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(2013-05-28 22:29:33)
一、病毒粒子的功能
最简单地来说，病毒粒子的外壳具有保护核酸基因组免受物理及化学因素和各种酶类破坏的功能。当离开寄主细胞时，病毒便处于一种不利其生存的环境中，无保护的基因组可能迅速失活。核酸对物理损伤和紫外线(如日光)造成的化学修饰非常敏感。由于自然环境中大量存在的核酸酶，可以造成病毒基因组单链核酸中的磷酸二酯键断裂，或对核苷酸进行化学修饰，这些都足以使基因组不能复制，从而对病毒粒子产生抑制作用。病毒衣壳(capsid)中的蛋白亚基是大量存在的，也就是每个粒子中都含有许多拷贝。对一个或多个亚基所造成的损伤可能使特定的亚基丧失功能，但就整个粒子来说却仅造成对侵染性的有限破坏。因此可以说衣壳是一种有效的屏障。
另外，病毒的外部表面还与对寄主细胞的识别以及侵染初期的相互作用有关。虽然这个过程基本上是通过一类特异性的病毒附着蛋白与细胞受体的结合来实现的，但在侵染的起始阶段，衣壳也具有通过某种结构形式传递病毒基因组的能力，在这种结构中的基因组可以与寄主细胞相互作用。有时，这仅是一个将病毒基因组释放到细胞原生质体中的简单过程，但也可能是一个非常复杂的过程。例如，在逆转录病毒中，当基因组仍然位于病毒粒子内部时便会进行大量的修饰，在进入寄主细胞核之前由两条单链RNA分子转变成为一条双链DNA分子。因此，蛋白衣壳在病毒侵染过程的建立中发挥着生物学功能。
二、衣壳的对称性和病毒的结构
病毒的衣壳肯定是由多个蛋白分子，也就是亚基(subunit)结构所构成的。1955年Fraenkel-Conrat和Williams证明，当用纯化的烟草花叶病毒(TMV)RNA与外壳蛋白混合保温时，可以形成病毒粒子。这一发现表明病毒粒子的结构是处于最低的能级状态，也就是各种组分的最适结构形式。结构上的稳定性是病毒粒子的一个重要特征。有些病毒非常脆弱，不能在寄主细胞外存活，但许多病毒却能存活较长一段时间，有时可达数年。
在病毒组装的过程中，所涉及的作用力包括疏水力和静电作用力，另外还有少量的共价键与多个亚基间的结合有关。这意味着蛋白与蛋白、蛋白与核酸以及蛋白与脂类间的相互作用。目前对大多数病毒结构中的这类相互作用的细节尚未充分认识，但是已经对其中的一些基本原则和结构型式有了一些了解，它们作用于各种不同类型的病毒结构。以下将要讨论的是病毒结构的两种主要类型：即螺旋对称和20面体对称。
(一)螺旋体衣壳
烟草花叶病毒(TMV)是螺旋体(helix)对称病毒结构的代表。它以旋转对称方式将多个相同的蛋白亚基有序地组合到一起，也就是将不规则外形的蛋白质沿环形圆周排列，形成一个盘状结构。多个盘状结构相互堆集形成一个柱状体，而病毒基因组则被蛋白外壳包含在中空的柱状体内部。
X光衍射分析表明，TMV粒子的衣壳实际上是一种螺旋体结构。它包括了直径和螺距两个较为稳定的数学参数(图11-1)，也是一种较为简单的结构。在TMV的粒子中，构成螺旋体一个圆周的亚基数量(μ)为16.3，每个亚基轴向上升的高度(ρ)为0.14nm，而螺旋体的螺距(P)则等于16.3×0.14=2.28nm，也就是P=μ×ρ。TMV的粒子为刚直棒状结构，有些螺旋体病毒则具有一定的柔韧性，较长的螺旋体病毒粒子一般都表现为弯曲状。
单一种类的蛋白亚基通过螺旋对称形成病毒粒子，已经在许多不同种类的病毒中得到证实。丝状噬菌体科中的一些噬菌体便具有最简单的螺旋状衣壳，如M13和fd(即Ff)噬菌体。这些噬菌体长度约900nm，直径约9nm，含有5种蛋白(图11-2)。主要外壳蛋白是噬菌体g8p，在每个粒子中，这种蛋白的拷贝数为2700～3000。同时，在线状粒子的两端还存在其它4种其它的蛋白(g3p，g6p，g7p和g9p)，它们的拷贝数各约为5个。成熟的g8p分子大约由50个氨基酸残基构成，几乎完全是一种由α-螺旋构成的短棒状结构。在短棒状结构中存在3个不同的区域：(1)氨基末端的负电荷区，这一区域内含有酸性氨基酸残基并构成了病毒粒子外部的亲水表面；(2)羧基末端的碱性正电荷区，它位于蛋白柱状体内侧并与带有正电荷的DNA基因组相邻；(3)在以上两个区域之间还存在一个疏水区，它与g8p亚基之间相互作用、形成或稳定噬菌体粒子有关(图11-2)。也就是说，Ff噬菌体粒子是由外壳蛋白亚基间的疏水作用而形成的。螺旋体中连续旋转的g8p亚基与下部的亚基相互连接，与粒子长轴呈约20°倾角并呈鱼鳞状互相重叠。它的μ值为4.5，p值为1.5nm。
