任务1.3病毒

任务1.3　病毒

病毒是一种非细胞型的生物，个体微小，比细菌小得多，能通过孔径为0.22～0.45μm的细菌过滤器，大小为纳米（nm）级，须借助电子显微镜才能观察到，一般大小范围为10～300nm。

1.3.1　病毒的生物学特性

1）病毒的种类

病毒的种类繁多，凡是有细胞生物生存之处，就有其相应的专性病毒存在。病毒的分类方法很多，按照病毒的宿主来分，可分为动物病毒、植物病毒和细菌病毒（噬菌体）三大类，如图1.16。即有人体病毒（如流感病毒、肝炎病毒、人类免疫缺陷性病毒等）、动物病毒（如腺病毒、口蹄疫病毒、鸡瘟病毒等）、植物病毒（如烟草花叶病毒、马铃薯黄矮病毒、玉米条纹病毒等）、真菌病毒（约100多种）和细菌（放线菌）病毒-噬菌体。

图1.16　病毒的分类

病毒按其组成可分成真病毒和亚病毒两类。真病毒（简称病毒）至少含有核酸和蛋白质两种组分；亚病毒包括类病毒（只含单独侵染性的RNA组分）和拟病毒（只含不具单独侵染性的RNA组分）。

2）病毒的特点

病毒是一类由核酸（只含DNA或RNA）和蛋白质等少数几种成分组成的超显微的专性活细胞内寄生的微生物。与其他细胞型微生物相比，其主要特征为：个体极其微小，一般可通过细菌滤器；必须用电子显微镜才看得见；无细胞结构，仅由核酸和蛋白质组成的大分子微生物；每一种病毒只含有一种类型的核酸（DNA或RNA）；大部分病毒没有酶或酶系统极不完全，不含有独立代谢的酶，不含有自身的核糖体，故不能进行独立的代谢作用，合成蛋白质；严格的活细胞内寄生（专性寄生），必须依赖寄主细胞进行自身的核酸复制，形成子代；在宿主细胞内才具有生命特征，在离体时只具有一般化学大分子的特征；对抗生素不敏感，但对干扰素敏感。

3）病毒的化学组成

病毒的化学组成因种而异，主要由核酸和蛋白质组成。核酸位于病毒的中心，为病毒核酸基因组，其携带病毒复制所需的遗传信息。蛋白质组成病毒的外壳，包围着病毒核酸基因组，构成病毒一定的形态。所有的病毒蛋白基因均由病毒基因组编码。

（1）核酸

核酸是病毒的主要组成部分，一般只含有DNA或RNA一种核酸，不能两者兼备。动物病毒有些属DNA型，如天花病毒；有些属RNA型，如流感病毒。植物病毒绝大多数属RNA型，只有极少数属DNA型。噬菌体多属DNA型，少数属RNA型。核酸有单、双链之分。在一般的细胞型生物中，DNA往往是双链，而RNA为单链。但是，病毒的情况比较复杂，DNA或RNA链均有双链或单链类型存在。

病毒核酸的功能同其他的细胞型生物一样，是病毒遗传的物质基础，储存着病毒的遗传信息，控制着病毒的遗传变异、自身增殖以及对宿主的感染性。

（2）蛋白质

蛋白质是病毒的另一主要组成部分，构成病毒粒子外壳，保护病毒核酸免受环境因素的破坏，并决定病毒感染的特异性，与易感宿主细胞表面存在的“受体”形成具特异性的亲和力，促使病毒粒子的吸附。此外，蛋白质还构成了病毒的活性酶。比较简单的植物病毒大都只含一种蛋白质，而动物病毒和噬菌体均由两种以上的蛋白质所组成。

（3）其他

除了含有蛋白质和核酸外，有些病毒在囊膜中还含有脂类和多糖。脂类以磷脂、胆固醇为主，多糖以糖脂、糖蛋白居多，少数病毒还含有胺类。植物病毒中还含有多种金属离子，在个别病毒中存在类似维生素之类的物质。

