病毒

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病毒(virus)是一种可以利用宿主细胞系统进行复制的微小, 无完整细胞结构的亚显微粒子。病毒不具细胞结构,无法独立生长和复制, 但病毒可以感染所有的具有细胞的生命体, 具有遗传复制等生命特征。

病毒主要由核酸蛋白质外壳组成。有些病毒有囊膜刺突,如流感病毒。病毒基因同其他生物的基因一样,也可以发生突变重组,因此也是可以演化的。

对于病毒到底是一种生命形式,还是仅仅是一种能够与生物体作用的有机结构,人们的观点各不相同。病毒有高度的寄生性,完全依赖宿主细胞的能量和代谢系统,获取生命活动所需的物质和能量,离开宿主细胞,它只是一个大化学分子,停止活动,可制成蛋白质结晶,为一个非生命体,遇到宿主细胞它会通过吸附,进入、复制、装配、释放子代病毒而显示典型的生命体特征,所以病毒是介于生物非生物之间的, 一种处于“生命边缘的生物体”。

第一个已知的病毒是烟草花叶病毒,由马丁乌斯·贝杰林克于1899年发现并命名,如今已有超过5000种类型的病毒得到鉴定。研究病毒的科学被称为病毒学,是微生物学的一个分支。

目录

结构

病毒的形状和大小(统称形态)各异。大多数病毒的直径在10-300纳米(nm)。最大的为痘病毒科,大小为(170~260)×(300~450)纳米,最小的为双联病毒科,直径18~20纳米。一些丝状病毒的长度可达1400nm,但其宽度却只有约80nm。大多数的病毒无法在光学显微镜下观察到,而扫描或透射电子显微镜是观察病毒颗粒形态的主要工具,常用的染色方法为负染色法

一个完整的病毒颗粒被称为病毒体(virion),是由由蛋白质组成的具有保护功能的“衣壳”和被衣壳包被的核酸组成。

病毒的形态一般可以分为以下四种:螺旋形,正二十面体形,包膜型和复合型.

生命周期

流感病毒自我复制过程:1. 病毒体附着到宿主细胞表面并通过胞吞进入细胞;2. 衣壳分解后,病毒核糖核蛋白转运入核;3a. 病毒基因组转录;3b. 病毒基因组复制;4. 新合成的病毒mRNA出核并完成翻译;5a. 合成的核蛋白入核与新复制的核酸结合;5b. 合成的病毒表面蛋白进入高尔基体完成翻译后修饰并转运上膜;6. 新形成的核衣壳进入细胞质并与插有病毒表面蛋白的细胞膜结合;7. 新生成的病毒体通过出泡方式离开宿主细胞。

病毒与人类疾病

由病毒引起的人类疾病种类繁多。已经确定的如,伤风流感水痘等一般性疾病,以及天花艾滋病SARS禽流感等严重疾病。还有一些疾病可能是以病毒为致病因子;例如,人疱疹病毒6型与一些神经性疾病,如多发性硬化症和慢性疲劳综合症之间可能相关。此外,原本被认为是马的神经系统疾病的致病因子的玻那病毒,现在被发现可能能够引起人类精神疾病。病毒能够导致疾病的能力被称为病毒性(virulence)。

并非所有的病毒都会导致疾病,因为许多病毒的复制并不会对受感染的器官产生明显的伤害。一些病毒,如艾滋病毒,可以与人体长时间共存,并且依然能保持感染性而不受到宿主免疫系统的影响,即“病毒持续感染”(viral persistence)。但在通常情况下,病毒感染能够引发免疫反应,消灭入侵的病毒。而这些免疫反应能够通过注射疫苗来产生,从而使接种疫苗的人或动物能够终生对相应的病毒免疫。像细菌这样的微生物也具有抵御病毒感染的机制,如限制修饰系统

