Sci,Rep：酶类遗传多样性或改变机体的代谢特性

Sci,Rep：酶类遗传多样性或改变机体的代谢特性

2016年09月07日讯 日前，一项刊登在国际杂志Scientific Reports上的研究报告中，来自日本东北大学的研究人员通过研究阐释了遗传多样性和机体代谢组学的关联。

文章中，研究者Seizo Koshiba指出，我们发现，在健康个体机体中，遗传突变或许会影响机体的酶类活性，而本文研究结果表明，在人类群体中遗传多态现象、突变的结构位点以及表型效应三者或许息息相关，而且个体的机体代谢特性以及对疾病的易感性很有可能因适度的突变及过度有害罕见的突变而引发。

在这项研究中，研究者得出了如下结论：

1）研究者利用全基因组序列分析对机体代谢物浓度进行了调查，阐明了人类群体中酶类结构突变和代谢表型之间的关联；2）研究者鉴别出了五种代谢产物和基因突变之间的关联，其中有四种基因突变被认为和代谢疾病险关联，由这些突变取代的残基位于催化部位的次要区域或者酶类相关的调节结构域中；3）两名参与者机体中苯丙氨酸的代谢水平发生着较大的改变，而且其机体中含有罕见的基因突变，可以替代催化位点附近的残基。4）相关研究数据揭示了人类群体中突变频率、结构位点和表型效应三者之间的关联。

未来研究人员或将研究环境和遗传因素对个体机体代谢组学和蛋白质组的影响，研究者的目标就是通过鉴别并且定量血液中的代谢产物，来发现疾病预防和早期诊断的新型生物标志物，该研究获将帮助开发治疗相关疾病的新型个体化预防和治疗方法，同时对于寻找疾病发病机制以及探索新型治疗思路也提供了一定希望。

最后研究者表示，本文研究是基于对参与到相关研究计划中的512名健康个体的血液样本分析而进行的。

酶类简介

酶类，一类具有生物催化剂活性的蛋白。它参与一切有机物质的形成和代谢。酶在体内无所不在，离体后的器官或组织，在酶蛋白尚未钝化和变性之前，仍具有活力。

少数酶具有辅基或辅酶，系高分子化合物，其分子量和结构大多未能测定。酶所能催化的反应，多数是可逆的；它既催化物质的合成与转化，也催化物质的分解、氧化还原或异构化作用。

