第 四 章
非细胞微生物 —— 病毒
acellularorganization－Viruses
? 第一节概述
? 第二节病毒的形态结构
? 第三节病毒的复制
? 第四节病毒的检出与定量
? 第五节病毒与实践
第 四章 病毒
第一节概述
一、病毒的发现和研究历史
1886年，A. Mayer 发现具有传染性的烟草花叶病；
1892年，D. Ivanovsky烟草花叶病病原体能通过细菌滤器：
一种能通过细菌滤器的”细菌毒素”或极小的细菌
一、病毒的发现和研究历史
1898年，M W Beijerinck对烟
草花叶病病原体的研究结果：
t能通过细菌滤器；
t可被乙醇沉淀而不失去其感染性，
t能在琼脂凝胶中扩散；
t用培养细菌的方法不能被培养出来，
推测只能在植物活细胞中生活；
比细菌小的具有传染性的活的流质（contagiumvivumfluidum）
一、病毒的发现和研究历史
1900年前后，包括口蹄疫（foot and mouth disease）(Loeffer和Frosch
发现，1989年)在内的多种动植物疾病病原体的滤过性特性被证明。
filterable viruses（滤过性病毒）
viruses（病毒）
F W Twort（1915年）、F d’Herelle（1917年），分别发现
细菌（Shigelladysenteriae）病毒
bacteriophages 噬菌体（phage）
1935年，W M Stanley首次提纯并结晶了烟草花叶病毒
(tobacco mosaic virus,TMV)；
Bawden等证明烟草花叶病毒的本质为核蛋白；
1940年，Kausche首先用电镜观察到烟草花叶病毒颗粒；
一、病毒的发现和研究历史
极大地丰富了现代生物学（微生物学、分子生物学、分子
遗传学）的理论与技术；
病毒学（viruology）：研究病毒（virus）的本质及其与宿
主的相互作用的科学，是微生物学的重要分支学科。
有效地控制和消灭人及有益生物的病毒病害；
利用病毒对有害生物、特别是害虫进行生物防治；
发展以基因工程为中心的生物高新技术产业；
二、病毒的特点和定义
1、特点
1）不具有细胞结构，具有一般化学大分子的特征。
2）一种病毒的毒粒内只含有一种核酸，DNA或者RNA。
3）大部分病毒没有酶或酶系极不完全，不含催化能量代谢
的酶，不能进行独立的代谢作用。
4）严格的活细胞内寄生，没有自身的核糖体，没有个体生
长，也不进行二均分裂，必须依赖宿主细胞进行自身的
核酸复制，形成子代。
5）个体微小，在电子显微镜下才能看见。
6）对大多数抗生素不敏感，对干扰素敏感。
第一节概述
1、特点
二、病毒的特点和定义
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。
超显微的、没有细胞结构的、专性活细胞内寄生的实体
1、特点
二、病毒的特点和定义
细菌与病毒性质的比较
2、定义
二、病毒的特点和定义
病毒为具有独立于其宿主的进化史的绝对细胞内寄生物，它的DNA
或RNA基因组被其所编码的蛋白质壳体化（encapsidation）。
-------------（Fields等，1990年）
非细胞生物
（真）病毒：至少含核酸和蛋白质二种组分
亚病毒
类病毒：只含具侵染性的RNA组分
卫星RNA：只含有不具侵染性的RNA组分
朊病毒：只含蛋白质
（euvirus）
（subvirus)
三、病毒的宿主范围
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）、
植物病毒（plant viruses）
动物病毒（animal viruses）
第二节病毒的形态结构
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。
毒粒(virion)[病毒颗粒(virus particle)]：
