非細胞型微生物

非細胞型微生物是結構最簡單和最小的微生物，它體積微小，能通過除菌濾器，沒有典型的細胞結構，無產生能量的酶系統，只能在宿主活細胞內生長增殖的微生物。

基本介紹

• 中文學名：非細胞型微生物
• 拉丁學名：Non-microbial cellulas
• 別稱：病毒
• 二名法：Viruses
• 界：病毒界
• 分布區域：自然界生物體內
• 構成：由DNA或RNA構成核心
• 實例：病毒、亞病毒、朊粒

生物介紹

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，後者又包括類病毒、擬病毒和朊病毒。

生物學特點

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

　

病毒

1898年荷蘭人貝哲林克（Beijerinck）認為菸草花葉病的感染因子是比細菌小的有傳染性的活的液體，並起名為病毒（virus）。

病毒的概念：是一類由核酸和蛋白質等少數幾種成分組成的超顯微“非細胞生物”，其本質是一種只含DNA或RNA的遺傳因子，能以感染態和非感染態兩種狀態存在。

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

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，靠其宿主代謝系統的協助來複製核酸、合成蛋白質等組分，然後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長期存在並保持其侵染活性。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或病毒體(virion),也稱病毒粒子或病毒顆粒（virus particle）。

（一）大小和形態

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，必須藉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。病毒的形態有磚形（如牛痘病毒）、桿狀（如菸草花葉病毒）、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，並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

核酸組成各種病毒的核心。一種病毒只含有一種類型的核酸，DNA或RNA 。核酸可以是單股的，可能是雙股的；可以是線狀的，也可以是環狀的。大多數病毒粒子中只含有一個核酸分子。少數 RNA 病毒含 2 個或 2 個以上的核酸分子，它們一起構成病毒的基因組，如流感病毒。

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，是病毒系統分類中最可靠的分子基礎。

2殼體(caspsid)

即衣殼，是指圍繞病毒核酸並與之緊密相連的蛋白質外殼，它由許多衣殼粒 (capsomere) 組成。衣殼粒是指在電子顯微鏡下可以辨認的組成殼體的形態學亞單位，由一個或多個多肽分子組成。

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(envelope)

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(spike) 。囊膜的有無及其性質與該病毒的宿主專一性和侵入等功能有關。

（三）病毒的對稱體制及其典型代表

根據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)是其代表。

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，以等螺距排列於蛋白質衣殼內，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(adenovirus)是其代表。

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複合對稱
病毒結構較複雜，既有螺旋對稱又有20面體對稱。E.coliT 偶數噬菌體（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，然後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。這種增殖方式稱為複製。

病毒的繁殖過程可分為五個連續步驟：

1．吸附 具高度專一性地吸附於敏感細胞表面的接受部位。

2．侵入 以各種方式（取決於宿主細胞的性質）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 包括核酸的複製和蛋白質的合成等。

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 毒感染細胞後，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

1包涵體(inclusion body)

是指在某些感染病毒的宿主細胞中,出現光鏡下可見的大小、形態和數量不等的小體。根據包涵體特點，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。

包涵體在實踐上的套用：①病毒病的輔助診斷；②昆蟲生物防治。

2噬菌斑(plaque)

將少量噬菌體和大量敏感細菌與瓊脂培養基在平皿中混勻，適溫下培養數小時後，會在長滿細菌的菌苔上出現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。它們廣泛分布於自然界，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

噬菌體由頭部、頸部和尾部三部分構成，呈蝌蚪狀。頭部呈橢圓形20面體對稱，長95nm，寬65nm，由212個衣殼粒組成，衣殼內有線狀dsDNA核心，由175000bp構成。頭相聯處有一簡單的頸部，包括頸環和頸須。尾部呈螺旋對稱，由尾鞘、尾管、基板、刺突和尾絲組成。噬菌體是侵染細菌、放線菌和真菌等細胞型微生物的病毒。

噬菌體構造

（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（複製和生物合成）、成熟（裝配）和裂解（釋放）。凡在短時間內能連續完成這五個階段而實現其增殖的噬菌體，稱烈性噬菌體(virulent phage)，反之則稱溫和噬菌體(temperate phage)。

1吸附噬菌體侵染寄主細胞的第一步為吸附。敏感的細菌細胞表面具有噬菌體吸附的特異性受體。一種細菌可以被多種噬菌體感染，這是因為宿主細胞表面對各種噬菌體有不同的吸附受體。吸附過程也受環境因子的影響，如 pH 、溫度、離子濃度等都會影響到吸附的速度。

