“停课不停学”寒假自学锦囊第一篇:生物科学—走近病毒

李龙龙、黄颖、刘延上、余小红

联合编撰本文!

师伴寒假

为响应教育部要求,帮助每个学生“学习不延期”,帮助家长们在家中更好地参与学生们的学习及成长,从1月30日开始,我们将会在成实外国际部官方微信上相继推出由成实外国际部各学科老师带来的“师伴长假丨成实外国际部寒假自学锦囊”系列文章。

今天,我们成实外国际部科学组的代表老师,为大家带来了自学锦囊第一篇——生物科学,走近病毒

2019年12月1日,武汉市部分医疗机构陆续出现了不明原因的肺炎病人,武汉市持续开展了流感及相关疾病监测,发现病毒性病例27例,均诊断为病毒性肺部感染。

2020年1月7日21时,医学研究机构最终从感染病人中检测出一种新型冠状病毒,并获得了病毒的全基因组序列。随后的故事大家都知道了,这种新型的冠状病毒开始肆虐武汉市,并由流动的人群传播到了全国各地,乃至全球各地。

那么,

“什么是病毒?”

“什么又是冠状病毒?”

“病毒如何让我们生病并进行传播的”

“我们如何对抗病毒呢?”

……

针对这些问题,成实外国际部的科学组老师们一起编撰了下面这篇文章来为同学及家长们专业科普,还有成实外国际部Jack老师倾囊相授的学好生物课程的秘诀,希望帮助大家宅在家也依然能“停学不停课”。

PartI: 关于病毒(virus)

Q1:什么是病毒?

病毒是一种个体微小,没有细胞结构的非细胞生命形态(small infectious agent)。大多数的病毒结构简单,由蛋白质外壳(protein envelope)和内部的遗传物质(genetic material)组成,内部遗传物质为一种核酸(双链的DNA或单链的RNA)

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▲上图为RNA病毒结构模式图

病毒不能独立生存,必须寄生在其他生物的细胞内,利用宿主细胞的物质原料不断合成新的蛋白质外壳和核酸,然后组装成无数新的病毒,以此实现增殖。宿主细胞被病毒消耗殆尽后死亡破裂,大量病毒释放出来后继续寻找其它细胞侵入繁殖。简单来说:宿主细胞是一个加工厂,病毒入侵了这个加工厂,黑了加工厂的控制电脑,让这个加工厂代其生产自己需要的零件,并组装,最后再把这个工厂挤爆,随后去侵占更多的加工厂。

根据遗传物质可以分成DNA病毒和RNA病毒两大类。根据寄主不同,如果寄生在植物体内为植物病毒如烟草花叶病毒;寄生在动物体内为动物病毒,如现在正流行的新型冠状病毒(2019-nCoV),埃博拉病毒(Ebola virus),2003年的SARS病毒,导致非洲猪瘟(African swine fever,ASF)的非洲猪瘟病毒(ASFVirus,ASFV)。

Q2 有哪些对人类影响比较大的病毒?

01.

Ebola埃博拉病毒

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▲埃博拉病毒(Ebola virus)

埃博拉是由埃博拉病毒(Ebola virus,EBOV)引起的一种急性出血性传染病,已成为世界第二大流行病毒。主要通过患者的血液和排泄物传播,临床主要表现为急性起病、发热、肌痛、出血、皮疹和肝肾功能损害。2014年至2016年,埃博拉病毒在西非国家几内亚、利比里亚和塞拉利昂发生了最大规模的疫情,超过28000人感染,超过11000人死亡。

02.

SARS病毒

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▲SARS-CoV电镜照片 来源www.cdc.gov

SARS病毒属于冠状病毒科(coronavirus),RNA病毒。

病毒粒子多呈圆形,有囊膜,外周有冠状排列的纤突,分布于细胞浆中,呈圆形,病毒直径在80~120nm之间。

SARS (Severe acute respiratory syndrome)是一种起病急、传播快、病死率高的传染病,被传染的病人多数都与患者直接或间接接触,或生活在流行区内。临床上表现为缺氧、紫绀、38℃以上高热、呼吸加速或呼吸窘迫综合征、气促等,X片表现为肺部不同程度改变。2003年的SARS病毒波及全球,中国大陆约发病5300多例,死亡近350例。全球发病8000多例,死亡770多例。

03.

