生长的宿主表面,铺上细菌或动物病毒,在单层细胞菌或动物病毒,在单层细胞上形成的蚀(噬)斑,可以上形成的蚀(噬)斑,可以认为由单个病毒增殖产生的。认为由单个病毒增殖产生的。由此,可以通过蚀(噬)斑由此,可以通过蚀(噬)斑形成单位形成单位(pfu)pfu)来计算单
14、位来计算单位体积样品中病毒的数量。体积样品中病毒的数量。二二.四类病毒的繁殖方式四类病毒的繁殖方式原核生物的病毒原核生物的病毒植物病毒植物病毒人和脊椎动物的病毒人和脊椎动物的病毒昆虫病毒昆虫病毒噬菌体的形态与组成噬菌体的形态与组成基本形态基本形态:蝌蚪形蝌蚪形复合对称结构复合对称结构微球形微球形廿面体对称结构廿面体对称结构纤丝形纤丝形螺旋对称结构螺旋对称结构其中约其中约95%为蝌蚪形。为蝌蚪形。噬菌体的形态类型噬菌体的形态类型A.dsDNA,蝌蚪状,蝌蚪状,非收缩性尾;非收缩性尾;B.dsDNA,蝌蚪状,蝌蚪状,非收缩性长尾;非收缩性长尾;C.dsDNA,非收缩非收缩性短尾;性短尾;D.ssD
15、NA,球状,球状,大顶衣壳粒;大顶衣壳粒;E.ssRNA,球状,球状,小顶衣壳粒;小顶衣壳粒;F.ssDNA,丝状,丝状,A.无头尾无头尾噬菌体的结构噬菌体的结构头部头部廿面体对称结构;廿面体对称结构;组成:蛋白质、小肽、多组成:蛋白质、小肽、多 胺、内含胺、内含DNA。颈环颈环六角形薄盘状、六角形薄盘状、连接头尾的结构;附颈须。连接头尾的结构;附颈须。尾鞘尾鞘(tail sheath):长长95nm,衣壳粒螺旋对称;可伸缩衣壳粒螺旋对称;可伸缩,伸伸展时展时24转,收缩时转,收缩时12转。转。尾管尾管(tail tube):长长80-100nm,中空,中空,DNA可由此进入细可由此进入细胞。
16、胞。基板基板(base plate):六角形盘六角形盘状物,中空,其角上有刺突、状物,中空,其角上有刺突、尾丝。尾丝。刺突刺突(spike):长长20nm,有吸,有吸附功能。附功能。尾丝尾丝(tail fiber):长长140nm,有识别吸附功能,可专一性有识别吸附功能,可专一性的吸的吸 附在敏感细胞表面相应附在敏感细胞表面相应受体上。受体上。尾部尾部噬菌体的增殖噬菌体的增殖主要内容烈性噬菌体的裂解周期一步生长曲线温和噬菌体的溶源性反应噬菌体的增殖噬菌体的增殖根据根据噬菌体与宿主的关系噬菌体与宿主的关系,可将噬菌体分为,可将噬菌体分为2类:类:烈性噬菌体烈性噬菌体(virulent phage
17、):指感染后短时间内能连续完成繁殖过程而使宿主细指感染后短时间内能连续完成繁殖过程而使宿主细胞裂解的噬菌体胞裂解的噬菌体.温和噬菌体温和噬菌体(temperat phage):噬菌体感染细胞后,将其基因组核酸整合(附着)噬菌体感染细胞后,将其基因组核酸整合(附着)到宿主的基因组上,并随宿主基因组的复制而同步,到宿主的基因组上,并随宿主基因组的复制而同步,但不引起宿主细胞裂解,而是导致溶源性发生的噬但不引起宿主细胞裂解,而是导致溶源性发生的噬菌体。菌体。(一一)烈性噬菌体的增殖烈性噬菌体的增殖烈性噬菌体的增殖亦称裂解性周期或增殖性周期。烈性噬菌体的增殖亦称裂解性周期或增殖性周期。其其裂解周期裂解
18、周期为:为:1)吸附吸附(adsorption,attachment)2)侵入侵入(entory,penetration,injection,induction)3)复制复制(生物合成生物合成biosynthesis)/增殖增殖(replication)4)成熟成熟(maturation)/装配装配(assembly)5)(裂解裂解)释放释放(release)1.吸吸 附附噬菌体特异性识别专性的细菌细胞的过程。噬菌体特异性识别专性的细菌细胞的过程。吸附蛋白吸附蛋白(在尾丝上在尾丝上)功能:启动感染功能:启动感染,特异性识别宿特异性识别宿主细胞主细胞,与宿主细胞表面受体与宿主细胞表面受体发生结合