1.3.2　噬菌体

1）噬菌体的基本形态

噬菌体是侵染原核生物（细菌、放线菌和蓝细菌）的病毒，它是一种超显微的、没有细胞结构的、专性活细胞寄生的大分子微生物。噬菌体主要有三种形态：蝌蚪形、球形和杆形，大多数为蝌蚪形。其中，又可再细分为六种不同形态（图1.17）。

图1.17　噬菌体的三种基本形态

（1）蝌蚪形

蝌蚪形噬菌体具有六角形（实为二十面体）的头部和尾部，形似小蝌蚪。尾部长而直，有尾鞘，能收缩，双链DNA，例如大肠杆菌偶数噬菌体T₂、T₄、T₆，芽孢杆菌噬菌体sp50；尾部长而易弯，无尾鞘，不能收缩，双链DNA，如大肠杆菌奇数噬菌体T₁、T₅和λ温和噬菌体等；尾部比头部短，无尾鞘，不能收缩，双链DNA，例如大肠杆菌奇数噬菌体T₃、T₇，芽孢杆菌噬菌体GA₁等。

（2）微球形

微球形噬菌体只有呈微球形的头部，没有尾部。六角形头部的顶角各有一个较大的衣壳粒，单链DNA，如大肠杆菌噬菌体Φ×174（环状单链DNA）和S₁₃，沙门氏菌噬菌体ΦR等；六角形头部的顶角无衣壳粒或有小衣壳粒，单链RNA，例如大肠杆菌的雄性噬菌体f₂、QB、MS₂，极毛杆菌噬菌体7S、PP₇等。

（3）纤线形

纤线形噬菌体即丝状噬菌体，无头部和尾部，为一条长而略弯的纤线，单链DNA，如大肠杆菌雄性噬菌体M₁₃、fd、f₁等。

2）噬菌体的组成与溶菌

（1）噬菌体的组成

大肠杆菌T偶数噬菌体呈蝌蚪形，是病毒学和分子遗传学研究的最好材料，目前对T₄噬菌体的了解已较之前更为深刻。以T₄为例，介绍典型的蝌蚪形噬菌体的基本结构（图1.18），由头部、尾部和颈部三个部分组成。

图1.18　大肠杆菌噬菌体T₄的形态结构模式图

（2）噬菌体的溶菌

噬菌体的寄生具有高度的专一性，感染宿主后可产生两种情况：一是噬菌体可以在寄主细胞内繁殖；二是噬菌体在寄主细胞内不繁殖，潜伏在寄主细胞内。根据噬菌体与宿主细胞的相互关系，可将其分为烈性噬菌体和温和噬菌体两大类。凡导致寄主细胞裂解者叫烈性噬菌体，而不使寄主细胞发生裂解，只是使它们的核酸和寄主细胞产生同步复制的这类噬菌体称为温和噬菌体。当噬菌体感染宿主细胞后，产生溶菌现象，其具体过程（如图1.19）可分为：吸附、侵入、增殖、成熟和释放五个阶段。

①吸附。噬菌体由于分子布朗运动而与宿主相遇，噬菌体吸附宿主细胞时，尾部末端的尾丝散开并附着于细胞表面的特异性受体上，尾丝进一步固定在上面，并向下弯曲，使噬菌体向细胞表面移动，刺突及尾丝使噬菌体固着在宿主细胞表面上。

宿主细胞表面对各种噬菌体也具有特异性的受体，受体是脂多糖对噬菌体如T₃、T₄和T₇的吸附，受体是脂蛋白对噬菌体如T₂和T₆的吸附。而枯草杆菌对SP-50噬菌体的受体则是磷壁酸。发酵生产上可利用此特性来选育抗噬菌体的变异菌株。

②侵入。噬菌体吸附后，尾髓末端所携带的少量溶菌酶水解局部细胞壁的肽聚糖产生一小孔洞，然后尾鞘收缩为原长的一半，将尾髓推出并插入到细胞内。接着，头部的核酸通过中空的尾髓注入到宿主细胞中，而将蛋白质外壳留在细胞外。