由于噬菌体DNA包装在螺旋状粒子的中心，所以基因组的长度决定了粒子的长度。在Ff噬菌体制备物中都存在着各种不同的粒子，如：含有大于一个基因组DNA长度的多聚噬菌体(polyphage)、含有约0.2～0.5个基因组长度缺失型DNA的小噬菌体(miniphage)以及含有长度大于一个基因组，但具有遗传缺损DNA的特长噬菌体(maxiphage)等各种形式。M13线状粒子的这种特性已经被用于将其基因组改造成为一类克隆载体。外源DNA插入基因组所产生的重组噬菌体粒子，长度大于野生型粒子，但基因组能够被粒子包装的长度限制不明确。随着M13基因组长度的增加，其复制效率随之下降。当重组噬菌体基因组较野生型长度增加1％～10％时，无明显的不利表现；当长度较野生型增加10％～50％时，复制明显减慢；而当增加长度超过正常基因组长度的50％时，分离获得重组噬菌体则更加困难。
衣壳结构在Ff噬菌体对适当宿主细胞进行侵染的过程中也具有作用。Ff噬菌体为雄性宿主专一性噬菌体，在侵染过程中要求大肠杆菌表面的F菌毛。侵染过程的第一个步骤是，位于丝状粒子末端的g3p蛋白与F菌毛的末端发生相互作用，从而导致g8p蛋白的形态变化。g8p蛋白的结构首先由100％的α-螺旋变为85％的α-螺旋，丝状粒子变短，附着于F菌毛上的粒子末端张开，噬菌体DNA外露。然后，g8p蛋白亚基发生第二次形态变化，α-螺旋的比例由85％下降为50％，导致噬菌体粒子成为一个直径约40nm的中空球体，噬菌体DNA排出，开始对寄主细胞的侵染。
许多植物病毒属于螺旋体对称，如烟草脆裂病毒组、烟草花叶病毒组、菌传棒状病毒组、大麦病毒组、马铃薯X病毒组、香石竹病毒组、马铃薯Y病毒组和线状病毒组。这些病毒的粒子长度由大约100nm(烟草脆裂病毒组)至1000nm(线状病毒组)不等。植物病毒组所具有的这种结构可能与寄主植物细胞的生物学有关，或是与在寄主之间的传播方式有关。
相当数量的动物病毒也都属于螺旋体对称，但它们的外层另外还都含有一个脂类包膜(envelope)。这一类群中包括许多熟知的人类病原物。如：流感病毒(正粘病毒科)、腮腺炎病毒和麻疹病毒(副粘病毒科)、以及狂犬病毒(弹状病毒科)。所有这些病毒均为单链负意RNA基因组，而且分子结构相似。在被侵染细胞内，病毒核酸与一种碱性的核酸结合成蛋白聚集，构成螺旋状核衣壳(nucleocapsid)。这种蛋白质与RNA形成的复合体，除具有保护病毒基因组免受物理及化学因素伤害的功能外，有时还在病毒复制中发挥作用。
有些具有包膜的螺旋状动物病毒结构比较简单（至今未发现有裸露的动物病毒存在），如：狂犬病毒及非常相近的水泡性口炎病毒(VSV)(图11-3)。它们为弹状病毒属成员，粒子沿着长约11000个核苷酸的负意RNA基因组进行组装。病毒RNA与碱性核衣壳(N)蛋白相互作用，形成一种螺距约5nm的螺旋结构。这种结构在另外两种非结构蛋白(L和NS)的参与下形成病毒粒子的髓心。髓心核蛋白螺旋体由30～35次旋转构成，长约180nm，直径约80nm。单体N蛋白体积约为9×5×3nm，每个单体约可覆盖RNA基因组中的9个核苷酸。在上面谈到的丝状噬菌体粒子中，N蛋白的作用是稳定RNA基因组，并保护其不受化学、物理及酶的破坏。对大多数具有包膜的病毒而言，核衣壳是由一种不定形的层体所包被，这一层体即可以与髓心作用，又可以与外部连接的类脂膜相互作用。这一层体被称为基质(matrx)。基质(M)蛋白在病毒粒子中通常为数量最大的蛋白质。例如：在VSV粒子中存在约1800个基质蛋白拷贝和约1250个N蛋白拷贝。
目前已知，许多不同类型的病毒都是以螺旋对称方式存在的。基因组较小、结构简单的病毒，利用这种结构对基因组提供保护，而又不需要编码大量的衣壳蛋白(coat protein)。更为复杂的病毒则利用这种结构作为病毒粒子的基础，并以蛋白质和脂类表层进一步加工。
(二)20面体(等轴体)衣壳
病毒衣壳结构的另外一种方式是蛋白亚基组装成一种类似于球形的结构，并将基因组包含在里面。蛋白亚基在立体表面的组装是一个比构成螺旋体更为复杂的过程。20面体(icosahedron)是由20个三角形沿一个球形表面排列而成的立体形状(图11-4)。
