病毒学3.2 病毒的理化性质

这是一篇关于病毒学3.2 病毒的理化性质的思维导图，主要内容有1.病毒的化学组成及其功能2.理化因子对病毒的作用。

病毒学3.2 病毒的理化性质

• 1. 病毒的化学组成及其功能
  • 病毒核酸的类型
    • 根据核酸的单双链划分为
      • dsDNA：动物，噬菌体，藻类
      • ssDNA：动物，噬菌体
      • dsRNA：动物，真菌
      • ssRNA：动物，植物，噬菌体
    • 根据RNA或DNA与mRNA的关系，划分为正负链
      • ssRNA
        • 正链：核苷酸序列与mRNA的核苷酸序列相同，可直接作为mRNA使用，具有翻译模板的活性
        • 负链：核苷酸序列与mRNA的核苷酸序列互补
        • 双意：部分具有正链的特性，部分具有负链的特性
      • ssDNA
        • 正链：单链DNA，序列与mRNA相对应
        • 负链：单链DNA，序列与mRNA互补
      • dsDNA
        • 不以极性定义
      • dsRNA
        • 仅一条链用于转录，转录链为负链，另一条为正链
    • 侵染性核酸和非侵染性核酸
      • DNA病毒中，依赖宿主的转录酶进行转录的病毒，其DNA具有侵染性
      • RNA病毒中，具有mRNA功能活性，进入细胞后可直接作为模板进行翻译，则具有侵染性
        • 正链RNA病毒均具有侵染性吗？
  • 病毒核酸的结构特征
    • 粘性末端
      • 线性双链核酸分子（DNA/RAN)延伸出5' 3'单链末端
      • 易与其它粘性末端结合，形成二聚体或环状结构
    • 末端冗余
      • 基因组核酸分子两端存在相同核苷酸序列
      • 单/双链 DNA/RNA 中均可能存在
      • 噬菌体中的特殊现象：不具这种特性的线状双链核酸分子用外切酶消化后产生单链末端，在退火条件下孵育，可形成环状分子
    • 倒转末端重复序列(倒转重复序列)(inserted repeats)
      • 核酸分子的每条单链DNA的两端所具有的自身互补的序列
      • 不用酶消化，变性分子能自我退火形成单链环状分子
    • 分段基因组
      • 单分基因组
        • 基因组为单一分子的核酸。DNA 病毒的基因组几乎都是单一分子的
      • 分段基因组
        • 病毒基因组由数个彼此分离的不同的核酸分子(称为核酸片段或节段)构成
        • 各个片段具有不同的遗传功能，能够表达产生不同的功能蛋白质
        • +ssRNA 病毒、-ssRNA 病毒、dsRNA 病毒都存在有分段基因组，并且几乎所有的dsRNA病毒的基因组都是分节段的
    • 重叠基因(overlapping genes)
      • 某些病毒基因组的特定序列能够以二个或三个不同的框架阅读，产生2种或3种有不同氨基酸序列的蛋白质
      • 虽然基因组小，但该特征使病毒基因组能编码更多的蛋白质，满足复制和增殖的需要，符合遗传节约的原则
    • 编码RNA和非编码RNA(Coding RNA and noncoding RNA)
      • 非编码RNA是一种无法翻译产生蛋白质的功能型RNA
      • 微小RNA (Micro RNA)
        • 一类由内源基因编码的非编码单链RNA分子，具有重要的调节作用
  • 病毒的蛋白质
    • 类型
      • 根据是否存在于病毒粒子中，对病毒基因编码的蛋白质进行分类
      • 结构蛋白(Structural protein)
        • 指构成一个完整的、形态成熟的病毒颗粒所必需的蛋白质，包括壳体蛋白、囊膜蛋白和存在于病毒体中的酶
      • 非结构蛋白
        • 由病毒基因组编码的，但最终并不存在于病毒颗粒中的蛋白质;这些蛋白质可在感染的细胞内检测到
        • 主要是酶类，在病毒的复制和增殖过程中发挥一定的作用
        • 举例：PRV的早期蛋白TK，调控基因组的复制
    • 功能
      • 构成病毒核心、衣壳和囊膜的重要成分
      • 具有保护病毒核酸的作用
      • 参与病毒的吸附与侵入过程，决定病毒对宿主和组织的嗜性
      • 构成病毒的表面抗原，能刺激机体对相应病毒产生炎症及免疫应答反应
      • 毒性作用:机体发热、血压降低、血象改变、全身症状
      • 构成病毒的血凝素，使病毒具备血凝特性
      • 构成病毒的酶类，如逆转录病毒的逆转录酶， -RNA病毒和呼肠孤病毒的RNA聚合酶，正粘病毒和副粘病毒的神经氨酸酶等