病毒的细胞外颗粒形式，也是病毒的感染性形式。
一团能够自主复制的遗传物质
保护遗传物质免遭环境破坏，并作为将遗传物质从一个宿主细胞
传递给另一个宿主细胞的载体。
蛋白质外壳 包膜
一、毒粒的形态结构
1、病毒的大小和形状
个体小，必需在电镜下观察；
不同病毒的毒粒大小差别很大；
毒粒的形状大致可分球形颗粒(或称拟球形颗粒)、
杆状颗粒和复杂形状颗粒（如蝌蚪状，卵形）等
少数几类。
病毒的形状
病毒的形体
微小，只能
以nm计量，
一般为10
~300 nm。
各种毒粒的大小、形态差异很大
二、毒粒的化学组成
毒粒
（化学组成）
核酸；
蛋白质；
脂类；
碳水化合物；
基本化学组成
二、毒粒的化学组成
1、病毒的核酸
t核酸是病毒的遗传物质；
t一种病毒的毒粒只含有一种核酸：DNA或是RNA；
病毒核酸
单链DNA（ssDNA）；
双链DNA（dsDNA）；
单链RNA（ssRNA）；
双链RNA（dsRNA）；
病毒的核酸类型
动物病毒 含DNA 双链 牛痘病毒
单链 小鼠细小病毒
含RNA 双链 呼肠弧病毒
单链 脊髓灰质炎病毒
植物病毒 含RNA 双链 水稻矮缩病毒
单链 烟草花叶病毒
含DNA 双链 花椰菜花叶病毒
细菌病毒 含DNA 双链 大肠杆菌T系噬菌体
单链 大肠杆菌φX174，M13
含RNA 单链 大肠杆菌f2噬菌体(5群)
? 储存病毒的遗传信息
? 控制病毒的遗传变异
? 控制病毒的增殖
? 控制病毒对宿主的感染性
核酸功能：
2、病毒的蛋白质
病毒蛋白质
结构蛋白
非结构蛋白
病毒基因组编码的，在病毒复制过程中产生并具有一定功
能，但并不结合于毒粒中的蛋白质。
构成一个形态成熟的有感染性的病毒颗粒所必需的蛋白质
壳体蛋白；
基质蛋白；
囊膜蛋白；
酶蛋白
2、病毒的蛋白质
病毒结构蛋白的主要生理功能：
1）构成蛋白质外壳，保护病毒核酸破坏；
2）决定病毒感染的特异性；
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）；
3.其他成分：
较复杂病毒中还含有:
?脂类：有些病毒包膜中含有来源于宿主细
胞的脂类化合物，其中50-60%为磷脂，余
为胆固醇。
?多糖：以糖脂、糖蛋白的形式存在。
?有的病毒还含胺类（丁二胺，亚精胺
等）、金属离子等，它们是病毒装配时从
环境中获得的不恒定成分。
三、毒粒的结构
衣壳粒(Capsomere):
病毒的蛋白质壳体和病毒核酸（核心）构成的复合物，又称
核衣壳。
包膜(envelope)
刺突(spike)：
衣壳(Capsid)
由一种或几种多肽链折叠而成的蛋白质亚单位。
核壳（nucleocapsid）：
核酸
包膜或核衣壳上的突起。
三、毒粒的结构
壳体结构类型
螺旋对称（helical symmetry）壳体
二十面体对称(icosahedralsymmetry)壳体
复合对称( complex symmetry)结构
亚基有规律地沿着中心轴
（核酸）呈螺旋排列，进
而形成高度有序、对称的
稳定结构。
此形状多为RNA病毒，
具螺旋对称的动物病毒
多有包膜。
1. 螺旋对称（helical symmetry）壳体：
裸露的螺旋毒粒；
有包膜的螺旋毒粒
2.二十面体对称(icosahedralsymmetry)壳体：
1)球或近球形，没有包膜，直径70-80nm。
2)高倍电镜下为多面体, 它有12个角，20个面，30条棱。呈5（角）：3
（面）：2（线）轴对称结构。
3)衣壳由252个衣壳粒组成，每个衣壳粒通常是由5个或6个蛋白质亚基
聚集形成。有12个称做五邻体（penton）的衣壳粒（分子量各为
70000Da），位于12个角上。每个五邻体上突出一根末端带有顶球的蛋
白纤维，称为触须样纤维（也叫刺突）。有240个六邻体（hexon）
（分子量各为120000Da）位于均匀分布在20个面上。
2.二十面体对称(icosahedralsymmetry)壳体：
