噬菌体

  • 更新时间: 2015-10-05
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噬菌体是病毒的一种,其特别之处是专以细菌为宿主,较为人知的噬菌体是以大肠杆菌为寄主的T2噬菌体。

跟别的病毒一样,噬菌体只是一团由蛋白质外壳包裹的遗传物质,大部分噬菌体还长有“尾巴”,用来将遗传物质注入宿主体内。超过95%已知的噬菌体以双螺旋结构的DNA为遗传物质,长度由5000个碱基对到5000000个碱基对不等;余下的5%以RNA为遗传物质。正是通过对噬菌体的研究,科学家证实基因以DNA为载体。(见赫希-蔡斯实验)整个噬菌体的长度由20纳米到200纳米不等。它们的基因组可含有少至四个、多至数百个基因。在注射其基因组进入细胞质后,噬菌体在细菌内复制。噬菌体是在生物圈中最常见的和多样化的实体。

噬菌体是一种普遍存在的生物体,而且经常都伴随着细菌。通常在一些充满细菌群落的地方,如:泥土、动物的内脏里,都可以找到噬菌体的踪影。目前世上蕴含最丰富噬菌体的地方就是海水。在海平面,平均每毫升的海水即含有9×108个病毒粒子(virions),[2]并使海水中70%的细菌受到噬菌体的感染。

噬菌体的命名是由希腊语词汇“吞噬”(φαγεῖν)的首字母Φ开始,然后加上一组序号。

在苏联、中欧和法国,噬菌体都曾用作抗生素的替代品,作为医疗用品的时间超过90年。噬菌体治疗已经被更多国家的医师接受,它们被看作是对于许多细菌的多重耐药性菌株可能的治疗。

1 增殖过程

吸附

吸附是噬菌体吸附蛋白与宿主表面受体蛋白发生特异性结合的过程

噬菌体吸附蛋白]

通常噬菌体吸附蛋白是衣壳的组成部分。

噬菌体细胞受体

噬菌体细胞受体是指在宿主细胞表面,存在着某些可被噬菌体吸附蛋白所识别,并与之特异性结合的正常生理功能物质。不同噬菌体其细胞受体各不相同,有的在细胞壁上,有的则在荚膜上、鞭毛上或性菌毛上,例如T3、T4和T7等噬菌体,其细胞受体是脂多糖,T2和T6噬菌体的受体是脂蛋白,枯草杆菌噬菌体SP-50的受体是磷酸壁。

噬菌体的吸附反应

噬菌体的吸附蛋白与细胞受体之间的吸附反应受许多因素的影响,例如病毒的数量、不同离子和离子浓度、温度、pH等环境因素的影响。 ..

侵入

T偶数噬菌体通过注射方式将其DNA注入宿主细胞中。例如T4噬菌体完成吸附后,尾鞘收缩,尾管插入到细胞壁和膜中,尾管携带的溶菌酶溶解细胞壁中的肽聚糖,头部核酸通过尾管注入到细胞中,衣壳则留在胞外。

噬菌体大分子的生物合成

早期

噬菌体基因的转录具有明显的时序性,由噬菌体早期基因产生早期mRNA的过程称为早期转录,由此翻译所产生的蛋白质称为早期蛋白质,主要参与病毒的次早期或晚期转录、病毒基因组复制及抑制宿主的生物大分子合成。

次早期

由噬菌体的次早期基因产生次早期mRNA的过程称为次早期转录,由此翻译来的蛋白质称为次早期蛋白质。

晚期

在噬菌体DNA复制开始或复制后所进行的转录称为晚期转录,所翻译的蛋白质称为晚期蛋白质,它们主要是病毒的结构蛋白和装配蛋白

装配

噬菌体,by 5lulu.com
一个典型的尾式噬菌体结构图

以T4噬菌体为例:

  1. 头部装配,先形成空壳,再装入DNA。
  2. 尾部装配,基板装上尾管,再装上尾鞘。
  3. 头与尾结合
  4. 上部颗粒与尾丝相连

释放

大多数噬菌体以裂解细胞的方式被释放至胞外,溶菌酶水解细胞壁,脂肪酶水解细胞膜,细胞裂解,释放子代噬菌体粒子(即病毒粒子)。丝状噬菌体则以分泌方式从受染细胞中释放出来,它不裂解和杀死宿主细胞,不妨碍宿主细胞,但宿主细胞的生长速度却大大降低