Coronavirus新型冠状病毒

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▲电镜下的冠状病毒 来源:Dr. Fred Murphy, CDC

当下流行肆虐的新型冠状病毒和SARS病毒一样属于冠状病毒科(coronavirus)。还有一个严重传染性冠状病毒是MERS(中东呼吸综合征)冠状病毒。之所以叫做冠状病毒是因为病毒的表面覆盖着像皇冠似的棘突。

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新型冠状病毒感染的肺炎患者目前已知症状以发热、乏力、干咳为主要表现,并逐渐出现呼吸困难,严重者表现为急性呼吸窘迫综合征、脓毒症休克、代谢性酸中毒和凝血功能障碍。它通过咳嗽或打喷嚏在空气中传播,没有防护情况下与病人密切接触,或触摸被污染的物体表面等都可能感染该病毒。

由于它之前从未在人类中出现过,因此几乎每个人都属于易感人群。据目前数据显示它的传染性比2003年SARS强。目前也没有针对它的疫苗或是特效药,中老人尤其有基础病(糖尿病等)的人容易发展成重症甚至死亡。疫情的发展趋势较难预测,做好隔离,个人防护是我们每个人能采取的有效规避该传染病的措施。科学家们对该病毒的基因组信息、疫苗研发等研究也在第一时间迅速开展。希望本次疫情能尽快消散,人们恢复正常的工作生活。

除了以上介绍的三种引起传染性疾病的病毒,在人类文明史中,还有这些病毒严重威胁人类生命和健康。1918年夺去 5000多万人生命的甲型流感病毒,艾滋病毒、肝炎病毒、狂犬病毒、登革热病毒等。

Part II: 抗病毒药物的机制

1月29日上午,人民日报发表微博为大家带来一则好消息,科研人员发现3种药物对病毒有较好的抑制作用,分别是Remdesivir伦地西韦、Chloroquine氯喹、以及Ritonavir利托那韦。这则新闻给我们带来了巨大的信心,毕竟应对传染性如此强的新型冠状病毒,光靠被动躲避是远远不够的,我们还需要有主动对抗的武器。

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那么,Remdesivir伦地西韦、Chloroquine氯喹、以及Ritonavir利托那韦这三种药物是如何对抗病毒的呢?

抗病毒药物的作用机制是怎样的呢?为什么抗病毒药物的研发如此困难呢?在此,我们一起简单了解一下吧。

Q1抗病毒药物的作用机制是怎么样的呢?

想了解抗病毒药物的作用机制,我们首先来看病毒的复制过程。病毒需要在细胞内繁殖,它寄生于宿主细胞内,依赖宿主细胞代谢系统进行增殖复制。病毒复制需要经历以下这8个过程(参考视频):

病毒复制的八个过程

① 病毒识别并吸附到宿主细胞的表面;

② 通过宿主细胞膜穿入易感细胞;

③ 脱壳;

④ 合成早期的调控蛋白及核酸多聚酶;

⑤ 病毒基因组(DNA或RNA)复制;

⑥ 合成后期的结构蛋白;

⑦ 子代病毒的组装;

⑧ 易感细胞释放子代病毒。

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抗病毒药物发挥作用的机制,就在于影响病毒复制周期的某个环节而实现的。比如:

② 干扰病毒吸附

④ 抑制病毒生物合成

① 直接抑制或杀灭病毒

③ 阻止病毒穿入细胞

⑤ 抑制病毒释放或增强宿主抗病毒能力等

▲点击观看视频

Q2 伦地西韦、利托那韦、氯喹如何对抗病毒?

首先,让我们先来看看这三个抗病毒药物的真正模样吧:

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▲Remdesivir伦地西韦

经研究发现,Remdesivir伦地西韦可掺入到病毒新合成的RNA链中,进而中断病毒基因组的合成,从而阻止病毒复制的第5个步骤 – 阻断病毒基因组(DNA或RNA)复制。

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▲Ritonavir利托那韦

Ritonavir利托那韦常用于抑制HIV病毒复制过程中所需的天冬氨酸蛋白酶,阻断其产生成熟HIV颗粒所需的聚蛋白,使HIV颗粒因而保持在未成熟的状态。从而阻止病毒复制的第6个步骤 – 阻断合成后期的结构蛋白。

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▲Chloroquinediphosphate 二磷酸氯喹

Chloroquine氯喹是一种细胞自噬抑制剂,病毒作为专性细胞内寄生物,在长期进化过程中,不但具备了逃逸宿主细胞自噬的功能,甚至能够利用自噬来促进自身复制。故而氯喹与其他药物合用,也可以增强抗病毒效果。

Q3 为什么抗病毒药物的研发如此困难呢?