图1.19　大肠杆菌T偶数噬菌体的生长繁殖过程

③增殖。增殖包括噬菌体DNA复制和蛋白质外壳的合成。双链DNA的烈性噬菌体的增殖是按早期、次早期和晚期基因的顺序来进行转录、转译和复制的。双链DNA注入宿主菌细胞后，首先利用宿主菌原有的RNA聚合酶，以噬菌体的早期基因为模板来合成噬菌体的早期mRNA，再转译合成噬菌体的早期蛋白质。这些早期蛋白质主要是病毒复制所需要的酶及抑制细胞代谢的调节蛋白质。在这些酶的催化下，以亲代DNA为模板，半保留复制方式复制出子代DNA。在DNA开始复制以后转录的mRNA称为晚期mRNA，再经过晚期转译产生很多可用于子代噬菌体装配的晚期蛋白，包括头部蛋白、尾部蛋白、多种装配蛋白和溶菌酶等，期间细胞内看不到噬菌体粒子。

④成熟。成熟指噬菌体的装配过程。当噬菌体DNA、头部蛋白质亚单位以及尾部各组件完成后，首先DNA收缩聚集，被头部外壳蛋白包围，形成二十面体的头部。尾部的各个组件和尾丝独立完成装配，再与头部连接，最后才装上尾丝，整个噬菌体就装配完毕，成为新的成熟子代噬菌体。在T₄噬菌体的装配过程中，约有30个不同的蛋白和至少47个基因参与。

⑤裂解。当大量的子代噬菌体在宿主菌内完全成熟后，由于所产生的脂肪酶和溶菌酶分别对细胞质膜和细胞壁的水解作用，促使宿主细胞产生裂解作用，大量的子代噬菌体便释放出来。少数纤丝状噬菌体在成熟后并不破坏细胞壁，从宿主细胞中钻出来，宿主细胞仍继续生长。大肠杆菌T系偶数噬菌体从吸附到粒子成熟释放需15～30min。释放出的子代噬菌体粒子在适宜条件下便能重复上述过程。

3）噬菌体的危害与应用

（1）噬菌体的危害

大量的噬菌体广泛存在于自然界，凡有细菌、放线菌的地方必有噬菌体。噬菌体在发酵食品、抗生素药物、微生物农药和发酵有机溶剂等发酵产品生产中都具有一定的危害性。工业生产上应用的菌种一旦被噬菌体污染就会造成很大的损失。食品工业中，如制造干酪、乳酸用的乳酸杆菌、乳酸链球菌等，受到相应的噬菌体的侵染时，发酵作用就会很快停止，不再积累发酵产物，菌体被溶解后很快消失，整个发酵被破坏。

（2）噬菌体的应用

随着科学技术的进步，人们对病毒的认识日益全面和深刻，一方面控制和消灭它不利的方面，同时也积极应用其有益方面为国民经济服务。噬菌体可用于细菌的鉴定、分型和治疗疾病。由于噬菌体的溶菌具有高度的特异性，一种噬菌体只能裂解和它相应的细菌，故可利用此特性鉴别难以分辨的细菌病原菌。如鼠疫邪尔森菌、霍乱弧菌的鉴定就采用了噬菌体溶菌法。噬菌体不仅有种的专化性，还有型的专化性，故可用于细菌的分型。如用葡萄球菌噬菌体将葡萄球菌分成132个型；伤寒沙门菌噬菌体将伤寒杆菌分为72个型。

目前医学上还采用噬菌体来裂解对多种抗生素有耐药性的病原菌，如有不少金黄色葡萄球菌、痢疾、绿脓杆菌患者或手术后大肠杆菌感染者，菌株对多数化疗药物及抗生素产生抗药性。通过利用新分离的噬菌体制剂治疗，收到了很好的疗效。