2 烈性噬菌体

凡在宿主细胞内能够完成增殖过程,产生并释放大量子代噬菌体,此类噬菌体被称为烈性噬菌体(virulent phage)

3 一步生长曲线

一步生长曲线(one-step growth curve)是一条定量描述烈性噬菌体的增殖曲线。通常以感染时间为横坐标,以噬菌体效价(侵染性噬菌体数/ml样品)为纵坐标画出的曲线。分潜伏期和裂解期。

潜伏期

潜伏期是指噬菌体粒子从吸附到受感染宿主细胞释放子代噬菌体所需的最短时间。

裂解期

在潜伏期后,宿主细胞迅速裂解,并释放大量子代噬菌体。故在此期细胞裂解液中噬菌体数目急剧增加。

4 温和噬菌体

温和噬菌体在吸附和侵入宿主细胞后,将噬菌体基因组整合在宿主细胞DNA上(或以质粒形式储存在细胞内),随宿主DNA复制而同步复制,随宿主细胞分裂而传递到两个子细胞中,宿主细胞可正常繁殖,以上过程称为“溶源周期”。但在一定条件下,噬菌体基因组可进行复制,产生并释放子代噬菌体,即“裂解周期”。因此温和噬菌体既能进行溶源循环,还能进行裂解循环。

5 模式噬菌体

下面的噬菌体被广泛的研究:

  • 肠杆菌噬菌体T2(Enterobacteria phage T2)
  • 肠杆菌噬菌体T4 (Enterobacteria phage T4) (169 kbp 基因组,[6] 200 nm 长[来源请求]))
  • T7噬菌体 (T7 phage)
  • T12噬菌体 (T12 phage)
  • M13噬菌体

6 种类

因为噬菌体主要由蛋白质外壳和核酸组成,所以,可以根据蛋白质外壳或核酸的结构特点对噬菌体进行分类。
根据蛋白质结构分类:
无尾部结构的二十面体:这种噬菌体为一个二十面体,外表由规律排列的蛋白亚单位——衣壳组成,核酸则被包裹在内部。
有尾部结构的二十面体:这种噬菌体除了一个二十面体的头部外,还有由一个中空的针状结构及外鞘组成的尾部,以及尾丝和尾针组成的基部。
线状体:这种噬菌体呈线状,没有明显的头部结构,而是由壳粒组成的盘旋状结构。
噬菌体,by 5lulu.com噬菌体
噬菌体,by 5lulu.com噬菌体
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无尾部结构的二十面体
有尾部结构的二十面体
线状体
迄今已知的噬菌体大多数是有尾部结构的二十面
噬菌体,by 5lulu.com噬菌体
体,这是因为正多面体是多面体里最简单的结构,搭建起来最容易,所以病毒喜欢采用正多面体的结构。而正多面体一共又只有五种,分别是正4, 6, 8, 12, 20面体,其中正20面体是最接近球形的,也就是在体积相同的情况下,需要更少的材料,更为节省。
根据核酸特点分类:
ss RNA:噬菌体中所含的核酸是单链RNA。
ds RNA:噬菌体中所含的核酸是双链RNA。
ss DNA:噬菌体中所含的核酸是单链DNA。
ds DNA:噬菌体中所含的核酸是双链DNA

7 噬菌机理

噬菌体颗粒感染一个细菌细胞后可迅速生成几百个子代噬菌体颗粒,每个子代颗粒又可感染细菌细胞,再生成几百个子代噬菌体颗粒。如此重复只需4次,一个噬菌体颗粒便可使几十亿个细菌感染而死亡。当把细菌涂布在培养基上,长成一层菌苔时,一个噬菌体感染其中一个细菌时,便会同上面所说的那样,把该细菌周围的成千上万个细菌感染致死,在培养基的菌苔上出现一个由于细菌被噬菌体裂解后造成的空斑,这便称为噬菌斑(plaque)。除了一些噬菌体能使宿主细菌裂解死亡外,还有一些噬菌体感染细菌后,并不使细胞死亡,称为溶原性噬菌体,这些噬菌体感染细菌后,将其自身的基因组整合进宿主细胞的基因组,此时,这种宿主细菌称为溶原性细菌。溶原性细菌内存在的整套噬菌体DNA基因组称为原噬菌体(prophage),溶原性细菌不会产生许多子噬菌体颗粒,也不会裂解;但当条件改变使溶原周期终止时,宿主细胞就会因原噬菌体的增殖而裂解死亡,释放出许多子代噬菌体颗粒。