由重复亚基构建衣壳，病毒必须具有如何排列这些亚基的规则。对一个20面体来说，这种规则便是立体旋转对称，也称作2-3-5对称。它的含义为：①轴线穿过每条边线中点可产生2次旋转对称；②轴线穿过每个表面的中心可产生3次旋转对称；③轴线穿过每个顶点可产生5次旋转对称。
对于最简单的20面体衣壳来说，每个三角形表面是由3个相同的亚基所构成的。也就是说，构建一个完整的衣壳至少需要60个相同的亚基。少数几种简单的病毒粒子是通过这种方式构建的，如微小噬菌体科的ΦX174噬菌体，最近通过X光衍射对它的完整结构进行了确认。但是，由于蛋白质分子的形状并不规则，所以由此而形成的并不是真正的等边三角形或严格几何学意义上的20面体。
研究结果表明，在大多数情况下20面体病毒衣壳含有60个以上的亚基。由于所有亚基都是等价相连的，也就是它们之间的空间距离相等，并处于最小自由能级状态，所以由60个相同亚基构成的规则20面体是一种非常稳定的结构。由于一个真正的规则20面体只能由20个亚基组成，对于含有60个以上亚基的20面体来说，这些亚基之间要进行真正的等价连接，完全对称地排列是不可能的。为了解释这一问题，1962年Caspar和Klug提出了准等价(quasi-equivalence)假说。他们的想法简单地说就是：亚基在近乎相同的局部环境下与相邻亚基形成近乎等价的连接，从而使20面体衣壳由多个亚基进行自我装配。就高度有序的20面体来说，病毒粒子的对称性可以用20面体的三角剖分数(triangulation number)来定义(图11-4)。三角剖分数(T)的定义为：T=f 2 ×P。其中，f是三角形面每一条边上的分割次数，因此f2就是每个面上的小三角形数目。P=h2+hk+k2，其中h和k为任何不同的非负值整数。这就是说T值将以1，3，4，7，9，12，13，16，19，25，27，28……的方式递增。当P等于1或3时，可以形成规则的20面体。任何其它的P值都将导致偏斜态20面体，即构成20面体的小三角形在每个面的边线上不是对称排列。目前已经测定了包括T=1(微小噬菌体科，如ΦX174)，T=3(许多昆虫，植物及动物病毒)、T=4(披膜病毒)以及T=7(有尾噬菌体的头部，如λ噬菌体)在内的各类20面体病毒粒子的精确结构。具有更大三角剖分数的病毒粒子，采用不同的亚基装配方式形成20面体的面和顶点，并含有具框架作用的内部骨架蛋白。这些因素决定了病毒粒子的装配，其中主要是通过将预先形成的蛋白结构亚基进行再次组合来完成的。
小RNA病毒(Picornaviridae)是20面体病毒粒子结构的一个很好例子。近年来，对许多不同小RNA病毒衣壳的细微结构进行了测定，其中包括1型、3型脊髓灰质炎病毒(PV1和PV3)，口蹄疫病毒(FMDV)，14型人鼻病毒(HRV-14)等许多其它种类。这些病毒的粒子结构与许多其它无关的病毒非常相似，如属于野田病毒科的昆虫病毒及豇豆花叶病毒组的植物病毒。所有这些病毒种类均为20面体衣壳，直径约30nm，三角剖分数T=3(图11-5)。衣壳均由60个重复的结构亚基构成，而每个结构亚基又都含有VP1，VP2，VP3 3个主要的亚基。也就是说在整个小RNA病毒粒子中共有60×3=180个表面亚基单体。3种蛋白的结构相似，都是由150～200个氨基酸残基以所谓的“8股反向平行β-折叠”构成。
实际上，小RNA病毒共含有4种结构蛋白，除上述VP1-3 3种主要蛋白之外，还存在第四种小蛋白VP4。VP4主要位于衣壳内侧，而不暴露于粒子表面。通过对小RNA病毒感染细胞的生物化学研究，很久以来，便已经知道这4种衣壳蛋白是由最初的多蛋白(polyprotein)所产生。VP4是装配开始后由VP0前体切割成为VP2和VP4的，并在其氨基末端进行豆蔻酸化，即在转录后与豆蔻酸(一种14碳不饱和脂肪酸)发生共价结合而被修饰。5个VP4单体形成一个疏水分子团，从而构成一个五聚体的结构亚基。生物化学研究结果表明，形成衣壳顶点的这些五聚体是粒子装配中的重要前体。因此可见，小RNA病毒衣壳组成蛋白的化学特性、结构特性以及对称性决定了其装配过程。
(三)包膜病毒