  • 病毒的脂类物质（脂质）
    • 仅存在于囊膜中
    • 来自于宿主细胞，具有宿主细胞的特性
    • 是构成病毒囊膜脂质双层不可缺少的部分
    • 与病毒吸附及侵入的功能有关
  • 病毒的糖类
    • 来源和类型
      • 病毒除了核糖外，还含有非核糖的糖类，病毒的糖类也来自宿主细胞
    • 糖类构成的病毒结构
      • 噬菌体DNA的嘧啶上附着有葡萄糖残基
      • 有包膜动物病毒的囊膜结构中也含有糖类，并且与蛋白质结合形成糖蛋白
      • 正粘病毒和副粘病毒的刺突也是由糖蛋白所构成
    • 功能相关
      • 糖蛋白能刺激机体产生Ab（antibody抗体）
      • 与病毒的毒力有关
• 2. 理化因子对病毒的作用
  • 作用类型
    • 保护作用:有益于病毒的生存
    • 诱变作用:造成病毒某些生物学特性的改变
    • 灭活作用:使病毒活性丧失
  • 理化因子类型
    • 物理因子
      • 温度
        • “喜冷怕热”
          • 病毒在不同温度下通常的感染半衰期: 60℃以秒计，37℃以分计，20℃以小时计，4℃以天计，-70℃以月计，-196℃以年计
          • 补充：病毒的感染半衰期指50%病毒粒子死亡所需的时间
        • 热对病毒的灭活作用，受周围环境因素的影响
          • 热对病毒的灭活作用主要是使病毒蛋白质，特别是病毒的表面蛋白质变性。
          • 补充：病毒核酸对热的抵抗力
            • 核酸对热的抵抗力较强，温度达到80-100℃时，病毒DNA双链解开，但温度降低时仍可复性
            • 病毒核酸位于病毒粒子内部，热的作用已被脂质囊膜和蛋白质衣壳所缓冲，这也使核酸结构对热更加稳定
          • 蛋白质以及Ca2+、Mg2+的存在通常可提高某些病毒对热的抵抗力
          • 蛋白酶和核酸酶的存在，可提高热对病毒的灭活作用
        • 个别病毒对热的抵抗力较强
          • 轮状病毒:湿热100℃5min才能灭活
          • 乙型肝炎病毒:60℃能存活10h，85℃60min才能杀死，煮沸1min能破坏其传染性，但不能完全破坏其抗原性，高压121℃1min才能将其抗原性彻底破坏
        • 思考:新冠肺炎一年四季均可发生，那么SARS-CoV-2对热抵抗力如何?
          • 在10-30℃最适宜生存
          • 40℃开始，S蛋白受体结合域构象开始闭合
          • 50℃，S蛋白受体结合域完全闭合，丧失与受体ACE2结合的能力
        • 温度的剧烈变化，尤其是反复冻融常可使许多病毒很快灭活，因此，保存病毒时必须尽快低温冷藏，尽量避免冻融
      • 电离辐射
        • 电离辐射中的X射线和v射线作用于其它物质后产生次级电子，次级电子再通过直接和间接作用，作用于病毒核酸(DNA或RNA)而使病毒失活
        • 单链病毒对电离辐射的灭活作用比双链病毒敏感约10倍
      • 紫外线
        • 主要作用于核酸
        • 紫外线(254-257nm最强)照射DNA，使嘧啶碱基之间形成二聚体(TT、CT、CC)
        • 紫外线照射RNA则可使尿嘧啶之间形成二聚体(UU)
        • 核酸吸收紫外线后，还会发生如链断裂、分子内或分子间交联，以及核酸和蛋白质之间的交联等
        • 核酸结构的变化使其不能复制和转录，从而导致病毒的灭活，但病毒蛋白质仍保持免疫原性
        • 因此，实验室中，对于病毒核酸和蛋白质，仅获取功能完整的蛋白质，可采取照射紫外线使核酸失活的方式
      • 超声波
        • >20kHz(千赫兹)的声波
        • 超声波主要以强烈振荡作用呈现其对病毒、其它微生物以及细胞的杀灭或破坏作用
    • 化学因子
      • 化学灭活剂
        • 包括酶类、蛋白变性剂、氧化剂、酸、碱以及破坏胺基的其它化学试剂，如福尔马林和亚硝酸等
        • 酶类
          • 核酸酶
            • 破坏核酸
          • 磷酸酶
            • 破坏囊膜磷脂
          • 蛋白酶
            • 胰酶、胰凝乳蛋白酶、胃蛋白酶、木瓜蛋白酶等
        • pH值
          • pH6-8大多数病毒的活性稳定
          • pH<5.0或pH>9.0大多数病毒迅速灭活