构成对称结构壳体的第二种方式是蛋白质亚基围绕具立
方对称的正多面体的角或边排列，进而形成一个封闭的
蛋白质的鞘。
3. 复合对称( complex symmetry)
大肠杆菌的T4噬菌体是
由椭圆形的二十面体头部
和螺旋对称的尾部组合而
成，是病毒中复合对称的
代表。
有尾噬菌体（tailed phage），其壳体由头部和尾部组成。
包装有病毒核酸的头部通常呈二十面体对称，尾部呈螺旋对称。
第三节病毒的复制
病毒的特点：严格细胞内寄生物，只能在活细胞内繁殖。
病毒感染敏感宿主细胞后，病毒核酸进入细胞，通过其复制与
表达产生子代病毒基因组和新的蛋白质，然后由这些新合成的
病毒组分装配（assembly）成子代毒粒，并以一定方式释放到
细胞外。病毒的这种特殊繁殖方式称做复制（replication）。
病毒的复制：
一、病毒的复制周期
复制周期（replicativecircle）或称复制循环：
自病毒吸附于细胞开始，到子代病毒从感染细胞释放到细胞
外的病毒复制过程。
①吸附(absorption)；
②侵入(penetration)；
③复制(replication)；
④装配(assembly)（成熟）；
⑤释放(release)；
烈性噬菌体的繁殖过程
①吸附：噬菌体和宿主细胞上的特异
性吸附部位进行特异性结合，噬菌体
以尾丝牢固吸附在受体上后，靠刺突
“钉”在细胞表面上。
②侵入：核酸注入细胞的过程。噬菌
体尾部所含酶类物质可使细胞壁产生
一些小孔，然后尾鞘收缩，尾髓刺入
细胞壁，并将核酸注入细胞内，蛋白
质外壳留在细胞外。
③复制：包括核酸的复制和蛋白质
合成。噬菌体核酸进入宿主细胞后，
会控制宿主细胞的合成系统，然后以
噬菌体核酸中的指令合成噬菌体所需
的核酸和蛋白质。
烈性噬菌体的繁殖过程
④装配：
主要步骤有：
DNA分子的缩合——通过衣壳包裹DNA而形成头部——
尾丝及尾部的其它部件独立装配完成——头部与尾部
相结合——最后装上尾丝，至此，一个个成熟的形
状、大小相同的噬菌体装配完成。
烈性噬菌体的繁殖过程
⑤释放：
方式：
§裂解：多以裂解细胞的
方式释放。
§分泌：噬菌体穿出细
胞，细胞并不裂解。
通常情况下，一个噬菌体
通过上述五个过程能合成
100——300个噬菌体。烈
性噬菌体的这种生长繁殖
方式也称为一步生长，
烈性噬菌体的繁殖过程
二、烈性噬菌体与一步生长曲线
烈性噬菌体(virulent phage):能在宿主细胞内增殖，产生大量
子噬菌体并引起细菌裂解的噬菌体
烈性噬
菌体的
这种生
长方式
称一步
生长。
一步生长曲线（one step growth curve）
1939年，Max Delbruck& Emory Ellis：
E. coli / bacteriopage
1、用噬菌体的稀释液感染高浓度的宿主细胞；
2、数分钟后，加入抗噬菌体的抗血清；
3、将上述混合物大量稀释，终止抗血清的作用和防止新释放
的噬菌体感染其它细胞；
4、保温培养并定期检测培养物中的噬菌体效价；
5、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；
概念：经过一步生长实验后,得到以培养时间为横坐标,以
噬菌斑数为纵坐标绘制成的有潜伏期、裂解期和稳定期的
特征性曲线。
实验过程:
敏感菌10ml + Phage 1ml
混匀，5min,使之吸附
离心或用抗phage血清处理,
去除过量phage
高倍稀释,吸附phage的菌悬液
(避免多次吸附)
37℃培养,定时取样
样品中加入氯仿裂解细胞
24-48h
裂解液加入敏感菌液中
适当稀释混合液
涂布于琼脂培养基上
计数噬菌斑
人为裂解处理（每5min）
一步生长曲线（one step growth curve）
噬菌体复制（繁殖）
的三个阶段：
1、吸附期(adsorption period)；
游离的噬菌体吸附到宿主细胞
