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入侵&反击!病原体和人体的攻防战[疫情科普系列之一]

编者按: 

中科院www.4066.com是国内最大的综合性微生物学研究单位,目前研究所承担的任务,是针对这次疫情最基础的工作,包括疫苗研发、抗体开发、治疗药物研究、病毒传播机制研究、数据库建设与数据快速共享等。
www.4066.com作为科研国家队,有责任,有义务,担起应急科研攻关和后续研发的重担。
全所上下,不计名利,不计成本,众志成城,与疫情争分夺秒。
大家坚信,通过科研工编辑的努力,定会为国家、为人民提供更好的“战斗武器”,为国家分忧,守护人民健康!也定会为再次应对此类疫情,提供坚实的科学和技术储备。
向日夜奋战在实验室的www.4066.com的科研工编辑致敬!
从今天起,中国科学院www.4066.com公众号推出面向病毒疫情的科普系列文章,让大家团结一致,抗击新型冠状病毒,保卫家园!

 

  
 

入侵&反击!病原体和人体的攻防战

  编辑:www.4066.com
 

  当前,新型冠状病毒流行,做好防护的同时大家也听到“目前没有特效药物”的消息,有人会问:为什么不能用抗生素治疗呢?
 

  因为这次的病原体是病毒,不是细菌啊! 
 

  病毒和细菌到底有什么异同?为啥不能用抗生素杀病毒? 

 

  图片来源:veer图库 

  
 

  同是地球上的微小生物 
 

  细菌和病毒都是微生物。微生物作为地球上最小的生命形式,人们总是忽略它们的存在,可就是这微小的生物时时刻刻刷着“存在感”,人类一不留神就会被它们感染。 
 

  细菌是细胞,有细胞壁,有DNA,有细胞器,可以自行生产合成需要的酶并且代谢,可以自行分裂繁殖。而病毒比细菌小很多了,主要结构是蛋白质衣壳和内部的遗传物质(DNA或者RNA),而且病毒不能自我复制。病毒需要通过感染宿主细胞来复制自身的遗传物质,然后释放出更多的子代病毒去感染其它的宿主细胞。 
 

  细菌可以是无害甚至有益于人体健康的,是可以独立生存的。而病毒存在的目的就是复制自己,所以它不感染宿主就没有存在的意义,可谓是最纯粹的“自私的基因”。 
 

  二者大小相差约1000倍 

  

  广义的细菌即为原核生物,虽为细胞结构,但和人的细胞结构还是有很大差异的,它们结构更加简单,没有细胞核,只有DNA的聚集区——拟核。细菌一般为球状、杆状、螺旋状等等,人们给它命名的时候也不忘加上形状的描述,比如大肠杆菌、乳酸杆菌、金黄色葡萄球菌等等(ps. 酵母菌是真菌哦,所以名字中没有形状)。 

  

  目前已知最小的细菌只有0.2微米长,因此只能在显微镜下看到它们;而世界上最大的细菌可以用肉眼直接看见,有0.2-0.6毫米大,是一种叫纳米比亚嗜硫珠菌的细菌。 

  
 

  

 

  细菌尺寸 

  

  病毒(virus)是由一个核酸分子(DNA或RNA)与蛋白质构成的非细胞形态,靠寄生生活的介于生命体及非生命体之间的有机物种,它进入细胞后表现的DNA的复制等新陈代谢确实是生命体的特征,而离开细胞后它只是一个没有生命的结晶体。 

    

  

新型冠状病毒电镜图
 

  大多数病毒的直径在10-300纳米(nm)。一些丝状病毒的长度可达1400nm,但其宽度却只有约80nm。大多数的病毒无法在光学显微镜下观察到,而扫描或透射电子显微镜是观察病毒颗粒形态的主要工具。病毒和细菌相比,二者的大小相差约1000倍。 

  

  入侵人体 也有不同的招数 

 

  细菌中有许多“好人”,其中腐生细菌是生态系统中重要的分解者,使碳循环能顺利进行;部分细菌会进行固氮作用,使氮元素得以转换为生物能利用的形式。乳酪及酸奶和酒酿的制作、部分抗生素的制造、废水的处理等,都与细菌有关。在生物科技领域中,细菌也有着广泛的运用。当然,细菌中的“坏人”就是许多的病原菌了,包括肺结核、炭疽病、鼠疫等疾病都是由细菌所引发。 
 

  细菌和人体主要为寄生关系,咱们主要说说致病菌,由于大多数细菌有自己的代谢系统,细菌入侵人体后是可以寄生在人体正常细胞之间的。细菌夺取了机体所必须的营养物质;细菌的生长产生各种各样的代谢产物打乱了机体的生理平衡;甚至细菌的体积也成为致病的因素,干扰和破坏细胞的功能,因此,在一些疾病中,仅细菌的增殖就造成致命的后果。 

  
 

  