以上主要讲述了“裸露”病毒粒子的结构，即那些衣壳蛋白暴露于外界环境中的病毒。这些病毒在复制循环末期产生于被感染细胞，此时的细胞会发生死亡、崩溃或溶解，而将其内部组装好的病毒粒子释放出来。另外许多病毒粒子则以出芽方式(budding)穿过细胞膜，由被感染细胞内释放时仍然保持寄主细胞膜的完整性，并不造成细胞的完全毁坏。也就是病毒粒子在穿过细胞膜时被脂类膜(envelope)所包被，这些外膜产生于寄主细胞膜，成分与细胞膜相似(图11-6)。
这种方式对病毒来说具有许多优点。包膜下层的结构可能与螺旋体或20面对称体结构相连，它可能在离开细胞之前或在病毒释放过程中形成。多数包膜病毒都是利用细胞膜作为装配的场所。粒子在细胞内的形成、成熟及释放多为一个连续的过程。装配场所因病毒种类而不同，除部分病毒以细胞外膜为装配场所外，许多病毒还利用如高尔基体这样的细胞质膜进行装配。另外一些在细胞核内复制的病毒(如疱疹病毒属)则可能在核膜上进行装配。以上这些病毒通常被某种形式的液泡所包被，转移通过细胞表面后再释放。
病毒粒子的类脂膜不仅具有防止水分丧失或酶类降解的功能，同时还具有生物活性和对寄主细胞上受体分子的识别功能。这些功能需要病毒合成几种类型的蛋白对其类脂膜进行修饰，并通过图11-7所列的3种方式之一与包膜相连接。具体种类如下：
(1)基质蛋白是一些位于病毒粒子内部的蛋白质，它的功能是将内层的核衣壳与包膜有效的连接。这些蛋白通常不被糖基化，并经常是大量存在。如在逆转录病毒中，基质蛋白可约占到病毒粒子总重量的30％。某些基质蛋白含有穿膜固着区，另一些基质蛋白则以其表面的疏水区域，或通过与包膜糖蛋白之间的相互作用与膜相连。
(2)糖蛋白是一些通过疏水区固着在膜上的穿膜蛋白。根据其功能又可分为以下两种类型：①借助于一个穿膜区固着在包膜上的外露糖蛋白。这种蛋白的大多数结构都在膜的外侧，仅有一个较短的尾部插入膜中。借助于电子显微技术，可在许多包膜病毒的表面上观察到由一个单体所形成的“刺突”。这些蛋白是包膜病毒的重要抗原。糖基化作用多是发生在氮原子或氧原子上的，多数这种蛋白的糖基化程度很高，总重量75％的蛋白可能都含有转录后附加的糖基。这些蛋白不仅是包膜病毒的主要抗原，而且在病毒与外部环境发生接触中也具有许多重要的功能。例如：流感病毒的血细胞凝集素便是受体结合、膜融合以及血细胞凝集所必需的；②运输通道蛋白含有多个疏水穿膜区，可以排列构成一个穿过包膜的通道，使病毒包膜的通透性(如离子通道)发生变化。因此，这种蛋白对病毒粒子的内部环境是很重要的，它保证了病毒粒子在成熟和侵染过程，能够进行各种必需的生物化学变化，甚至是这类变化的决定因素(如流感病毒的M2蛋白)。
与许多具有包膜的脊椎动物病毒相比，仅有极少的植物病毒具有包膜，而且多属于弹状病毒科。除了植物弹状病毒以外，仅有少数侵染植物的布尼病毒和披膜病毒成员的外层具有类脂包膜。在植物病毒中的这种情况，可能反映了寄主细胞的生物学特性，尤其是病毒由被侵染细胞向外释放的有关机制，如植物病毒的释放要求在坚硬的细胞壁上必须要有缺口。在原核生物病毒中不存在这种障碍，因而也就有许多科的病毒具有包膜(如芽生噬菌体科及囊状噬菌体科等)。
(四)其它复杂病毒（复合体病毒衣壳）
大多数病毒都可以被归入上述3种结构类型之一，即螺旋对称、20面体对称或包膜病毒。但还有许多结构更为复杂的病毒。在这些病毒中，虽然一部分由多层蛋白及脂类构成的外壳也是遵循上面提到的基本对称规则，但它们体积较大，结构更为复杂，无法像比较简单的螺旋体或20面体病毒那样，直接进行数学描述。痘病毒科便是这类病毒的一个例子。它们的粒子一般长约200～400nm，呈椭圆形或长方形，外层表面具有平行排列的脊状物，有时也呈螺旋状排列。这些粒子是非常复杂的，已经证明其中含有100种以上不同的蛋白质。在复制过程中具有两种形式的粒子，即由两层膜包被的胞外粒子和仅由一层内膜包被的胞内粒子(图11-8)。电子显微镜下的超薄切片观察证明，病毒粒子的外层表面含有蛋白及脂类，它包被着哑铃形的髓心及两个功能尚不清楚的侧体。病毒的髓心是由紧密压缩的核蛋白构成，周围缠绕着双链DNA基因组。就抗原性而言，痘病毒是非常复杂的，它可以同时诱导特异性抗体和交叉反应抗体。因此，可以利用某种病毒来对另外一种疾病进行免疫接种，如使用痘苗病毒来对天花病毒进行免疫。痘病毒和许多其它病毒的复杂性还表现在它们的粒子中至少含有10种以上与核酸代谢或基因组复制有关的酶。除了痘病毒科以外，另外还有一些粒子结构研究较为深入的复杂病毒，如感染大肠杆菌的有鞭毛噬菌体和感染昆虫的杆状病毒。