不同的病毒有着不同的致病机制,主要取决于病毒的种类。在细胞水平上,病毒主要的破坏作用是导致细胞裂解,从而引起细胞死亡。在多细胞生物中,一旦机体内有足够多的细胞死亡,就会对机体的健康产生影响。虽然病毒可以引发疾病,却也可以无害地存在于机体内。例如,能够引起感冒疮单纯疱疹病毒可以在人体内保持休眠状态;这种状态又被称为潜伏(latency),这也是所有疱疹病毒(包括能够导致腺热的艾伯斯坦-巴尔病毒和能够导致水痘水痘-带状疱疹病毒)的特点。进入潜伏状态的水痘-带状疱疹病毒在“苏醒”后,能够引起带状疱疹

一些病毒能够引起慢性感染,可以在机体内不断复制而不受宿主防御系统的影响。这类病毒包括乙肝病毒丙肝病毒。受到慢性感染的人群即是病毒携带者,因为他们相当于储存了保持感染性的病毒。当人群中有较高比例的携带者时,这一疾病就可以发展为流行病

抗生素对病毒没有任何作用,但抗病毒药物已经被研发出来用于治疗病毒感染。

流行病学

病毒的流行病学是现代医学中的一个分支,主要是研究基于人的病毒的传播途径和对病毒感染的控制方法。

病毒的传播可以是垂直方式,如从母亲到婴儿,或者是水平方式,即从一个人到另一个人。垂直传播的例子包括乙肝病毒艾滋病毒,婴儿一出生就会从母亲处感染病毒;另一个少见的例子是水痘-带状疱疹病毒,虽然只会引起较温和的感染反应,但对于胎儿或刚出生的婴儿却是致命的。水平传播是最普遍的病毒在人群中的传播方式。病毒的传播途径包括:血液交换或性行为,如艾滋病毒、乙肝和丙肝病毒;口部的唾液交换,如艾伯斯坦-巴尔病毒;含病毒的食物或饮用水,如诺罗病毒;呼吸入以气溶胶形式存在的病毒,如流感病毒;以蚊虫为载体,通过蚊虫叮咬注入人体,如登革热病毒

病毒的传播方式多种多样,不同类型的病毒采用不同的方法。而动物病毒可以通过蚊虫叮咬而得以传播。这些携带病毒的生物体被称为载体流感病毒可以经由咳嗽和打喷嚏来传播;诺罗病毒则可以通过手足口途径来传播,即通过接触带有病毒的手、食物和水;轮状病毒常常是通过接触受感染的儿童而直接传播的;此外,艾滋病毒则可以通过性接触来传播。

病毒感染的传播速率取决于多重因素:包括人口密度、易感染个体(例如缺乏对该病毒的免疫力)的数量、医疗和天气条件等。

一旦病毒被鉴定,其传播就可以通过注射疫苗来阻断。当没有可用的疫苗时,改善环境卫生以及采取消毒措施也可以有效地防止病毒传播。通常受感染的病人需要与其他健康人群隔离开,而对有接触过病毒的人需要进行隔离检疫。大多数人和动物的病毒感染具有一定的潜伏期,在这一期间,不会有患病的迹象和症状。病毒性疾病的潜伏期从几天到几个星期不等,但多数病毒感染的潜伏期已经得以确定。在潜伏期之后,会有一段“可传染期”,即此期间受感染的个体可以将病毒传染给其他个体。对于了解可传染期和潜伏期的长短对于控制疾病的爆发也非常重要。当疾病爆发导致一个人群、社区或地区中有反常的高比例患病者时,这一疾病就被称为流行病;如果疾病传播到世界范围则被称为瘟疫

