非細胞型微生物（結構簡單的微生物）

生物介紹

非細胞型微生物包括病毒和噬菌體。這是一些沒有細胞結構的微生物。它們具有一個核酸芯子和一個蛋白質外殼，不能獨立生活，只能在其它生物的細胞內生長繁殖。但是它們具有生物的基本特性，即能進行自我復制并將其性狀遺傳至下一代。寄生在動物與植物細胞內的這類生物稱之為病毒：寄生在細菌細胞中的這類微生物稱之為噬菌體（亦稱細菌病毒）。

病毒是1892年由伊凡諾夫斯基在研究煙草花葉病時發(fā)現(xiàn)的。但是直到1935年Stanley才將煙草花葉病的病毒正式確定。

這種微生物僅有一種核酸類型，即由DNA或RNA構成核心，外披蛋白質衣殼，有的甚至僅有一種核酸不含蛋白質，或僅含蛋白質而沒有核酸。如病毒(virus)、亞病毒(subvirus)、朊粒(prion)。

非細胞型微生物包括病毒和亞病毒，后者又包括類病毒、擬病毒和朊病毒。

主要類群

已發(fā)現(xiàn)并命名的非細胞型微生物約有3600種，國際病毒分類委員會(internationalcommittee on taxonomy of virus，ICTV)根據(jù)病毒核酸類型、顆粒大小、形態(tài)、衣殼對稱性，殼微粒數(shù)目及排列、有無包膜等對病毒采用一種非系統(tǒng)的、多原則的、分等級的分類法。2001年ICTV公布的病毒分類命名第七次報告中將病毒分為66個科、9個亞科和244個屬。其中與人類關系較為密切的病毒有19科50多個屬。

除了典型的病毒外，還有一些病毒樣致病因子，其本質及在病毒學中的位置尚不明確，被稱為亞病毒(subvirus)。包括：

1. 類病毒(viroid)，1971年由Diener在研究馬鈴薯紡錘形塊莖病時發(fā)現(xiàn)的一種比典型病毒更簡單的感染因子，沒有蛋白質衣殼，只有裸露的單股共價閉合環(huán)狀RNA分子，主要使植物致病，與人類疾病關系尚不明了。
2. 衛(wèi)星病毒(satel—lites)，衛(wèi)星病毒可分為兩大類，一類可編碼自身的衣殼蛋白，另一類為衛(wèi)星病毒RNA分子，曾稱為擬病毒(virosid)，需利用輔助病毒的蛋白衣殼。其特點為由500---2000個核苷酸構成的單鏈RNA，與缺陷病毒不同，表現(xiàn)為與輔助病毒基因組間無同源性；復制時常干擾輔助病毒的增殖。
3. 朊病毒(prion)，Prusiner等認為它是一種傳染性蛋白顆粒，不含或僅含極微量的核酸，是引起羊瘙癢病、瘋牛病和人類克一雅綜合征(ereutfeldt—Jokob dis—ease，C—JD)的病原體?。

生物學特點

非細胞的大分子—分子生物；細胞內的生物態(tài)和細胞外的非生物態(tài)—“生活周期”；只含一種甚至沒有核酸。

病毒

1898年

貝哲林克（Beijerinck）認為煙草花葉病的感染因子是比細菌小的有傳染性的活的液體，并起名為病毒（virus）。

病毒的概念

即在宿主體內呈感染態(tài)（活細胞內專性寄生），依賴宿主的代謝系統(tǒng)獲取能量、合成蛋白質和復制核酸，再通過核酸與蛋白質的裝配而實現(xiàn)其大量繁殖；在離體條件下，能以無生命的生物大分子長期存在，并可保持其侵染活性。

病毒是一類超顯微的非細胞型生物，每一種病毒只含有一種核酸；它們只能在活細胞內營專性寄生，靠其宿主代謝系統(tǒng)的協(xié)助來復制核酸、合成蛋白質等組分，然后再進行裝配而得以增殖；在離體條件下，它們能以無生命的化學大分子狀態(tài)長期存在并保持其侵染活性。病毒分布極為廣泛，幾乎可以感染所有的生物，包括各類微生物、植物、昆蟲、魚類、禽類、哺乳動物和人類。

一形態(tài)構造和化學成分

成熟的，結構完整的，具有感染性的單個病毒稱作

病毒粒

病毒體

病毒粒子

病毒顆粒

（一）大小和形態(tài)