http://img13.tianya.cn/photo/2010/1/19/17176246_18025711.jpg
最简单地来说，病毒粒子的外壳具有保护核酸基因组免受物理及化学因素和各种酶类破坏的功能。当离开寄主细胞时，病毒便处于一种不利其生存的环境中，无保护的基因组可能迅速失活。核酸对物理损伤和紫外线(如日光)造成的化学修饰非常敏感。由于自然环境中大量存在的核酸酶，可以造成病毒基因组单链核酸中的磷酸二酯键断裂，或对核苷酸进行化学修饰，这些都足以使基因组不能复制，从而对病毒粒子产生抑制作用。病毒衣壳(capsid)中的蛋白亚基是大量存在的，也就是每个粒子中都含有许多拷贝。对一个或多个亚基所造成的损伤可能使特定的亚基丧失功能，但就整个粒子来说却仅造成对侵染性的有限破坏。因此可以说衣壳是一种有效的屏障。
另外，病毒的外部表面还与对寄主细胞的识别以及侵染初期的相互作用有关。虽然这个过程基本上是通过一类特异性的病毒附着蛋白与细胞受体的结合来实现的，但在侵染的起始阶段，衣壳也具有通过某种结构形式传递病毒基因组的能力，在这种结构中的基因组可以与寄主细胞相互作用。有时，这仅是一个将病毒基因组释放到细胞原生质体中的简单过程，但也可能是一个非常复杂的过程。例如，在逆转录病毒中，当基因组仍然位于病毒粒子内部时便会进行大量的修饰，在进入寄主细胞核之前由两条单链RNA分子转变成为一条双链DNA分子。因此，蛋白衣壳在病毒侵染过程的建立中发挥着生物学功能。
二、衣壳的对称性和病毒的结构
病毒的衣壳肯定是由多个蛋白分子，也就是亚基(subunit)结构所构成的。1955年Fraenkel-Conrat和Williams证明，当用纯化的烟草花叶病毒(TMV)RNA与外壳蛋白混合保温时，可以形成病毒粒子。这一发现表明病毒粒子的结构是处于最低的能级状态，也就是各种组分的最适结构形式。结构上的稳定性是病毒粒子的一个重要特征。有些病毒非常脆弱，不能在寄主细胞外存活，但许多病毒却能存活较长一段时间，有时可达数年。
在病毒组装的过程中，所涉及的作用力包括疏水力和静电作用力，另外还有少量的共价键与多个亚基间的结合有关。这意味着蛋白与蛋白、蛋白与核酸以及蛋白与脂类间的相互作用。目前对大多数病毒结构中的这类相互作用的细节尚未充分认识，但是已经对其中的一些基本原则和结构型式有了一些了解，它们作用于各种不同类型的病毒结构。以下将要讨论的是病毒结构的两种主要类型：即螺旋对称和20面体对称。
(一)螺旋体衣壳
烟草花叶病毒(TMV)是螺旋体(helix)对称病毒结构的代表。它以旋转对称方式将多个相同的蛋白亚基有序地组合到一起，也就是将不规则外形的蛋白质沿环形圆周排列，形成一个盘状结构。多个盘状结构相互堆集形成一个柱状体，而病毒基因组则被蛋白外壳包含在中空的柱状体内部。
X光衍射分析表明，TMV粒子的衣壳实际上是一种螺旋体结构。它包括了直径和螺距两个较为稳定的数学参数(图11-1)，也是一种较为简单的结构。在TMV的粒子中，构成螺旋体一个圆周的亚基数量(μ)为16.3，每个亚基轴向上升的高度(ρ)为0.14nm，而螺旋体的螺距(P)则等于16.3×0.14=2.28nm，也就是P=μ×ρ。TMV的粒子为刚直棒状结构，有些螺旋体病毒则具有一定的柔韧性，较长的螺旋体病毒粒子一般都表现为弯曲状。
单一种类的蛋白亚基通过螺旋对称形成病毒粒子，已经在许多不同种类的病毒中得到证实。丝状噬菌体科中的一些噬菌体便具有最简单的螺旋状衣壳，如M13和fd(即Ff)噬菌体。这些噬菌体长度约900nm，直径约9nm，含有5种蛋白(图11-2)。主要外壳蛋白是噬菌体g8p，在每个粒子中，这种蛋白的拷贝数为2700～3000。同时，在线状粒子的两端还存在其它4种其它的蛋白(g3p，g6p，g7p和g9p)，它们的拷贝数各约为5个。成熟的g8p分子大约由50个氨基酸残基构成，几乎完全是一种由α-螺旋构成的短棒状结构。在短棒状结构中存在3个不同的区域：(1)氨基末端的负电荷区，这一区域内含有酸性氨基酸残基并构成了病毒粒子外部的亲水表面；(2)羧基末端的碱性正电荷区，它位于蛋白柱状体内侧并与带有正电荷的DNA基因组相邻；(3)在以上两个区域之间还存在一个疏水区，它与g8p亚基之间相互作用、形成或稳定噬菌体粒子有关(图11-2)。也就是说，Ff噬菌体粒子是由外壳蛋白亚基间的疏水作用而形成的。螺旋体中连续旋转的g8p亚基与下部的亚基相互连接，与粒子长轴呈约20°倾角并呈鱼鳞状互相重叠。它的μ值为4.5，p值为1.5nm。