由于噬菌体的结构简单，基因数较少，易于大量增殖，噬菌体已成为分子生物研究的重要工具。三个核苷酸决定一个氨基酸的三联密码这一重要发现就是通过研究噬菌体基因与蛋白质的关系后得到的。在遗传工程研究中，也利用噬菌体作为载体将目的基因带入宿主细胞中去，细菌在增殖过程中可表达目的基因产物。近年在基因工程抗体研究方面，也利用噬菌体表达的产物存在于噬菌体表面这一特性，通过多轮的抗原吸附-洗脱-扩增而大大简化筛选过程，并且噬菌体表达的抗体具有产量高、活性强、特异性好等优点，现已将噬菌体用于基因工程抗体库的建立。

总而言之，就目前而言，噬菌体对人类的威胁依然很大。但随着人类科技的不断进步，人们对它们了解的日益加深，不仅能彻底解决它们的危害，而且还能利用它们来为我们人类的生产和生活服务。

知识链接

病毒介导的食物中毒及监控

病毒广泛地存在于生物体中，迄今为止已发现有600～700种，能感染人的就有300种以上。但与细菌和真菌相比，对食品中的病毒的了解还相对甚少。实际上，任何食品都可以作为病毒的运载工具，特别是人体食入和排出的方式。由于病毒对生物体组织有亲和性，所以真正能起到传播载体功能的食品也只是针对人类肠道的病毒。引起腹泻或胃肠炎的病毒包括轮状病毒、诺沃克病毒、肠道腺病毒、冠状病毒等。引起消化道以外器官损伤的病毒有脊髓灰质炎病毒、柯萨奇病毒、埃可病毒、甲型肝炎病毒和肠道病毒等71种。在食品环境中，胃肠炎病毒常见于海产品和水源中，主要是水生贝类动物对病毒能起到过滤浓缩作用。病毒污染食品的途径主要包括：动植物生长的环境被病毒污染；原料动物病毒；食品加工人员带有病毒；不良的卫生习惯；食品交叉感染等。

1）禽流感

禽流感是禽流行性感冒的简称，它是一种由甲型流感病毒的一种亚型（也称禽流感病毒）引起的传染性疾病，被国际兽疫局定为甲类传染病，又称真性鸡瘟或欧洲鸡瘟。按病原体类型的不同，禽流感可分为高致病性、低致病性和非致病性禽流感三大类。非致病性禽流感不会引起明显症状，仅使染病的禽鸟体内产生病毒抗体。低致病性禽流感可使禽类出现轻度呼吸道症状，食量减少，产蛋量下降，出现零星死亡。高致病性禽流感最为严重，发病率和死亡率均高，人感染高致病性禽流感后死亡率约是60%，家禽鸡感染的死亡率是100%，无一幸免。

（1）结构特性

至今，从世界各地分离到的禽流感病毒有80多种，其性质基本相似。病毒粒子呈杆状或球状，直径为80～120nm，但也常有同样直径的丝状形态，长短不一。禽流感病毒基因组由8个负链的单链RNA片段组成。这8个片段编码10个病毒蛋白，其中8个是病毒粒子的组成成分（HA、NA、NP、M₁、M₂、PB₁、PB₂和PA），另两个是分子质量最小的RNA片段，编码两个非结构蛋白——NS₁和NS₂。NS₁与胞浆包涵体有关，但对NS₁和NS₂的功能目前尚不清楚。现在已经获得了包括H₃、H₅和H₇在内的几个禽流感病毒亚型HA基因的全部序列以及所有14个血凝素基因的部分序列。

感染人的禽流感病毒亚型主要为H₅N₁、H₉N₂、H₇N₇，其中感染H₅N₁的患者病情重，病死率高。研究表明，原本为低致病性禽流感病毒株，可经6～9个月禽间流行的迅速变异而成为高致病性毒株。

