初原載于?工大材料匯????2020-03-06

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材料視角新冠肺炎系列科普

新冠肺炎何以牽動人心

武 / 漢 / 加 / 油，中 / 國 / 加 / 油

（一）

病毒與冠狀病毒

病毒（virus）是一種個體微?。s為細(xì)菌大小的百分之一，只能用電子顯微鏡觀察），結(jié)構(gòu)簡單（無細(xì)胞結(jié)構(gòu)），只含一種核酸（DNA或RNA），必須在活細(xì)胞內(nèi)寄生并以一定復(fù)制方式增殖的非細(xì)胞型生物。其目的在于復(fù)制增殖，在這一點(diǎn)上生物學(xué)和計算機(jī)科學(xué)中的病毒是具有一致性。

他于1892年研究了煙草花葉病，并發(fā)現(xiàn)了一種比細(xì)菌還小的致病物質(zhì)，即后來人們發(fā)現(xiàn)的煙草花葉病毒，病毒的基本結(jié)構(gòu)是分為衣殼和遺傳物質(zhì)，衣殼由蛋白質(zhì)組成是病毒的外殼，遺傳物質(zhì)多為RNA或DNA。衣殼與核酸分子統(tǒng)稱為核衣殼。以HIV為例，該病毒表面還包裹著類似細(xì)胞膜的胞膜和刺突結(jié)構(gòu)，刺突結(jié)構(gòu)是進(jìn)入細(xì)胞的鑰匙，上面具有和細(xì)胞表面的受體能夠特異性結(jié)合的蛋白質(zhì)，如HIV的CD4蛋白與衣殼共同決定病毒的特異性。對于冠狀病毒名稱的由來，是因?yàn)榇祟惒《就饷娴拇掏唤Y(jié)構(gòu)像王冠（guān）因此叫冠（guān）狀病毒，此外它還有一些酶：如逆轉(zhuǎn)錄酶、RNA聚合酶等。

1935年美國科學(xué)家斯坦利研究出了病毒的組成并提取出了煙草花葉病毒的結(jié)晶體，

他于1946年獲得了諾貝爾化學(xué)（理綜）獎。聽到這里材料人們可能會有疑問，病毒也有晶體嗎？也具有晶體結(jié)構(gòu)嗎？答案是肯定的，在寄主細(xì)胞外病毒為了保證自身的核酸完整及蛋白質(zhì)物質(zhì)不變，形成結(jié)晶體。結(jié)晶體并不具備生命體征，就像灰塵一樣，只有在寄生細(xì)胞內(nèi)才有生命活性，因此也有人說病毒是一種介于生物與非生物的東西，被稱為生命的“邊緣”。病毒的晶體結(jié)構(gòu)對于我們應(yīng)對病毒尤其是藥物研發(fā)有著重要的參考和指導(dǎo)作用。1月26日，上?？萍即髮W(xué)免疫化學(xué)研究所和中國科學(xué)院上海藥物研究所抗2019－nCoV冠狀病毒感染聯(lián)合應(yīng)急攻關(guān)團(tuán)隊(duì)宣布：上?？萍即髮W(xué)饒子和與楊海濤課題組已測定新型冠狀病毒3CL水解酶（Mpro）高分率晶體結(jié)構(gòu)。（如下圖所示）

病毒的增值

病毒的增殖主要分為五步，這里來帶大家回憶一下高中生物的必考知識點(diǎn)：

①吸附→②注入→③復(fù)制→④裝配→⑤釋放→①…….