癌症

病毒是导致癌症发生的原因之一。与人类癌症相关的主要病毒有人类乳突病毒乙肝病毒艾伯斯坦-巴尔病毒人类嗜T淋巴细胞病毒(human T-lymphotropic virus)。肝炎病毒可以诱发慢性病毒感染从而导致肝癌。人类嗜T淋巴细胞病毒可以导致热带痉挛性瘫痪(tropical spastic paraparesis)和成人T细胞白血病人类乳突病毒子宫颈癌皮肤癌肝门癌阴茎癌的成因。在疱疹病毒科中,卡波西肉瘤相关疱疹病毒(Kaposi's sarcoma-associated herpesvirus)能够导致卡波西肉瘤(Kaposi's sarcoma)和体腔淋巴瘤(body cavity lymphoma),而艾伯斯坦-巴尔病毒可以导致伯奇氏淋巴瘤(Burkitt's lymphoma)、霍奇金淋巴瘤(Hodgkin’s lymphoma)、B淋巴扩增紊乱(B lymphoproliferative disorder)和鼻咽癌(nasopharyngeal carcinoma)。

宿主防御机制

人体抵御病毒的第一道防线是先天性免疫系统。这一免疫系统由能够抵御非特异性病毒感染的细胞和其他机制组成,即以一种通用方式来对入侵的病原体做出识别和反应,但不同于获得性免疫系统,这一免疫系统并不产生持久的或保护性的免疫。

RNA干扰是对抗病毒的一种重要的先天性防御机制。

当人体的获得性免疫系统探测到病毒时,会产生特异性的抗体来与病毒结合并使其失去感染性,这种作用被称为体液免疫。其中,有两类抗体非常重要。第一类被称为IgM(免疫球蛋白M),它能高效地使病毒去活,但免疫系统的细胞产生IgM的时间只有几个星期。第二类被称为IgG(免疫球蛋白G),它能够免疫系统不停地制造出来。IgM存在于宿主的血液中是用于急性感染的情况,而IgG的存在则表明过去曾经受到某种感染(用于防御以后的同类感染)。进行免疫性测试时,通常是对体内的IgG型抗体进行测量。

人体对抗病毒的第二道防线是细胞免疫(cell-mediated immunity),包括了被称为T细胞免疫细胞。人体中的细胞不断地将其内部蛋白质的片断展示在细胞表面(抗原呈递)供T细胞来进行检查,一旦T细胞识别出可能的病毒片断,那么对应的细胞就会被T杀手细胞和病毒特异性T细胞扩增所消灭。诸如巨噬细胞在内的一些细胞专门负责抗原呈递。制造干扰素是一种重要的宿主防御机制。干扰素是病毒感染之后由机体所产生的一种激素,它在免疫中的作用较为复杂,可以确定的是它能够通过杀死受感染细胞及其邻近细胞来逐步阻止病毒的复制。

并非所有的病毒感染都会引起保护性免疫反应。例如,艾滋病毒可以通过不断地变换其病毒体表面蛋白氨基酸序列来逃避免疫系统的打击。这些顽固的病毒采用多种方式来逃脱免疫系统的控制,如隔离、阻断抗原呈递、产生细胞因子抗性、逃避自然杀伤细胞的作用、逃脱细胞凋亡以及抗原转移。其他一些病毒,如向神经病毒,可以通过神经来传播,而在神经系统中免疫系统可能无法接触到它们。

预防与治疗

因为病毒使用了宿主细胞来进行复制并且寄居其内,因此很难用不破坏细胞的方法来杀灭病毒。现在最积极的对付病毒疾病的方法是疫苗接种来预防病毒感染或者使用抗病毒药物来降低病毒的活性以达到治疗的目的。

疫苗

疫苗接种是一种廉价而又有效的防止病毒感染的方法。早在病毒被发现之前,疫苗就已经为人们用于预防病毒感染。随着疫苗接种的普及,病毒感染相关的一些疾病(如小儿麻痹痳疹腮腺炎风疹)的发病率和死亡率都大幅度下降,而曾经是致命疾病的天花已经绝迹。

