（原）材料视角 | 新冠肺炎何以牵动人心（一）

初原载于 工大材料汇    2020-03-06

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材料视角新冠肺炎系列科普

新冠肺炎何以牵动人心

武 / 汉 / 加 / 油，中 / 国 / 加 / 油

（一）

病毒与冠状病毒

病毒（virus）是一种个体微小（约为细菌大小的百分之一，只能用电子显微镜观察），结构简单（无细胞结构），只含一种核酸（DNA或RNA），必须在活细胞内寄生并以一定复制方式增殖的非细胞型生物。其目的在于复制增殖，在这一点上生物学和计算机科学中的病毒是具有一致性。

他于1892年研究了烟草花叶病，并发现了一种比细菌还小的致病物质，即后来人们发现的烟草花叶病毒，病毒的基本结构是分为衣壳和遗传物质，衣壳由蛋白质组成是病毒的外壳，遗传物质多为RNA或DNA。衣壳与核酸分子统称为核衣壳。以HIV为例，该病毒表面还包裹着类似细胞膜的胞膜和刺突结构，刺突结构是进入细胞的钥匙，上面具有和细胞表面的受体能够特异性结合的蛋白质，如HIV的CD4蛋白与衣壳共同决定病毒的特异性。对于冠状病毒名称的由来，是因为此类病毒外面的刺突结构像王冠（guān）因此叫冠（guān）状病毒，此外它还有一些酶：如逆转录酶、RNA聚合酶等。

1935年美国科学家斯坦利研究出了病毒的组成并提取出了烟草花叶病毒的结晶体，

他于1946年获得了诺贝尔化学（理综）奖。听到这里材料人们可能会有疑问，病毒也有晶体吗？也具有晶体结构吗？答案是肯定的，在寄主细胞外病毒为了保证自身的核酸完整及蛋白质物质不变，形成结晶体。结晶体并不具备生命体征，就像灰尘一样，只有在寄生细胞内才有生命活性，因此也有人说病毒是一种介于生物与非生物的东西，被称为生命的“边缘”。病毒的晶体结构对于我们应对病毒尤其是药物研发有着重要的参考和指导作用。1月26日，上海科技大学免疫化学研究所和中国科学院上海药物研究所抗2019－nCoV冠状病毒感染联合应急攻关团队宣布：上海科技大学饶子和与杨海涛课题组已测定新型冠状病毒3CL水解酶（Mpro）高分率晶体结构。（如下图所示）

病毒的增值

病毒的增殖主要分为五步，这里来带大家回忆一下高中生物的必考知识点：

①吸附→②注入→③复制→④装配→⑤释放→①…….

如此循环往复，虽然大家都学过但大家可能并不了解有些名词所表达的具体过程我们下面着重介绍一下他们。

病毒进入生命体内需要首先突破人体的非特异性免疫防线并找到能与它们刺突上的钥匙相结合的宿主细胞。找到之后，他就用“钥匙”与细胞表面上的“锁”相结合，细胞的大门就会向它打开，他就会把遗传物质注入进细胞里，蛋白质外壳与细胞膜融合了。比如对于这次新冠疫病毒的钥匙就可以直接打开口腔黏膜、呼吸道粘膜、眼结膜上粘膜细胞的大门，因此它是可以通过呼吸道传播的疾病。而对于HIV的CD4蛋白钥匙只能打开血液中的辅助T细胞的大门，不能打开粘膜细胞的大门，因此艾滋病只能通过血液或体液传播，而不能通过呼吸道传播。

关于病毒的遗传物质复制过程，不同的病毒差异很大。美国病毒学家David Baltimore根据不同的病毒基因组产生mRNA方式的不同分成为了七种，我们称之为巴尔的摩分类法，因为比较复杂我们以图解+文字的方式会更加直观清楚