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第一章 遗传因子的发现 第一节 孟德尔豌豆杂交试验（一） 1.选材：豌豆 （1）豌豆是自花传粉植物，且是闭花授粉的植物； （2）豌豆花较大，易于人工操作； （3）豌豆具有易于区分的性状。 2.遗传学中常用概念： （1）性状：生物所表现出来的形态特征和生理特性。 相对性状：一种生物同一种性状的不同表现类型。 性状分离：杂种后代中，同时出现显性性状和隐性性状的现象。 显性性状：在DD×dd 杂交试验中，F1表现出来的性状。 隐性性状：在DD×dd杂交试验中，F1未显现出来的性状 （2）纯合子：遗传因子（基因）组成相同的个体。其特点纯合子是自交后代全为纯合子，无性状分离现象。 杂合子：遗传因子（基因）组成不同的个体。其特点是杂合子自交后代出现性状分离现象。 （3）杂交：遗传因子组成不同的个体之间的相交方式。 自交：遗传因子组成相同的个体之间的相交方式。 测交：F1（待测个体）与隐性纯合子杂交的方式。 正交和反交：二者是相对而言的， 3.分离定律 实质：在形成配子时，等位基因随减数第一次分裂后期同源染色体的分开而分离，分别进入到不同的配子中。 第2节孟德尔豌豆杂交试验（二） 1.两对相对性状杂交试验中的有关结论 （1）两对相对性状由两对等位基因控制，且两对等位基因分别位于两对同源染色体。 (2) F1 减数分裂产生配子时，等位基因一定分离，非等位基因（位于非同源染色体上的非等位基因）自由组合，且同时发生。 （3）F2中有16种组合方式，9种基因型，4种表现型，比例9：3：3：1 2.自由组合定律 实质：形成配子时，成对的基因彼此分离，决定不同性状的基因自由组合。 4.常见遗传学符号 符号 P F1 F2 × ♀ ♂ 含义 亲本 子一代 子二代 杂交 自交 母本 父本 第二章 基因和染色体的关系 第一节 减数分裂和受精作用 1.减数分裂的一些概念 （1）染色体和染色单体：细胞分裂间期，染色体经过复制成由一个着丝点连着的两条姐妹染色单体。所以此时染色体数目要根据着丝点判断。 （2）同源染色体和四分体：同源染色体指形态、大小一般相同，一条来自母方，一条来自父方，且能在减数第一次分裂过程中可以两两配对的一对染色体。四分体指减数第一次分裂同源染色体联会后每对同源染色体中含有四条姐妹染色单体。 （3）一对同源染色体= 一个四分体=2条染色体=4条染色单体=4个DNA分子。 （4）联会：同源染色体两两配对的现象。 （5）交叉互换：指四分体时期，非姐妹染色单体发生缠绕，并交换部分片段的现象。 （6）减数分裂：是有性生殖的生物在产生成熟生殖细胞时进行的染色体数目减半的细胞分裂 2.减数分裂 特点：复制一次， 分裂两次。 结果：染色体数目减半，且减半发生在减数第一次分裂。 场所：生殖器官内 3.精子与卵细胞形成的异同点 比较项目 不 同 点 相同点 精子的形成 卵细胞的形成 染色体复制 复制一次 第一次分裂 一个初级精母细胞（2n）产生两个大小相同的次级精母细胞（n） 一个初级卵母细胞（2n）（细胞质不均等分裂）产生一个次级卵母细胞（n）和一个第一极体（n） 同源染色体联会，形成四分体，同源染色体分离，非同源染色体自由组合，细胞质分裂，子细胞染色体数目减半 第二次分裂 两个次级精母细胞形成四个同样大小的精细胞（n） 一个次级卵母细胞（细胞质不均等分裂）形成一个大的卵细胞(n)和一个小的第二极体。第一极体分裂（均等）成两个第二极体 着丝点分裂，姐妹染色单体分开，分别移向两极，细胞质分裂，子细胞染色体数目不变 有无变形 精细胞变形形成精子 无变形 分裂结果 产生四个有功能的精子(n) 只产生一个有功能的卵细胞(n) 精子和卵细胞中染色体数目均减半 注：卵细胞形成无变形过程，而且是只形成一个卵细胞，卵细胞体积很大，细胞质中存有大 量营养物质，为受精卵发育准备的。 5.减数分裂和有丝分裂主要异同点 比较项目 减数分裂 有丝分裂 染色体复制次数及时间 一次，减数第一次分裂的间期 一次，有丝分裂的间期 细胞分裂次数 二次 一次 联会四分体是否出现 出现在减数第一次分裂 不出现 同源染色体分离 减数第一次分裂后期 无 着丝点分裂 发生在减数第二次分裂后期 后期 子细胞的名称及数目 性细胞，精细胞4个或卵1个、极体3个 体细胞，2个 子细胞中染色体变化 减半，减数第一次分裂 不变 子细胞间的遗传组成 不一定相同 一定相同 6.受精作用：指卵细胞和精子相互识别、融合成为受精卵的过程。 注：受精卵核内的染色体由精子和卵细胞各提供一半，但细胞质几乎全部是由卵细胞提供，因此后代某些性状更像母方。 意义：通过减数分裂和受精作用，保证了进行有性生殖的生物前后代体细胞中染色体数目的恒定，从而保证了遗传的稳定和物种的稳定；在减数分裂中，发生了非同源染色体的自由组合和非姐妹染色单体的交叉互换，增加了配子的多样性，加上受精时卵细胞和精子结合的随机性，使后代呈现多样性，有利于生物的进化，体现了有性生殖的优越性。 第二节 基因在染色体上 1. 萨顿假说推论：基因在染色体上，也就是说染色体是基因的载体。因为基因和染色体行为存在着明显的平行关系。 2.、基因位于染色体上的实验证据 果蝇杂交实验分析 3.一条染色体上一般含有多个基因，且这多个基因在染色体上呈线性排列 4. 基因的分离定律的实质： 基因的自由组合定律的实质： 第三节 伴性遗传 1.伴性遗传的概念： 2. 人类红绿色盲症（伴X染色体隐性遗传病） 特点：⑴男性患者多于女性患者。⑵交叉遗传。即男性→女性→男性。⑶一般为隔代遗传。 3. 抗维生素D佝偻病（伴X染色体显性遗传病） 特点：⑴女性患者多于男性患者。⑵代代相传。 4、伴性遗传在生产实践中的应用： 5、人类遗传病的判定方法 口诀：无中生有为隐性，有中生无为显性；隐性看女病，女病男正非伴性；显性看男病，男病女正非伴性。 6、三种伴性遗传的特点： （1）伴X隐性遗传的特点： ① 男 ＞ 女 ② 隔代遗传（交叉遗传） ③ 母病子必病，女病父必病 （2）伴X显性遗传的特点： ① 女＞男 ② 连续发病 ③ 父病女必病，子病母 （3）伴Y遗传的特点： （3）伴Y遗传的特点： ①男病女不病 ②父→子→孙 3、常见遗传病类型（要记住）： 伴X隐：色盲、血友病 伴X显：抗维生素D佝偻病 常隐：先天性聋哑、白化病 常显：多(并)指 第三章 基因的本质 第一节 DNA是主要的遗传物质 一、1928年格里菲思的肺炎双球菌的转化实验： 1、肺炎双球菌有两种类型类型： S型细菌：菌落光滑，菌体有夹膜，有毒性 R型细菌：菌落粗糙，菌体无夹膜，无毒性 2、实验过程 3、实验证明：无毒性的R型活细菌与被加热杀死的有毒性的S型细菌混合后，转化为有毒性的S型活细菌。这种性状的转化是可以遗传的。 推论（格里菲思）：在第四组实验中，已经被加热杀死S型细菌中，必然含有某种促成这一转化的活性物质—“转化因子”。 二、1944年艾弗里的实验： 1、实验过程： 2、实验证明：DNA才是R型细菌产生稳定遗传变化的物质。 （即：DNA是遗传物质，蛋白质等不是遗传物质） 三、1952年郝尔希和蔡斯噬菌体侵染细菌的实验 1、实验过程 2、实验结论：子代噬菌体的各种性状是通过亲代的DNA遗传的。（即：DNA是遗传物质） 四、1956年烟草花叶病毒感染烟草实验证明：在只有RNA的病毒中，RNA是遗传物质。） 第二节 DNA的结构和DNA的复制： 一、DNA的结构 1、DNA的组成元素：C、H、O、N、P 2、DNA的基本单位：脱氧核糖核苷酸（4种） 3、DNA的结构： ①由两条、反向平行的脱氧核苷酸链盘旋成双螺旋结构。 ②外侧：脱氧核糖和磷酸交替连接构成基本骨架。 内侧：由氢键相连的碱基对组成。 ③碱基配对有一定规律： A ＝ T；G ≡ C。（碱基互补配对原则） 4、DNA的特性： ①多样性：碱基对的排列顺序是千变万化的。（排列种数：4n(n为碱基对对数) ②特异性：每个特定DNA分子的碱基排列顺序是特定的。 5、DNA的功能： 携带遗传信息（DNA分子中碱基对的排列顺序代表遗传信息）。 6、与DNA有关的计算： 在双链DNA分子中： ① A=T、G=C ②任意两个非互补的碱基之和相等；且等于全部碱基和的一半 例：A+G = A+C = T+G = T+C = 1/2全部碱基 二、DNA的复制 1、概念：以亲代DNA分子两条链为模板，合成子代DNA的过程 2、时间：有丝分裂间期和减Ⅰ前的间期 3、场所：主要在细胞核 4、过程：①解旋 ②合成子链 ③子、母链盘绕形成子代DNA分子 5、特点： 半保留复制 6、原则：碱基互补配对原则 7、条件: ①模板：亲代DNA分子的两条链 ②原料：4种游离的脱氧核糖核苷酸 ③能量：ATP ④ 酶：解旋酶、DNA聚合酶等 8、DNA能精确复制的原因： ①独特的双螺旋结构为复制提供了精确的模板; ②碱基互补配对原则保证复制能够准确进行。 9、意义： DNA分子复制，使遗传信息从亲代传递给子代，从而确保了遗传信息的连续性。 第三节 基因控制蛋白质的合成 一、RNA的结构： 1、组成元素：C、H、O、N、P 2、基本单位：核糖核苷酸（4种） 3、结构：一般为单链 二、基因：是具有遗传效应的DNA片段。主要在染色体上 三、基因控制蛋白质合成： 1、转录： （1）概念：在细胞核中，以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，合成RNA的过程。（注：叶绿体、线粒体也有转录） （2）过程 （3）条件：模板：DNA的一条链（模板链） 原料：4种核糖核苷酸 能量：ATP 酶：解旋酶、RNA聚合酶等 （4）原则：碱基互补配对原则（A—U、T—A、G—C、C—G） （5）产物：信使RNA（mRNA）、核糖体RNA（rRNA）、转运RNA（tRNA） 2、翻译： （1）概念：游离在细胞质中的各种氨基酸，以mRNA为模板，合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。（注：叶绿体、线粒体也有翻译） （2）过程： （3）条件：模板：mRNA 原料：氨基酸（20种） 能量：ATP 酶：多种酶 搬运工具：tRNA 装配机器：核糖体 （4）原则：碱基互补配对原则 （5）产物：多肽链 3、与基因表达有关的计算 基因中碱基数：mRNA分子中碱基数：氨基酸数 = 6：3：1 四、基因对性状的控制 1、中心法则 2、基因控制性状的方式： （1）通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制生物的性状； （2）通过控制蛋白质结构直接控制生物的性状。 第四章 遗传的分子基础 第一节 基因突变和基因重组 一、生物变异的类型 不可遗传的变异（仅由环境变化引起） 可遗传的变异（由遗传物质的变化引起） 基因突变 基因重组 染色体变异 二、可遗传的变异 （一）基因突变 1、概念：是指DNA分子中碱基对的增添、缺失或改变等变化。 2、原因：物理因素：X射线、激光等； 化学因素：亚硝酸盐，碱基类似物等； 生物因素：病毒、细菌等。 3、特点： ①发生频率低： ② 方向不确定 ③随机发生 基因突变可以发生在生物个体发育的任何时期； 基因突变可以发生在细胞内的不同的DNA分子上或同一DNA分子的不同部位上。 ④普遍存在 4、结果：使一个基因变成它的等位基因。 5、时间：细胞分裂间期（DNA复制时期） 6、应用——诱变育种 ①方法：用射线、激光、化学药品等处理生物。 ②原理：基因突变 ③实例：高产青霉菌株的获得 ④优缺点：加速育种进程，大幅度地改良某些性状，但有利变异个体少。 7、意义： ①是生物变异的根本来源； ②为生物的进化提供了原始材料； ③是形成生物多样性的重要原因之一。 （二）基因重组 1、概念：是指生物体在进行有性生殖的过程中，控制不同性状的基因重新组合的过程。 2、种类： ①减数分裂（减Ⅰ后期）形成配子时，随着非同源染色体的自由组合，位于这些染色体上的非等位基因也自由组合。组合的结果可能产生与亲代基因型不同的个体。 ②减Ⅰ四分体时期，同源染色体上（非姐妹染色单体）之间等位基因的交换。结果是导致染色单体上基因的重组，组合的结果可能产生与亲代基因型不同的个体。 ③重组DNA技术 3、结果：产生新的基因型 4、应用(育种)：杂交育种 5、意义：①为生物的变异提供了丰富的来源； ②为生物的进化提供材料； ③是形成生物体多样性的重要原因之一 （三）染色体变异（下） 第二节 染色体变异及其应用 一、染色体结构变异： 实例：猫叫综合征（5号染色体部分缺失） 类型：缺失、重复、倒位、易位（看书并理解） 二、染色体数目的变异 1、类型 个别染色体增加或减少： 实例：21三体综合征（多1条21号染色体） 以染色体组的形式成倍增加或减少： 实例：三倍体无子西瓜 2、染色体组： （1）概念：二倍体生物配子中所具有的全部染色体组成一个染色体组。 （2）特点：①一个染色体组中无同源染色体，形态和功能各不相同； ②一个染色体组携带着控制生物生长的全部遗传信息。： 3、单倍体、二倍体和多倍体 由配子发育成的个体叫单倍体。 有受精卵发育成的个体，体细胞中含几个染色体组就叫几倍体，如含两个染色体组就叫二倍体， 含三个染色体组就叫三倍体，以此类推。体细胞中含三个或三个以上染色体组的个体叫多倍体。 三、染色体变异在育种上的应用 育种方法小结： 1、多倍体育种： 方法：用秋水仙素处理萌发的种子或幼苗。 （原理：能够抑制纺锤体的形成,导致染色体不分离,从而引起细胞内染色体数目加倍） 原理：染色体变异 实例：三倍体无子西瓜的培育； 优缺点：培育出的植物器官大，产量高，营养丰富，但结实率低，成熟迟。 2、单倍体育种： 方法：花粉(药)离体培养 原理：染色体变异 实例：矮杆抗病水稻的培育 优缺点：后代都是纯合子，明显缩短育种年限，但技术较复杂。多倍体育种 单倍体育种 3、诱变育种 方法：用射线、激光、化学药品等处理生物 原理： 基因突变 优缺点 加速育种进程，大幅度地改良某些性状，但有利变异个体少。 4、杂交育种 方法：简便，但要较长年限选择才可获得纯合子。 原理：基因重组 第三节 关注人类遗传病 一、人类遗传病与先天性疾病区别： 遗传病：由遗传物质改变引起的疾病。（可以生来就有，也可以后天发生） 先天性疾病：生来就有的疾病。（不一定是遗传病） 二、人类遗传病产生的原因：人类遗传病是由于遗传物质的改变而引起的人类疾病 .三、人类遗传病类型 （一）单基因遗传病 1、概念：由一对等位基因控制的遗传病。 2、原因：人类遗传病是由于遗传物质的改变而引起的人类疾病 3、特点：呈家族遗传、发病率高（我国约有20%--25%） 4、类型： 显性遗传病 伴X显：抗维生素D佝偻病 常显：多指、并指、软骨发育不全 隐性遗传病 伴X隐：色盲、血友病 常隐：先天性聋哑、白化病、镰刀型细胞贫血症、黑尿症、苯丙酮尿症 （二）多基因遗传病 1、概念：由多对等位基因控制的人类遗传病。 2、常见类型：腭裂、无脑儿、原发性高血压、青少年型糖尿病等。 （三）染色体异常遗传病（简称染色体病） 1、概念：染色体异常引起的遗传病。(包括数目异常和结构异常） 2、类型： 常染色体遗传病 结构异常：猫叫综合征 数目异常：21三体综合征（先天智力障碍） 性染色体遗传病：性腺发育不全综合征（XO型，患者缺少一条 X染色体） 四、遗传病的监测和预防 1、产前诊断：胎儿出生前，医生用专门的检测手段确定胎儿是否患某种遗传病或先天性疾病， 产前诊断可以大大降低病儿的出生率 2、遗传咨询：在一定的程度上能够有效的预防遗传病的产生和发展 五、人类基因组计划及其意义 计划：完成人体24条染色体上的全部基因的遗传作图、物理作图、和全部碱基的序列测定。 意义：可以清楚的认识人类基因的组成、结构、功能极其相互关系，对于人类疾病的诊治和预防具有重要的意义 第五章 生物的进化 第一节 生物进化理论的发展 一、拉马克的进化学说 1、理论要点：用进废退；获得性遗传 2、进步性：认为生物是进化的。 二、达尔文的自然选择学说 1、理论要点：自然选择（过度繁殖→生存斗争→遗传和变异→适者生存） 2、进步性：能够科学地解释生物进化的原因以及生物的多样性和适应性。 3、局限性： ①不能科学地解释遗传和变异的本质； ②自然选择对可遗传的变异如何起作用不能作出科学的解释。 （对生物进化的解释仅局限于个体水平） 三、现代达尔文主义 （一）种群是生物进化的基本单位（生物进化的实质：种群基因频率的改变） 1、种群： 概念：在一定时间内占据一定空间的同种生物的所有个体称为种群。 特点：不仅是生物繁殖的基本单位；而且是生物进化的基本单位。 2、种群基因库：一个种群的全部个体所含有的全部基因构成了该种群的基因库 （二）突变和基因重组产生生物进化的原材料 （三）自然选择决定进化方向：在自然选择的作用下，种群的基因频率会发生定向改变，导致生物朝着一定的方向不断进化。 （四）突变和基因重组、选择和隔离是物种形成机制 1、物种：指分布在一定的自然地域，具有一定的形态结构和生理功能特征，而且自然状态下能相互交配并能生殖出可育后代的一群生物个体。 2、隔离： 地理隔离：同一种生物由于地理上的障碍而分成不同的种群，使得种群间不能发生基因交流的现象。 生殖隔离：指不同种群的个体不能自由交配或交配后产生不可育的后代。 3、物种的形成： ⑴物种形成的常见方式：地理隔离（长期）→生殖隔离 ⑵物种形成的标志：生殖隔离 ⑶物种形成的3个环节： 突变和基因重组：为生物进化提供原材料 选择：使种群的基因频率定向改变 隔离：是新物种形成的必要条件 第二节 生物进化和生物多样性 一、生物进化的基本历程 1、地球上的生物是从单细胞到多细胞，从简单到复杂，从水生到陆生，从低级到高级逐渐进化而来的。 2、真核细胞出现后，出现了有丝分裂和减数分裂，从而出现了有性生殖，使由于基因重组产生的变异量大大增加，所以生物进化的速度大大加快。 二、生物进化与生物多样性的形成 1、生物多样性与生物进化的关系是：生物多样性产生的原因是生物不断进化的结果；而生物多样性的产生又加速了生物的进化。 2、生物多样性包括：遗传（基因）多样性、物种多样性和生态系统多样性三个层次