2、潜伏期(latent period)；
从噬菌体吸附到细胞到释放
出新噬菌体的最短时期
3、裂解期(lysisperiod)；
随着菌体不断破裂，新噬菌体
数目增加，直到最高值
平稳期（plateau phase）
潜伏期（latent period）：毒粒吸附于细胞到受染细胞释放出
子代毒粒所需要的最短时间。噬菌体几分钟，动物病毒与植物病
毒以小时或天计算。
裂解量（burst size) ：每个受染细胞所产生的子代病毒颗粒的
平均数目。等于潜伏期受染细胞的数目除以稳定期受染细胞所释
放的全部子代病毒的数目，噬菌体的裂解量一般为几十到几百，
动植物病毒几百到上万个。
一步生长曲线的特征性数据: 潜伏期和裂解量。
三、温和噬菌体和溶源性
温和噬菌体(temperate phage )或称溶源性噬菌体（lysogenic
phage）：侵染细菌后不产生子噬菌体和引起细菌裂解的噬
菌体。
溶源性(lysogeny)：温和噬菌体侵染敏感细菌后不裂解它们，
而与细菌共存的特性。
前噬菌体(prophage)：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。
（一）温和噬菌体
温和噬菌体的溶源性反应：
在原噬菌体阶段，噬菌体的复制被抑制，宿主细胞
正常地生长繁殖，而噬菌体基因组与宿主细菌染色
体同步复制，并随细胞分裂而传递给子代细胞。
（二）溶源性细菌及其检出溶源性感染对细胞的影响：
(2) 裂解： 自发裂解(spontaneous lysis)
诱发裂解(inductive lysis)；
溶源菌的特性：
(1)具有遗传的、产生前噬菌体的能力；
(3)复愈；
1. 溶源性细菌（lysogenicbacteria）
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。
(4)免疫性
(5)溶源转变
(6) 局限性转导
2 溶源性细菌的检出：
培养 UV辐射（诱导裂解） 复制
培养（进入裂解周期）
离心取上清 与敏感菌倒平板
菌落周围出现透明
圈即为溶源性细菌
2．溶源性细菌的检出
一、直接法 电子显微镜
二、间接法
间接法的基础：细胞病变效应(cytopathiceffect,CPE)
病毒感染单位(virus infection unit)：是指当病毒和敏感
宿主混合时能产生可检测的效应的最小单位。
是指由于病毒感染出现的宏观、局部或普遍的退
化性病变或异常。
第四节病毒的检出与定量
由于病毒感染引起的敏感细胞层上出现的裂解圈或细胞抑制圈。
(一) 噬菌斑 （plaque）
Quantification of bacterial virus by plaque assay
(二) 蚀斑和感染病灶(focus Of infection)
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（plaque）或称空斑。
(三)坏死斑(病斑) (lesion)
植物病毒 敏感植物叶片 产生坏死斑，或称枯斑
式中： n 为噬菌体效价；
Y 为噬菌斑数／平板；
V 为噬菌体稀释液的体积；
X 为噬菌体稀释液的稀释度。
(四) 病毒定量中的几个概念
l.噬菌体效价(titre，titer)
效价是指每ml试样中所含有的侵染性的噬菌体粒子数，或形成噬
菌斑单位(plaque forming unit，pfu)数。
公式：n＝Y／VX
2．成斑率（平板效率）(efficiency of plating，EoP)
(一)鉴定病原菌，治疗疾病
(二)防治害虫
(三)作为分子生物学研究的工具
（四）测定辐射剂量
一、病毒的应用
第 五节病毒与实践
④噬菌体污染后的补救措施
二、细菌病毒和发酵工业（噬菌体的防治）
1.污染现象
2.污染原因
3.防治措施
①杜绝噬菌体的各种来源
②控制活菌体的排放
③使用抗噬菌体菌株和定期轮换生产用菌
