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病毒入侵细胞的基本过程
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  • 2021-11-02

自新冠疫情爆发以来,“病毒”作为一种专业术语,迅速进入大众视野,可以说是家喻户晓、人尽皆知。

那么病毒是什么呢?

按照主流的科学说法,病毒是亚微观的寄生性的含有蛋白质衣壳的遗传物质颗粒。

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简单说来,病毒不同于人、动物植物等生物,也不同于塑料、金属等非生物,是一种个体微小,结构简单,只含一种核酸(DNA或RNA),必须在活细胞内寄生并以复制方式增殖的非细胞型生物。

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科学家很早就揭示了病毒入侵细胞的全过程:侵染细胞——在细胞内增殖——释放到细胞外。不同的病毒在具体方式上或存在差异,但总体都有吸附-侵入-脱壳-生物合成-组装和释放几个步骤。



吸附

吸附是决定病毒感染成功与否的关键环节。

病毒表面存在特异性吸附蛋白,这些特异性吸附蛋白一般由衣壳蛋白或包膜病毒包膜上的糖蛋白凸起(也称为刺突蛋白)充当,它们可与细胞表面受体相互作用,大多数动物病毒的细胞受体为镶嵌在细胞膜脂质双分子层中的糖蛋白,也有的为糖脂或寡糖苷。

病毒吸附蛋白与细胞受体结合需要一定的温度条件,以促进与酶反应相类似的化学反应。有研究表示,在0~37℃内温度越高病毒吸附效率也越高。

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图2 刺突蛋白与受体蛋白结合



侵入

病毒吸附到细胞膜表面上后,可以通过多种方式侵入细胞,最常见的有注射式侵入、细胞内吞、膜融合三种。

注射式侵入:一般为有尾噬菌体的侵入方式,通过尾部收缩将衣壳内的DNA基因组注入宿主细胞内;

细胞内吞:动物病毒常见的侵入方式,经细胞膜内陷形成吞噬泡,使病毒粒子进入细胞质中;

膜融合:有包膜病毒侵入过程中病毒包膜与细胞膜融合。


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图3 注射式侵入
图4 细胞内吞侵入



脱壳

指病毒核心组分核酸从蛋白质衣壳内释放出来的过程。

不同病毒的脱壳方式不一样,多数病毒通过宿主细胞溶酶体酶作用下脱壳释放出基因组核酸,有包膜的病毒脱壳包括脱包膜和脱衣壳两个步骤,无包膜病毒只需脱衣壳。

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图5 病毒脱壳



生物合成

病毒基因组(核酸)一旦从衣壳中释放后,就利用宿主细胞提供的原料、能量和场所合成核酸和蛋白质,期间所需的多数酶也来自宿主细胞。

在生物学上,我们常说病毒具有很高的多样性,我们可以拟人化地理解为病毒各有各的性格,它们在细胞内进行自我复制的时候,采取的方式差别很大。

有些比较乐于助“宿主”的,不仅不会杀死宿主细胞,还利用自身携带的遗传信息给宿主提供演化材料,甚至帮着宿主代谢;有些性格比较温和的,一直跟宿主细胞相安无事;还有少部分性格比较暴躁的,在细胞内把自己复制组装完毕时候,就会把细胞裂解掉,让自己释放得到处都是,然后进行下一轮侵染。

在病毒侵染宿主细胞后的增殖过程中,病毒的数量并不是随着时间逐渐上升的,而是阶梯式地上升。就如在生物合成阶段,胞浆中并无病毒颗粒,这段时间也就是潜伏期。

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图6 生物合成



组装和释放

病毒主要成分的核酸与蛋白质合成后,需要在细胞核内或细胞质内组装成核衣壳(核衣壳=核酸+蛋白质衣壳)。

绝大多数DNA病毒在细胞核内组装,RNA病毒则在细胞质内组装。

无包膜病毒释放时通常会将宿主细胞崩解,释放出病毒颗粒,宿主细胞膜遭到剧烈破坏,细胞迅速死亡。而绝大多数有包膜病毒通过细胞内的内质网、空泡,或包上细胞核膜或细胞膜以出芽方式释放而成为成熟病毒,在一段时间内逐个释出,对细胞膜破坏较轻,宿主细胞死亡慢。

一个感染细胞一般释放的病毒数为100~1000。

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图7 病毒从细胞中释放



这就是病毒侵入细胞实现自我复制的基本过程啦。

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图8 病毒侵入细胞全流程示意图

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