病毒特征和种类

分类: 电脑/网络 >> 反病毒
解析:

是一类个体微小，无完整细胞结构，含单一核酸（DNA或RNA）型，必须在活细内寄生并复制的非细胞型微生物。

“virus”一词源于拉丁文，原指一种动物来源的毒素。病毒能增殖、遗传和演化，因而具有生命最基本的特征，但至今对它还没有公认的定义。最初用来识别病毒的性状，如个体微小、一般在光学显微镜下不能看到、可通过细菌所不能通过的滤器、在人工培养基上不能生长、具有致病性等，现仍有实用意义。但从本质上区分病毒和其他生物的特征是：①含有单一种核酸（DNA或RNA）的基因组和蛋白质外壳，没有细胞结构；②在感染细胞的同时或稍后释放其核酸，然后以核酸复制的方式增殖，而不是以二分裂方式增殖；③严格的细胞内寄生性。病毒缺乏独立的代谢能力，只能在活的宿主细胞中，利用细胞的生物合成机器来复制其核酸并合成由其核酸所编码的蛋白，最后装配成完整的、有感染性的病毒单位，即病毒粒。病毒粒是病毒从细胞到细胞或从宿主到宿主传播的主要形式。

目前，病毒一词的涵义可以是:指那些在化学组成和增殖方式是独具特点的，只能在宿主细胞内进行复制的微生物或遗传单位。它的特点是：只含有一种类型的核酸（DNA或RNA)作为遗传信息的载体；不含有功能性核糖体或其它细胞器；RNA病毒，全部遗传信息都在RNA上编码，这种情况在生物学上是独特的；体积比细菌小得多，仅含有少数几种酶类；不能在无生命的培养基中增殖，必须依赖宿主细胞的代谢系统复制自身核酸，合成蛋白质并装配成完整的病毒颗粒，或称病毒体（完整的病毒颗粒是指成熟的病毒个体）。

病毒性质的两重性；

一、病毒生命形式的两重性

1、病毒存在的两重性 病毒的生命活动很特殊，对细胞有绝对的依存性。其存在形式有二：一是细胞外形式，一是细胞内形式。存在于细胞外环境时，则不显复制活性，但保持感染活性，是病毒体或病毒颗粒形式。进入细胞内则解体释放出核酸分子（DNA或RNA），借细胞内环境的条件以独特的生命活动体系进行复制，是为核酸分子形式。

2、病毒的结晶性与非结晶性 病毒可提纯为结晶体。我们知道结晶体是一个化学概念，是很多无机化合物存在的一种形式，我们可以认为某些病毒有化学结晶型和生命活动型的两种形式。

3、颗粒形式与基因形式 病毒以颗粒形式存在于细胞之外，此时，只具感染性。一旦感染细胞病毒解体而释放出核酸基因组，然后才能进行复制和增殖，并产生新的子代病毒。有的病毒基因组整合于细胞基因组，随细胞的繁殖而增殖，此时病毒即以基因形式增殖，而不是以颗粒形式增殖，这是病毒潜伏感染的一种方式。

二、病毒结构和功能的两重性

1、标准病毒与缺陷病毒 在病毒的增殖过程中，由于其基因组因某种微环境因素的影响或转录过程的错误而发生突变，以致有装配不全的病毒颗粒产生，称为缺陷病毒，产生缺陷病毒的原亲代病毒，则称为标准病毒，缺陷病毒颗粒有干扰标准病繁殖的作用。

2、假病毒与真病毒 一种细胞有两种病毒同时感染的情况，在增殖过程中，一种病毒可以穿上本身的外壳，这就是真病毒，是这种病毒的应有“面目”；如果一种病毒的核酸被以另一病毒编码的外壳，则称为假病毒，此时一种病毒的本来性质，被另一种病毒的性质所掩盖。

3、杂种病毒和纯种病毒 两种病毒混合感染时，除了出现假型病毒外，还有可能出现病毒核酸重组的情况，即一种病毒颗粒之中，可含有两种病毒的遗传物质，此可称为杂种病毒，折实病毒学中一个相当常见的现象。

三、病毒病理学的两重性

1、病毒的致病性和非致病性 关于致病性和非致病性问题，是同宿主细胞相对二言的，在分子水平、细胞水平和机体水平，可能有不同的含义。在细胞水平有细胞病变作用，但在机体水平可能并不显示临床症状，此可称为亚临床感染或不显感染。

2、病毒感染的急性和慢性 病毒感染所致的临床症状有急、慢之分，有的病毒一般只表现急性感染而很少表现慢性感染；有的则既有急性过程，也有慢性过程。

目前对病毒的概念可以是：病毒是代谢上无活性，有感染性，而不一定有致病性的银子，他们小于细胞，但大于大多数大分子，他们无例外地在生活细胞内繁殖，他们含有一个蛋白质或脂蛋白外壳和一种核酸，DNA或RNA，甚至只含有核酸而内有蛋白质，或只有蛋白质而没有核酸，它们作为大分子似乎太复杂，作为生物体它们的生理和复制方式又千姿百态。Lwoff在“病毒的概念”一文中强调病毒的特殊性时指出，“病毒应该就是病毒，因为它们是病毒”。

病毒的形态

（1） 球状病毒；（2）杆状病毒；（3）砖形病毒；（4）有包膜的球状病毒；（5）具有球状头部的病毒；（6）封于包含体内的昆虫病毒。

病毒的大小

较大的病毒直径为300－450纳米，较小的病毒直径仅为18-22纳米

病毒的组成

病毒主要由核酸和蛋白质组成

病毒的复制过程叫做复制周期。其大致可分为连续的五个阶段：吸附、侵入、脱壳、病毒大分子的合成、病毒的装配与释放

病毒的分类

国际病毒分类委员会（ICNV）第七次报告（1999），将所有已知的病毒根据核酸类型分为DNA病毒——单股DNA病毒，DNA病毒——双股DNA病毒，DNA与RNA反转录病毒，RNA病毒——双股RNA病毒，RNA病毒——单链、单股RNA病毒， *** RNA病毒及类病毒等八大类群。此外，还增设亚病毒因子一类。这个报告认可的病毒约4000种，设有三个病毒目，64个病毒科，9个病毒亚科，233个病毒属，其中29个病毒属为独立病毒属。亚病毒因子类群，不设科和属。包括卫星病毒和prion（传染性蛋白质颗粒或朊病毒）。一些属性不很明确的属称暂定病毒属。

病毒在自然界分布广泛，可感染细菌、真菌、植物、动物和人，常引起宿主发病。但在许多情况下，病毒也可与宿主共存而不引起明显的疾病。

简史

在发现病毒以前，人们早已开始不自觉地利用病毒为人类服务。中国在16世纪前后，就用天花患者脓疮中的浆液给健康人接种而使之获得免疫力。差不多同时，荷兰的种植者用嫁接法使郁金香感染病毒而开出美丽的碎色花朵；1796年E．琴纳发明了牛痘苗；1885年L．路易斯·巴斯德首创了狂犬病疫苗。

1892年Д．И．伊万诺夫斯基发现患烟草花叶病的烟叶汁通过阻留细菌的滤器后，仍保留其感染性；1898年M．W．拜耶林克再次发现了这一事实，并指出该病是一类与细菌不同的病原体所引起的。这是认识病毒的开端。以后相继发现许多人类、植物和动物的疾病是由病毒引起的。1898年 F．A．J．勒夫勒和 P．伏罗施发现了牛的口蹄疫病毒；1915年F．W．特沃特和1917年F．埃雷尔分别发现了细菌病毒即噬菌体。