由于噬菌体DNA包装在螺旋状粒子的中心，所以基因组的长度决定了粒子的长度。在Ff噬菌体制备物中都存在着各种不同的粒子，如：含有大于一个基因组DNA长度的多聚噬菌体(polyphage)、含有约0.2～0.5个基因组长度缺失型DNA的小噬菌体(miniphage)以及含有长度大于一个基因组，但具有遗传缺损DNA的特长噬菌体(maxiphage)等各种形式。M13线状粒子的这种特性已经被用于将其基因组改造成为一类克隆载体。外源DNA插入基因组所产生的重组噬菌体粒子，长度大于野生型粒子，但基因组能够被粒子包装的长度限制不明确。随着M13基因组长度的增加，其复制效率随之下降。当重组噬菌体基因组较野生型长度增加1％～10％时，无明显的不利表现；当长度较野生型增加10％～50％时，复制明显减慢；而当增加长度超过正常基因组长度的50％时，分离获得重组噬菌体则更加困难。
衣壳结构在Ff噬菌体对适当宿主细胞进行侵染的过程中也具有作用。Ff噬菌体为雄性宿主专一性噬菌体，在侵染过程中要求大肠杆菌表面的F菌毛。侵染过程的第一个步骤是，位于丝状粒子末端的g3p蛋白与F菌毛的末端发生相互作用，从而导致g8p蛋白的形态变化。g8p蛋白的结构首先由100％的α-螺旋变为85％的α-螺旋，丝状粒子变短，附着于F菌毛上的粒子末端张开，噬菌体DNA外露。然后，g8p蛋白亚基发生第二次形态变化，α-螺旋的比例由85％下降为50％，导致噬菌体粒子成为一个直径约40nm的中空球体，噬菌体DNA排出，开始对寄主细胞的侵染。
许多植物病毒属于螺旋体对称，如烟草脆裂病毒组、烟草花叶病毒组、菌传棒状病毒组、大麦病毒组、马铃薯X病毒组、香石竹病毒组、马铃薯Y病毒组和线状病毒组。这些病毒的粒子长度由大约100nm(烟草脆裂病毒组)至1000nm(线状病毒组)不等。植物病毒组所具有的这种结构可能与寄主植物细胞的生物学有关，或是与在寄主之间的传播方式有关。
相当数量的动物病毒也都属于螺旋体对称，但它们的外层另外还都含有一个脂类包膜(envelope)。这一类群中包括许多熟知的人类病原物。如：流感病毒(正粘病毒科)、腮腺炎病毒和麻疹病毒(副粘病毒科)、以及狂犬病毒(弹状病毒科)。所有这些病毒均为单链负意RNA基因组，而且分子结构相似。在被侵染细胞内，病毒核酸与一种碱性的核酸结合成蛋白聚集，构成螺旋状核衣壳(nucleocapsid)。这种蛋白质与RNA形成的复合体，除具有保护病毒基因组免受物理及化学因素伤害的功能外，有时还在病毒复制中发挥作用。
有些具有包膜的螺旋状动物病毒结构比较简单（至今未发现有裸露的动物病毒存在），如：狂犬病毒及非常相近的水泡性口炎病毒(VSV)(图11-3)。它们为弹状病毒属成员，粒子沿着长约11000个核苷酸的负意RNA基因组进行组装。病毒RNA与碱性核衣壳(N)蛋白相互作用，形成一种螺距约5nm的螺旋结构。这种结构在另外两种非结构蛋白(L和NS)的参与下形成病毒粒子的髓心。髓心核蛋白螺旋体由30～35次旋转构成，长约180nm，直径约80nm。单体N蛋白体积约为9×5×3nm，每个单体约可覆盖RNA基因组中的9个核苷酸。在上面谈到的丝状噬菌体粒子中，N蛋白的作用是稳定RNA基因组，并保护其不受化学、物理及酶的破坏。对大多数具有包膜的病毒而言，核衣壳是由一种不定形的层体所包被，这一层体即可以与髓心作用，又可以与外部连接的类脂膜相互作用。这一层体被称为基质(matrx)。基质(M)蛋白在病毒粒子中通常为数量最大的蛋白质。例如：在VSV粒子中存在约1800个基质蛋白拷贝和约1250个N蛋白拷贝。
目前已知，许多不同类型的病毒都是以螺旋对称方式存在的。基因组较小、结构简单的病毒，利用这种结构对基因组提供保护，而又不需要编码大量的衣壳蛋白(coat protein)。更为复杂的病毒则利用这种结构作为病毒粒子的基础，并以蛋白质和脂类表层进一步加工。
(二)20面体(等轴体)衣壳
病毒衣壳结构的另外一种方式是蛋白亚基组装成一种类似于球形的结构，并将基因组包含在里面。蛋白亚基在立体表面的组装是一个比构成螺旋体更为复杂的过程。20面体(icosahedron)是由20个三角形沿一个球形表面排列而成的立体形状(图11-4)。