多数病毒缺乏酶系统,不能独立自营生活,必须依靠宿主的酶系统才能使其本身繁殖(复制),病毒核酸有时整合于细胞,不易消除,因此抗病毒药研究发展缓慢。

Part III: 作为高中生,我们如何学习好生物这门学科呢?

成外国际部的同学们应该可以发现,我们在高一上学期生物课程中其实已经学习过关于病原体和传染病的相关知识,临近期末还观摩了科普鼠疫的影片。虽然高中阶段的生物学知识无法让你成为攻克病毒的专家,但足以使你正确认知以及预防病毒感染,做到在战术上重视“敌人”,战略上藐视“敌人”。

生物学科作为生命科学的基础,涵盖了生命活动的方方面面,从微观到宏观,小到分子层面,大到整个地球的生态系统,人的生老病死,人与自然界的和谐相处均在其研究范围之内,是不是充分体现了生物学科的重要性以及学习她的必要性呢?

那作为一名高中生,我们该如何学习生物这门学科呢?跳脱开老生常谈的,诸如认真听课好好做笔记之类的话题,我们从学科特点来做一个简单的分析:

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概括点讲,生物学研究的是生物的结构(structures)与功能(functions),从生物大分子(biologicalmolecules)开始,如碳水化合物(carbohydrates),蛋白质(proteins),脂质(lipids)与核酸(nucleic acids)的结构和功能,到细胞(cell)的结构功能,再到组织(tissue)、器官(organ)乃至系统(organsystem)的结构和功能。

那么我们学习生物的过程,就是理解和掌握这些结构与功能之间的关系,他们的结构是怎样的,为什么这样的结构可以产生对应的功能;通过对功能的了解,我们进而可以推导出可能的结构;在结构和功能之间我们能够找到某种适应性,从而更好的理解生物的进化。

回到我们刚才的话题,我们要如何学习好生物这门课程呢?

秘诀就在于:从微观到宏观对结构和功能进行统一,跨层级之间建立好联系。

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▲图为Clare老师的生物总结笔记

Part IV “停课不停学”,那些在家自己可以做的任务

停学在家的这些时间,同学以及家长们都迎来了大片的空白时间,但对听课在家的同学们来说,依然有很多丰富的学习资源和渠道可以帮助大家“停课不停学”。

1.BBC的一段纪录片,详细介绍了病毒是如何致命的,建议家长可以与学生一起观看。

纪录片名:《病毒为何致命》

导演: Dick Taylor

观看链接:

https://m.v.qq.com/play/play.htmlvid=w0020ecw11b&coverid=yshfzn2w9teq4ex&ptag=4_7.8.5.23034_copy(在浏览器复制打开)

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2.寒假小任务:同学们可在下列两个题目中任选一个制作成海报,优秀的作品可以得到科学组奖品一份!

A. Virus Invasion:内容需要阐述病毒侵入人体及人体细胞的过程;

B.Microbattles:内容为阐述人类与病毒的抗争史。

任务要求:

需要用A3大小的纸张;

文字需要占50%的纸张面积;

全英文制作,注意拼写及英文语法。

Part V 写在最后,老师们的寄语

前有周恩来总理为中华之崛起而读书,当今时代,我们为何而读书,此次疫情给了我们最好的答案:学好科学知识,不仅对个人有利,更对我们的国家有有利,对人类的健康和生活有利。我们需要向钟南山院士那样的人才,未来,需要年轻一辈的崛起!

本文援引以下文献资料:

(现疫情期间知网已免费开放,希望同学们也能借此时机对感兴趣的内容进行仔细阅读学习。)

成都市卫生健康委员会,成都市疾病预防控制中心.新型冠状病毒感染的肺炎防治知识问答,2020年1月.

高岩,刘宗英,李卓荣,抗流感病毒药物研究进展[J],中国医药生物技术,2015,10(06):533-539.

TchesnokovEgor P, Feng Joy Y, Porter Danielle P, Götte Matthias. Mechanism of Inhibitionof Ebola Virus RNA-Dependent RNA Polymerase by Remdesivir.[J]. Viruses, 2019, 11(4).

孙英杰,细胞自噬在新城疫病毒感染过程中的作用[D],中国农业科学院,2013.

王昭月,首个成人埃博拉疫苗获美国FDA批准上市,生物探索.

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