从30年代起开始探索病毒的理化性质，M．施莱辛格提纯了噬菌体并指出它是由蛋白质和DNA构成的；1935年W．M．斯坦利获得了烟草花叶病毒的结晶；1936年首次在电子显微镜下看到该病毒是一种杆状颗粒。以后许多病毒相继被提纯，对他们的形态结构和化学组分进行了研究，为病毒分类提供了依据。

由于病毒的结构和组分简单，有些病毒又易于培养和定量，因此从20世纪40年代以来，病毒始终是分子生物学研究的重要材料。30年代末，以M．德尔布吕克为代表的一派学者开始用大肠杆菌的T偶数噬菌体研究其复制和遗传机制，奠定了分子遗传学的基础。70年代，研究重点逐渐转向动物病毒。分子生物学发展中的重要进展，如DNA和 RNA是遗传物质的确证，三联体密码学说的形成，核酸复制机制的阐明，遗传信息流中心法则的提出，反转录酶、基因的重叠和不连续性等的发现，以至基因工程的兴起和致癌理论的发展，几乎无一不与病毒有关。一些蛋白质和核酸的一级结构分析，也常常是首先以病毒为材料研究完成的。反过来，分子生物学研究又促进了对病毒结构、复制和遗传的认识，使病毒学发展成一门独立的分支学科。

在实践方面，病毒的研究对防治人类、植物和动物的病毒病作出了重要贡献。病毒疫苗的发展，为控制人类疾病（如天花、黄热病、脊髓灰质炎、麻疹等）和畜禽疾病（如牛瘟、猪瘟、鸡新城疫等）提供了有效措施；由于综合防治和抗病育种等措施的利用，有效地控制了马铃薯退化病、小麦土传花叶病、白菜芜菁花叶病等农作物病害；利用昆虫病毒作为杀虫剂的研究，也在大力开展并已进入实用阶段。

培养和检测

病毒研究的发展常常与病毒培养和检测方法的进步有密切的关系，特别在脊椎动物病毒方面，小鼠和鸡胚接种、组织培养、超速离心、凝胶电泳、电子显微镜和免疫测定等技术，对病毒学的发展具有深刻的影响。

噬菌体的培养和检测方法最为简单。将噬菌体接种到易感细菌的肉汤培养物中，经18～24小时后，混浊的培养物重新透明，此时细菌被裂解，大量噬菌体被释放到肉汤中，再经除菌过滤，即为粗制噬菌体。为了测定其中噬菌体的数量，将粗制噬菌体稀释到每一接种量含100个左右，与过量的细菌混合，然后铺种于琼脂平皿上，在温箱中培养过夜，细菌繁殖成乳白色衬底，被噬菌体裂解的区域则在此衬底上表现为圆形的透明斑，称为噬斑。噬斑数代表该接种量中有活力的噬菌体数量。如果挑出单个噬斑来培养，就能获得由单个噬菌体所繁殖的后代，达到分离纯化的目的。

动物病毒（见脊椎动物病毒）的培养可在自然宿主、实验动物、鸡胚或细胞培养中进行，以死亡、发病或病变等作为病毒繁殖的直接指标，或以血细胞凝集、抗原测定等作为间接指标。收获发病动物的组织磨成悬液或有病变的细胞培养液，即为粗制病毒。测定活病毒数量可采用空斑法，其原理与噬斑法相同，但以易感的动物单层细胞代替细菌，在接种适当稀释的病毒后，用含有培养液和中性红的琼脂覆盖，使病毒感染局限在小面积内形成病变区，衬底的健康细胞被中性红染成红色，病变区不染色而显示为空斑。

至今植物病毒的培养和检测大都是在整株植物上进行的。从捣碎的病叶汁中制备病毒，常用枯斑法检测。用手指蘸上混有金刚砂的稀释病毒在植物叶片上轩轻磨擦，经一定时间后出现单个分开的圆形坏死或退绿斑点，称为枯斑。

除了利用病毒的致病性定量检测病毒外，还可应用物理方法，如在电子显微镜下计数病毒颗粒，或用紫外分光光度计测定提纯病毒的蛋白和核酸量，这些方法所测得的数据包括了有感染性和无感染性的病毒粒。

应用电子显微镜不但能看清病毒粒的大小、形态，还可以分辨其表面的蛋白亚单位和内部的核壳等超微结构。

大小与形态

不同病毒的大小变动于20～450纳米之间。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。

病毒的形态也是多样的：球状（包括二十面体），如脊髓灰质炎病毒和有包膜的如疱疹病毒；杆状（包括棒状），如烟草花叶病毒；丝状，如甜菜黄花病毒；弹状，如水疱性口炎病毒；复杂构型，如蝌蚪状的T偶数噬菌体。有些病毒在细胞内呈自然晶体排列。

结构

最简单的病毒中心是核酸，外面包被着1层有规律地排列的蛋白亚单位，称为衣壳。构成衣壳的形态亚单位称为壳粒，由核酸和衣壳蛋白所构成的粒子称为核壳。较复杂的病毒外边还有由脂质和糖蛋白构成包膜。核壳按壳粒的排列方式不同而分为3种模式：二十面体对称，如脊髓灰质炎病毒；螺旋对称，如烟草花叶病毒；复合对称，如 T偶数噬菌体。在脂质的包膜上还有1种或几种糖蛋白，在形态上形成突起，如流感病毒的血凝素和神经氨酸酶。昆虫病毒中有1类多角体病毒，其核壳被蛋白晶体所包被，形成多角形包涵体。

化学组成

核酸带有遗传密码的病毒基因组。病毒依所含核酸种类不同可分为 DNA病毒和 RNA病毒。动物病毒或含DNA，或含RNA；植物病毒除少数组外大多为RNA病毒；噬菌体除少数科外大多为DNA病毒。

DNA或RNA可以是线型的或环状的，可以是单链的或双链的。RNA可以分节段或不分节段，单链RNA又分正链的和负链的。

在分节段的RNA植物病毒中，常见多分体基因组，即同一病毒的几个RNA节段分别装入衣壳中，形成大小不同的颗粒，有的分装在两种颗粒中称二分体基因组，如豇豆花叶病毒；有的分装在3种颗粒中称三分体基因组，如黄瓜花叶病毒和雀麦花叶病毒。

通过遗传学和生物化学方法，已查明一些病毒的基因图谱。对MS2和ΦΧ174噬菌体。花椰菜花叶病毒、SV40和乙型肝炎病毒核酸的核苷酸序列，已全部查明。

①蛋白质 病毒的主要组分，依其功能可分为衣壳蛋白、膜蛋白、糖蛋白和内在酶4类。

衣壳蛋白包裹核酸形成保护性的外壳。简单的病毒只有1种衣壳蛋白，较复杂的如腺病毒衣壳是由六邻体、五邻体和纤维3种蛋白构成的。在有包膜的病毒如流感和水疱性口炎病毒中，膜蛋白一方面与外层脂质相连结，另一方面又同内部的核壳相连结，起到维系病毒内外结构的作用。糖蛋白位于包膜表面，有的形成突起，如流感病毒的血凝素，能与细胞膜受体结合。病毒虽无完整的酶系统，但常含有一些特殊的酶，如流感病毒的神经氨酸酶和噬菌体的溶菌酶。此外，呼肠孤病毒科、弹状病毒科、正粘病毒科和副粘病毒科病毒粒中含RNA多聚酶，反录病毒科含反转录酶，均与核酸复制有关。目前已查明十几种病毒蛋白的全氨基酸序列。

②脂质 存在于包膜中，包膜是在病毒成熟时从细胞质膜或核膜芽生获得的，所以病毒脂质常具有宿主细胞脂质的特征。用有机溶剂或去污剂破坏包膜脂质，可使病毒粒裂解。

③糖 除核酸中的戊糖外，病毒包膜还含有与蛋白或脂质结合的多糖。

烟草花叶病毒、流感病毒和枯草杆菌噬菌体的电子显微镜照片和结构模式图（见植物病毒、正粘病毒科和细菌病毒）。

复 制

病毒复制指病毒粒入侵宿主细胞到最后细胞释放子代毒粒的全过程，包括吸附、进入与脱壳、病毒早期基因表达、核酸复制、晚期基因表达、装配和释放等步骤。各步的细节因病毒而异。

吸附与进入

T4噬菌体先以其尾丝与大肠杆菌表面受体结合，随后尾鞘收缩， *** 出的尾轴穿入细菌外壁，把头部内储存的DNA注射到细菌体内。动物病毒也是先与细胞受体结合，以后或是靠细胞的吞噬作用进入，或是病毒包膜与细胞质膜融合后使核壳进入。植物病毒则是通过伤口侵入或通过媒介昆虫直接注入。一般情况下，病毒均须经脱壳，即脱去外被的蛋白质释放核酸，才能进行下一步复制。

基因表达

将其核酸上的遗传信息转录成信使核糖核酸（mRNA），然后再翻译成蛋白质。一般在核酸复制以前的称早期基因表达，所产生的早期蛋白质，有的是核酸复制所需的酶，有的能抑制细胞核酸和蛋白质的合成；在核酸复制开始以后的称晚期基因表达，所产生的晚期蛋白质主要是构成毒粒的结构蛋白质。早期和晚期蛋白质中都包括一些对病毒复制起调控作用的蛋白质。

转录

因病毒核酸的类型而异，共有6种方式：双链DNA（dsDNA）的病毒如 SV40，其转录方式与宿主细胞相同；含单链DNA（ssDNA）的病毒如小DNA病毒科，需要通过双链阶段后再转录出mRNA；含单链正链RNA（ss+RNA）的病毒如脊髓灰质炎病毒、烟草花叶病毒和Qβ噬菌体，其RNA可直接作为信使，利用宿主的蛋白质合成机器合成它所编码的蛋白质；含单链负链RNA（ss-RNA）的病毒如水疱性口炎病毒和流感病毒，需先转录成互补的正链作为其mRNA，ssRNA的反录病毒如鸡肉瘤病毒和白血病病毒，需先经反转录成dsDNA而整含到宿主染色体中，于表达时再转录成mRNA，含dsRNA的呼肠孤病毒，则以保守型复制方式转录出与原来双链中的正链相同的mRNA。

