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病毒体的分子结构(一)
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病毒（viruses）是什么？
在大学低年级学习微生物学时我们了解到：病毒是一类最微小的、由一层(脂)蛋白外壳包裹一个或多个核酸( DNA或 RNA)分子的感染性颗粒，是必须在易感活细胞内才能自我复制的非细胞型微生物。
在自然界，病毒有两种存在形式：在细胞外，病毒以颗粒状形式存在，结构完整的具有感染性的病毒颗粒称为病毒体(virion)；在细胞内，病毒在复制前只是以核酸分子形式存在。
生命是以细胞为基本单位的，而病毒体没有细胞结构。病毒体未进入细胞内时不表现任何生命特征，只是一种具有被动感染性的有机物质颗粒。从这一意义上说，病毒只是一种非生命有机物质。
生物个体的所有生命活动是受细胞核内基因组所携带的遗传信息控制的。病毒体在被宿主细胞摄入时即被裂解，其携带的核酸分子（基因组）进入细胞内。进入细胞内的病毒基因组并不像其他生命体那样进行所谓新陈代谢和生长繁殖，绝大多数病毒基因组是进入宿主细胞核，部分或完全抑制宿主细胞基因组的功能，指令细胞的生物合成系统按照病毒遗传信息合成各种病毒前体物质，然后装配形成子代病毒颗粒。某些病毒在其复制周期中，病毒基因组还可与宿主DNA链整合，与宿主DNA实行一体化。从这一意义上，病毒体可看作是携带具有极强侵入性与控制性基因组的、游离于细胞之外的“细胞核”。
通过以上分析，可以认为：病毒是一类以病毒体为载体的“侵入性基因组”，是以专性细胞内寄生和能自我复制为主要特征的非细胞型微生物。
第一节 病毒体蛋白结构特点
病毒基因组均由一层蛋白膜包裹着，这种结构称为核衣壳（nucleocapsid），而蛋白膜则称为衣壳（capsid）。病毒体的基本结构是核衣壳，但有些病毒在核衣壳外还包被一层或多层蛋白膜或脂质膜，因此病毒体基本结构有核酸核心（core）、蛋白质衣壳和脂质包膜（envelope）。
一. 病毒的衣壳
在研究烟草花叶病毒（Tobacco mosaic virus，TMV）时发现：将纯化的TMV蛋白质和TMV-RNA混合后保温，在试管内就可组成完整而有侵染力的TMV颗粒。这种颗粒由蛋白质壳粒与蛋白质壳粒、蛋白质壳粒与核酸之间通过疏水键、静电引力、离子键和氢键而聚合，形成一种对称性螺旋结构体。
病毒的衣壳是由一定数目的、外形相同的蛋白质壳粒（capsomer）（也称为形态亚基，morphologic subunit）有序排列构成。根据已有的研究结果，脊椎动物病毒颗粒的衣壳有两种常见的结构类型：一是开放型的螺旋式对称结构，二是封闭型的等轴对称结构。
（一）螺旋对称型衣壳
病毒的螺旋对称型衣壳是由一定数目的、形状不规则但均一的蛋白质壳粒围绕核酸链（中心轴）有序旋转排列构成。由于核酸能与蛋白质壳粒相互作用，使得蛋白质壳粒呈螺旋式叠加而形成杆状或丝状衣壳，病毒基因组被缠绕包裹于其中而得到保护。螺旋对称型病毒体的差异主要在于颗粒长短、螺旋半径（粗细）和螺距的不同。螺旋对称型病毒体的长短取决于病毒核酸螺旋的长短，粗细则取决于蛋白质壳粒的大小和核酸旋转半径，而两螺旋间的螺距（pitch）则决定杆状结构的柔软弯曲度。
以TMV为例（图1-1），电镜下成熟TMV颗粒呈棒状，长约300nm，直径15～18nm，中心有直径4nm的空腔。TMV的壳粒由一条长158个氨基酸残基的肽链折叠成芒果状，以尖头向外的方式排列。x射线衍射（X-ray diffraction）分析TMV结晶，发现TMV-RNA（长6400 bases）的旋转半径为6nm，2130个蛋白壳粒围绕核酸做右手螺旋排列，每一圈由16.3个壳粒组成，约有130个螺旋，螺距为2.3nm。由于螺距较小，TMV颗粒呈棒状，坚硬不能弯曲。
腮腺炎病毒的螺旋对称型核衣壳，直径17nm，中心空腔直径4nm，这两点与TMV完全相同。但腮腺炎病毒核衣壳的螺距为5nm，比TMV的大1倍多，因此其核衣壳较柔软，在病毒球形包膜内可弯曲盘旋。
很多植物病毒和一些噬菌体的螺旋对称型衣壳是裸露的，但脊椎动物病毒未发现这种无包膜、裸露的螺旋对称型衣壳。在对人类致病的脊椎动物病毒中，具有螺旋对称型衣壳的病毒一般是负义单