如此循環(huán)往復(fù)，雖然大家都學(xué)過但大家可能并不了解有些名詞所表達(dá)的具體過程我們下面著重介紹一下他們。

病毒進(jìn)入生命體內(nèi)需要首先突破人體的非特異性免疫防線并找到能與它們刺突上的鑰匙相結(jié)合的宿主細(xì)胞。找到之后，他就用“鑰匙”與細(xì)胞表面上的“鎖”相結(jié)合，細(xì)胞的大門就會向它打開，他就會把遺傳物質(zhì)注入進(jìn)細(xì)胞里，蛋白質(zhì)外殼與細(xì)胞膜融合了。比如對于這次新冠疫病毒的鑰匙就可以直接打開口腔黏膜、呼吸道粘膜、眼結(jié)膜上粘膜細(xì)胞的大門，因此它是可以通過呼吸道傳播的疾病。而對于HIV的CD4蛋白鑰匙只能打開血液中的輔助T細(xì)胞的大門，不能打開粘膜細(xì)胞的大門，因此艾滋病只能通過血液或體液傳播，而不能通過呼吸道傳播。

關(guān)于病毒的遺傳物質(zhì)復(fù)制過程，不同的病毒差異很大。美國病毒學(xué)家David Baltimore根據(jù)不同的病毒基因組產(chǎn)生mRNA方式的不同分成為了七種，我們稱之為巴爾的摩分類法，因?yàn)楸容^復(fù)雜我們以圖解+文字的方式會更加直觀清楚

1.雙鏈DNA基因組的病毒?（代表病毒：腺病毒（病毒性的感冒罪魁禍?zhǔn)字唬┡c天花病毒）

2.有缺口的雙鏈DNA基因組（代表病毒乙肝病毒HBV）

DNA的基因組有個缺口，缺口上還有一小段RNA，基因組自帶一個逆轉(zhuǎn)錄酶，可以把這個缺口補(bǔ)齊，形成雙鏈閉合環(huán)狀的DNA，缺口閉合后其余與上述類似了。

3.?單鏈DNA基因組

單鏈DNA可以分為負(fù)鏈或者正鏈，但是沒有關(guān)系，宿主細(xì)胞的DNA聚合酶都可以把他們補(bǔ)成雙鏈。后續(xù)的步驟就和第一個差不多了，這部分病毒的基因組也可以是環(huán)形的也可以是線性的。

4.?雙鏈RNA(dsRNA)基因組（代表病毒：引起嬰幼兒腹瀉的輪狀病毒）

這種dsRNA病毒是自帶干糧。所以，病毒可以以負(fù)鏈RNA為模板形成mRNA，產(chǎn)生的病毒蛋白到達(dá)一定程度以后，又可以以mRNA（正鏈）為模板繼續(xù)合成負(fù)鏈RNA，形成dsRNA。

5.?單正鏈RNA基因組（代表病毒：冠狀病毒（SARS，MERS，新冠病毒），寨卡病毒，登革病毒（登革熱），脊髓灰質(zhì)炎病毒（小兒麻痹））

簡單來說就是他的遺傳物質(zhì)（單鏈RNA又叫ssRNA可直接做mRNA）這個種類的病毒中對人類致病的病原體可以說是最多的，本次的罪魁禍?zhǔn)拙褪撬?/p>

6.?單負(fù)鏈RNA基因組（代表病毒：麻疹病毒，腮腺炎病毒，狂犬病病毒，埃博拉病毒）

這種病毒作為人類病原體也是非常多的。

7.?逆轉(zhuǎn)錄病毒（代表病毒：HIV）

復(fù)制裝配完病毒就要釋放了釋放也有兩種：

第一種叫無囊泡釋放

病毒會不斷在復(fù)制中裝配，但不會通過囊泡排出細(xì)胞外，直到病毒數(shù)量過于龐大，細(xì)胞撐不住了會直接爆炸，細(xì)胞膜被破壞，病原體繼續(xù)傳播。其特點(diǎn)是：體內(nèi)細(xì)胞間傳播速度有限，對宿主細(xì)胞破壞大，潛伏期短發(fā)病早，復(fù)制過程中不易被巨噬細(xì)胞（白細(xì)胞）警覺，但如果被白細(xì)胞發(fā)現(xiàn)細(xì)胞被感染，很有可能細(xì)胞和細(xì)胞內(nèi)病原體被一鍋端。實(shí)際上腺病毒在感染人體細(xì)胞時，當(dāng)病毒達(dá)到一定數(shù)量細(xì)胞就會向白細(xì)胞發(fā)出信號，白細(xì)胞接到信號就會把該細(xì)胞一口吞掉，細(xì)胞內(nèi)的病毒也就被白細(xì)胞的溶酶體釋放的酶消化掉了。