近年来发现有些病毒（如腺病毒和SV40）的基因是不连续的，有外显子与内含子之分，转录后有剪接过程，把内含子剪除而把外显子连接起来，才有mRNA的功能。多数病毒的mRNA还需经过其他加工，如在5′端加上“帽子”结构和在3′端加上多聚腺嘌呤核苷酸。

病毒基因转录所需酶的来源也不相同，如小DNA病毒科、乳多泡病毒科所需依赖于DNA的RNA多聚酶，都是利用宿主原有的酶；而弹状病毒科、正粘病毒科、副粘病毒科和呼肠孤病毒科所需的依赖于RNA的RNA多聚酶，以及反录病毒科所需的反转录酶，都是病毒粒自备的。

翻译

不同病毒mRNA翻译的方式是不同的。一般认为噬菌体的翻译是多顺反子的，如Qβ的RNA上有3个顺反子（为单个肽链编码的基因功能单位），可沿着1条mRNA独立地翻译出3种多肽。动物病毒的翻译是单顺反子的，即由其基因组转录成不同的mRNA，每种mRNA翻译成一种多肽。分节段基因组病毒如流感病毒和呼肠孤病毒，每1节段RNA构成1个顺反子，多分体基因组的植物病毒也是如此。脊髓灰质炎病毒的mRNA先被翻译成1个分子量为20万的巨肽，再经裂解成为衣壳蛋白和酶。

有些病毒如ΦΧ174，Qβ噬菌体和 SV40等，存在基因重叠现象，即按读码位相不同而从同一核苷酸序列可以表达出一种以上的蛋白质。这是病毒经济地利用其有限的遗传信息的1种方式。

核酸复制

DNA病毒按照经典的沃森-克里克碱基配对方式进行 DNA复制。乳多泡病毒的环状 DNA按“滚环”模式进行复制时，需要有核酸内切酶和连接酶参与。病毒RNA是通过半保留方式复制的，即以病毒RNA（vRNA）为模板，同时转录几个互补链（cRNA），cRNA转录完成并脱落后，又以同样方式再转录出新的vRNA。因此，在感染细胞中可以查出具有部分双链结构而又拖着多条长短不同单链“尾巴”（正在合成中的互补链）的“复制中间体”。

病毒核酸复制所需酶的来源也各不相同。SV40DNA合成所需的酶都来自宿主。含RNA的Qβ噬菌体、小RNA病毒科和含ssRNA的植物病毒所需RNA多聚酶的某个亚基，可能由病毒基因编码，而其他亚基来自宿主。疱疹病毒DNA复制所需的酶，部分地由病毒编码，如DNA多聚酶和胸苷激酶，可能还有核苷酸还原酶。痘类病毒的独立自主能力最强，甚至能在去核细胞中进行DNA复制，其基因组至少能为75种蛋白质编码，包括DNA多聚酶、胸苷激酶、脱氧核糖核酸酶和聚核苷酸连接酶。

装配与释放

病毒核酸和结构蛋白是分别复制的，然后装配成完整的病毒粒。最简单的装配方式（如烟草花叶病毒）是核酸与衣壳蛋白相互识别，由衣壳亚单位按一定方式围绕RNA聚集而成，不借助酶，也无需能量再生体系。许多二十面体病毒粒先聚集其衣壳，然后再装入核酸。有包膜的病毒，在细胞内形成核完后转移至被病毒修饰了的细胞核膜或质膜下面，以芽生方式释放病毒粒。T4噬菌体则先分别装配头部、尾部和尾丝，最后组合成完整病毒粒，裂解细菌而释放，其中有些步骤需酶的作用。

细胞水平上的感染类型和宿主反应

很早发现噬菌体感染有裂解性和溶源性之分。以大肠杆菌的λ噬菌体为例，裂解性感染于经历上述复制周期后产生大量子代病毒粒而将细菌裂解；而溶源性感染时，噬菌体DNA环化并整合到大肠杆菌 DNA的特异性位点上，随着细菌的分裂而传给子代细菌，细菌不被裂解也不产生子代病毒粒。营养条件、紫外线或化学药物都能使溶性源感染转化为裂解性。动物的DNA病毒如 SV40、腺病毒、疱疹病毒等于感染敏感细胞（称为容许细胞）后，形成裂解性感染，而于感染不大敏感的细胞（称为不容许细胞）后，则形成转化性感染。转化性感染与溶源性感染相似，病毒DNA或其片段整合于细胞染色体上，并随细胞分裂而传给子代细胞，表达其部分基因（一般为早期基因），但不产生子代病毒粒，细胞也不死亡，但被转化成类似于肿瘤细胞，可无限地传代。另一方面，RNA肿瘤病毒（如鸡肉瘤病毒）必须先将其RNA反转录成dsDNA并整合到细胞染色体上，才能进行复制，所以这种感染方式是独特的，既是转化性感染，又产生大量病毒粒。

宿主细胞对病毒感染的反应有4种：无明显反应、细胞死亡、细胞增生后死亡和细胞转化。例如，副粘病毒SV5在细胞培养中产生大量病毒而不引起明显反应。多数病毒感染敏感细胞时，由于抑制了细胞核酸和蛋白质合成而引起细胞死亡。痘病毒感染时，先 *** 细胞多次分裂然后死亡，造成痘疱病灶。DNA病毒和RNA肿瘤病毒则引起细胞转化。

有些动物病毒于感染宿主细胞后，在胞核或细胞质内形成具有特殊染色特性的内含物，称为包涵体，如痘病毒的细胞质内包涵体和疱疹病毒的胞核内包涵体。这些包涵体有的是由未成熟或成熟的病毒粒构成，有的是宿主细胞的反应产物，有的是两者的混合物。有些昆虫病毒的病毒粒包埋在蛋白基质中，形成包涵体如核型多角体病毒。

脊椎动物细胞感染病毒后的另一种反应是产生干扰素。干扰素是一种动物细胞编码的蛋白，其基因平常处于不活动状态，于病毒感染或经双链RNA诱导后活化。干扰素有广谱的抗病毒作用，但并不直接作用于病毒，其作用机制是通过与细胞膜结合，激活具有抗病毒作用的3种酶，阻断了病毒mRNA的翻译。干扰素在防止病毒扩散和疾病恢复中有一定作用，并有可能成为一种抗病毒药物。

机体水平上的感染类型和宿主反应

高等动、植物感染病毒后，可表现为显性感染和持续感染，动物病毒还可表现为隐性感染。隐性感染无临床症状，显性感染表现为临床疾病；在持续感染中，病毒在机体内长期存在。动物病毒的持续感染又分为潜伏感染、慢性感染和长程感染3类。潜伏感染如疱疹，平常无症状也查不到病毒，但由于内外因素的 *** 而复发时出现病毒；慢性感染如乙型肝炎，有或无症状，但可查到病毒；长程感染限于少数病毒，如绵羊的 Maedi－visna（一种反录病毒感染）可查到病毒；潜伏期和病程都很长，进行性发病直至死亡。

高等动物能对病毒感染产生特异性免疫反应。免疫反应分为体液免疫和细胞免疫两类，体液免疫表现为由B细胞产生的抗体，其中包括能特异地灭活病毒的中和抗体。中和抗体在预防再感染中起主导作用。细胞免疫的主要表现是识别病毒抗原并发生反应的T淋巴细胞，在清除病毒和病毒感染细胞中起主导作用。

植物细胞对病毒常有过敏反应，细胞迅速死亡，形成枯斑，同时病毒复制也受到限制。另一种反应是产生一种很象干扰素的抗病毒因子，能保护未受感染的细胞。

致瘤作用

有一些病毒能诱发良性肿瘤，如痘病毒科的兔纤维瘤病毒、人传染性软疣病毒和乳多泡病毒科的 *** 瘤病毒；另有一些能诱发恶性肿瘤，按其核酸种类可分为DNA肿瘤病毒和RNA肿瘤病毒。DNA肿瘤病毒包括乳多泡病毒料的SV40和多瘤病毒，以及腺病毒科和疱疹病毒科的某些成员，从肿瘤细胞中可查出病毒核酸或其片段和病毒编码的蛋白，但一般没有完整的病毒粒。RNA肿瘤病毒均属反录病毒科，包括鸡和小鼠的白血病和肉瘤病毒，从肿瘤细胞中可查到病毒粒。这两类病毒均能在体外转化细胞。在人类肿瘤中，已证明EB病毒与伯基特淋巴瘤和鼻咽癌有密切关系；最近，从一种T细胞白血病查到反录病毒。此外，Ⅱ型疱疹病毒可能与宫颈癌病因有关，乙型肝炎病毒可能与肝癌病因有关。但是，病毒大概不是唯一的病因，环境和遗传因素可能起协同作用。

起 源

对于病毒的起源曾有过种种推测；一种观点认为病毒可能类似于最原始的生命；另一种认为病毒可能是从细菌退化而来，由于寄生性的高度发展而逐步丧失了独立生活的能力，例如由腐生菌→寄生菌→细胞内寄生菌→支原体→立克次氏体→衣原体→大病毒→小病毒；还有一种则认为病毒可能是宿主细胞的产物。这些推测各有一定的依据，目前尚无定论。因此病毒在生物进化中的地位是未定的。但是，不论其原始起源如何，病毒一旦产生以后，同其他生物一样，能通过变异和自然选择而演化。