链RNA（－ssRNA）病毒，如正粘病毒科、副粘病毒科、丝状病毒科、布尼亚病毒科和弹状病毒科的病毒
等，均为碱性蛋白质壳粒与－RNA链结合形成螺旋对称型核衣壳，外面再包以脂质包膜。而在正义单链RNA（+ssRNA）病毒中，只有冠状病毒科和逆转录病毒科的病毒具有螺旋对称型核衣壳。
（二）等轴对称（二十面体）型衣壳
在电镜下，脊椎动物病毒中的DNA病毒（除痘病毒科）、双链RNA（dsRNA）病毒和大多数+ssRNA病毒，它们的核衣壳一般呈近圆形。这种近圆形衣壳，实际上是由多个蛋白质壳粒排列构成的封闭的二十面体对称（icosahedral structure）中空衣壳，基因组核酸即包裹于其中。
一个二十面体对称结构包含三种旋转对称方式：3-重、2-重、5-重对称(3-，2-，5-fold symmetry)。即这个对称立体结构有穿过病毒颗粒相对两面中心点的3-重对称轴，壳粒绕3-重对称轴120°旋转三次复位，构成三角面（图1-2a轴）；有2-重对称轴（棱），壳粒绕2-重对称轴180°旋转二次复位，形成两个相交三角面（图1-2b轴）；还有穿过两个相对顶点的5-重对称轴，壳粒绕5-重对称轴72°旋转五次复位，构成五聚体（pentamel）（图1-2c轴）。因此，二十面体对称型衣壳由20个等边三角面所组成，其中每2个三角面相交形成棱边，共有30条棱边；每5个三角面相接，聚成12个顶点(图1-2)。
构成20面体对称衣壳的颗粒可以由单一肽链构成，采用60个由单一肽链构成的壳粒，可构成一个稳定的标准正二十面体对称衣壳。如噬菌体ΦX174，用60个gpF蛋白构成12个F五聚体，再构成20面体。但是，许多20面体病毒的衣壳壳粒并不是由单一肽链构成，而是由多条肽链构成，这些构成壳粒的肽链可称为结构亚基（structural subunit）或化学亚基（chemicalsubunit）。如微RNA病毒（picornaviruses）的衣壳，在电镜下可见60个形态单位（壳粒），每个壳粒由Vpl、Vp2和Vp3三条肽链聚集（三聚体）形成（还有VP4位于衣壳内部），而5个这种三聚体壳粒构成1个五聚体，即每个五聚体均由15条肽链构成（图1-3）。
还有一些病毒衣壳是由60个以上的壳粒所组成，如腺病毒颗粒的20面体衣壳由252个壳粒构成。在腺病毒衣壳的12个顶角上各有1个壳粒，以此壳粒为5-重对称轴，有另外5个壳粒围绕聚合构成五邻体（penton）。除12个位于顶角的壳粒外，其余240个非顶角壳粒，即位于衣壳棱边或三角面的任一壳粒，均有6个相邻的壳粒围绕连接，这种结构被称为六邻体（hexon）（图1-4）。
（三）复杂构象的病毒衣壳
有一些脊椎动物病毒结构更为复杂，有两层或多层不同对称型的蛋白质壳膜结构。
成套病毒目（Nidovirales）所属病毒，其核糖核酸蛋白（ribonucleoprotein，RNP）核心外还“套”着一层“核心壳”。如冠状病毒科冠状病毒属的病毒，包膜内有一个20面体的“核心壳”，而核心壳内还包裹着一个螺旋对称型核衣壳，这似乎可以称为“二十面体对称和螺旋对称复合结构”。
逆转录病毒科的病毒，包膜内有一个形状各异的衣壳（有20面体、圆柱体、截去尖顶的圆锥体等），衣壳内包埋着结合有核蛋白（如HIV的RNA链结合有p7蛋白）的双拷贝+ssRNA链，但是否形成螺旋对称型衣壳尚不清楚。
在脊椎动物病毒中，痘病毒科的病毒衣壳更为复杂，很难说是什么类型的衣壳。痘病毒颗粒外形呈砖状，有多层膜结构。包膜内有表面膜，表面膜由管状或球状的蛋白质亚基组成。表面膜包裹呈哑铃状的核心，核心的外膜由圆柱形亚基组成，外膜里边又是一层光滑内膜，中心才是由核蛋白和dsDNA基因组构成的核衣壳。
有尾噬菌体目病毒衣壳结构比较特殊，以肌尾噬菌体科T4噬菌体为例，病毒颗粒结构分为头部和尾部结构，头部是约65nm×95nm大小的二十面体对称型结构，其内包裹着dsDNA；尾部是长95～125nm、直径13～20nm的螺旋对称结构，每一个螺旋有6个壳粒，一共由24个螺旋构成中空（孔径2.5nm）的管形结构。此外，在头部与尾部之间有一个五角形的颈圈结构，尾部末端有六角形的尾板，尾板的六个角上各附有一个尾钉和一条尾丝。
二. 病毒的包膜（envelope）