第二種叫有囊泡釋放

病毒裝配完后進(jìn)入高爾基體順著囊泡不斷運(yùn)送至體外，排出的病毒找新寄主細(xì)胞，而宿主細(xì)胞本身也可以存活很久。特點(diǎn)是：病原體傳播迅速，感染細(xì)胞多，因?yàn)閷λ拗骷?xì)胞破壞過程長，故發(fā)病晚，潛伏期長，一旦發(fā)病發(fā)展會十分迅速。此次冠狀病毒就屬于這種類型。

講完那五步咱們對新冠病毒做個梳理，增進(jìn)個認(rèn)識。首先因?yàn)楸砻嬗信c粘膜細(xì)胞結(jié)合的“鑰匙”蛋白，因此該病毒可以通過呼吸道傳播，且以粘膜眾多的呼吸道和肺部感染為主；他屬于單鏈RNA病毒，遺傳物質(zhì)無糾錯機(jī)制，因此容易發(fā)生變異，病毒疫苗效果可能時效有限；最后由于用囊泡釋放，病毒傳播迅速，感染身體內(nèi)的細(xì)胞數(shù)量多，潛伏期長，一旦發(fā)病發(fā)展會十分迅速。

到這里我來做個小總結(jié)：我們高中學(xué)習(xí)生物很強(qiáng)調(diào)病毒增殖的這五步的名詞，卻不知道為什么強(qiáng)調(diào)他們。根據(jù)上面所講的案例小編才分析出其中的原因，吸附與注入對應(yīng)的病毒的傳播途徑與感染位置；復(fù)制與裝配反映的是病毒的增殖和遺傳物質(zhì)的自身性質(zhì)；而最后的釋放的不同方法對應(yīng)的是其發(fā)病特點(diǎn)。對于病毒以上五步的掌握，也就掌握了病毒與疾病的特點(diǎn)，因此他們異常重要。

我們回到新冠病毒，前面我們已經(jīng)基本了通過增殖5步的分析基本解了新冠病毒，下面我們來了解一下他的傳播途徑本身。

此次病毒在人傳人比較快速的其原因就是呼吸道傳播本身迅速。感染病毒后，打一個噴嚏就會噴出10000個以上的飛沫，最遠(yuǎn)傳到8m以外，咳嗽1000-2000個飛沫最遠(yuǎn)傳到6m，最后即使是平靜的說話也會產(chǎn)生每分鐘大約500個飛沫，下圖是一個人打噴嚏的照片，質(zhì)量大的飛沫會以綠色軌跡落在地上，而紅色的是小飛沫形成的霧云，他們在空氣中蒸發(fā)變小成為干燥的飛沫核，蛋白質(zhì)包裹著病毒在空氣里飄蕩，等著接觸下一個人的粘膜，尋找新寄主。