由重复亚基构建衣壳，病毒必须具有如何排列这些亚基的规则。对一个20面体来说，这种规则便是立体旋转对称，也称作2-3-5对称。它的含义为：①轴线穿过每条边线中点可产生2次旋转对称；②轴线穿过每个表面的中心可产生3次旋转对称；③轴线穿过每个顶点可产生5次旋转对称。
对于最简单的20面体衣壳来说，每个三角形表面是由3个相同的亚基所构成的。也就是说，构建一个完整的衣壳至少需要60个相同的亚基。少数几种简单的病毒粒子是通过这种方式构建的，如微小噬菌体科的ΦX174噬菌体，最近通过X光衍射对它的完整结构进行了确认。但是，由于蛋白质分子的形状并不规则，所以由此而形成的并不是真正的等边三角形或严格几何学意义上的20面体。
研究结果表明，在大多数情况下20面体病毒衣壳含有60个以上的亚基。由于所有亚基都是等价相连的，也就是它们之间的空间距离相等，并处于最小自由能级状态，所以由60个相同亚基构成的规则20面体是一种非常稳定的结构。由于一个真正的规则20面体只能由20个亚基组成，对于含有60个以上亚基的20面体来说，这些亚基之间要进行真正的等价连接，完全对称地排列是不可能的。为了解释这一问题，1962年Caspar和Klug提出了准等价(quasi-equivalence)假说。他们的想法简单地说就是：亚基在近乎相同的局部环境下与相邻亚基形成近乎等价的连接，从而使20面体衣壳由多个亚基进行自我装配。就高度有序的20面体来说，病毒粒子的对称性可以用20面体的三角剖分数(triangulation number)来定义(图11-4)。三角剖分数(T)的定义为：T=f 2 ×P。其中，f是三角形面每一条边上的分割次数，因此f2就是每个面上的小三角形数目。P=h2+hk+k2，其中h和k为任何不同的非负值整数。这就是说T值将以1，3，4，7，9，12，13，16，19，25，27，28……的方式递增。当P等于1或3时，可以形成规则的20面体。任何其它的P值都将导致偏斜态20面体，即构成20面体的小三角形在每个面的边线上不是对称排列。目前已经测定了包括T=1(微小噬菌体科，如ΦX174)，T=3(许多昆虫，植物及动物病毒)、T=4(披膜病毒)以及T=7(有尾噬菌体的头部，如λ噬菌体)在内的各类20面体病毒粒子的精确结构。具有更大三角剖分数的病毒粒子，采用不同的亚基装配方式形成20面体的面和顶点，并含有具框架作用的内部骨架蛋白。这些因素决定了病毒粒子的装配，其中主要是通过将预先形成的蛋白结构亚基进行再次组合来完成的。
小RNA病毒(Picornaviridae)是20面体病毒粒子结构的一个很好例子。近年来，对许多不同小RNA病毒衣壳的细微结构进行了测定，其中包括1型、3型脊髓灰质炎病毒(PV1和PV3)，口蹄疫病毒(FMDV)，14型人鼻病毒(HRV-14)等许多其它种类。这些病毒的粒子结构与许多其它无关的病毒非常相似，如属于野田病毒科的昆虫病毒及豇豆花叶病毒组的植物病毒。所有这些病毒种类均为20面体衣壳，直径约30nm，三角剖分数T=3(图11-5)。衣壳均由60个重复的结构亚基构成，而每个结构亚基又都含有VP1，VP2，VP3 3个主要的亚基。也就是说在整个小RNA病毒粒子中共有60×3=180个表面亚基单体。3种蛋白的结构相似，都是由150～200个氨基酸残基以所谓的“8股反向平行β-折叠”构成。
实际上，小RNA病毒共含有4种结构蛋白，除上述VP1-3 3种主要蛋白之外，还存在第四种小蛋白VP4。VP4主要位于衣壳内侧，而不暴露于粒子表面。通过对小RNA病毒感染细胞的生物化学研究，很久以来，便已经知道这4种衣壳蛋白是由最初的多蛋白(polyprotein)所产生。VP4是装配开始后由VP0前体切割成为VP2和VP4的，并在其氨基末端进行豆蔻酸化，即在转录后与豆蔻酸(一种14碳不饱和脂肪酸)发生共价结合而被修饰。5个VP4单体形成一个疏水分子团，从而构成一个五聚体的结构亚基。生物化学研究结果表明，形成衣壳顶点的这些五聚体是粒子装配中的重要前体。因此可见，小RNA病毒衣壳组成蛋白的化学特性、结构特性以及对称性决定了其装配过程。
(三)包膜病毒
以上主要讲述了“裸露”病毒粒子的结构，即那些衣壳蛋白暴露于外界环境中的病毒。这些病毒在复制循环末期产生于被感染细胞，此时的细胞会发生死亡、崩溃或溶解，而将其内部组装好的病毒粒子释放出来。另外许多病毒粒子则以出芽方式(budding)穿过细胞膜，由被感染细胞内释放时仍然保持寄主细胞膜的完整性，并不造成细胞的完全毁坏。也就是病毒粒子在穿过细胞膜时被脂类膜(envelope)所包被，这些外膜产生于寄主细胞膜，成分与细胞膜相似(图11-6)。