病毒的形體極微小，直徑一般為100nm上下（20～200 nm）(1 nm = 0.001μm)，最大的痘苗病毒約300nm，脊髓灰質炎病毒僅28nm，能通過細菌濾器，必須借助電子顯微鏡才能觀察。

粗略認為病毒、細菌和真菌這三類微生物個體直徑比約為1：10：100。病毒的形態(tài)有磚形（如牛痘病毒）、桿狀（如煙草花葉病毒）、球狀（如流感病毒）、蝌蚪形和絲狀（如某些噬菌體）等。

（二）病毒的化學組成與結構

病毒由蛋白質與核酸組成，且每一病毒只含有RNA或DNA一種核酸。少數(shù)幾種較大的病毒還含有脂肪、多糖等（組成包膜）。病毒核酸是病毒繁殖、遺傳變異與感染性的物質基礎，蛋白質主要作用是：構成病毒的外殼（衣殼），保護病毒核酸；決定病毒感染的特異性；決定病原的抗原性，并刺激機體產生相應抗體；構成病毒組成中的酶（但一般病毒是不具酶或酶系極不完全的）。

1核酸

核酸

病毒核酸 ( 基因組 ) 儲存著病毒的遺傳信息，控制著其遺傳變異、增殖和對宿主的感染性等。病毒核酸類型多樣，是病毒系統(tǒng)分類中最可靠的分子基礎。

2殼體

即

衣殼

capsomere

衣殼粒

殼體的作用是構成病毒粒子主要支架結構和抗原成分，保護病毒核酸，決定病毒感染的特異性等。

3包膜

也稱 囊膜。指包被在病毒核殼體外的一層含蛋白質或糖蛋白的脂質雙層膜。囊膜表面往往具有突起物，稱

刺突

（三）病毒的對稱體制及其典型代表

根據(jù)衣殼粒排列方式的不同將病毒分為三種對稱類型：

1螺旋對稱

衣殼粒沿著螺旋形的核酸鏈對稱排列，

TMV (tabacoo mosaic virus)

TMV外形呈直桿狀，長300nm，寬15nm，中空（內徑4nm）。由95%的衣殼蛋白和5%的ssRNA組成。衣殼含有2130個皮鞋狀的蛋白亞基——衣殼粒。衣殼粒以逆時針方向繞核酸作螺旋狀排列，共圍130圈。ssRNA由6390個核苷酸構成，以等螺距排列于蛋白質衣殼內，每3個核苷酸與1個衣殼粒結合。

2 20面體對稱

核酸濃集成球形或近似球形，外周的衣殼粒排列成20面體對稱。

腺病毒

腺病毒外形呈“球狀”，實為一典型的20面體，直徑70～80nm，具有12個角，20個面和30條棱。核心由36500bp的線狀dsDNA構成。

3復合對稱

病毒結構較復雜，既有螺旋對稱又有20面體對稱。E.coliT 偶數(shù)噬菌體（T2、T4、T6）是其代表。

（四）病毒的繁殖

病毒增殖所需原料、能量和生物合成的場所均由宿主細胞提供，在病毒核酸的控制下合成病毒的核酸（RNA或DNA）與蛋白質等成分，然后在宿主細胞的細胞質或細胞核內裝配成為病毒粒子（系指成熟的或結構完整、有感染性的病毒個體，與病毒是同義詞），再以各種方式釋放到細胞外，感染其他細胞。這種增殖方式稱為復制。

病毒的繁殖過程可分為五個連續(xù)步驟：

1．吸附 具高度專一性地吸附于敏感細胞表面的接受部位。

2．侵入 以各種方式（取決于宿主細胞的性質）侵入敏感細胞內。

3．脫殼 脫去衣殼和包膜，方式因種而異。

4．生物合成 包括核酸的復制和蛋白質的合成等。

5．裝配 分別合成的核酸和蛋白質組合成完整的、新的病毒粒子。病 毒感染細胞后，常可使宿主細胞形成一種在光學顯微鏡下可見的小體，謂包涵體。

（五）病毒的群體形態(tài)

1包涵體

是指在某些感染病毒的宿主細胞中，出現(xiàn)光鏡下可見的大小、形態(tài)和數(shù)量不等的小體。根據(jù)包涵體特點，將其分為4類：病毒的聚集體；病毒的合成部位；病毒蛋白及病毒感染有關的蛋白；非病毒性包涵體。

包涵體在實踐上的應用

2噬菌斑

將少量噬菌體和大量敏感細菌與瓊脂培養(yǎng)基在平皿中混勻，適溫下培養(yǎng)數(shù)小時后，會在長滿細菌的菌苔上出現(xiàn)一個個肉眼可見的有一定形狀、大小、邊緣和透明度的斑點，即噬菌斑。