（2）症状

高致病性禽流感病毒毒力较强，引发的传染性变态反应（IV型变态反应）是导致进行性肺炎、急性呼吸窘迫综合征和多器官功能障碍综合征等严重并发症的根本原因。

禽流感的症状依感染禽类的品种、年龄、性别、并发感染程度、病毒毒力和环境因素等而有所不同，主要表现为呼吸道、消化道、生殖系统或神经系统的异常。禽流感的病征及发病初期都与一般流感类似，但发烧可高至40℃，且较一般流感容易影响肝功能，也较易引致淋巴细胞减少及呼吸衰竭，甚至多器官功能衰竭而死亡。禽流感的发病率和死亡率差异很大，取决于禽类种别和毒株以及年龄、环境和并发感染等，通常情况为高发病率和低死亡率。在高致病力病毒感染时，发病率和死亡率可达100%。禽流感潜伏期从几小时到几天不等，其长短与病毒的致病性、感染病毒的剂量、感染途径和被感染禽的品种有关。

（3）病毒来源及防治措施

家禽及其尸体是该病毒的主要传染源。病毒存在于病禽的所有组织、体液、分泌物和排泄物中，常通过消化道、呼吸道、皮肤损伤和眼结膜传染。病禽的肌肉、禽蛋可带毒。有专家认为，禽流感的扩散主要是通过粪便中大量的病毒粒子污染空气而传播，人员和车辆往来是传播禽流感的重要因素（带病禽类的肌肉、羽毛及禽蛋、粪便、排泄物、被病毒污染的饲料、空气及运输工具等）。

禽流感一般发生在春冬季。禽流感病毒一般不会在人与人之间传染。若人类患上禽流感之后，只要及时治疗，一般能痊愈且不留后遗症。可以做好预防工作：一是加强禽类疾病的监测，一旦发现禽流感疫情，动物防疫部门立即按有关规定进行处理。养殖和处理的所有相关人员做好防护工作。二是加强对密切接触禽类人员的监测。当这些人员中出现流感样症状时，应立即进行流行病学调查，采集病人标本并送至指定实验室检测，以进一步明确病原，同时应采取相应的防治措施。三是远离家禽的分泌物，尽量避免触摸活的家禽和鸟类。接触人禽流感患者应戴口罩、戴手套、穿隔离衣。接触后应洗手。四是要加强检测标本和实验室禽流感病毒毒株的管理，严格执行操作规范，防止医院感染和实验室的感染及传播。五是注意饮食卫生，不喝生水，不吃未熟的肉类及蛋类等食品；勤洗手，养成良好的个人卫生习惯。六是重视高温杀毒。

2）疯牛病

疯牛病在医学上被称为牛脑海绵状病，简称BSE。1985年4月，医学家们在英国首先发现了一种新病，专家们对这一世界始发病例进行组织病理学检查，并于1986年11月将该病定名为BSE，首次在英国报刊上报道。1996年以来，这种病迅速蔓延，英国每年有成千上万头牛患这种导致神经错乱、痴呆，不久死亡的病。

疯牛病典型临床症状为出现痴呆或神经错乱，视觉模糊，平衡障碍，肌肉收缩等。病人最终因精神错乱而死亡。医学界对克-雅氏症的发病机理还没有定论，也未找到有效的治疗方法。英国政府海绵状脑病顾问委员会的一位科学家警告说：因疯牛病死亡的人数将以每年30%左右的速度逐年上升，最终每年可造成成千上万人丧生。迄今为止，死于此疫的人数为69人，另有7例死亡事件可能与疯牛病有关。科学家们认为，人们可通过食用感染克-雅式病毒的牛肉而受感染，但这一致命疾病只有在受害者死后通过对大脑的检查才可能确诊。

疯牛病的传染途径主要是受孕母牛通过胎盘传染给犊牛和食用染病动物肉加工成的饲料两种。两名英国专家的研究表明，病牛粪便很可能是传染疯牛病的第三条途径。

现在对于疯牛病的处理，还没有什么有效的治疗办法，只有防范和控制这类病毒在牲畜中的传播。一旦发现有牛感染了疯牛病，只能坚决予以宰杀并进行焚化深埋处理。但也有人认为，染上疯牛病的牛即使经过焚化处理，其灰烬仍然有疯牛病病毒，把灰烬倒在堆田区，病毒也有可能会因此而散播。