病毒的存在

病毒是一種準(zhǔn)生命體，他的最終目的就是寄生+增殖。在他們中有些會被生物的免疫系統(tǒng)消滅然后獲得終生的特異性免疫（比如腮腺炎病毒），有些本身致死率低但會不斷地變異隔三差五跑出來騷擾人們（比如流感病毒），有時病毒快速的殺死了寄主他就會回歸自然，自生自滅（比如埃博拉病毒），病毒自身當(dāng)然也不希望快速殺死宿主，所以最“優(yōu)秀”的病毒其實(shí)是能夠一直在人體內(nèi)寄生和潛伏很長一段時間，既不會引起很大的免疫反應(yīng)，也能維持自己繁殖，能做到這點(diǎn)的病毒少之又少，比較接近的是HIV艾滋病毒和HBV乙肝病毒，他們中的很多感染者，都是攜帶者本身不發(fā)病，目前也無法根治只能維持，體內(nèi)的病毒會長期存在且控制在一定比例，既不會很快殺死宿主，也不會被免疫系統(tǒng)鏟除。當(dāng)然潛伏時期很長的，過于“優(yōu)秀”的病毒也是有的，人體內(nèi)有8%的DNA人們并不知道他的作用，人們懷疑這些DNA就是隨著人類的進(jìn)化和繁衍，這些病毒逐漸保留在了人類的DNA中，逐漸就忘了自己的初心和使命，也忘了自己病毒的身份，但他們確實(shí)達(dá)到了把自己的遺傳物質(zhì)不斷傳播下去的目的，這種現(xiàn)象其實(shí)在生物界比較常見。（ps:推薦一本經(jīng)典科普書《自私的基因》）

某種意義上病毒也是一種對于大自然生命體（包括細(xì)菌和生物）數(shù)量的控制，是一種維持大自然穩(wěn)態(tài)的手段，當(dāng)然我并不是給因病毒而引發(fā)人類的疾病洗白。我只是想說病毒在大自然本身是具有重要意義的。人類也不要一味地唾棄病毒，因?yàn)槿祟愐部梢杂行Ю貌《镜脑旄Ｈ祟愖约?，對于?xì)菌性感染（如綠膿桿菌），人們就可以利用噬菌體病毒這個特效藥殺滅感染人體細(xì)菌。東非蝗災(zāi)鬧得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，如果人們能夠發(fā)現(xiàn)一種生物農(nóng)藥即專門針對蝗蟲的病毒，人們就可以用這種病毒，快速高效環(huán)保的消滅蝗蟲，實(shí)際上部分生物農(nóng)藥已經(jīng)運(yùn)用到了生產(chǎn)實(shí)踐中。

本期問題：

1.病毒的生命周期主要分為哪五步？

答案:①吸附→②注入→③復(fù)制→④裝配→⑤釋放→①…….

2.分享一些你關(guān)于病毒的認(rèn)識？

3.大家想知道關(guān)于新冠肺炎疫情或者SARS-cov-2病毒的一切問題都可以發(fā)給我們，我們根據(jù)情況和目前的科研進(jìn)展，搜集一些大家問題，在后面的文章中回復(fù)大家。（歡迎大家踴躍留言）

精選留言：病毒至少含有核酸和蛋白質(zhì)兩種組分。發(fā)酵工業(yè)中的的噬菌體污染會嚴(yán)重危及生產(chǎn)。許多侵害有害生物的病毒可制成生物防治劑用于實(shí)踐生產(chǎn)。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?————Вперед, товарищи

參考資料：

1.《生物學(xué)》浙科版，必修3穩(wěn)態(tài)與環(huán)境。

2.《生物》北京版，第三冊、第四冊

3.《冠狀病毒是什么？武漢新型肺炎病毒是如何使人生病的？》李永樂老師

4.《病毒的復(fù)制》百度文庫

5.《巴爾的摩分類系統(tǒng)》-知乎

6.《關(guān)于新冠肺炎的一切》回形針

隨著新冠肺炎疫情的持續(xù)，我們對于這次疫情了解的越來越多了，材料視角會這幾周加更幾期關(guān)于新冠肺炎的科普，會涉及包括材料和生命科學(xué)在內(nèi)的多個學(xué)科，希望大家能夠?qū)σ咔楦恿私?，同學(xué)們更應(yīng)該保護(hù)好自己，科學(xué)防控，保持健康。

眾? 志? 成? 城??? 共? 克? 時? 艱

本文作者：于世龍

時任審閱：劉孟茜

時任編輯：許心雨

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