分 类

病毒分类命名的工作现由国际病毒分类委员会负责，已于 1971、1976、1979和 1982年发表过 4次报告。

1982年将资料较齐全而能分类的病毒划分为7大群，分群的根据是基因组的核酸种类（DNA或 RNA）、类型（ds或ss）和有无包膜。7大群中包括59个科组：

dsDNA，有包膜 4科

dsDNA，无包膜 8科，1组

ssDNA，无包膜 3科，1组

dsRNA，有包膜 1科

dsRNA，无包膜 1科，4个可能科

ssRNA，有包膜 8科，1组

ssRNA，无包膜 4科，22组，1个可能组

如按宿主分类，则为：

细菌病毒 10科

真菌病毒 3个可能科

植物病毒 24组，1个可能组

无脊椎动物病毒 2科，1组

脊椎动物病毒 9科

无脊椎、脊椎动物共有的病毒有6科，即痘病毒科虹彩病毒科、小DNA病毒科、披膜病毒科、布尼亚病毒科和小RNA病毒科，以及一个可能科，即二节段双链RNA病毒。

无脊椎、脊椎动物和植物共有的病毒有2科，即呼肠孤病毒科和弹状病毒科。

病毒分类还处于初期阶段，以后还会迅速发展和演变。目前对资料较齐全的动物病毒和噬菌体都已立为科，科名采用拉丁文；而植物病毒则只立组，组名多采用缩拼法，即将某科的典型代表病毒的普通名称如Tobacco mo-saic virus缩拼为 Tobamo-virus。科下分亚科及属，属下即为各个病毒的普通名称，目前尚未分种。

中科众安 | 科学家们在抗肿瘤研究领域取得的新成果

本文中，我整理了科学家们近年来在抗肿瘤研究中取得的新成果，与大家一起学习！

doi：10.1038/s41586-019-1228-x

近日，一篇发表在国际杂志Nature上的研究报告中，来自德州农工大学的科学家们通过研究发现，人类基因STING（干扰素基因的刺激子）的一小片段或是治疗自身免疫性疾病和癌症的关键。文章中，研究者发现，一种特定的蛋白质基序或能帮助科学家们开发新型药物，来抑制引发自身免疫性障碍的人类机体未知免疫反应。

STING是一种特殊的蛋白质，其能在人类和其它动物机体中发送免疫反应的信号，文章中，研究者们发现了一种名为PLPLRT/SD的蛋白质基序，其是STING蛋白质末端附近的短链氨基酸序列，在开启机体免疫系统功能抵御病毒感染上扮演着至关重要的角色。TBK1是一种与多种疾病发病相关的蛋白激酶，比如额颞叶痴呆、某些癌症和诸如狼疮等自身免疫性疾病，研究者Li表示，我们在蛋白质STING中鉴别出了一种短链序列，其能够招募并激活TBK1，从而开启机体自身的免疫反应。

【2】Sci Rep：重磅！一种新型药物或能调节机体免疫系统来有效抵御肿瘤攻击

doi：10.1038/srep25311

一项发表在国际杂志Scientific Reports上的研究报告中，来自日本庆应大学研究人员通过研究表示，通过刺激患者机体的免疫系统，一种用来治疗血液障碍的药物或有望帮助阻断多种类型实体瘤的生长。这种名为5-aza-CdR的药物当前被用来治疗会诱发白血病的血液障碍，其能抑制DNA甲基化，从而抑制酶类对基因组DNA进行化学修饰，诸如这样的修饰会改变控制多种关键细胞功能的基因的表达，包括细胞生长和生存等。

如今有些研究发现，诸如5-aza-CdR的甲基化抑制剂还能被用来治疗其它类型的癌症，这些效应或许归因于药物能再度激活肿瘤抑制基因的表达，但其中所涉及的具体分子机制研究人员并不是很清楚。这项研究中，研究人员Yoshimasa Saito及其同事开始通过研究阐明药物5-aza-CdR的工作原理，首先他们评估了5-aza-CdR对肠癌小鼠模型的治疗效应，结果发现，该药物能够抑制大约三分之一的肿瘤进行生长，而且接受该药物治疗的小鼠相比没有接受治疗的小鼠而言机体中肿瘤的尺寸趋于更小。

【3】Sci Immunol：新方法或能重新激活T细胞来有效抵御癌症

doi：10.1126/sciimmunol.aap9520

近日，来自美国弗吉尼亚大学等机构的科学家们通过研究发现了一种新方法，或能重新激活因抵御癌症而耗尽的T细胞的功能，相关研究刊登于国际杂志Science Immunology上。文章中，研究人员阐明了烯醇化酶1（enolase 1）水平的下降对T细胞所产生的影响，以及如何绕过该影响给机体免疫系统“充电”。

此前研究结果表明，免疫系统有时无法有效抵御癌变的肿瘤组织，因为当肿瘤浸润性的淋巴细胞（TILs）攻击肿瘤组织时常常会失去能量，疲惫的T细胞或许就无法有效杀灭癌细胞，从而就会使得肿瘤组织不断增殖，研究者认为，T细胞或许会因饥饿的肿瘤细胞夺走葡萄糖而变得“无精打采”，这项研究中，他们就找到了一种新方法来克服这种问题，从而让TILs能够有效攻击癌症。

【4】Nat Cell Biol：鉴别出帮助机体抵御癌症的特殊“染色体扫描仪”蛋白

doi：10.1038/s41556-019-0282-9

近日，来自丹麦哥本哈根大学等机构的科学家们通过研究鉴别出了修复人类DNA严重损伤的一种新型机制，相关研究刊登于国际杂志Nature Cell Biology上，研究者指出，细胞中的这种特殊“扫描仪”能够决定无瑕疵的DNA修复过程是否被开启。

对于DNA的严重损伤而言有两种基本的修复系统，但仅有一种修复系统是无瑕疵的，如果该系统无法正常发挥功能就会增加DNA损伤后机体患癌的风险；我们都知道，BRCA基因的突变会诱发遗传性的卵巢癌和乳腺癌。研究者Anja Groth教授表示，我们阐明了细胞开启修复严重DNA损伤的“完美系统”（flawless system）的分子机制，其能够保护机体免于癌症发生。

【5】NEJM：个体化癌症疗法或帮助抵御肿瘤对靶向药物的耐受性

doi：10.1056/NEJMoa1508887

靶向作用驱动肿瘤生长的遗传突变的药物为多种严重癌症的治疗带来了革命性的变革，但很多时候，肿瘤都会对药物产生耐受性，而且肿瘤经常是通过产生新的突变来促进耐药性的出现，这就需要科学家们不断开发更有潜力的药物来克服耐药性的肿瘤，近日一项发表在NEJM上的研究论文中，来自麻省总医院的研究者就利用多种不同的靶向疗法检测了肺癌患者对药物的耐受性进化情况，当耐受性促进第三代靶向疗法的开发时，新的突变就会恢复癌症细胞对第一代靶向疗法的反应。

Alice Shaw博士说道，对于很多使用第一代抑制剂药物复发的肿瘤患者而言，比如克里唑蒂尼，更多潜在且具有选择性的新一代抑制剂疗法或许对于治疗患者更为有效，然而对新一代抑制剂产生耐药性的癌症经常会对并不是那么强大的抑制剂产生耐受性，而且通常是通过产生新的突变来促进对新一代抑制剂的耐药性，而对老一代的抑制剂变得敏感。

doi：10.1080/2162402X.2019.1608106

利用免疫细胞刺激身体攻击肿瘤的癌症疗法，可以通过一种增强其功能的分子得到改善。对老鼠的研究发现，改进后的疗法产生了强大的抗癌免疫反应，导致了肿瘤缩小。初步实验表明，这种分子对人体细胞有类似的作用，并可能促进癌症治疗的成功。这种被称为LL-37的分子是人体对感染的自然反应，有助于杀死有害的细菌和病毒。

近日，来自爱丁堡大学的科学家发现，它还影响免疫细胞，增强它们的功能。特别是这种分子增强了特定细胞的功能，这些细胞负责启动被称为树突状细胞的靶向免疫反应。树突状细胞已被用于癌症治疗，因为它们可以触发其他免疫细胞识别和攻击肿瘤。这种方法通常包括取患者自身细胞的样本，在实验室特殊条件下培养，然后再注入患者体内。这一过程成本高昂，而且由于难以制备足够数量的树突状细胞而受阻，这些细胞具有用于治疗的正确特性。

【7】PNAS：抗肿瘤细胞如何治疗神经胶质瘤？

doi：10.1073/pnas.1821442116

胶质母细胞瘤是一种无法治愈的脑肿瘤，通常与表皮生长因子受体（EGFR）的突变有关。在胶质母细胞瘤中发现的主要EGFR突变，称为EGFRvIII，用大约20年前由路德维希癌症研究所开发的抗体mAb806进行治疗，但其作用机制尚不清楚。与斯德哥尔摩大学（瑞典）和加州大学圣地亚哥分校合作，生物医学研究所的研究人员已经揭示了这种抗体如何作用于突变的EGFR，从而大大扩展了它的应用范围。

该研究发表在PNAS期刊上，为癌症的新疗法铺平了道路。该工作的结果表明，与先前认为的相反，mAb806可用于治疗许多携带EGFR突变的肿瘤，而不仅仅用于特定突变。此外，科学家已经证明，即使EGFR未发生突变，也可以对其进行治疗，以使其对mAb806治疗敏感。 “这一发现奠定了抗EGFR联合治疗与抗体和激酶抑制剂的合理基础，而不是”盲目测试“它们，正如迄今为止所做的那样，”IRB巴塞罗那分子模拟和生物信息学实验室负责人Modesto Orozco说。以前的研究报道，mAb806识别通常隐藏的EGFR区域。在携带EGFRvIII的某些肿瘤中，已经除去了一半的受体，使得该区域变得可接近，从而允许抗体的治疗用途。研究人员现已证明，EGFR上的许多不同突变改变了受体的形状，使mAb806能够检测到这个“隐藏”区域。