目前各类疫苗可以预防超过30种对人体的病毒感染,而有更多的疫苗被用于防止动物受到的病毒感染。

疫苗的成分可以是活性降低的或死亡的病毒,也可以是病毒蛋白质(抗原)。活疫苗包含了活性减弱的可致病的病毒,这样的病毒被称为“减毒”病毒。虽然活性减弱,但活疫苗对于那些免疫力较弱或免疫缺陷的人可能是危险的,对他们注射活疫苗可能反而会导致疾病。生物技术和基因工程被用于改造病毒疫苗,改造后的疫苗(即亚单位疫苗)只含有病毒的衣壳蛋白,如乙肝疫苗。由于不含有病毒核酸,因此亚单位疫苗对于免疫缺陷的病人是安全的。 对于活疫苗的安全性也有一些例外,如黄热病毒疫苗,虽然是一种减毒病毒株(被称为17D),却可能是目前所有疫苗中最安全和最有效的。

抗病毒药物

在过去的二十年间,抗病毒药物的发展非常迅速。艾滋病的不断蔓延推动了对抗病毒药物的需求。抗病毒药物常是核苷类似物,当病毒复制时如果将这些类似物当作核苷用于合成其基因组就会产生没有活性的病毒基因组(因为这些类似物缺少与磷相连能够相互连接形成DNA“骨架”的羟基,会造成DNA的链终止),从而抑制病毒的增殖。核苷类似物作为抗病毒药物的例子包括阿昔洛韦,可用于抑制单纯疱疹病毒感染,和拉米夫定,可用于治疗艾滋病和乙型肝炎。阿昔洛韦是最早出现也是最经常被指定使用的抗病毒药物。 其他使用中的抗病毒药物是针对病毒生活周期的不同阶段。艾滋病毒需要依赖一种被称为HIV-1蛋白酶的作用来获得完整的感染能力;而通过使用大量的蛋白酶抑制剂类的药物可以使这种酶失活。

丙型肝炎是由一种RNA病毒引起的。80%的受感染者都会形成慢性肝炎,如果不加以治疗,受感染者会一直保持被感染的状态。目前有效的治疗方法是将核苷类似物利巴韦林干扰素一起使用。对于慢性乙型肝炎的病毒携带者的治疗方法也采用类似的策略。

主要抗病毒药物

应用

生命科学与医学

病毒对于分子生物学细胞生物学的研究具有重要意义,因为它们提供了能够被用于改造和研究细胞功能的简单系统。研究和利用病毒为细胞生物学的各方面研究提供了大量有价值的信息。例如,病毒被用在遗传学研究中来帮助我们了解分子遗传学的基本机制,包括DNA复制、转录、RNA加工、翻译、蛋白质转运以及免疫学等。

遗传学家常常用病毒作为载体将需要研究的特定基因引入细胞。这一方法对于细胞生产外源蛋白质,或是研究引入的新基因对于细胞的影响,都是非常有用的。病毒治疗法(virotherapy)也采用类似的策略,即利用病毒作为载体引入基因来治疗各种遗传性疾病,好处是可以定靶于特定的细胞和DNA。这一方法在癌症治疗和基因治疗中的应用前景广阔。一些科学家已经利用噬菌体来作为抗生素的替代品,由于一些病菌的抗生素抗性的加强,人们对于这一替代方法的兴趣也不断增长。

材料科学与纳米技术

从生命科学发展而来的这些强大技术正在成为纳米材料制造方法的基础,远远超越了它们在生物学和医学中的应用而被应用于更加广泛的领域中。

由于具有合适的大小、形状和明确的化学结构,病毒被用作纳米量级上的组织材料的模板。最近的一个应用例子是利用豇豆花叶病毒颗粒来放大DNA微阵列上感应器的信号;另一个例子是利用豇豆花叶病毒作为纳米量级的分子电器的面板。在实验室中,病毒还可以被用于制造可充电电池。

武器

病毒能够引起瘟疫而导致人类社会的恐慌,这种能力使得一些人企图利用病毒作为生化武器来达到常规武器所不能获得的效果。

参见

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