1.双链DNA基因组的病毒 （代表病毒：腺病毒（病毒性的感冒罪魁祸首之一）与天花病毒）

2.有缺口的双链DNA基因组（代表病毒乙肝病毒HBV）

DNA的基因组有个缺口，缺口上还有一小段RNA，基因组自带一个逆转录酶，可以把这个缺口补齐，形成双链闭合环状的DNA，缺口闭合后其余与上述类似了。

3. 单链DNA基因组

单链DNA可以分为负链或者正链，但是没有关系，宿主细胞的DNA聚合酶都可以把他们补成双链。后续的步骤就和第一个差不多了，这部分病毒的基因组也可以是环形的也可以是线性的。

4. 双链RNA(dsRNA)基因组（代表病毒：引起婴幼儿腹泻的轮状病毒）

这种dsRNA病毒是自带干粮。所以，病毒可以以负链RNA为模板形成mRNA，产生的病毒蛋白到达一定程度以后，又可以以mRNA（正链）为模板继续合成负链RNA，形成dsRNA。

5. 单正链RNA基因组（代表病毒：冠状病毒（SARS，MERS，新冠病毒），寨卡病毒，登革病毒（登革热），脊髓灰质炎病毒（小儿麻痹））

简单来说就是他的遗传物质（单链RNA又叫ssRNA可直接做mRNA）这个种类的病毒中对人类致病的病原体可以说是最多的，本次的罪魁祸首就是他。

6. 单负链RNA基因组（代表病毒：麻疹病毒，腮腺炎病毒，狂犬病病毒，埃博拉病毒）

这种病毒作为人类病原体也是非常多的。

7. 逆转录病毒（代表病毒：HIV）

复制装配完病毒就要释放了释放也有两种：

第一种叫无囊泡释放

病毒会不断在复制中装配，但不会通过囊泡排出细胞外，直到病毒数量过于庞大，细胞撑不住了会直接爆炸，细胞膜被破坏，病原体继续传播。其特点是：体内细胞间传播速度有限，对宿主细胞破坏大，潜伏期短发病早，复制过程中不易被巨噬细胞（白细胞）警觉，但如果被白细胞发现细胞被感染，很有可能细胞和细胞内病原体被一锅端。实际上腺病毒在感染人体细胞时，当病毒达到一定数量细胞就会向白细胞发出信号，白细胞接到信号就会把该细胞一口吞掉，细胞内的病毒也就被白细胞的溶酶体释放的酶消化掉了。

第二种叫有囊泡释放

病毒装配完后进入高尔基体顺着囊泡不断运送至体外，排出的病毒找新寄主细胞，而宿主细胞本身也可以存活很久。特点是：病原体传播迅速，感染细胞多，因为对宿主细胞破坏过程长，故发病晚，潜伏期长，一旦发病发展会十分迅速。此次冠状病毒就属于这种类型。

讲完那五步咱们对新冠病毒做个梳理，增进个认识。首先因为表面有与粘膜细胞结合的“钥匙”蛋白，因此该病毒可以通过呼吸道传播，且以粘膜众多的呼吸道和肺部感染为主；他属于单链RNA病毒，遗传物质无纠错机制，因此容易发生变异，病毒疫苗效果可能时效有限；最后由于用囊泡释放，病毒传播迅速，感染身体内的细胞数量多，潜伏期长，一旦发病发展会十分迅速。

到这里我来做个小总结：我们高中学习生物很强调病毒增殖的这五步的名词，却不知道为什么强调他们。根据上面所讲的案例小编才分析出其中的原因，吸附与注入对应的病毒的传播途径与感染位置；复制与装配反映的是病毒的增殖和遗传物质的自身性质；而最后的释放的不同方法对应的是其发病特点。对于病毒以上五步的掌握，也就掌握了病毒与疾病的特点，因此他们异常重要。

我们回到新冠病毒，前面我们已经基本了通过增殖5步的分析基本解了新冠病毒，下面我们来了解一下他的传播途径本身。

此次病毒在人传人比较快速的其原因就是呼吸道传播本身迅速。感染病毒后，打一个喷嚏就会喷出10000个以上的飞沫，最远传到8m以外，咳嗽1000-2000个飞沫最远传到6m，最后即使是平静的说话也会产生每分钟大约500个飞沫，下图是一个人打喷嚏的照片，质量大的飞沫会以绿色轨迹落在地上，而红色的是小飞沫形成的雾云，他们在空气中蒸发变小成为干燥的飞沫核，蛋白质包裹着病毒在空气里飘荡，等着接触下一个人的粘膜，寻找新寄主。