在脊椎动物病毒中，螺旋对称性病毒和一部份20面体对称型病毒，其衣壳外面还包裹着双层类脂包膜，这类病毒称为包膜病毒（envelope virus），而没有包膜的病毒则相应称为裸露病毒（naked virus）。因此所有的病毒体颗粒结构可以分为六大类：①螺旋对称结构，②有包膜的螺旋对称结构，③二十面体对称结构，④有包膜的二十面体对称结构，⑤有包膜的二十面体对称和螺旋对称复合结构，⑥有头部和尾部的复合对称结构。
包膜是病毒从宿主细胞以出芽方式释放时获得的细胞质膜，也可以是细胞内器膜或细胞核膜，因此病毒包膜具有宿主细胞膜的某些性质，可使病毒表现出对宿主细胞膜的特异“亲嗜性”。
病毒包膜虽然来自于宿主细胞膜，但与细胞膜不完全相同。病毒包膜上镶嵌着一些由病毒基因编码合成的蛋白，称为包膜蛋白。包膜蛋白一般是跨膜糖蛋白，肽链大部分在包膜外表面形成突起（spike），其余部分穿过包膜进入膜内。有些病毒的包膜蛋白镶嵌在包膜上后被水解形成表面蛋白（surface unit, SU）和跨膜蛋白（transmembraneprotein, TM）两条肽链，如HIV的包膜蛋白gp160被水解成gp120(SU)和gp41(TM)（图1-5）。
有些病毒的包膜蛋白是运输通道蛋白(transport channel protein)，可在包膜上形成穿膜离子通道。如甲型流感病毒的M2蛋白，由多个疏水结构域在包膜上形成穿膜通道，可允许H+质子和Na+离子通过，可调节包膜内pH值。
包膜蛋白具有病毒的某些特性，如黏附特性、抗原性、凝血性等，是重要的致病因素。如HIV的包膜蛋白gp120能识别宿主细胞膜上的特异受体并与之结合，而gp41则诱发外膜与细胞膜融合，使核衣壳进入寄主细胞。因此包膜病毒的包膜蛋白决定病毒的感染性，而包膜病毒的核衣壳为病毒核心，单独存在（失去包膜）时无感染性。裸病毒由于没有包膜，其核衣壳即为成熟病毒，其感染性由衣壳蛋白决定。
三. 病毒体结构中的其他蛋白
（一）基质蛋白
包膜病毒在包膜与衣壳之间一般还有一层蛋白质膜，称为基质蛋白（matrix protein，M蛋白），常常与包膜蛋白的包膜内肽段连接，一般不被糖基化。在病毒出芽释放时，M蛋白可将装配好的核衣壳与镶嵌在宿主细胞膜的病毒蛋白胞内区连接在一起，进而芽生使核衣壳能被这一片由病毒蛋白修饰的细胞膜包裹，形成完整的成熟包膜病毒颗粒。
（二）间层蛋白
疱疹病毒(如图1-6)在核衣壳与包膜之间有一不定形的填充层，填充有多种蛋白，称为间层蛋白（tugementprotein），这是一类既以结构蛋白形式存在、又在病毒复制过程中发挥特定生物学作用的病毒蛋白。目前已经确定的间层蛋白有三十余种，可执行很多功能，一方面对病毒基因转录和翻译发挥调控作用，如UL48基因编码的VP16可启动α基因群转录；另一方面在病毒进入细胞后，通过与细胞内的某些特定分子相互作用，对宿主细胞发挥各种作用，如UL41基因产物Vhs蛋白可降解细胞mRNA，US11基因编码蛋白可阻断抗病毒蛋白中的蛋白激酶（PKR）活性，等等。
（三）附属蛋白
附属蛋白指存在于病毒体内，但又不构成病毒体某种亚结构的一类蛋白，其种类大致有三类。
1. 病毒的酶分子 许多RNA病毒的基因组核酸分子上结合有RNA多聚酶蛋白等，如甲型流感病毒的RNA分子上结合有PB2、PB1和PA三种酶分子；具有逆转录过程的病毒也是如此，如HIV的RNA分子上结合有P蛋白（逆转录酶），HBV的DNA分子上也结合有P蛋白（逆转录酶）。这是因为这些病毒的宿主细胞内没有可供病毒利用的“依赖RNA的RNA多聚酶（RDRP）”或“依赖RNA的DNA多聚酶（RDDP）”，因此病毒体携带这些酶进入细胞内，可不依赖宿主独立地启动病毒复制过程。
2. 与病毒致病性有关的蛋白 HIV病毒体内含有其基因组编码的病毒蛋白R（Vpr），Vpr作为一种附属蛋白可促进病毒组装和复制，不合成Vpr蛋白的HIV毒株在细胞中生长慢，致病作用也低。此外Vpr还可以直接影响细胞核膜的骨架结构并且可将细胞周期阻断在G2期。
3. 来自宿主细胞的蛋白 已证实HIV的衣壳蛋白（CA）肽链的Pro90上结合有来源于细胞的环孢菌素A结合蛋白（Cyclophilin A，CyP A）并被包裹在病毒体内。CyP A是脯氨酸异构酶，是高度保守的分子伴侣蛋白，其结合于CA肽链上后对HIV的复制及感染性有一定影响。此外，EBV的间层中也含有细胞的肌动蛋白、微管蛋白、热休克蛋白等。
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