19、发生结合.细胞受体细胞受体(图中红箭头示图中红箭头示)G+G+细胞壁上的肽聚糖、磷壁酸,细胞壁上的肽聚糖、磷壁酸,G G细胞壁上的细胞壁上的LPSLPS以及鞭毛、以及鞭毛、荚膜、菌毛上均有噬菌体吸荚膜、菌毛上均有噬菌体吸附的位点。附的位点。2.侵侵 入入核酸注入细胞的过程。核酸注入细胞的过程。A.无收缩尾部无收缩尾部:由引导蛋白引由引导蛋白引导核酸进入细胞。导核酸进入细胞。B.有收缩尾部:有收缩尾部:当尾丝牢固吸当尾丝牢固吸附在受体上后,靠刺突附在受体上后,靠刺突“钉钉”在细胞表面,在细胞表面在细胞表面,在细胞表面“钻孔钻孔”(刺突上常含酶类(刺突上常含酶类物质,可降解细胞表面);物质,可降解
20、细胞表面);尾鞘收缩;头部蛋白质构象尾鞘收缩;头部蛋白质构象改变;头部蛋白质与核酸结改变;头部蛋白质与核酸结合松散;核酸注入细胞。合松散;核酸注入细胞。3.增增 殖殖 核酸复制和蛋白质合成期,表现为核酸复制和蛋白质合成期,表现为时序性时序性。此时,细胞表面不见噬菌体,故此时,细胞表面不见噬菌体,故又称为隐蔽期又称为隐蔽期。4.成成 熟熟成熟成熟(maturity),即即自我装配自我装配(self assembly)过程。是分期、分批进行的。过程。是分期、分批进行的。5.裂裂 解解多种酶类多种酶类(脂肪酶、溶菌酶等脂肪酶、溶菌酶等)作用,促进细胞裂作用,促进细胞裂解,释放子代噬菌体。解,释放子代
21、噬菌体。自外裂解自外裂解:大量噬菌体吸附在同一宿主细胞表面大量噬菌体吸附在同一宿主细胞表面并释放众多溶菌酶而导致的细胞裂解,仅是一种并释放众多溶菌酶而导致的细胞裂解,仅是一种单纯的溶菌作用,不会导致大量子代噬菌体产生。单纯的溶菌作用,不会导致大量子代噬菌体产生。快速增殖过程快速增殖过程(三)噬菌体效价的测定(三)噬菌体效价的测定效价效价:生物制品活性(数量)高低的标志,生物制品活性(数量)高低的标志,通常采用生物学方法测定。通常采用生物学方法测定。噬菌体效价噬菌体效价:又称噬菌斑形成单位:又称噬菌斑形成单位(pfu)数)数,指每毫升试样中含有侵染性噬指每毫升试样中含有侵染性噬菌体的粒子数。菌体
22、的粒子数。优点:优点:1)弥补平板不平弥补平板不平2)噬菌斑位于同个平面,噬菌斑位于同个平面,较清晰较清晰3)上层为半固体培养基,上层为半固体培养基,有利噬菌体扩散有利噬菌体扩散(四)一步生长曲线(四)一步生长曲线 定量描述烈性噬菌体生长规律的实验定量描述烈性噬菌体生长规律的实验曲线,用于反映各种噬菌体潜伏期、裂曲线,用于反映各种噬菌体潜伏期、裂解期和裂解量的特征曲线。解期和裂解量的特征曲线。实验设计依据:实验设计依据:1 1个菌体被个菌体被1 1个噬菌体感染个噬菌体感染,避免二次避免二次吸附吸附(可引起自外裂解可引起自外裂解)。细菌群体被噬菌体同步感染。细菌群体被噬菌体同步感染。一步生长曲线
23、的实验过程一步生长曲线的实验过程1 1、用噬菌体的稀释液感染高浓度的宿主、用噬菌体的稀释液感染高浓度的宿主细胞;细胞;2 2、数分钟后,加入抗噬菌体的抗血清、数分钟后,加入抗噬菌体的抗血清(中和未吸附的噬菌体);(中和未吸附的噬菌体);3 3、将上述混合物用培养物大量稀释,终、将上述混合物用培养物大量稀释,终止抗血清的作用和防止新释放的噬菌体止抗血清的作用和防止新释放的噬菌体感染其它细胞;感染其它细胞;4 4、保温培养并定期检测培养物中的噬菌、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);体效价(对噬菌体含量进行计数);5 5、以、以感染时间为横坐标感染时间为横坐标,病毒的感
24、染效病毒的感染效价为纵坐标价为纵坐标,绘制出病毒特征性的繁殖,绘制出病毒特征性的繁殖曲线;曲线;一步生长曲线一步生长曲线潜伏期潜伏期(侵入到侵入到装配装配):隐晦期:隐晦期+胞内积累期胞内积累期 (eclipse period)裂解期裂解期 (lysis period)稳定期稳定期 (steady period)可分以下阶段:可分以下阶段:潜潜伏伏期期:是是指指病病毒毒侵侵入入宿宿主主细细胞胞到到病病毒毒粒粒子子释释放放出出胞胞外外前前的的一一段段时间。时间。曲线平行于横轴。曲线平行于横轴。潜潜伏伏前前期期又又称称隐隐蔽蔽期期,是是指指病病毒毒的的核核酸酸侵侵入入宿宿主主细细胞胞后后至至第第一
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