病毒的存在

病毒是一种准生命体，他的最终目的就是寄生+增殖。在他们中有些会被生物的免疫系统消灭然后获得终生的特异性免疫（比如腮腺炎病毒），有些本身致死率低但会不断地变异隔三差五跑出来骚扰人们（比如流感病毒），有时病毒快速的杀死了寄主他就会回归自然，自生自灭（比如埃博拉病毒），病毒自身当然也不希望快速杀死宿主，所以最“优秀”的病毒其实是能够一直在人体内寄生和潜伏很长一段时间，既不会引起很大的免疫反应，也能维持自己繁殖，能做到这点的病毒少之又少，比较接近的是HIV艾滋病毒和HBV乙肝病毒，他们中的很多感染者，都是携带者本身不发病，目前也无法根治只能维持，体内的病毒会长期存在且控制在一定比例，既不会很快杀死宿主，也不会被免疫系统铲除。当然潜伏时期很长的，过于“优秀”的病毒也是有的，人体内有8%的DNA人们并不知道他的作用，人们怀疑这些DNA就是随着人类的进化和繁衍，这些病毒逐渐保留在了人类的DNA中，逐渐就忘了自己的初心和使命，也忘了自己病毒的身份，但他们确实达到了把自己的遗传物质不断传播下去的目的，这种现象其实在生物界比较常见。（ps:推荐一本经典科普书《自私的基因》）

某种意义上病毒也是一种对于大自然生命体（包括细菌和生物）数量的控制，是一种维持大自然稳态的手段，当然我并不是给因病毒而引发人类的疾病洗白。我只是想说病毒在大自然本身是具有重要意义的。人类也不要一味地唾弃病毒，因为人类也可以有效利用病毒的造福人类自己，对于细菌性感染（如绿脓杆菌），人们就可以利用噬菌体病毒这个特效药杀灭感染人体细菌。东非蝗灾闹得沸沸扬扬，如果人们能够发现一种生物农药即专门针对蝗虫的病毒，人们就可以用这种病毒，快速高效环保的消灭蝗虫，实际上部分生物农药已经运用到了生产实践中。

本期问题：

1.病毒的生命周期主要分为哪五步？

答案:①吸附→②注入→③复制→④装配→⑤释放→①…….

2.分享一些你关于病毒的认识？

3.大家想知道关于新冠肺炎疫情或者SARS-cov-2病毒的一切问题都可以发给我们，我们根据情况和目前的科研进展，搜集一些大家问题，在后面的文章中回复大家。（欢迎大家踊跃留言）

精选留言：病毒至少含有核酸和蛋白质两种组分。发酵工业中的的噬菌体污染会严重危及生产。许多侵害有害生物的病毒可制成生物防治剂用于实践生产。

                                             ————Вперед, товарищи

参考资料：

1.《生物学》浙科版，必修3稳态与环境。

2.《生物》北京版，第三册、第四册

3.《冠状病毒是什么？武汉新型肺炎病毒是如何使人生病的？》李永乐老师

4.《病毒的复制》百度文库

5.《巴尔的摩分类系统》-知乎

6.《关于新冠肺炎的一切》回形针

随着新冠肺炎疫情的持续，我们对于这次疫情了解的越来越多了，材料视角会这几周加更几期关于新冠肺炎的科普，会涉及包括材料和生命科学在内的多个学科，希望大家能够对疫情更加了解，同学们更应该保护好自己，科学防控，保持健康。

众  志  成  城    共  克  时  艰

本文作者：于世龙

时任审阅：刘孟茜

时任编辑：许心雨

时任责任编辑：王雪篪

时任总编辑：李晓萌