噬菌體

噬菌體(bacteriophage, phage) ，即原核生物的病毒，包括噬細菌體(bacteriophage) 、噬放線菌體和噬藍細菌體等。它們廣泛分布于自然界，凡有原核生物活動之處，幾乎都有其相應的噬菌體存在。

（一）噬菌體的形態(tài)

噬菌體構造

噬菌體

頭部

頸部

頸環(huán)

頸須

尾部

尾鞘

尾管

基板

刺突

尾絲

（二）噬菌體的繁殖

噬菌體的繁殖一般分為五個階段：

吸附

侵入

增殖

成熟

裝配

裂解

釋放

烈性噬菌體(

)，

溫和噬菌體(temperate phage)。

1吸附

2侵入

3增殖

4成熟

裝配

5裂解

釋放

裂解量(burst size)：

自外裂解

：

1．烈性噬菌體和溫和噬菌體 根據(jù)噬菌體與宿主細胞的關系，可分為烈（毒）性噬菌體和溫和噬菌體兩類。

烈性噬菌體感染宿主細胞并進行復制，產生更多的病毒粒子，宿主細胞裂解，釋出新的子代噬菌體。在適宜條件下，此過程可重復進行。烈性噬菌體的這種生長（繁殖）方式謂一步生長。以培養(yǎng)時間為橫坐標，以噬菌班數(shù)為縱坐標作圖，可繪得噬菌體的一步生長曲線（圖示）

溫和噬菌體侵染宿主細胞后，其核酸整合到宿主的染色體上或附著在宿主細胞膜的某些位點上，宿主細胞繼續(xù)進行生長繁殖。

2．原噬菌體與溶原性細菌 整合到宿主染色體或附著在宿主細胞膜上的溫和噬菌體的核酸稱為原（前）噬菌體。

含有原噬菌體的細菌稱為溶原性細菌。溶原性細菌具有以下基本特性：①遺傳性——子代細菌也具溶原性；②自發(fā)或誘發(fā)裂解——自發(fā)地或由理化因子導致原噬菌體活化，產生具感染性的噬菌體粒子；③“免疫性”——不受其他同類噬菌體侵染；④復愈（非溶原化）——原噬菌體消失，變成非溶原細胞；⑤可獲得一些新的特性，如菌落形態(tài)改變，產生毒性等。

3．烈性噬菌體的培養(yǎng)特征 烈性噬菌體在混有大量活敏感菌的瓊脂培養(yǎng)基中，經(jīng)培養(yǎng)后，肉眼可見在布滿宿主細胞的菌苔上，有一個個不長菌的斑塊，此即噬菌斑。噬菌斑的形狀、大小、邊緣和透明度，均因噬菌體不同而異。

（三）噬菌體效價的測定

效價

噬菌斑形成單位

pfu

數(shù)

（四）一步生長曲線

噬菌體生長曲線

一步生長曲線

一級

(one step growth curve)

潛伏期(latent

)、裂解期(rise phase)

裂解量(burst size)。

1潛伏期

指噬菌體的核酸侵入宿主細胞后至第一個成熟噬菌體粒子

釋放

潛伏期又可分為兩段：

隱晦期

胞內累積期

2裂解期

在潛伏期后的宿主細胞迅速裂解、溶液中噬菌體粒子數(shù)急劇增多的一段時間。

3平穩(wěn)期

感染后的宿主細胞已全部裂解，溶液中噬菌體效價達到最高點的時期。

4裂解量

平均裂解量= 平穩(wěn)期plaque數(shù) / 潛伏期plaque數(shù)

（五）

溶源性（lysogeny）

溫和噬菌體

溶源現(xiàn)象

1溫和噬菌體

凡吸附并侵入宿主細胞后，噬菌體的基因組只整合到宿主的基因組上，并可長期隨宿主基因組的復制而進行同步復制，一般情況下并不引起宿主細胞裂解的噬菌體稱溫和噬菌體或溶源噬菌體

(lysogenic phage)。

溫和噬菌體的特點

前

原噬菌體（

）

溫和噬菌體的存在形式

2溶源菌(lysogen or lysogenic bacteria)