【8】Nat Commun：诸如苹果和茶叶等富含黄酮类化合物的食物或能保护机体抵御癌症和心脏病发生

doi：10.1038/s41467-019-11622-x

日前，一篇发表在国际杂志Nature Communications上的研究报告中，来自伊迪斯科文大学的科学家们通过研究发现，摄入富含黄酮类化合物的食物（比如苹果和茶叶）或能帮助机体有效抵御癌症和心脏病，尤其是对于吸烟者和重度饮酒者。

这项研究中，研究人员在23年间评估了53048名丹麦人的饮食状况，他们发现，习惯性摄入适量或大量富含黄酮类化合物食物（植物性食物和饮料中的黄酮类化合物）的人群或许并不太会因癌症或心脏病而死亡。研究者Nicola Bondonno博士说道，摄入富含黄酮类化合物食物的人群死亡风险较低，对于那些因吸烟及每天饮用两种以上标准酒精饮料而患慢性疾病风险较高的人群而言，这种保护性效应似乎是最强的。

【9】JEM：首次直观地观察到CAR-T细胞抵御血液癌症的过程

doi：10.1084/jem.20182375

当癌症从机体免疫系统中逃逸时，我们的防御系统就会变得无能为力无法有效抵御癌症，嵌合抗原受体T细胞（CAR T细胞）或许就能展现出一种潜在的免疫疗法，其能有效应对肿瘤，但某些患者疾病的复发往往给当前的疗法提出了巨大挑战，近日，来自巴斯德研究所等机构的科学家们通过研究鉴别出了CAR T细胞的精确功能，或能优化未来癌症的治疗手段，相关研究刊登于国际杂志The Journal of Experimental Medicine上。

抵御癌症的其中一种策略基于对患者自身的T淋巴细胞进行修饰来使其能够识别肿瘤细胞所表达的CD19靶点分子，从而就能有效清除癌细胞，临床试验证明这种方法是非常有效的，因此这种疗法常常用来治疗成年和儿童血液癌症患者，但其中有些患者的癌症会复发，为了能够改善疗法的有效性，这项研究中研究人员阐明了CAR T细胞的精细化工作机制。

【10】Nat Commun：肠道微生物组或能指挥机体免疫系统抵御癌症

doi：10.1038/s41467-019-09525-y

近日，一项刊登在国际杂志Nature Communications上的研究报告中，来自Sanford Burnham Prebys医学发现研究所的科学家们通过研究阐明了肠道微生物组和机体免疫系统抵御癌症能力之间的因果关联，文章中，研究者鉴别出了11种细菌，其能激活小鼠的机体免疫系统并减缓黑色素瘤的进展，此外研究者还阐明了一种未折叠蛋白反应（UPR，unfolded protein response）的关键作用，UPR是一种能维持蛋白质稳态的细胞信号通路，研究人员在对免疫检查点疗法产生反应的黑色素瘤患者机体中常常能观察到UPR水平的下降，这或许就能揭示对病人分层的潜在标志物。

研究者Thomas Gajewski说道，免疫疗法能够延长很多癌症患者的寿命，通过研究患者对疗法产生反应和耐受的分子机制，我们就能够扩大因化疗而受益患者的数量。这项研究中我们建立了微生物组和抗肿瘤免疫力之间的关联，同时揭示了UPR在这一过程中扮演的关键角色，相关研究结果或能帮助研究人员对接受选择性检查点抑制剂疗法的黑色素瘤患者进行分类。