2侵入即注入核酸。

3增殖包括核酸的複製和蛋白質的合成。

4成熟或裝配

5裂解或釋放

裂解量(burst size)：平均每一宿主細胞裂解後所產生的子代噬菌體數量。

自外裂解：由於大量噬菌體吸附於同一宿主細胞表面並釋放大量溶菌酶而從外部裂解細胞，不產生子代噬菌體的裂解。

1．烈性噬菌體和溫和噬菌體 根據噬菌體與宿主細胞的關係，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並進行複製，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，此過程可重複進行。烈性噬菌體的這種生長（繁殖）方式謂一步生長。以培養時間為橫坐標，以噬菌班數為縱坐標作圖，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後，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自發或誘發裂解——自發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，如菌落形態改變，產生毒性等。

3．烈性噬菌體的培養特徵 烈性噬菌體在混有大量活敏感菌的瓊脂培養基中，經培養後，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(titre, titer)，表示單位體積試樣中所含的具侵染性的噬菌體粒子數，又稱噬菌斑形成單位(plaque-forming unit,pfu)或感染中心數。常用雙層平板法測定。

（四）一步生長曲線

定量描述烈性噬菌體生長規律的實驗曲線，稱一步生長曲線或一級生長曲線(one step growth curve)。它可反應每種噬菌體的3個重要特徵參數——潛伏期(latent phase)、裂解期(rise phase)和裂解量(burst size)。

噬菌體生長曲線

1潛伏期

指噬菌體的核酸侵入宿主細胞後至第一個成熟噬菌體粒子釋放前的一段時間。

潛伏期又可分為兩段：隱晦期，指在潛伏期前期人為的用氯仿等裂解宿主細胞後，此裂解液仍無侵染性的一段時間；胞內累積期，指即潛伏後期，在隱晦期後，人為地裂解細胞後，其裂解液已呈現侵染性的一段時間。

2裂解期

在潛伏期後的宿主細胞迅速裂解、溶液中噬菌體粒子數急劇增多的一段時間。

3平穩期

感染後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= 平穩期plaque數 / 潛伏期plaque數

（五）溶源性

溶源性（lysogeny）

溫和噬菌體侵入宿主細胞後產生的一種特性，又稱溶源現象。

1溫和噬菌體(temperate phage)

凡吸附並侵入宿主細胞後，噬菌體的基因組只整合到宿主的基因組上，並可長期隨宿主基因組的複製而進行同步複製，一般情況下並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：①dsDNA；②具有整合的能力——處於整合態的噬菌體稱前或原噬菌體（prophage）；③ 同步複製能力。

溫和噬菌體的存在形式：① 游離態；②整合態；③營養態。

2溶源菌(lysogen or lysogenic bacteria)

指在基因組上整合有前噬菌體並能正常複製而不被裂解的細菌，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：① 自發裂解；② 誘導 ，又稱誘發裂解；③ 免疫性，又稱超感染免疫性等；④ 復愈，又稱非溶源化；⑤ 溶源轉變。

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，並整合到植物的細胞核內進行複製。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）於1971年在馬鈴薯紡錘塊莖病中發現。

類病毒象病毒一樣，嚴格專性寄生，只在宿主細胞內才表現出生命特徵——核酸分子的自我複製，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現。

（二）擬病毒（virusoid）

擬病毒(virusoid)，又稱類類病毒(viroid-like)，殼內類病毒，衛星RNA (satellite RNA)，指一些必須依賴輔助病毒進行複製的小分子單鏈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，必需依賴於輔助病毒才能進行侵染和複製，其複製需要輔助病毒的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，並與輔助病毒基因組RNA一起包裹在同一病毒粒子內。

③可干擾輔助病毒的複製。

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。據目前所知，朊病毒是一類能侵染動物並在宿主細胞內複製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在研究羊瘙癢病（scrapie in sheep）時最先發現朊病毒。並因此獲得1997年的諾貝爾生理和醫學獎獎。

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生與其相似的構象變化而使宿主發病。

該病是一種神經病學疾病，常可致羊死亡。其他一些疾病，包括瘋牛病和人的Kuru病（Kuru為紐幾內亞一地名，最初此病在當地人中傳染，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，均以神經系統緩慢退化以至發生紊亂為特徵。

從僅由蛋白質組成的朊病毒，可以看到生命系統的一個普遍特徵（即遺傳信息貯藏在核酸分子中）的一個例外。因而，朊病毒的發現，可能對分子生物學的發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病的共同特徵是：

潛伏期長（幾個月、幾年甚至幾十年），引起致死性中樞神經系統的慢性退化病。

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個胺基酸組成，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呈澱粉樣顆粒狀；⑤抗逆性強。