这种方式对病毒来说具有许多优点。包膜下层的结构可能与螺旋体或20面对称体结构相连，它可能在离开细胞之前或在病毒释放过程中形成。多数包膜病毒都是利用细胞膜作为装配的场所。粒子在细胞内的形成、成熟及释放多为一个连续的过程。装配场所因病毒种类而不同，除部分病毒以细胞外膜为装配场所外，许多病毒还利用如高尔基体这样的细胞质膜进行装配。另外一些在细胞核内复制的病毒(如疱疹病毒属)则可能在核膜上进行装配。以上这些病毒通常被某种形式的液泡所包被，转移通过细胞表面后再释放。
病毒粒子的类脂膜不仅具有防止水分丧失或酶类降解的功能，同时还具有生物活性和对寄主细胞上受体分子的识别功能。这些功能需要病毒合成几种类型的蛋白对其类脂膜进行修饰，并通过图11-7所列的3种方式之一与包膜相连接。具体种类如下：
(1)基质蛋白是一些位于病毒粒子内部的蛋白质，它的功能是将内层的核衣壳与包膜有效的连接。这些蛋白通常不被糖基化，并经常是大量存在。如在逆转录病毒中，基质蛋白可约占到病毒粒子总重量的30％。某些基质蛋白含有穿膜固着区，另一些基质蛋白则以其表面的疏水区域，或通过与包膜糖蛋白之间的相互作用与膜相连。
(2)糖蛋白是一些通过疏水区固着在膜上的穿膜蛋白。根据其功能又可分为以下两种类型：①借助于一个穿膜区固着在包膜上的外露糖蛋白。这种蛋白的大多数结构都在膜的外侧，仅有一个较短的尾部插入膜中。借助于电子显微技术，可在许多包膜病毒的表面上观察到由一个单体所形成的“刺突”。这些蛋白是包膜病毒的重要抗原。糖基化作用多是发生在氮原子或氧原子上的，多数这种蛋白的糖基化程度很高，总重量75％的蛋白可能都含有转录后附加的糖基。这些蛋白不仅是包膜病毒的主要抗原，而且在病毒与外部环境发生接触中也具有许多重要的功能。例如：流感病毒的血细胞凝集素便是受体结合、膜融合以及血细胞凝集所必需的；②运输通道蛋白含有多个疏水穿膜区，可以排列构成一个穿过包膜的通道，使病毒包膜的通透性(如离子通道)发生变化。因此，这种蛋白对病毒粒子的内部环境是很重要的，它保证了病毒粒子在成熟和侵染过程，能够进行各种必需的生物化学变化，甚至是这类变化的决定因素(如流感病毒的M2蛋白)。
与许多具有包膜的脊椎动物病毒相比，仅有极少的植物病毒具有包膜，而且多属于弹状病毒科。除了植物弹状病毒以外，仅有少数侵染植物的布尼病毒和披膜病毒成员的外层具有类脂包膜。在植物病毒中的这种情况，可能反映了寄主细胞的生物学特性，尤其是病毒由被侵染细胞向外释放的有关机制，如植物病毒的释放要求在坚硬的细胞壁上必须要有缺口。在原核生物病毒中不存在这种障碍，因而也就有许多科的病毒具有包膜(如芽生噬菌体科及囊状噬菌体科等)。
(四)其它复杂病毒（复合体病毒衣壳）
大多数病毒都可以被归入上述3种结构类型之一，即螺旋对称、20面体对称或包膜病毒。但还有许多结构更为复杂的病毒。在这些病毒中，虽然一部分由多层蛋白及脂类构成的外壳也是遵循上面提到的基本对称规则，但它们体积较大，结构更为复杂，无法像比较简单的螺旋体或20面体病毒那样，直接进行数学描述。痘病毒科便是这类病毒的一个例子。它们的粒子一般长约200～400nm，呈椭圆形或长方形，外层表面具有平行排列的脊状物，有时也呈螺旋状排列。这些粒子是非常复杂的，已经证明其中含有100种以上不同的蛋白质。在复制过程中具有两种形式的粒子，即由两层膜包被的胞外粒子和仅由一层内膜包被的胞内粒子(图11-8)。电子显微镜下的超薄切片观察证明，病毒粒子的外层表面含有蛋白及脂类，它包被着哑铃形的髓心及两个功能尚不清楚的侧体。病毒的髓心是由紧密压缩的核蛋白构成，周围缠绕着双链DNA基因组。就抗原性而言，痘病毒是非常复杂的，它可以同时诱导特异性抗体和交叉反应抗体。因此，可以利用某种病毒来对另外一种疾病进行免疫接种，如使用痘苗病毒来对天花病毒进行免疫。痘病毒和许多其它病毒的复杂性还表现在它们的粒子中至少含有10种以上与核酸代谢或基因组复制有关的酶。除了痘病毒科以外，另外还有一些粒子结构研究较为深入的复杂病毒，如感染大肠杆菌的有鞭毛噬菌体和感染昆虫的杆状病毒。
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