金黄色葡萄球菌寄生图 
 

  病毒入侵人体可能是来源于一次打喷嚏,或者一次身体接触。病毒需要寄生在活的宿主细胞之内,依赖于宿主细胞提供病毒复制过程中所需要的原料体系、能量和场所。当一个病毒准备感染宿主细胞时,其需要以下六个步骤完成其增殖活动,分别是吸附、侵入、脱壳、生物合成、组装和释放。 
 

  吸附:病毒通过识别宿主细胞膜表面特有的受体蛋白分子来“盯上”目标细胞(比如新型冠状病毒病毒识别的是人呼吸道和肺部细胞表面的血管紧张素转化酶2 -ACE2);侵入:然后病毒要么通过某种方式进入宿主细胞(如膜融合),要么直接将遗传物质注入宿主细胞之内;脱壳:紧接着病毒感染性核酸从衣壳内被释放出来;生物合成:“马不停蹄”地进行生物合成——根据基因指令,并借助宿主细胞提供的原料、能量和场所来合成病毒的核酸和蛋白质;组装:新合成的病毒核酸和蛋白质会组装成子代病毒;释放:子代病毒释放到宿主细胞外。 

    

 

 

  病毒复制示意图

  
 

  人体的防御和反击

 

  不论细菌还是病毒都要突破人体的重重防线才能够完成入侵,但人体终将发现它们的存在,人类的免疫系统有着自己的防护措施和预警机制。  

 

  第一道防线:皮肤和粘膜。人类保护自己的方式首先是防御,通过皮肤和粘膜使人体形成了一个相对密闭的系统,当有害物质将要侵入人体时,皮肤和黏膜将外界致病因素阻挡在体外。 
 

  第二道防线:杀菌物质和吞噬细胞。粘膜表面和人体内部总是有着杀菌物质和吞噬细胞在“巡逻”,防范病原体的入侵。以溶菌酶来举例,它能够破坏细菌的细胞壁,导致细胞壁破裂内容物逸出而使细菌溶解,还可与带负电荷的病毒蛋白直接结合,与DNA、RNA、脱辅基蛋白形成复盐,使病毒失活。因此,该酶具有抗菌、消炎、抗病毒等作用。   
 

  第三道防线:特异性免疫。当强大的病原体突破了前两道防线后,人体的反攻才刚刚开始。通过吞噬细胞的吞噬和特殊的免疫细胞(T细胞)的分析,人体生产出了可以特异性识别入侵物的抗体,抗体可以让病原体黏连在一起不再具有入侵性,最终暴露在细胞间的病原菌会被杀灭。但入侵了细胞的病毒是否安全了呢?非也!人体可以精妙地识别哪个细胞被病毒感染了,进而派出“杀手”杀死被感染的细胞,释放细胞内部的病毒,供抗原消灭。 
 

  但,人体的反击是需要时间准备的,病原体就会通过这样的时间间隙大肆入侵,占领人体! 

 

  辅助登场:药物治疗 
 

  细菌感染一度成为人类最大的敌人。比如当年鼠疫在欧洲叫做“黑死病”,曾经3年间就使欧洲人口减少三分之一;我国现在还将鼠疫和霍乱列为甲类传染病。直到抗生素的发现和推广,人类才控制了细菌感染的爆发。
 

  抗生素主要对细菌有杀灭作用,通过破坏细菌细胞的结构,如细胞壁、细胞膜、改变内部代谢、阻碍核酸和蛋白质合成等,进而达到杀灭细菌的目的。 

    

  

  
青霉素化学结构式 

  

  但是,抗生素对病毒是无效的!因为细菌和病毒的结构完全不同! 
 

  由于细菌拥有细胞壁,还有自己的核酸复制机器和核糖体,所以抗生素只要针对这些靶点设计,就能保证杀伤细菌而对人类副作用很小。但是,病毒没有细胞壁,没有自己的核酸酶,也没有核糖体,它所有的功能都依靠宿主细胞来完成。所以抗生素并不能杀死病毒(大家总不能制造一种杀灭宿主细胞的“抗生素”)。 
 

  理想的抗病毒药物是既能作用于病毒增值周期的某个或几个环节,予以干扰或阻断,又不影响宿主细胞的正常代谢。如常见的药物病毒唑,提供了大量核苷酸类似物,偷梁换柱取代了正常的核苷酸,使病毒失去了复制能力,起到了抑制病毒扩增的作用(但对人体也有很大副作用哦)。另外,抗流感药物奥司他韦是通过阻断子代病毒的释放从而起效的。 
 

  针对这次的肺炎疫情,中国科学院武汉病毒所和军事医学科学院的科研人员也在细胞水平上初步筛选出了对新型冠状病毒(2019-nCoV)有较好抑制作用的雷米迪维或伦地西韦(Remdesivir,GS-5734,抗埃博拉药物II期临床)、氯喹(Chloroquine,Sigma-C6628,抗疟疾药物)、利托那韦(Ritonavir,抗HIV药物)。   
 

  但大家要说,面对病毒的治疗,人类始终没有找到像抗生素一样普适性特效药,积极的治疗都是调动人体自身的免疫能力去对抗病毒,因为只有生物本身才真正懂得如何对抗生物。 

 

  (本文图片除声明来源者之外,均为开源图片) 

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