8 侵染过程

一个典型的噬菌体的侵染细菌的过程,可以分为三个阶段:感染阶段、增殖阶段和成熟阶段。
感染阶段:噬菌体侵染寄主细胞的第一步是“吸附”,即噬菌体的尾部附着在细菌的细胞壁上,然后进行“侵入”。噬菌体先通过溶菌酶的作用在细菌的细胞壁上打开一个缺口,尾鞘像肌动球蛋白的作用一样收缩,露出尾轴,伸入细胞壁内,如同注射器的注射动作,噬菌体只把头部的DNA注入细菌的细胞内,其蛋白质外壳留在壁外,不参与增殖过程。
增殖阶段:噬菌体DNA进入细菌细胞后,会引起一系列的变化:细菌的DNA合成停止,酶的合成也受到阻抑,噬菌体逐渐控制了细胞的代谢。噬菌体巧妙地利用寄主(细菌)细胞的酶和其它物质,大量地复制子代噬菌体的DNA和蛋白质,并形成完整的噬菌体颗粒。噬菌体的形成是借助于细菌细胞的代谢机构,由本身的核酸物质操纵的。据观察,当噬菌体侵入细菌细胞后,细菌的细胞质里很快便充满了DNA细丝,十分钟左右开始出现完整的多角形头部结构。噬菌体成熟时,这些DNA高分子聚缩成多角体,头部蛋白质通过排列和结晶过程,把多角形DNA聚缩体包围,然后头部和尾部相互吻合,组装成一个完整的子代噬菌体。
成熟阶段:噬菌体成熟后,在潜伏后期,溶解寄主细胞壁的溶菌酶逐渐增加,促使细胞裂解,从而释放出子代噬菌体。在光学显微镜下观察培养的感染细胞,可以直接看到细胞的裂解现象。T2噬菌体在37 ℃下大约只需四十分就可以产生100~300个子代噬菌体。子代噬菌体释放出来后,又去侵染邻近的细菌细胞,产生子二代噬菌体。

9 相关介绍

溶原性细菌特点
第一,溶原性细菌在被噬菌体感染并溶原化后,不会被同种噬菌体再次感染,这是超感染免疫性。
第二,经过若干世代后,溶原性细菌会开始进入溶菌周期,即溶原性细菌的诱发。此时,原噬菌体从宿主基因组上切离下来进行增殖。
λ噬菌体载体不具有质粒载体的抗生素抗性的标记基因;因此,对λ重组分子的选择主要有下面几种方法。
①cI基因功能选择 cI基因编码的阻遏蛋白可使感染了λ噬菌体的大肠杆菌进入溶原化状态。如果在插入型载体的克隆位点上,或是置换型载体的可置换片段中,放上一个cI基因,当外源DNA插入或取代时,便破坏了cI基因,使出现cI-表型。此时,λ重组分子生成的是透亮的噬菌斑,而未重组的λ噬菌体由于仍保有cI基因,所以宿主细菌是溶原化的,就生成混沌的噬菌斑。
②lac Z基因功能选择 lac Z基因的产物为卢—半乳糖苷酶,在Xgal—IPTG培养基上显现蓝色。在插入型载体的lac Z基因序列中引入限制性内切核酸酶的切点,外源DNA插入这个克隆位点就会破坏lac Z基因,于是在上述培养基上出现无色的噬菌斑。如果没有同外源DNA形成λ重组分子,则lac Z基因未遭破坏,在培养基上出现蓝色的噬菌斑。
③spi-选择λ噬菌体的red和gam基因产物可抑制噬菌体在宿主细菌中正常生长,red-和gam-突变型λ噬菌体则可正常生长。当置换型载体的可置换片段中放上red和gam基因后,外源DNA片段取代了置换片段,则同时除去了red、gam基因,就可在宿主菌中生长,否则就不能正常生长。

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