代谢的合成代谢

合成代谢（又称为同化作用）是一系列合成型代谢进程（即利用分解代谢所释放的能量来合成复杂分子）的总称。一般而言，用于组成细胞结构的复杂分子都是从小且简单的前体一步一步地构建而来。合成代谢包括三个基本阶段：首先生成前体分子，如氨基酸、单糖、类异戊二烯和核苷酸；其次，利用ATP水解所提供的能量，这些分子被激活而形成活性形式；最后，它们被组装成复杂的分子，如蛋白质、多糖、脂类和核酸。
不同的生物体所需要合成的各类复杂分子也互不相同。自养生物，如植物，可以在细胞中利用简单的小分子，如二氧化碳和水，来合成复杂的有机分子如多糖和蛋白质。异养生物则需要更复杂的物质来源，如单糖和氨基酸，来生产对应的复杂分子。生物体还可以根据它们所获得的能量来源的不同而被细分为：获取光能的光能自养生物和光能异养生物，以及从无机物氧化过程或的能量的化能自养生物和化能异养生物。 植物细胞（其周围环绕的为紫色的细胞壁）中充满了光合作用的“工厂”──叶绿体（绿色）。
光合作用是利用阳光、二氧化碳（CO2）和水来合成糖类并释放出氧气的过程。这一过程利用光合反应中心所产生的ATP和NADPH将CO2转化为3-磷酸甘油酸，并继续将3-磷酸甘油酸转化为生物体所需的葡萄糖，因此该过程被称为碳固定。碳固定反应作为卡尔文-本森循环的一部分，由RuBisCO酶来进行催化。[发生在植物中的光合作用分为三种：C3碳固定、C4碳固定和CAM光合作用。这些光合作用种类之间的差异在于当二氧化碳进入卡尔文循环的途径不同：C3型植物可以直接对CO2进行固定；而C4和CAM型则先将CO2合并到其他化合物上，这是对强光照和干旱环境的一种适应。
在光合型原核生物中，碳固定的机制只见差异性更大。例如，二氧化碳可以经由卡尔文-本森循环（一种反式柠檬酸循环）[或者乙酰辅酶A的羧化作用而被固定。此外，原核的化能自养菌也可以通过卡尔文-本森循环来固定CO2，但却使用来自无机化合物的能量来驱动反应。 糖类的合成代谢中，简单的有机酸可以被转化为单糖（如葡萄糖），然后单糖再聚合在一起形成多糖（如淀粉）。从包括丙酮酸盐、乳酸盐、甘油、3-磷酸甘油酸和氨基酸在内的化合物来生成葡萄糖的过程被称为糖异生。糖异生将丙酮酸盐通过一系列的中间物转化为葡萄糖-6-磷酸，其中的许多中间物可以与糖酵解过程共享。然而，糖异生过程不是简单的糖酵解过程的逆反应，其中多个步骤是由不在糖酵解中发挥作用的酶来催化的。这样就使得葡萄糖的合成和分解可以被分别调控，以防止这两个途径进入无效循环（futile cycle）。
虽然脂肪是通用的储存能量的方式，但在脊椎动物，如人类中，储存的脂肪酸不能通过糖异生作用而被转化为葡萄糖，因为这些生物体无法将乙酰辅酶A转变为丙酮酸盐（植物具有必要的酶，而动物则没有）。 因此，在长期饥饿后，脊椎动物需要从脂肪酸来制造酮体来代替组织中的葡萄糖，因为像脑这样的组织不能够代谢脂肪酸。在其它生物体，如植物和细菌中，由于存在乙醛酸循环，可以跳过柠檬酸循环中的脱羧反应，使得乙酰辅酶A可以被转化为草酰乙酸盐，而草酰乙酸盐可以被用于葡萄糖的生产，因此解决了脊椎动物中存在的这一代谢问题。
多糖和聚糖是通过逐步加入单糖来合成的，加入单糖的过程是由糖基转移酶将糖基从一个活化的糖-磷酸供体（如尿苷二磷酸葡萄糖）上转移到作为受体的羟基（位于延长中的多糖链）上。由于糖环上的任一羟基都可以作为受体，因此多糖链可以是直链结构，也可以含有多个支链。这些生成的多糖自身可以具有结构或代谢功能，或者可以在寡糖链转移酶的作用下被转接到脂类和蛋白质上（即糖基化作用）。
脂肪酸、萜类化合物和类固醇
类固醇代谢途径的简化图。其中包括了中间物异戊烯焦磷酸（IPP）、二甲基烯丙焦磷酸酯（DMAPP）、焦磷酸香叶酯（GPP）和鲨烯。有一些中间物被省略。产物为羊毛甾醇。
脂肪酸合成是一个将乙酰辅酶A多聚化并还原的过程。脂肪酸上的乙酰基链是通过一个反应循环来延伸的，包括加入乙酰基、将其还原为乙醇和继续还原为烷烃的过程。在脂肪酸的生物合成中发挥作用的酶可以被分为两类：动物和真菌中，所有的脂肪酸合成反应由一个单一的多功能酶，I型脂肪酸合成酶来完成；[而在植物质体和细菌中，有多个不同的酶分别催化每一个反应，这些酶统称为I型脂肪酸合成酶。
萜烯和异戊二烯类化合物（包括类胡萝卜素在内）是脂类中的一个大家族，它们组成了植物天然化合物中的最大的一类。这些化合物是以异戊二烯为单位，聚合和修饰而成的；其中，异戊二烯是由具反应活性的前体，异戊烯焦磷酸和二甲烯丙基焦磷酸提供的。[这两个前体可以在不同的途径中被合成。动物和古菌利用甲瓦龙酸途径来从乙酰辅酶A生产这两个化合物；而植物和细菌则通过非甲瓦龙酸途径利用丙酮酸和甘油醛-3-磷酸作为底物来生产它们。另一个利用这些活化的异戊二烯供体的重要反应是类固醇的生物合成。其中，异戊二烯单位连接在一起聚成角鲨烯，然后折叠起来，经过一个质子引发的连续成环反应得到羊毛脂甾醇。而羊毛脂甾醇能够被继续转化为其他类固醇，如胆固醇和麦角甾醇。
蛋白质
生物体之间合成20种基本氨基酸的能力各不相同。大多数的细菌和植物可以合成所有这20种氨基酸，而哺乳动物只能合成10种非必需氨基酸。因此对于包括人在内的哺乳动物，获取必需氨基酸的途径只能是摄入富含这些氨基酸的食物。所有氨基酸都可以从糖酵解、柠檬酸循环或磷酸戊糖循环中的中间产物生成。其中，合成过程所需的氮由谷氨酸和谷氨酰胺来提供。氨基酸合成需要先有适当的α－酮酸形成，然后通过转氨作用形成氨基酸。
氨基酸是通过肽键连接在一起并进一步形成蛋白质。每种不同的蛋白质都对应着自己独特的氨基酸序列（又被称为一级结构）。如同20多个字母就能排列组合成数以万计的单词一般，不同的氨基酸连接在一起能够形成数量庞大的蛋白质种类。氨基酸通过连接到对应转运RNA（tRNA）分子上形成氨酰tRNA而被激活，然后才可以被连接在一起。这种氨酰tRNA前体是通过一个ATP依赖的反应（将tRNA与正确的氨基酸相连接）来合成，该反应由氨酰tRNA合成酶进行催化。[然后，以信使RNA中的序列信息为指导，带有正确氨基酸的氨酰tRNA分子就可以结合到核糖体的对应位置，在核糖体的作用下将氨基酸连接到正在延长的蛋白质链上。
核苷酸
核苷酸是由氨基酸、二氧化碳以及甲酸来合成的。由于其合成途径需要消耗大量的代谢能量，大多数的生物体内都有有效的系统来进行核苷酸补救。嘌呤是以核苷（即碱基连接上核糖）为基础合成的。腺嘌呤和鸟嘌呤是由前体核苷分子肌苷单磷酸（即次黄苷酸）衍生而来，而次黄苷酸则是由来自甘氨酸、谷氨酰胺和谷氨酰胺的原子以及从辅酶四氢叶酸盐上转移来的甲酸基来合成的。嘧啶是由碱基乳清酸盐合成的，乳清酸盐则由谷氨酰胺和谷氨酰胺转化而来。
异型生物质代谢和氧化还原代谢
所有的生物体如果持续摄入非食物类物质而没有相应的代谢途径，这些物质就会在细胞中积累并造成危害。这些存在于机体内可能造成损害的物质被称为异型生物质（xenobiotic）。[异型生物质包括合成药物、天然毒药和抗生素，所幸的是它们可以在一系列异型生物质代谢酶的作用下被去毒化。在人体中，细胞色素-P450氧化酶、尿苷二磷酸葡醛酸转移酶（UDP-glucuronosyltransferases）和谷胱苷肽转移酶（glutathione S-transferase）都属于这类酶。这一酶系统的功能发挥有三个阶段：首先氧化异型生物质，然后在该物质分子上连接一个水溶性基团，最后修饰过的含水溶性基团的异型生物质被运出细胞（在多细胞生物体中，还可以被进一步代谢并被排出体外）。在生态学中，这些反应对于污染物的微生物降解和污染土壤（特别是石油污染）的生物修复具有极为重要的作用。许多这样的微生物反应在多细胞生物体中也同样存在，但由于微生物种类的多样性使得它们能够代谢的物质比多细胞生物体要广泛的多，它们甚至可以降解包括有机氯在内的持久性有机污染物。
在需氧生物中还存在氧化应激的问题。其中，需要对包括氧化磷酸化和蛋白质折叠中二硫键形成所产生的活性氧（如过氧化氢）进行处理。[这些能够损害机体的氧化活性物质由抗氧化代谢物（如谷胱甘肽）和相关酶（如过氧化氢酶和辣根过氧化物酶）来清除。
生物体的热力学
生物体也必须遵守热力学定律（描述功和热之间的转移关系）。热力学第二定律指出，在任何封闭系统中，熵值总是趋向于增加。虽然生物体的高度复杂性看起来似乎与这一定律相反，但生物体实际上是开放系统，能够与周围环境进行物质和能量交换；因此，生命系统不是处于平衡之中，而是表现为耗散结构来维持它们的高度复杂性，同时增加周围环境的熵值。[细胞中的代谢则是通过将分解代谢的自发过程和合成代谢的非自发过程偶联来达到保持复杂性的目的。用热力学来解释，代谢实际上就是通过制造无序来保持有序。
调控机制
由于生物体的外界环境处于不断的变化之中，因此代谢反应必须能够被精确的调控，以保持细胞内各组分的稳定，即体内平衡。[代谢调控也使得生物体能够对外界信号产生反馈并能够与其周围环境进行互动。其中，两个紧密联系的概念对于了解代谢途径的调控机制非常重要：其一，一个酶在代谢途径中的调节就是它的酶活性是如何根据信号来增加或降低的；其二，由这个酶所施加的控制即是它的活性的变化对于代谢途径整体速率（途径的通量）的影响。例如，一个酶可以在活性上发生很大的变化（比如被高度调控），但如果这些变化对于其所在的代谢途径的通量基本没有影响，那么这个酶就不能够对于这一途径发挥控制作用。
代谢调控可分为多个层次。在自身调节中，代谢途径可以自调节以对底物或产物水平的变化做出反应；例如，产物量降低可以引起途径通量的增加，从而使产物量得到补偿。这种类型的调节包含对于途径中多个酶的活性的变构调节。多细胞生物中，细胞在接收到来自其他细胞的信号后作出反应来改变它的代谢情况，而这就属于外部调控。这些信号通常是通过可溶性分子（“信使”）来传递的，如激素和生长因子，它们能够特异性地与细胞表面特定的受体分子结合。在与受体结合之后，信号就会通过第二信使系统被传递到细胞内部，此过程中通常含有蛋白质的磷酸化。
由胰岛素调节的葡萄糖代谢是一个研究得比较透彻的外部调控的例子。[机体合成胰岛素是用于对血液中葡萄糖水平的升高做出反应。胰岛素与细胞表面的胰岛素受体结合，然后激活一系列蛋白激酶级联反应，使细胞能够摄入葡萄糖并将其转化为能量储存分子，如脂肪酸和糖原。糖原的代谢是由磷酸化酶和糖原合成酶来控制的，前者可以降解糖原，而后者可以合成糖原。这些酶是相互调控的：磷酸化作用可以抑制糖原合成酶的活性，却激活磷酸化酶的活性。胰岛素通过激活蛋白磷酸酶而降低酶的磷酸化，从而使糖原得以合成。
进化
进化树显示所有来自生物三域中的生物体有着共同的祖先。细菌显示为蓝色，真核生物显示为红色，而古菌显示为绿色。一些生物门的相对位置也都在进化树周围标示出来
如前所述，代谢的中心途径，如糖酵解和三羧酸循环，存在于三域中的所有生物体中，也曾存在于“最后的共同祖先”中。[共同祖先细胞是原核生物，并且很可能是一种具有广泛的氨基酸、糖类和脂类代谢的产甲烷菌。这些古老的代谢途径之所以没有进一步进化，其原因可能是途径中的反应对于特定的代谢问题已经是一个优化的解决办法，可以以很少的步骤达而到很高的效率。第一个基于酶的代谢途径（现在可能已经成为嘌呤核苷酸代谢中的一部分）和之前的代谢途径是原始的RNA世界的组成部分。
研究者们提出了多种模型来描述新的代谢途径是如何进化而来的：如添加新的酶到一个较短的原始途径，或是复制而后分化整个途径，并将已存在的酶和它们的复合体带入新的反应途径中。[这些进化机制中，哪一种更为重要目前还不清楚，但基因组研究显示在同一个途径中的酶可能具有一个共同“祖先”，这就提示许多途径是通过一步接一步的演化方式利用已存在的反应步骤来获得新的功能。[另一种较为合理的模型来自于对代谢网络中蛋白质结构的演化研究，其结果提示酶具有普适性，同样的酶能够在不同的代谢途径中被利用并发挥相似的作用。这些利用的进程就导致进化，酶在途径中以类似于马赛克排列的方式进行拼接。第三种可能性是代谢中的一些部分可以以“模块”的方式存在，而模块可以被用于不同的途径并对不同的分子执行相似的功能。
在进化出新的代谢途径的同时，进化也可能造成代谢功能的降低或丧失。例如，一些寄生物失去了对于生存非关键的代谢进程，代之以直接从宿主体内获取氨基酸、核苷酸和糖类。类似的代谢能力退化的现象在一些内共生生物体中也被观察到。
相关的研究分析
拟南芥（Arabidopsisthaliana）中三羧酸循环的代谢网络。酶和代谢物用红色方块来表示，它们之间的相互作用用黑线来表示。
代谢的经典研究方法是还原法，即对单个代谢途径进行研究。放射性示踪是一个非常有用的研究手段，它通过定位放射性标记的中间物和产物来追踪代谢过程，从而可以在整个生物体、组织或细胞等不同水平上对代谢进行研究。随后，对催化这些化学反应的酶进行纯化，并鉴定它们的动力学性质和对应的抑制剂。另一种研究方法是在一个细胞或组织中鉴定代谢相关的小分子，其中所有的这些小分子被称为一个代谢组（Metabolome）。综上，这些研究给出了单个代谢途径的组成结构和功能；但这些方法却无法有效应用于更为复杂的系统，如一个完整细胞中的所有代谢。
细胞中代谢网络（含有数千种不同的酶）的复杂性由右图（图中仅仅只含有43个蛋白质和40个代谢物之间的相互作用）可知是极高的。但可以利用基因组数据来构建完整的代谢化学反应网络并生成更整体化的数学模型来解释和预测各种代谢行为已经成为可能。特别是将从经典研究方法中所获得的代谢途径和代谢物的数据以及从蛋白质组学和DNA微阵列研究中获得的数据整合到这些数学模型中，则可以极大地完善这些模型。利用所有这些技术，一个人体代谢模型已经被提出，这一模型将对未来的药物和生物化学研究提供指导。
代谢信息的一项主要的技术应用是代谢工程。在代谢工程中，诸如酵母、植物和细菌等生物体被遗传工程改造为生物技术中的高效工具，用于包括抗生素在内的药物或工业用化学品（如1,3-丙二醇和莽草酸）的生产。[[这些改造通常有助于降低产物合成中的能量消耗，增加产量和减少废物的产生。

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