指在基因組上整合有前噬菌體并能正常復制而不被裂解的細菌，如E.coliK12(λ)。

溫和噬菌體感染細菌使之成為溶源菌的過程，稱

溶源化(lysogenization)。

溶源菌的特性

亞病毒

亞病毒（subvirus）是一類比病毒更為簡單的非細胞型生物，僅由核酸或蛋白質一種成分構成的分子病原體，主要包括類病毒、擬病毒和朊病毒三類。

（一）類病毒(viroid)

類病毒是一種具有傳染性的單鏈RNA病原體。它比病毒要小，且沒有典型病毒所有的蛋白質外殼。類病毒為嚴格寄生物，專一性很強，通常感染高等植物，并整合到植物的細胞核內進行復制。類病毒通常通過種子或花粉傳播。類病毒最早由在美國工作的瑞士學者迪納（Theodor O. Diener）于1971年在馬鈴薯紡錘塊莖病中發(fā)現(xiàn)。

類病毒象病毒一樣，嚴格專性寄生，只在宿主細胞內才表現(xiàn)出生命特征——核酸分子的自我復制，使宿主致病，死亡。但類病毒比病毒更小，更簡單。類病毒僅是能感染某些植物致病的單鏈閉合環(huán)狀的RNA分子、無蛋白質外殼的游離的RNA分子，分子量約5×104Da～10×104Da。類病毒對各種化學和物理因子的作用都不敏感，對熱以及紫外光和離子輻射有高度抗性。到目前為止，類病毒只在植物中被發(fā)現(xiàn)。

（二）擬病毒（virusoid）

擬病毒(virusoid)，又稱類類病毒(viroid-like)，殼內類病毒，衛(wèi)星RNA (satellite RNA)，指一些必須依賴輔助病毒進行復制的小分子單鏈RNA片段，即包裹在真病毒中的有缺陷的類病毒，可認為是一類包裹在植物病毒粒子中的類病毒。

輔助病毒(helper virus)：被擬病毒寄生的真病毒。

擬病毒在核苷酸組成、大小和二級結構上均與類病毒相似;

擬病毒的特點：

①單獨沒有侵染性，必需依賴于輔助病毒才能進行侵染和復制，其復制需要輔助病毒的RNA聚合酶。

②RNA不具有編碼能力，需要利用輔助病毒的外殼蛋白，并與輔助病毒基因組RNA一起包裹在同一病毒粒子內。

③可干擾輔助病毒的復制。

④擬病毒同輔助病毒基因組RNA比較，沒有序列同源性。

（三）朊病毒

朊病毒又稱蛋白質侵染因子。據(jù)目前所知，朊病毒是一類能侵染動物并在宿主細胞內復制的小分子無免疫性的疏水蛋白質，分子量2．7×104Da～3×104Da。在電鏡下，朊病毒呈桿狀顆粒，成叢排列，每叢大小和形狀不一。

1982年美國學者Prusiner在研究羊瘙癢?。╯crapie in sheep）時最先發(fā)現(xiàn)朊病毒。并因此獲得1997年的諾貝爾生理和醫(yī)學獎獎。

朊病毒或朊粒，又稱蛋白侵染因子(protein infection)，是一類不含核酸的傳染性蛋白質分子。能引起宿主體內正常的同類蛋白質分子發(fā)生與其相似的構象變化而使宿主發(fā)病。

該病是一種神經(jīng)病學疾病，?？芍卵蛩劳?。其他一些疾病，包括瘋牛病和人的Kuru病（Kuru為新幾內亞一地名，最初此病在當?shù)厝酥袀魅?，不知病因而以地名稱之），亦是朊病毒在宿主細胞內繁殖的結果，均以神經(jīng)系統(tǒng)緩慢退化以至發(fā)生紊亂為特征。

從僅由蛋白質組成的朊病毒，可以看到生命系統(tǒng)的一個普遍特征（即遺傳信息貯藏在核酸分子中）的一個例外。因而，朊病毒的發(fā)現(xiàn)，可能對分子生物學的發(fā)展產生革命性的影響，還可能為弄清一系列疑難疾病的病因帶來新的希望。

prion病的共同特征是

潛伏期長（幾個月、幾年甚至幾十年），引起致死性中樞神經(jīng)系統(tǒng)的慢性退化病。

純化的感染因子稱為朊病毒蛋白（Prion protein,PrP），分子量為33~35kDa，約250個氨基酸組成，分子量為27000至35000，僅為最小真病毒的1%。

朊病毒與真病毒的主要區(qū)別

①無核酸成分；②由宿主基因編碼；③對宿主無免疫原性；④呈淀粉樣顆粒狀；⑤抗逆性強。