          • 举例
            • 呼肠孤病毒能够抵抗pH5.3
            • 肠道病毒在pH2.2可于24 h内保持感染性
            • 披膜病毒则可在pH8.0以上保持稳定
            • FMDV在pH60-65和pH80-9.0均迅速灭活
            • 鼻病毒却可被pH5.3迅速灭活
        • 脂溶剂
          • 原理：溶解脂质（脂质在病毒囊膜中广泛存在）
          • 包括乙醚、氯仿和丙酮、氟碳化合物(氟里昂)、正丁醇等可以脱脂的化学物质
            • 乙醚、氯仿、丙酮能够灭活有囊膜病毒
            • 氟里昂、正丁烷具有抽提脂质和蛋白质的作用，常用于病毒提纯
        • 甲醛和戊二醇
          • 对病毒核酸和病毒蛋白质都有破坏作用
          • 首先是使病毒核酸灭活--与腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶等含有胺基的碱基结合而使病毒核酸变性
          • 甲醛高浓度和较长时间的作用，也可与病毒蛋白质的胺基结合而形成羟田基衍生物或二羟田基衍生物，使蛋白质变性
          • 适当浓度的甲醛灭活病毒后，病毒抗原性、血凝性均不改变
            • 补充：以前，甲醛应用于灭活疫苗的制作
          • 戊二醛对病毒的作用与甲醛相似，但灭活作用更强，常用于实验室污染器材消毒
        • 烷化剂
          • 环氧乙烷、环氧丙烷、溴化甲烷、β-丙内酯、乙酰乙烯亚胺等
          • 烷化剂均带有一个或多个活性烷基，能使蛋白质分子上游离的羧基(-COOH)、氨基(-NH)、巯基(-SH)、羟基(-OH)和核酸分子中的N发生烷基化作用
          • 使病毒的蛋白质和核酸结构改变，功能丧失，从而被灭活
        • 蛋白质灭活剂
          • 石炭酸
            • 剥离病毒粒子的蛋白质衣壳
          • 阳离子去污剂
            • 去氧胆酸钠
              • 破坏病毒的囊膜，但可保存病毒粒子原来的蛋白结构和抗原性。
            • SDS
              • 剥离病毒粒子的蛋白质衣壳
              • 能使病毒蛋白质降解为多肽
              • 溶解病毒囊膜
          • 非离子去污剂
            • 吐温：有吐温-20、吐温-80等
              • 破坏病毒的囊膜，但可保存病毒粒子原来的蛋白结构和抗原性。
            • NP-40
              • 裂解病毒蛋白质
      • 保护剂
        • 指能够减轻病毒保存过程中其他理化大子对病毒的损伤，从而保持病毒的感染性、抗原性等生物活性的物质
        • 甘油
          • 在50%的甘油盐水，病毒存活可达几一天、几个月甚至几年
          • 有少数病毒如牛瘟病毒，不能在甘油盐水中长期存活
        • DMSO
          • 可减少冷冻过程中微小冰晶的形成
        • 病毒冻干用保护剂
          • 明胶、血清、蛋白胨、白蛋白、谷氨酸、脱脂奶、乳糖、葡萄糖、蔗糖、山梨醇等
          • 5%-10%的糖类和5%谷氨酸钠等低分子物质使干燥样品中的最终水分含量不致过低，可防止蛋白质的变性
          • 高分子物质如血清、明胶、白蛋白等能促进病毒制品在冻干过程中的升华千燥，当冻干的病毒加水复原时，还能够提高溶解性
    • 病毒的保存
      • 短期保存
        • 可直接悬浮于50%甘油盐水中，再置-30℃冰箱中保存
      • 长期保存
        • 快速低温冻存
          • 病毒悬液，加入灭活动物血清或其他蛋白质保护剂和 5%- 10%DMSO，迅速置- 70℃或- 196℃保存
          • 含病毒的组织材料，可直接低温冰冻保存；或先浸入 50%甘油生理盐水，再低温保存
        • 冷冻干燥
          • 加入保护剂，在真空条件下使冰冻的病毒悬液脱水
          • 冻干毒种时，用脱脂牛乳、灭活的正常动物血清、饱和蔗糖溶液等保护剂将病毒液作2-5倍的稀释，分装安瓿瓶，每支0.2-0.5 mL，立即放入事先预冷的-30℃至-40℃酒精中冻结1-2 h，随后置于冻干机内，冷冻干燥，然后抽真空并封瓶